何華武，朱亮，李平，鄭金子

（1.?中國工程院，北京???100088；

2.?中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司，北京???100081）

0 引言

近10年來，我國高速鐵路實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展，2017年開始進入智能化引領(lǐng)階段，全面啟動智能京張高鐵建設(shè)，“復(fù)興號”動車組在京滬高鐵實現(xiàn)時速350?km運營，為我國高速鐵路智能創(chuàng)新拉開了序幕。智能高鐵是龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)的研發(fā)具有時空性和階段性特征，為保證智能高鐵在全國范圍內(nèi)集成的兼容性、可控性、互操作性，需進行智能高鐵頂層設(shè)計[1]。

智能高鐵體系架構(gòu)為智能高鐵規(guī)劃和建設(shè)提供了總體藍圖及規(guī)格說明，它決定系統(tǒng)組成，確定功能模塊以及模塊間進行通信和協(xié)同的協(xié)議與接口，為智能高鐵系統(tǒng)的研發(fā)提供指導(dǎo)性文件。結(jié)合新形勢下智能高鐵的內(nèi)涵及特征，設(shè)計智能高鐵體系框架，在總體架構(gòu)的指導(dǎo)下提出服務(wù)框架和邏輯框架，形成滿足智能高鐵功能需求的物理框架，并對智能高鐵大腦的內(nèi)涵和系統(tǒng)組成進行探討。

1 智能系統(tǒng)頂層設(shè)計相關(guān)研究

在智能系統(tǒng)頂層設(shè)計方面，國內(nèi)外的智能交通、智慧城市、智能鐵路等行業(yè)紛紛開展了大量研究與實踐，并取得了一定的借鑒成果。

智能交通系統(tǒng)（Intelligent?Traffic?System，ITS）體系框架的研究起步較早，美國是最早開發(fā)完整ITS體系結(jié)構(gòu)的國家，1993年美國交通部啟動ITS?體系結(jié)構(gòu)開發(fā)計劃，并于1996年完成第1版美國國家智能交通系統(tǒng)體系框架，其主要特點為內(nèi)容全面、包羅萬象[2-3]。此后，美國不斷進行ITS體系框架的修訂工作，并加強對體系框架的應(yīng)用、推廣以及與傳統(tǒng)交通規(guī)劃的結(jié)合，經(jīng)過20余年的迭代更新，現(xiàn)已形成8.2版本。歐盟于1998年開始ITS體系框架的研究，并于1999年完成了邏輯框架和物理框架，此后陸續(xù)補充完善了其他部分內(nèi)容，形成了歐盟整體的ITS體系框架，強調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的戰(zhàn)略性規(guī)劃，核心是突出其在ITS規(guī)劃和建設(shè)中的指導(dǎo)意義[4]。我國在“九五”期間推出“中國智能運輸系統(tǒng)體系框架（第1版）”，為我國?ITS描繪了未來發(fā)展藍圖，并為我國ITS的規(guī)范建設(shè)提供了依據(jù)[5]。目前，我國ITS體系框架包含用戶服務(wù)、邏輯框架、物理框架、應(yīng)用系統(tǒng)4部分，其中用戶服務(wù)包括9個服務(wù)領(lǐng)域、47項服務(wù)、179項子服務(wù)；邏輯框架包括10個功能領(lǐng)域、57項功能、101項子功能、406個過程、161?張數(shù)據(jù)流圖；物理框架包括?10個系統(tǒng)、38個子系統(tǒng)、150個系統(tǒng)模塊、51張物理框架流圖；應(yīng)用系統(tǒng)包括58個應(yīng)用系統(tǒng)[6]。

近年來，很多國家和地區(qū)先后提出智慧城市的發(fā)展戰(zhàn)略計劃，美國、歐盟、俄羅斯等均出臺相關(guān)政策，明確智慧城市的發(fā)展目標(biāo)和建設(shè)重點。自2009年溫家寶總理在北京科技大會的報告中提出“智慧中國”等概念開始[7]，智慧城市的研究和建設(shè)在我國全面展開。2018年6月，國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《智慧城市頂層設(shè)計指南》，并于2019年1月1日正式開始實施。該指南規(guī)定了智慧城市頂層設(shè)計的總體要求、基本過程及需求分析、總體設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計、實施路徑設(shè)計等，適用于智慧城市的頂層設(shè)計，也可指導(dǎo)信息化領(lǐng)域的頂層設(shè)計。

