中国智能高速铁路体系架构研究及应用

王 同 军

(中国国家铁路集团有限公司， 北京 100844)

按照《中长期铁路网规划(2016年调整)》(以下简称《规划》)，到2020年时，全国铁路网规模达到15万km，其中高速铁路3万km，覆盖80%以上的大城市；到2030年时，基本实现内外互联互通、区际多路畅通、省会高铁连通、地市快速通达、县域基本覆盖，形成“八纵八横”高速铁路格局。《规划》勾画了中国高速铁路建设的宏伟蓝图，自其颁布以后，中国高速铁路建设全面加快推进。截至2018年底，中国铁路网规模达到13.1万km；其中，高速铁路运营里程超过2.9万km，占全球高速铁路运营里程的三分之二以上，超过其他国家总和，基本形成“四纵四横”的高速铁路网络格局。

随着我国高速铁路的成网运营，对高速铁路的运输组织效率、企业经营效益、旅客服务质量以及安全生产水平都提出了更高的要求，将先进的云计算、物联网、大数据、人工智能等新技术与铁路业务领域深度融合，发展智能化高速铁路，是推动高速铁路高质量建设和发展的必由途径。当前国内外高速铁路智能化的发展实践，特别是我国在高速铁路智能化道路上不断探索，智能京张、智能京雄建设全面推进，需要对智能高速铁路(以下简称智能高铁)的内涵进行界定，建立智能高铁体系架构，以对智能高铁的统筹规划与宏观指导起到整体支撑作用[1]。

1 国外高速铁路智能化发展现状

世界经济快速发展对高速铁路的运输需求、运营效率、服务品质、安全水平提出了更高的要求，如何在基础设施供给能力相对固定的前提下，大幅提升铁路运输组织效率效益、优化旅客服务品质、提高铁路安全生产水平，已成为世界高速铁路发展的关键问题，智能化成为世界高速铁路发展的必然趋势。欧盟、德国、法国、英国、日本、韩国等相继提出了高速铁路数字化、智能化的发展战略和实施路径，围绕智能高铁的相关技术开展了系列创新实践。

智能列车方面，德国在新型ICE 3高速列车中应用了智能管理系统，采用再生电力制动，车内所有系统都以最高能效方式运行，降低了列车能耗和生命周期成本；法国研制了零排放氢燃料电池列车，采用先进的智能能源管理系统，实现能源管理的智能化；意大利铁路应用大数据技术搭建动态管理维修体系(DMMS)，通过对成百上千个安装在列车上的传感器获得的数据进行分析，实时监测动车组状态并实现故障预测，使动车组维修工作更加高效[2]。

列车自动驾驶、列车运行控制及调度方面，瑞士铁路重点研究列车自动驾驶(ATO)列车模块化设计、列车运行、信号预警自动化、列车精准定位以及轨旁异物自动识别技术。瑞士、法国、德国、澳大利亚等国家铁路均着力研发集中连锁、移动闭塞、ETCS、列车精准定位等技术[3]。

工程建设智能化方面，韩国铁路以建筑信息模型(BIM)技术为核心，建立了BIM 1.0至BIM 5.0 5个阶段的发展战略。德国铁路提出到2020年底，BIM技术将覆盖所有的铁路建设项目。针对项目管理系统的招标活动采用iTWO5D BIM平台，对铁路基础设施建设进行5D BIM虚拟规划与管控。在工程项目应用方面，采用BIM对科隆—尼佩斯ICE动车段进行设计并提出了不同的可视化备选方案。英国高速铁路二号线(HS2)工程中引入了BIM技术，在极具挑战的6个月内构建地形模型，打造最优轨道线形设计，紧密联系分布在各地的设计团队实现高效协作[4]。

智能基础设施方面，欧盟提出推动桥隧路轨工程智能化施工，研究基础设施综合监控、自诊断和调整技术，探索机电一体化解决方案，开发低成本、低维护的传感器数据应用设备。日本开展了多项无线传感器网络在基础设施远程监测中的应用研究，包括桥梁、轨道、道岔、接触网、隧道等，通过无人机航拍获取被测岩体的形状和裂纹信息，可以有效确定有落石危险的岩体[5]。法国使用无人机等新技术对维修人员难以进入的场地(如高架桥、悬崖峭壁等)，以及对铁路线路、桥隧、车站、电力设施等进行检测监测。

