智能高速铁路关键技术研究及发展路线图探讨

马建军， 李平， 邵赛， 张晓栋

（中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

1 概述

作为我国新基建的重要组成部分，5G、云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术的创新突破和融合发展，带动了以“绿色、智能、创新、融合”为特征的群体性重大技术变革，成为新一轮科技革命和产业变革的核心支撑。近年来德国、法国、日本等世界主要高速铁路国家顺应全球科技发展趋势，积极探索信息新技术在铁路领域的融合应用，围绕高速列车自动驾驶、基础设施智能运维、位移即服务（Mobility as a Service，MaaS）［1］等关键技术开展了攻关研究［2］。我国较早开展了智能高速铁路的系统研究，率先提出智能高速铁路概念，制定了智能高速铁路体系架构和发展战略，并在京张高铁、京雄城际等工程中开展了探索和创新应用。

智能高速铁路（Intelligent High Speed Railway，IHSR）是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM、5G 等新一代信息技术，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新一代高速铁路系统［3］。智能高速铁路的建设是一项长期性、持续性、渐进性的复杂工程，为有序推动智能高速铁路的分期分阶段可持续发展，需要定义智能建造、智能装备、智能运营3个板块的核心关键技术图谱，并根据技术发展趋势、应用前景、需求迫切性等维度合理制定各类技术的实现路径，为实现更加安全可靠、更加温馨舒适、更加节能环保、更加经济高效、更加方便快捷的智能高速铁路战略目标提供关键技术支撑。

2 智能高速铁路关键技术

智能高速铁路具有典型的智能系统必备的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策等特征，为实现上述特征迫切需要大数据、人工智能、物联网等关键支撑技术的支撑，也亟须攻克铁路领域的关键专用技术。为此将智能高速铁路关键技术划分为关键支撑技术和铁路关键专用技术两大类。

2.1 关键支撑技术

关键支撑技术主要是物联网、大数据、云计算、人工智能、下一代移动通信等通用基础性技术（见表1）。

表1 智能高速铁路关键支撑技术构成

物联网技术主要是指依靠传感器、射频识别、无线传感网络等技术，采集高速铁路固定设施、移动设备、外部环境状态等信息，运用智能计算技术对各类信息进行分析处理，实现智能化决策和控制。

大数据技术是解决高速铁路海量内外部信息的采集、汇聚、治理、分析挖掘等的核心技术，在客运组织与服务、运输调度、移动设备和固定设施检修与监测、经营管理等方面，能够有效提升智能高速铁路的数据实时接入、在线计算处理、数据价值挖掘、关联业务分析和辅助决策能力。

云计算技术具有组件化、虚拟化、服务化的技术特性，为高速铁路业务系统提供集中统一、按需服务、弹性扩展、安全可控的硬件资源，以及平台组件和应用软件的集中服务，促进智能高速铁路业务高度互联协同。

人工智能技术基于大数据和新型高性能计算架构，应用深度学习、机器学习、自然语言处理、跨媒体智能、大数据智能、类脑智能等方法，使高速铁路移动装备和固定设施具有学习、推理、思考、决策等能力。可应用于人脸识别、列车自动控制、非法侵入识别、故障智能诊断、智能语音客服等方面。

下一代移动通信主要包括5G 等作为智能高速铁路重要通信基础支撑技术，主要应用于高速铁路智能车站、技术场站设备互联、高速列车运行控制等，具有传输速度高、带宽大、低延时、高可靠等特点。

2.2 关键专用技术

依据智能高速铁路体系架构的层次结构划分［4-6］，智能高速铁路关键专用技术主要划分为智能建造、智能装备、智能运营三大板块的关键技术（见图1）。

图1 智能高速铁路关键专用技术构成

智能建造将BIM、GIS、数字孪生、施工机器人、自动化质检、预制化与拼装化等技术与先进的工程建造技术相融合，实现高速铁路勘察设计、工程施工、建设管理全过程的智能化管控。智能建造关键技术主要涉及基于领域知识的智能技术、全生命周期信息一体化协同、智能工地技术3个业务领域15项关键技术。

智能装备将全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断与健康管理（PHM）等技术与先进装备技术相融合，实现高速铁路移动装备和基础设施全生命周期的安全化、高效化和智能化管理。智能装备关键技术主要涉及智能动车组、智能运行控制、新一代铁路移动通信、智能牵引供电、智能安全保障、智能检测监测6个业务领域27项关键技术。

智能运营将泛在感知、智能监测、增强现实、智能视频、事故预测及智联网等技术与高速铁路运营技术相结合，实现个性化服务、预测化运维和智能化运营。智能运营关键技术主要涉及智能客站、智能票务、智能调度、智能运维4个业务领域22项关键技术。