國內(nèi)外對智能鐵路體系框架也開展了大量研究工作。日本的CyberRail是起步較早的智能鐵路系統(tǒng)，強調(diào)通過其強大的信息提供能力，實現(xiàn)鐵路運輸與其他運輸方式的無接縫、無障礙銜接和運輸。CyberRail將用戶服務(wù)分為4個領(lǐng)域：面向需求的運輸規(guī)劃和調(diào)度、多式聯(lián)運信息和個人導(dǎo)航、智能列車控制、通用信息平臺。2000年，以國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的成立為標(biāo)志，我國全面啟動智能鐵路的研究工作。2002年，在借鑒ITS體系框架的研究思路基礎(chǔ)上，設(shè)計并推出了中國鐵路智能運輸系統(tǒng)體系框架[8]。該框架由用戶主體、服務(wù)主體、服務(wù)框架、邏輯框架、物理框架和技術(shù)經(jīng)濟評價等部分組成，各部分密切相關(guān)，共同構(gòu)成了智能鐵路的有機整體。

2 智能高鐵體系框架構(gòu)成

智能高鐵絕不是先進智能技術(shù)與控制技術(shù)在高速鐵路各專業(yè)獨立應(yīng)用的簡單疊加，而是通過不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域、面向高鐵生命周期不同階段信息系統(tǒng)的集成融合，從而形成功能更強、效率更高、穩(wěn)定性更好的統(tǒng)一智能高鐵系統(tǒng)。智能高鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)需要一個較長的過程，同時它也必須是一個可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)，因此構(gòu)建系統(tǒng)時需對系統(tǒng)的服務(wù)對象、用戶需求、功能定位、邏輯結(jié)構(gòu)、物理部署等有較全面的考慮和規(guī)劃，還要做到各子系統(tǒng)間、子系統(tǒng)與整體間的協(xié)調(diào)。

結(jié)合現(xiàn)階段智能高鐵發(fā)展的內(nèi)外部環(huán)境與需求，基于新形勢下智能高鐵的內(nèi)涵及特征，設(shè)計智能高鐵體系框架。研究采用結(jié)構(gòu)化分析方法的基本思想，按照需求分析、系統(tǒng)模型和物理模型3個階段設(shè)計智能高鐵體系框架的主要構(gòu)成，描述智能高鐵系統(tǒng)分析和構(gòu)建的過程（見圖1）。

由圖1可知，智能高鐵體系框架主要包含服務(wù)框架、功能框架、邏輯框架和物理框架4部分，此外，安全保障貫穿始終，為智能高鐵的規(guī)劃和建設(shè)提供安全保障基礎(chǔ)。智能高鐵體系框架中的服務(wù)框架對應(yīng)于需求分析，功能框架和邏輯框架對應(yīng)于系統(tǒng)模型，物理框架對應(yīng)于物理模型。各部分的內(nèi)涵如下：

圖1 智能高鐵體系框架構(gòu)成

（1）服務(wù)框架明確智能高鐵的用戶主體和服務(wù)主體，鐵路內(nèi)、外部用戶對智能高鐵的需求，并完全從用戶的角度出發(fā)提出智能高鐵所應(yīng)提供的服務(wù)；

（2）功能框架在需求分析的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，定義智能高鐵為滿足用戶服務(wù)所需提供的功能；

（3）邏輯框架描述智能高鐵系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，定義各功能間的輸入、輸出數(shù)據(jù)流和處理過程；

（4）物理框架是邏輯框架的具體實現(xiàn)，定義能實現(xiàn)智能高鐵各類功能的物理子系統(tǒng)及其交互關(guān)系；

（5）安全保障為智能高鐵的規(guī)劃和建設(shè)提供信息安全、網(wǎng)絡(luò)安全、物理安全、系統(tǒng)安全、應(yīng)用安全、安全管理等保障能力。

3 智能高鐵體系框架設(shè)計

3.1 服務(wù)框架與功能框架

服務(wù)框架的設(shè)計首先需明確智能高鐵的用戶主體和服務(wù)主體，以及智能高鐵所應(yīng)提供的服務(wù)，是進行智能高鐵頂層設(shè)計的基礎(chǔ)。