数字化车票方面，英国铁路利用蓝牙技术和生物识别技术帮助旅客快速进站，以电子票替代传统纸质车票，利用手机进行非接触验票，缩短检票进站时间，并且将进一步采用指纹扫描、虹膜识别等技术进行验票。瑞典铁路开展了微芯片检票试点服务，允许旅客使用植入微芯片的方式进行检票。法国铁路提出开发非接触智能卡售检票系统，用无接触式智能车票替代现有的纸质车票，开展利用手机的售检票服务，开发提供换乘站信息、旅游信息和储存大量信息的电子客票系统。美国Amtrak公司引入新的网上票务系统eTicketing，旅客可通过移动设备进行网上购票，实现在家打印PDF格式车票、智能手机支付、更改或取消订单等功能，为乘客带来更加便捷的购票体验[6-7]。

供电方面，法国铁路研发了一种利用发电地板技术为车站内部分铁路设备进行供电的新型智能化技术；研发了用于直流牵引变电所的Hesop系统，实现了短途铁路智能化供电[8]。

总体来讲，铁路智能化的应用覆盖铁路运输的整个生命周期及业务流程，包括智能建造、无人工地、智能列车、自动驾驶、全流程出行服务、基于生物识别技术的身份鉴别、客服机器人、预测性维修、设备故障自动识别、自然灾害的实时监测、可穿戴设备、虚拟车窗等，从而使铁路运输更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保。

2 我国智能高铁内涵及体系架构模型

智能京张、智能京雄建设的全面启动，以及云计算、物联网、大数据、北斗定位、5G通信、人工智能等先进技术在高速铁路各专业领域研发应用的广度和深度持续扩大，标志着我国高速铁路向智能化方向迈进。基于新兴信息技术与铁路各专业相融合的智能技术的发展，成为智能高铁技术创新的主要模式，是铁路各方面能力提升的主要途径。智能高铁建设围绕高速铁路建设、装备、运营3大业务主线展开。

高速铁路建设包含了勘察设计、站前工程施工、四电工程、客运站工程、环境监控、建设管理等内容。勘察设计是高速铁路建设的第一步；站前工程主要指线路工程，包括路基、桥涵、隧道、站场、铺架等，其施工质量直接影响高速列车运营的平稳性；四电工程包括通信工程、信号工程、电力工程以及电气化工程；客运站工程主要包括地基基础、主体结构、钢结构工程、建筑屋面、幕墙工程、装饰装修、建筑电气、通风空调、给排水采暖、电梯、站前广场、雨棚工程等；铁路建设环境监控包括生态环境、地下水环境、弃渣场环境、噪声振动环境等；建设管理是对建设项目进行规划、组织、控制、指挥和协调。

高速铁路的运输装备包含移动装备(动车组)、牵引供电、列车运行控制、自动驾驶以及通信信号等。其中，动车组的全生命周期包含了设计、制造、出厂、上线运行、养护维修等各个阶段；牵引供电系统主要包括牵引变电所和接触网；列车运行控制系统主要包括防冒进功能与防超速功能；铁路通信是为组织铁路运输、指挥列车运行和业务联络，迅速、准确地传输各种信息的专用通信系统；铁路信号是为保证行、调车作业安全，提高车站、区间通过能力及列车解编能力，改善作业人员劳动条件的技术设备的总称。

高速铁路运营包括运输组织、运营安全、客运服务等方面。运输组织主要是指高速铁路调度系统，包含了行车调度、电力调度、车辆调度、客服调度、维修调度等；运营安全主要包括自然灾害及异物侵限监测系统、周界入侵报警系统、地震预警系统、综合检测列车、巡检车、超声波钢轨探伤车、6C系统等；客运服务主要包括客运售票、全过程出行服务、客运生产组织等。客运服务水平的提升对铁路运输与其他运输方式的竞争具有重要作用，提高服务质量要从“注重管理”向“注重服务”转变，本着“以服务为宗旨，待旅客如亲人”的宗旨为人民服务。

