京张高速铁路智能化技术应用进展

李红侠

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 概述

在物联网、大数据、云计算、北斗导航、BIM等新技术和社会经济发展需求的共同影响下，当前人工智能进入了新的发展阶段，为抢抓人工智能发展的重大战略机遇，中国铁路行业在党的“十九大”报告提出的交通强国战略指导下，实现“交通强国、铁路先行”的目标[1]，为服务经济和社会更好发展以及实现世界高铁技术领先优势的目标具有重大意义，智能高铁是现代化高速铁路的发展方向。作为中国首条智能化高速铁路的京张高铁已于2019年12月30日开通运行，其中的多项智能技术的应用均为国内首次，国际领先。

按照中国国家铁路集团有限公司的统一部署、依托京张高铁建设，全面推进智能建造、智能装备、智能运营等领域的技术创新，提升高铁智能化水平，设计方面做了一些探索及示范应用。2016年初京张高铁全线开工，国铁集团提出打造“精品工程、智能京张”[2]的目标，京张高铁将集中国高铁建设运营、管理技术水平之大成，集中展示我国智能铁路创新发展的最新成果，在智能铁路总体框架指导下[3-4]，结合服务奥运的需求，实现旅客智能出行、铁路智能运输，把京张高铁建设成为精品与智能融为一体的典范之作，全面提升安全、生产、运营、管理、客运服务等现代化水平。

2 京张高铁智能化设计主要内容

2017年6月，国铁集团召开京张高铁建设推进会，部署安排打造“精品工程、智能京张”的有关工作，发布智能京张工程建设的指导性文件，通过指导性文件明确智能工程化推进工作方案并提出：“建设精品工程、智能京张工程化任务单”，京张高铁智能化主要包括智能建造、智能装备和智能运营三大板块，具体涵盖智能工程建设与基础设施、智能出行、智能经营、智能列车、智能行车组织等方面的内容。

2.1 智能工程建设与基础设施方面

(1)首次采用了时速300～350 km高速铁路自动驾驶技术(CTCS+ATO)[5]，该技术在世界上尚属空白，高铁自动驾驶系统具备车站自动发车、站间自动运行、车站自动停车、车门自动开门、车门站台门联动五大功能，可以有效的提高运输能力、降低运行能耗、提高旅客舒适度、减轻司机劳动强度，是高速铁路列控系统智能化的重要标志，对保持我国高速铁路列控技术的国际先进水平具有重要的意义。

(2)首次采用了以智能牵引供电设施、智能供电运行检修管理系统、智能供电调度系统组成的智能牵引供电系统，为铁路提供可靠、高效的牵引供电系统，其中智能变电所提供牵引供电数据源；智能调度系统实现应急处置、智能源端维护等智能功能；牵引供电设备故障预测与健康管理系统(PHM)实现智能运营维护管理；接触网监测实现接触网实时在线监测；接触网智能巡检系统实现接触网设备管理中信息与设备的身份对应问题以及信息的自动采集获取问题，结合接触网PHM系统，实现维修工单生成检修任务的智能转换，极大提高管理工作的智能化水平与效率。

(3)在工程建设中，通过搭建重点工程结构安全监测传感器及网络，对关键设施、设备的运营状态进行了实时的监测监控，实现对清河站、八达岭长城站重点工程结构安全监测；建立了八达岭长城地下站防灾疏散救援系统，对八达岭长城地下站的环形救援廊道进行了增强设计，完善了铁路防灾体系，进一步确保铁路安全。

(4)基于北斗+GIS，京张高铁部署铁路统一的北斗应用服务平台，基于铁路高精度地图，提供时空位置服务，以北斗地基增强网络和北斗隧道信号覆盖系统为支撑，规划部署京张高铁地基增强基站，利用沿线铁路通信机械室网络、电源等资源构建地基增强网络，为全线提供高精度定位服务，布设京张隧道内相关设备，实现隧道内北斗模拟信号覆盖，为隧道内动车组、作业人员提供位置服务；通过北斗终端定位，信息回传铁路局生产调度指挥中心，实现人员区域标记、位置监视及防护辅助等功能，提高作业人员管理质量；监测铁路通信铁塔基础倾斜趋势，提高铁塔维护监测能力；应用北斗与天通卫星通信系统相结合应急终端；在既有应急通信系统中，进一步增加完善北斗短报文等应急通信装备，丰富天通卫星等应急通信手段，通导一体化应急通信能力，应对极端灾害情况下通信。京张北斗示范应用可以实现施工及维护上道作业人员监控、铁塔倾斜监测和应急通信，为京张高铁安全运营保驾护航。