3 智能建造关键技术发展路线图

智能建造关键技术发展路线图纵向上分为智能建造需求、目标、关键专用技术、关键支撑技术和应用示范工程，横向上分为2018—2020年、2021—2025年、2026—2035年3个发展阶段（见图2）。

图2 智能建造关键技术发展路线图

高速铁路建造过程中涉及技术领域较多，对铁路勘查、设计、施工等系统的协同性要求也越来越高，对质量、进度、安全、成本一体化管理的需求极为迫切。为满足这一需求，智能建造的目标包括：形成BIM智能建造标准体系，实现基于BIM的协同设计与智能施工，建立BIM+GIS工程管理平台，最终建成智慧工地。

智能建造关键专用技术主要包括基于领域知识的智能技术、全生命周期信息一体化协同技术、智能工地技术3个方面。其中：（1）基于领域知识的智能技术主要研究基于雷达的深层地质探测以及遥感大数据智能解译，实现智能选线、测绘、勘探应用、基于BIM的协同设计和数字化施工以及可视化运维等。（2）全生命周期信息一体化协同技术主要研究勘察设计一体化、设计施工一体化、施工运维一体化、全过程质量控制、全过程安全风险管控、进度管控及施工组织优化等。（3）智能工地技术主要实现基于物联网技术的施工全要素互联、智能化网络集群集成控制技术、建设施工的智能监测诊断技术、模拟仿真与BIM+装配式全产业链协同的无人工地等。

智能建造里程碑主要包括3个部分：一是到2020年底，以智能京张、数字京雄示范工程为依托，探索基于BIM的工程设计，构建BIM+GIS工程管理平台，开展路桥隧轨、客站、四电工程智能施工。二是到2025 年底，全面建成基于BIM 的智能建造标准体系，实现基于BIM 的智能化施工，将基于BIM 的协同设计技术与智能选线、测绘、勘探充分结合，实现建设与运维一体化的全生命周期管理体系。三是到2035 年底，BIM与工程机械深度融合，智能建造技术广泛应用，实现无人自主智能机械施工，形成智慧工地，全面突破更高速度高速铁路的智能建造技术。

4 智能装备关键技术发展路线图

智能装备关键技术发展路线图纵向上分为智能装备需求、目标、关键专用技术、关键支撑技术和应用示范工程，横向上分为2018—2020年、2021—2025年、2026—2035年3个发展阶段（见图3）。

图3 智能装备关键技术发展路线图

高速铁路动车组运行速度快，对状态监测与预警、运行控制与安全、设备设施检测监测等要求高，对智能型动车组、更高级别无人驾驶、全方位智能安全保障等方面的需求十分迫切。为满足这一需求，智能装备的目标包括：探索基于智能设计与制造的自修复型动车组，实现全自动的列车无人驾驶与动态近距离的列车移动追踪，构建全方位智能安全保障体系等。

智能装备关键专用技术主要包括智能动车组技术、智能运行控制技术、新一代铁路移动通信技术、智能牵引供电技术、智能安全保障技术、智能检测监测技术6个方面。其中：（1）智能动车组技术主要研究动车组车载网络，轴承、车体振动信息监控，柔性生产线，车内视频安全监控，空簧、轮对等部件检测，中央控制系统，智能物流系统，动车组状态全面感知与分析决策技术，动车组全三维研发技术等。（2）智能运行控制技术主要研究自动驾驶技术，列车推荐速度优化技术，列车智能驾驶控制方法，人机功能分配，多模列车定位，列车移动闭塞，无人驾驶技术，障碍物智能识别，列车进路优化决策技术，状态智能传感与感知技术，集中网络优化决策技术，人机协同共驾技术，列车高密度追踪技术，虚拟编组技术等。（3）新一代铁路移动通信技术主要研究宽带移动通信，车载无线通信，智能调度通信，车-地/车-车通信技术等。（4）智能牵引供电技术主要研究智能变电所，智能接触网，车载新能源与无线供电等。（5）智能检测监测技术主要研究风、雨、雪检测监测技术，地震检测监测技术，滑坡等地质灾害检测监测技术，周界入侵和异物侵限检测监测技术，检测监测多专业融合分析技术，云边融合的灾害智能分析技术，空天地一体化的全方位灾害监测技术，风险-隐患-事故故障预警与演变机理分析技术，设备设施状态检测监测与预警技术等。（6）智能安全保障技术主要研究周边安全隐患与列车运行的自动控制综合安全保障技术，基于全面感知的智能安全保障技术，基于量子等技术的智能安全体系技术等。