智能高铁的内涵是针对以上3大业务主线，广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM等新技术，综合高效利用资源，实现高速铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的智能化高速铁路系统[9-11]。依据智能高铁的内涵，围绕智能高铁的建设需求，建立了集业务体系、应用体系、数据体系(数据汇集体系)、技术体系、评价体系以及标准体系为一体的智能高铁三维体系架构模型，见图1。

技术体系层位于整个三维模型的最底层，是智能高铁建设的技术支撑，包括北斗、人工智能、大数据、物联网以及云计算等新技术；数据体系层建立在技术体系层之上，是智能高铁的数据支撑，规定了物联网数据、建设管理数据、综合协同数据、经营管理数据、资源管理数据、外部数据等智能高铁所有的相关数据，并且描述了数据从产生到应用的全生命周期的流向；应用体系层包含了勘察设计、工程施工、建设管理、移动装备、通信信号、牵引供电、检测监测、客运服务、运输组织、养护维修等10个方面的应用，在此基础上总结归纳为智能建造、智能装备以及智能运营3大板块的业务体系层，业务体系层和应用体系层共同组成智能高铁的业务应用体系架构，位于三维模型的上层。评价体系和标准体系贯穿了智能高铁的所有业务应用领域，评价体系包含技术、经济、环境3个层面；标准体系包括通用基础与管理标准、智能高铁应用标准、平台及支撑技术标准等3个方面。

3 智能高铁体系架构

智能高铁体系架构由业务应用体系架构、数据汇集体系架构、技术体系架构、标准体系架构以及评价指标体系架构组成。

3.1 业务应用体系架构

围绕京张高速铁路、京雄城际铁路等智能高铁的建设与运输服务需求，面向智能建造、智能装备、智能运营3大板块，开展10个领域17个方向的N项创新应用，进一步提升中国高速铁路信息化、数字化和智能化水平。智能高铁业务应用体系架构见图2。

(1) 智能建造

智能建造是围绕铁路工程建设过程中人、机、料、法、环等要素，以BIM+GIS技术为核心，促进物联网、云计算、移动互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与先进的工程建造技术相融合，通过综合运用自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，提升工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测的信息化、数字化、智能化水平，实现高速铁路建设全方位、全专业、全天候的安全质量进度管控及高效智能的施工管理，为设计、施工、运维全生命周期管理提供数据支持，涉及勘察设计、工程施工、建设管理3大领域6个方向[2]。

(2) 智能装备

智能装备是指基于物联网、大数据、人工智能、新一代通信、北斗导航、全方位态势感知、自动驾驶、运行控制等技术，实现铁路移动装备及基础设施的自感知、自学习、自诊断、自适应，实现动车组等移动装备的自动及协同运行，涉及移动装备、通信信号、牵引供电、检测监测4大领域，共6个方向。

(3) 智能运营

智能运营围绕高速铁路养护维修、运输组织和客运服务业务领域，综合运用云计算、物联网、大数据、人工智能、下一代通信、北斗导航等新一代信息技术，实时掌握人-环境-设备-信息全生产要素状态，构建数据融合、安全监测、健康管理、语音语义、智能视频、生产协同等模型，全面提升铁路设备维护维修、调度指挥、客运生产和管理、旅客服务的整体研判、协同指挥、科学决策、智能调度和管控水平，提高铁路安全生产效率，为旅客提供自助化、精准化、个性化、国际化的无障碍、全过程智能出行服务，涉及客运服务、运输组织、养护维修3大领域，共5个方向。

3.2 数据汇集体系架构

智能高铁数据汇集主要面向智能建造、智能装备、智能运营3大板块以及与智能高铁相关的6大应用系统，进行全业务、全类型的数据汇集。对于图像、视频大体量数据，优先接入报警及问题数据，对特殊需求接入全量数据。按照统一的铁路行业数据架构模型，对数据进行标准化、规范化处理，并将各专业数据进行重组融合，按工程建造、移动装备、基础设施、运营服务等不同主题建立全生命周期数据模型以及相应的数据组织与存储结构，形成一套多专业融合、多业务共享的规范数据资源，建设“平台+应用”的铁路大数据应用体系。智能高铁数据汇集体系架构见图3。