(5)基于BIM+GIS技术的可视化数字化应用，应用BIM技术[6]，从勘察设计、施工到运维，实现全生命周期的数字、智能化管理。通过BIM技术的应用，进一步深化施工设计，优化设计方案。通过BIM技术的应用，建设三维工程管理平台，优化施工组织，实现工程进度管理、质量管理的可视化、信息化和智能化，为施工质量和施工进度提供技术保证。开展基于BIM技术的竣工交付标准研究，在竣工验收阶段，实现设计和建造数据的按需交付，形成现实和虚拟数字铁路的同步交付。在运营阶段，建立基于BIM技术的铁路工程全生命周期综合管理平台，实现铁路基础设施健康状态的预测诊断，实现铁路工务、电务管理，环境保障和应急管理等信息化，确保工务、供电、电务、车辆等设备状态良好。

2.2 智能出行方面

首次采用基于国内铁路运营维护模式及国内旅客的乘车需求定制开放的软件平台：客站旅客服务与生产管控平台，对车站旅客服务、客运管理、客运设备、应急指挥等业务进行了深度融合，主要功能包括：客运管理与指挥、新一代旅服系统、客站设备运用监控、客站应急指挥、智能管控服务、AI辅助决策、集成化展示服务。

采用全面优化完善的12306网站和票务自助服务设施，包括更加方便的客票系统，实现电子客票应用、全程个性化的精准服务，特别针对2022年冬奥会，增加与奥运主题相关联的服务功能。

优化后的客票系统采用二代居民身份证、电子护照、手机二维码以及“人脸”等丰富多样的电子客票载体，使用自动识读、电子识别、生物特征识别等多维度的身份识别技术，智能配置和优化客运生产服务资源，实现旅客全程出行无纸化、业务办理自助化、客票销售线上线下一体化、奥运门票互售、特许销售、赛事信息推送等服务。

站内智能导航系统为旅客提供精准定位、路径规划、位置搜索、导航等服务，提升旅客出行体验，为旅客提供从出发、到站、乘车、出站全流程服务。为车站管理人员提供先进的旅客服务管理手段以及提供基于旅客行为数据的统计与分析；根据情况，在车站内配置智能问询机器人、智能巡更机器人，提升旅客出行体验。

2.3 智能经营

通过大数据技术的应用，实现客运产品的设计优化，售票组织的优化，客运的相关延伸服务，为铁路总公司的经营服务提供有力支撑。

在客运站内部署面对旅客的Wi-Fi网络和Wi-Fi运营服务系统，为旅客提供包括视频观看、音乐、阅读等车站Wi-Fi局域网本地内容服务以及正晚点、检票口位置查询等客运相关信息服务，同时为注册认证的旅客提供互联网接入服务，满足旅客出行中多样化服务需求，提高出行乘车体验。

车站运营智能感知系统基于音视频融合分析、跨场景目标跟踪等技术，实现区域人数、排队长度、人流速度和方向的统计分析，以及突发事件、非法入侵、站台越界等异常行为的监控报警，为车站快速响应、协同指挥、智能调度提供有力支撑。

2.4 智能列车

采用的智能动车组列车是以“复兴号”动车组为基础，分为“瑞雪迎春”、“龙凤呈祥”两款，在安全舒适、绿色环保、智能化、综合节能等方面进行全面提升优化。可以实现列车的自动驾驶；确保列车运营安全信息的自动判断和实时监测，确保列车运行安全；实现旅客列车车内的无线网络覆盖及多样化的信息咨询服务。

2.5 智能行车组织

构建基于人工智能的高速铁路智能调度指挥系统，实现进路和命令安全卡控、列车运行智能调整、搭建行车信息数据平台、行车调度综合仿真以及ATO系统需要的行车计划上车等功能，实现京张高铁行车调度的智能化。

3 智能高铁顶层设计及发展高铁智能化技术的必要性

3.1 智能高铁顶层设计

依托智能京张技术攻关和工程建设，为了规范当前时期智能高速铁路的建设与运营，国铁集团正在积极策划，初步明确智能高铁的建设内容及其相互关系，从顶层设计的角度出发制定智能高速铁路建设和运营的指导性文件：智能高速铁路体系架构[7]1.0版，该体系架构涵盖智能高速铁路技术体系框架、数据体系框架、标准体系框架等。

智能高铁技术体系框架设计采用分类分层设计原则，包含智能建造[8-9]、智能装备、智能运营三大板块。

3.1.1 智能建造

按照基础设施的建造过程，智能建造包括勘察设计、工程施工和建设管理3个领域。

智能勘察设计领域的智能化包括空天地一体化工程勘察、基于BIM工程设计[10]等研究方向。其中，空天地一体化工程勘察主要创新内容包括基于GIS的智能勘察、空天地一体化智能测绘、数字化勘察交付等；基于BIM的工程设计主要创新内容包括BIM建模、协同设计和数字化交付等。