智能装备里程碑主要包括3个部分：一是到2020年底，以智能京张、数字京雄典型示范工程为依托研制智能型复兴号动车组，自主研发CTCS3+ATO 自动驾驶系统，开展智能灾害监测与预警，实现基于BIM+GIS的联调联试数据多维可视化管理。二是到2025 年底，形成自学习、自适应谱系化智能动车组；列车传感系统全覆盖，实现全面感知的全自动驾驶；构建虚拟化、稀疏化轨旁设备信号系统；实现移动闭塞，提高列车运行效率；构建全方位智能安全保障体系。三是到2035 年底，探索基于智能设计与制造的自修复型动车组技术，实现全自动的列车无人驾驶技术，研究可储能源的绿色无线供电技术，实现动态近距离的列车移动追踪，探索基于量子等技术的智能安全体系。

5 智能运营关键技术发展路线图

智能运营关键技术发展路线图纵向上分为智能运营需求、目标、关键专用技术、关键支撑技术和应用示范工程，横向上分为2018—2020年、2021—2025年、2026—2035年3个发展阶段（见图4）。

高速铁路旅客出行服务需求丰富多变、路网规模与运输体量快速增长、基础设施与移动装备运维一体化的要求越来越高，对旅客门到门、全行程规划服务、复杂路网智能协同调度、一体化自主智能检修等需求极为迫切。为满足这一需求，智能运营的目标包括：实现全面电子客票，提供全方位、全行程的门到门服务，构建无人条件下的站车智能服务，实现复杂路网综合协同指挥的智能调度，探索基础设施与移动装备的无人运维。

智能运营关键专用技术主要包括智能票务技术、智能客站技术、智能调度技术、智能运维技术4 个方面。其中：（1）智能票务技术主要研究客票电子化技术，客流预测技术，动态开行方案技术，延伸服务定制化技术，收益智能管理技术，客运产品智能设计，多种交通方式的行程智能规划，多种交通方式的综合客流预测，门到门个性化服务，乘客需求的智能感知和主动服务，基于LBS 的全方位、全行程的定制化门到门服务等。（2）智能客站技术主要研究客站生产服务协同技术，智能客站CPS 技术，客站精准旅客服务技术，客站高效生产组织技术，客站可靠安全保障技术，客站绿色节能环保技术，无人条件下站车智能服务等。（3）智能调度技术主要研究智能调度集中系统（CTC），高速铁路客运产品设计，列车运行图一体化编制，列车开行方案智能编制应用，多种交通方式时刻表协调编制等。（4）智能运维技术主要研究工电供一体化智能运维，动车组运维大数据分析，基于BIM 全生命周期的智能运维，动车组健康状态监测及智能运维，基础设施预测性维修，移动装备预测性维修，基于大数据+AI的修程修制优化，基于车-地-环境联合故障智能预测，基于数字-物理空间融合的智能运维技术，无人运维技术等。

图4 智能运营关键技术发展路线图

智能运营里程碑主要包括3个部分：一是到2020年底，实现全面电子客票，构建智能客站，研发智能调度集中系统（CTC），实现工电供一体化智能运维。二是到2025 年底，实现运行图、席位、票价等铁路服务柔性化、多样化，实现全方位、全过程信息综合无干扰主动服务，全面推行综合交通融合的全程畅行，实现复杂路网综合协同指挥的智能调度，实现跨专业一体化运维。三是到2035 年底，为旅客提供基于LBS 的全方位、全行程的定制化门到门服务，实现无人条件下站车智能服务，实现装备自主智能检修，探索极端复杂情况下高速铁路智能容错理论与技术。

6 结论与展望

京张高速铁路作为“八纵八横”京兰通道的重要组成部分及北京冬奥会重要配套基础设施工程，已于2019年12月30日开通运营，开启了我国智能高速铁路建设的新篇章，智能高速铁路核心关键技术得到应用验证，成为推动我国高速铁路技术新一轮创新的标志性工程。未来随着物联网、云计算、大数据、人工智能、5G 等新一代信息技术的飞速发展，智能高速铁路将持续深化新技术与高速铁路的集成融合和应用创新，不断完善智能高速铁路关键技术体系。到2025 年，智能高速铁路理论与技术实现重大突破，我国将深入掌握智能高速铁路设计、建造、运营全产业链技术。到2035 年，通过持续深化智能建造、智能装备、智能运营的研究与应用，将推动智能高速铁路应用由辅助协同向自主操控升级，实现铁路运营全面自主操控、无人化［7-8］。综上所述，在关键支撑技术和关键专用技术研究的推动下，我国高速铁路智能化技术将不断优化和迭代升级，持续为实现全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策进行赋能。