在推进智能高铁创新项目技术研究和6大应用系统建设的同时，以高速铁路建设全生命周期为主线，将工程建设阶段、试验和联调联试阶段、运营阶段等阶段产生的海量结构化和非结构化数据，及相关的外部数据，通过充分的数据汇集和融合应用来支撑各阶段多种智能应用场景。数据内容包括：在工程建设阶段铁路工程管理平台积累的设计数据、工程施工和建设管理数据；在试验和联调联试阶段，试验数据系统积累的车载设备、通信信号设备、工务设施、供电设备等试验和联调联试数据；在高速铁路运营阶段，客运组织、调度指挥、客票系统以及车站大脑等信息系统全面收集并积累的运营数据；工电供及动车的运用管理和运维系统收集积累的设备状态监测和设施设备维修数据；以及航空、城轨、公共交通、气象、互联网、公共服务等与工程建设、联调联试、运营维护等全过程管理相关的外部数据的收集积累。

3.3 技术体系架构

一套完整的科学技术体系是推动智能高铁发展的原动力，在各个层面发挥着不可或缺的力量，为智能高铁创新理念的实现提供支撑。智能高铁技术可以分为共性技术、智能高铁通用技术和专用技术3类，共同组成智能高铁技术体系架构，见图4。

(1) 智能高铁通用技术

智能高铁通用技术是指智能高铁各个专业系统都会使用的技术，分为智能感知技术、智能传输技术、智能处理技术和智能应用技术。智能感知从智能高铁的最底层采集海量基础信息，实现智能高铁主要生产要素的位置、状态、环境、人员等信息实时泛在感知。智能高铁传输网络有铁路专网、移动通信网、互联网和感知网，通过智能传输技术实时、稳定地传输智能终端的采集数据。智能处理技术是智能高铁的核心技术，赋予了高速铁路思维、判断、分析和决策的能力。智能应用将处理的信息与铁路业务相整合，实现具体智能化业务功能。

(2) 智能高铁专用技术

高速铁路是跨专业、多领域、多学科的综合性复杂系统，涉及移动装备、工务工程、通信信号、牵引供电、运输组织、设备运维、安全保障、客运服务等多个专业领域，每个领域都有相应专业技术，智能高铁的建设必须在既有的专业技术的基础上进行智能化升级，实现各领域技术的突破和创新。

(3) 共性技术

共性技术是各个领域智能化的基础和前提，包括安全和隐私、标识和解析、质量管理、网络管理和公共技术。

3.4 标准体系架构

智能高铁标准体系架构是实现高速铁路智能化技术创新和建设标准化、规范化的重要基础，用于指导智能高铁标准体系的建设和维护，确保各项工作统一规范、无缝衔接。按照国家和铁路行业标准化方针和政策，运用标准化原理，根据智能高铁建设对标准的需求，形成了智能高铁标准体系架构。体系架构采用四级结构，由通用基础与管理标准、智能高铁应用标准、平台及支撑技术标准3大一级类目、9个二级类目、27个三级类目、22个四级类目组成，见图5。

(1) 通用基础与管理标准

通用基础与管理标准包含通用基础标准、管理与服务标准2个二级类目。其中，通用基础标准由定义及术语、编制通则2个三级类目组成；管理与服务标准由技术研发与管理标准、智能化水平评价标准2个三级类目组成。

(2) 智能高铁应用标准

智能高铁应用标准包含智能建造标准、智能装备标准、智能运营标准3个二级类目。其中，智能建造标准由勘察设计标准、工程施工标准、建设管理标准3个三级类目组成；智能装备标准由移动装备标准、通信信号标准、牵引供电标准、检测监测标准4个三级类目组成；智能运营标准由客运服务标准、运输组织标准、养护维修标准3个三级类目组成，具体内容如下：