工程施工领域的智能化包含路桥隧轨智能化施工、客运站智能化施工、四电工程智能化施工等方向。其中，路桥隧轨智能化施工主要创新内容包括路基、桥梁、隧道、轨道工程智能化施工；客运站智能化施工主要创新内容包括客站智能施工、综合交通体系施工协同、信息化工程智能施工等；四电工程智能化施工主要创新内容包括通信工程智能化施工、信号工程智能化施工、电气化工程智能化施工等。

建设管理领域的智能化包含基于BIM+GIS工程建设管理等方向。主要创新内容包括基于BIM的虚拟建造、全过程数字化管理、数字化竣工交付等。

3.1.2 智能装备

按照主要业务对象分类，智能装备横向上划分为通信信号、电气化、移动装备、检测监测4个领域。

通信信号领域的智能化包含通信、信号方向。其中，通信创新内容主要包括通信承载网、智能移动通信、智能调度通信等；信号创新内容主要包括列车自动驾驶ATO等。

电气化领域的智能化包含智能牵引供电方向，创新内容主要包括智能牵引变电所、简统化接触网等。

移动装备领域的智能化包含智能动车组、智能综合检测车等方向。其中，智能动车组主要创新内容包括动车组智能监控、动车组智能诊断、动车组智能服务、动车组智能运维等；智能综合检测车主要创新内容包括智能检测设备、智能检测数据分析等。

检测监测领域的智能化包含检测监测等方向，主要创新内容包括基础设施检测监测、自然灾害监测与预警、周界入侵智能监测、环境智能监测等。

3.1.3 智能运营

按照运营领域的主要业务分类，智能运营横向上划分为客运服务、运输组织、养护维修等3个领域。

客运服务领域的智能化包含智能客运信息物理系统CPS、智能票务等方向。其中，智能客运CPS主要创新内容包括客运一体化生产指挥管理、客运设备管理与监控智能化、站车重点服务、站车客运安全、站车智能服务等；智能票务主要创新内容包括电子客票、智能产品设计和售票组织、旅程规划、精准营销、综合交通信息共享等。

运输组织领域的智能化包含智能综合调度、智能行车调度等方向。其中，智能综合调度主要创新内容包括运输态势感知、计划一体化协同、智能计划调整、智能应急调度等；智能行车调度主要创新内容包括列车运行计划自动调整、进路和命令卡控、行车调度综合仿真等。

养护维修领域的智能化包含工电供一体化运维等方向，主要创新内容包括数字履历管理、故障智能诊断等。

3.2 发展高铁智能化技术的必要性

随着智能技术和高铁应用需求的不断发展，未来也需对智能高速铁路体系架构1.0进行持续优化与扩展。面向未来，铁路在更高速度、更大运量的基础设施成套技术[11]方向需要进一步研究；特殊艰险环境桥梁、隧道面临新的技术难题[12]需要攻克；基于人工智能及空天地一体化的勘察测绘技术研究，综合运用航天摄影测量、航空摄影测量、无人机摄影测量、倾斜摄影测量、机载车载及地面LiDar等多种技术手段及数据源，开展多源数据的快速生产及融合、实景三维建模、网络模式下分布式协同测图和实时化移动测图、基于云平台的地理空间信息实时共享、人工智能及深度神经网络下的图像及模式识别等方面的研究，提高数据获取、生产、应用、分发的智能化、自动化水平的技术和装备处于发展和应用的初级阶段；需要研究建立基于BIM+GIS技术的基础设施设计[13]、建造、运维的标准、平台、应用及管理技术体系；铁路桥梁、隧道、路基及轨道等主要结构物的基础理论、设计方法需要不断创新，与现代信息技术融合的智能建造技术需要不断提升；基于全生命周期性能保持的基础设施运维、监测、灾害防治技术及其智能化体系需要进行进一步的构建优化研究；铁路绿色技术[14]和配套装备设施研发、基于北斗(BDS)技术和全电子化的新一代列控系统、基于北斗技术和依托5G技术的新一代智能运维技术等方面都需要进一步研究[15]。

4 结语

通过完成智能京张应用示范方案的落地实施，实现将京张高铁打造为中国智能铁路的1.0版，在高速铁路自动驾驶技术(C3+ATO)、智能高铁调度集中系统(智能CTC)等智能技术应用中，设计提前筹划，在相关优化创新设计具备批复条件前，主体工程的设备采购招标、专业间接口设计等环节为智能化技术的应用做了预留，为其顺利实施奠定了坚实的基础并节省了工程投资；京张高铁作为国内第一条利用BIM技术完成全专业、全生命周期相关设计工作的铁路工程项目，实现了京张全线BIM模型建立并研究铁路BIM正向设计的工作思路和方法等。通过对京张高铁智能化技术应用情况进行总结，以期把京张高速铁路智能化技术应用方面可复制可推广的建设经验进行分享，对新建智能高速铁路和既有高速铁路的智能化升级等应用方面都具有指导及借鉴意义。