① 勘察设计标准包含基于GIS工程勘察标准、基于BIM工程设计标准等可扩展类目。

② 工程施工标准包含桥隧路轨智能化施工标准、客运站工程智能化施工标准、四电工程智能化施工标准等可扩展类目。

③ 建设管理标准包含基于BIM的虚拟建造标准、全过程数字化管理标准等可扩展类目。

④ 移动装备标准包含智能动车组标准、智能综合检测车标准等可扩展类目。

⑤ 通信信号标准包含列车运行控制标准、CTCS+ATO标准、智能综合网管标准等可扩展类目。

⑥ 牵引供电标准包含智能牵引变电所标准、简统化接触网标准等可扩展类目。

⑦ 检测监测标准包含基础设施检测监测标准、自然灾害监测与预警标准等可扩展类目。

⑧ 客运服务标准包含智能客运CPS标准、智能票务标准等可扩展类目。

儿子说：老师教导我们，越是焦躁地寻找，越找不到自己想要的，只有平静下来，才能听到内心的声音。我就安静的坐着，一会就能听到滴答滴答的声音，表就找到了。

⑨ 运输组织标准包含智能综合调度标准、智能行车调度标准等可扩展类目。

⑩ 养护维修标准包含数字履历管理标准、故障智能诊断标准等可扩展类目。

(3) 平台及支撑技术标准

平台及支撑技术标准包含AI平台标准、网络安全标准、数据中心标准、支撑技术标准4个二级类目。其中，AI平台标准由数据资源标准、地理信息服务标准、大数据分析标准、人工智能标准、AI平台标准等5个三级类目组成；网络安全标准由网络安全管理标准、网络安全等级保护测评标准、网络安全风险评估标准等3个三级类目组成；数据中心标准由硬件资源标准、系统软件标准等2个三级类目组成；支撑技术标准由北斗卫星导航应用标准、物联网标准等三级类目组成。

3.5 评价指标体系架构

智能高铁评价指标体系围绕高速铁路智能化程度为核心目标，通过对智能高铁采用的各种智能化技术指标进行分析和测算，比较发展智能高铁和不发展智能高铁情况下社会的得失，分析智能高铁对社会生活和环境所产生的影响以及带来各种直接和间接的效益，从技术应用、经济、社会环境、智能特征等4个层面构建智能高铁评价指标体系，见图6。

(1) 技术应用层面

在技术应用层面由智能建造、智能装备和智能运营3方面构成指标体系。智能建造评价指标包括1个一级指标和3个二级指标，一级指标有智能工程建设应用水平；智能装备评价指标包括4个一级指标和16个二级指标，一级指标有智能动车组应用水平、智能牵引供电应用水平、智能运行控制应用水平、智能检测监测水平等；智能运营评价指标包括4个一级指标和18个二级指标，一级指标有工电供一体化运维应用水平、智能调度应用水平、智能经营管理应用水平、智能客运应用水平。

(2) 经济层面

(3) 社会和环境层面

社会和环境层面分为可量度指标和不可量度指标：可量度指标通过生产、运营、维护、管理等多角度、多因素综合分析提取，具有选定困难评价简单的特点；不可度量指标通过对社会影响和环境影响两方面进行分析，具有选定简单评价困难的特点。社会环境层面评价指标包括5个一级指标和16个二级指标，一级指标有安全性能、节能减排水平、客运服务水平、智能防灾能力以及社会生产推动力。

(4) 智能特征层面

智能特征层面主要从全面感知、主动学习、泛在互联、融合处理4个方面来考虑。智能特征层面评价指标包括9个一级指标和27个二级指标，一级指标有固定设备感知程度、移动设备感知程度、外部环境感知程度、人工智能算法应用、网络建设水平、资源共享能力、外部资源共享能力、大数据服务水平和人工智能服务水平。

4 智能高铁应用实践

依托京张高速铁路、京雄城际铁路等智能高铁的建设，高速铁路智能化研究成果得以验证、转化和落地，并在实践中围绕智能建造、智能装备和智能运营开展了多方面的智能创新应用。

在智能建造方面，应用基于BIM的工程建设管理平台，全面承载勘察设计信息，实现建设数据的自动采集和信息互联，实现参建各方协同管理、辅助决策以及建设质量的可追溯闭环管理。在桥梁工程方面，实现制、运、架全过程质量管控和追溯管理，实现虚拟预拼装和数字化制造。在隧道工程方面，实现超前地质预报信息化、隧道围岩量测及三维激光断面扫描信息化、盾构机作业状态监控和协同管理。在路基施工方面，实现基桩施工精准控制与信息化管理、路基智能化连续压实。在客站建造方面，实现可视化施组、虚拟建造以及安全风险监控和质量安全红线信息化管理。

在智能装备方面，在“复兴号”CR400BF动车组的基础上，创新设计了世界上首列具有状态感知、自动驾驶、智能运维、智能服务等特征的高速智能动车组，实现高速列车在途运行状态和在途旅客服务的“可测、可视、可控、可响应、可接入”，代表了当今世界智能化技术的发展趋势和最新成果。

在自动驾驶方面，采用高速列车自动驾驶CTCS3+ATO列控系统，实现高速动车组车站自动发车、区间自动运行、车站自动精确停车、车门/安全门联动控制等功能，有效确保列车运行安全、提高列车运行效率、降低牵引能耗、减轻司机劳动强度、改善旅客乘车体验。在世界上首次实现时速350 km自动驾驶功能，成为我国高速铁路自主创新的又一重大标志性成果。

在牵引供电方面，以“安全运行、系统可控、状态可视、运维可循”的运维管理智能化为目标，实现智能故障诊断、预警、自愈重构等功能，形成供电系统健康评估体系，打造世界一流的高速铁路牵引供电养护维修体系。

在智能票务方面，建立了以旅客实名制身份信息为核心，以售票、验票、检票等服务信息为外延的旅客全行程服务数据模型，创新了基于分布环境的客票数据实时同步技术、线上线下一体化的人脸识别比对技术，实现了全面电子客票。

在旅客服务方面，围绕旅客购票、进站、候车、检票、换乘、乘车、出站全过程，通过刷脸验证、智能服务机器人、站内导航、车站Wi-Fi全覆盖、交互信息服务、环境舒适度自适应调节、站台安全防护门、智能引导和换乘、订餐、在线补票及升舱、坐显和精准验票、各类自助设备、旅程规划与外部交通接驳等一站式个性化票务及延伸增值服务，实现旅客全过程和全方位精准化、个性化、自助化、国际化的无障碍智能出行服务。

在智能车站方面，基于AI+客运车站，提出“1个大脑+4大业务+N个应用”架构，在旅客服务、安全保障、生产指挥、节能环保4大业务范围内拓展各种应用，实现全面监测、及时预警、分级报警、协同联动处置和动态调整为一体的智能闭环管控模式，保障车站服务和生产高效、安全、稳定。

在智能调度方面，以现有CTC3.0为基础，以铁路调度指挥智能化为手段，以提高运输生产效率为目标，通过构建行车信息数据平台、行车调度综合仿真平台，结合现场实际需求，实现列车运行计划自动调整、列车进路和命令安全卡控以及ATO功能。

5 结束语

近年来，随着人工智能、物联网、大数据、云计算、北斗卫星、BIM等一系列高新技术的发展，人类社会正在向智能化时代迈进，中国智能高铁建设也逐渐进入实质性阶段。京张、京雄、福厦高速铁路以及珠三角城际铁路，都成为智能高铁建设的前沿。2016年4月，京张高速铁路全线开工，国铁集团提出打造“精品工程、智能京张”的战略举措。京张智能高铁作为我国智能高铁最新研究成果的首次集成化应用，在列车自动驾驶、智能调度指挥、故障智能诊断、建筑信息模型、北斗卫星导航、生物特征识别等方面实现重大突破。智能京张的建设，开启了中国智能高铁建设的新篇章，成为中国高速铁路从世界先进水平向世界领先水平迈进的标志性工程，具有划时代的重要意义。

在概括国外智能高铁发展现状的基础上，界定了我国智能高铁的内涵，设计了智能高铁三维体系架构模型，构建了集业务应用体系架构、数据汇集体系架构、技术体系架构、标准体系架构以及评价指标体系组成的高速铁路智能化成套体系架构，通过依托京张、京雄等多条智能高铁的建设，取得了一系列应用成果，对我国智能高铁设计及落地以及对今后智能高铁的深入研究与实践，提供借鉴与支撑。