用戶主體是智能高鐵服務(wù)面對的主要用戶，是在某個服務(wù)領(lǐng)域指定需求的主體，是進行需求分析、定義用戶服務(wù)、用戶子服務(wù)的前提與基礎(chǔ)；服務(wù)主體是根據(jù)用戶需求為用戶提供智能高鐵服務(wù)的主體。根據(jù)智能高鐵的內(nèi)涵，提出智能高鐵的用戶主體和服務(wù)主體。用戶主體分為管理用戶和服務(wù)用戶2類，其中管理用戶主要為中國鐵路總公司的主要管理部門，包括客運部、調(diào)度部、機輛部、工電部、運輸統(tǒng)籌監(jiān)督局、物資管理部、建設(shè)管理部、安全監(jiān)督管理局等；服務(wù)用戶主要為旅客、合作伙伴、其他交通方式管理部門等。服務(wù)主體分為路內(nèi)服務(wù)提供方和路外服務(wù)提供方，路內(nèi)服務(wù)提供方主要為中國鐵路總公司、鐵路局集團公司的技術(shù)管理部門，包括營運管理部門、調(diào)度指揮部門、固定設(shè)施管理部門、移動設(shè)施管理部門、人財物管理部門、信息服務(wù)部門、緊急救援與安全管理部門等；路外服務(wù)提供方包括餐飲行業(yè)、酒店行業(yè)、交通行業(yè)等。

在明確用戶主體和服務(wù)主體的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶需求分析，提出智能高鐵服務(wù)框架，即“1個平臺、3大領(lǐng)域、16個服務(wù)方向”的框架結(jié)構(gòu)（見圖2）。

在服務(wù)框架中，“1個平臺”是指智能高鐵大腦平臺，為智能高鐵各領(lǐng)域的智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺、數(shù)據(jù)資源、智能決策支撐?；谥悄芨哞F大腦平臺延展出三大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是智能建造、智能裝備和智能運營。在需求分析的基礎(chǔ)上對各應(yīng)用領(lǐng)域進一步細分，從而形成16個服務(wù)方向。

功能框架是在用戶需求分析及服務(wù)框架給定的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)角度描述智能高鐵系統(tǒng)所需提供的為滿足用戶服務(wù)的功能。例如，基于BIM的工程建設(shè)管理是用戶需要的服務(wù)，為實現(xiàn)該服務(wù)需對系統(tǒng)進行功能設(shè)計，根據(jù)鐵路工程建設(shè)管理過程，提出4個主要系統(tǒng)功能，分別為勘察設(shè)計信息管理、建設(shè)數(shù)據(jù)的自動采集與互聯(lián)、參建各方協(xié)同管理和輔助決策、建設(shè)質(zhì)量的可追溯閉環(huán)管理。智能高鐵的功能框架見圖3。

圖2 智能高鐵服務(wù)框架

3.2 邏輯框架與物理框架

邏輯框架從系統(tǒng)內(nèi)部對輸入數(shù)據(jù)流、輸出數(shù)據(jù)流及處理過程進行結(jié)構(gòu)性組織，邏輯框架的構(gòu)建不考慮管理體制和技術(shù)因素，具體的功能實現(xiàn)工作由物理框架完成。邏輯框架與系統(tǒng)實現(xiàn)相分離的設(shè)計方法使邏輯框架便于改進，具備相對較好的穩(wěn)定性，支持廣泛的不同系統(tǒng)的設(shè)計。

邏輯框架通常用層次數(shù)據(jù)流圖（DFD）來描述。層次數(shù)據(jù)流圖是一種描述分解的結(jié)構(gòu)化過程的建模工具，能以直觀的圖形清晰地描述系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動、數(shù)據(jù)的變化和系統(tǒng)所執(zhí)行的處理等。層次數(shù)據(jù)流圖通常由頂層、底層和若干中間層組成，頂層圖說明系統(tǒng)的邊界，即系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)流；底層圖由一些不可再分解的處理構(gòu)成；中間層描述某個處理的分解，同時其組成部分還要進一步分解。每一層數(shù)據(jù)流圖通常由數(shù)據(jù)流、處理、實體、數(shù)據(jù)存儲等元素構(gòu)成。

在系統(tǒng)功能框架的基礎(chǔ)上，按照由頂至下、逐層細化的思路設(shè)計智能高鐵系統(tǒng)的邏輯框架。在頂層邏輯框架中，由1個數(shù)據(jù)存儲單元、16個處理單元和相應(yīng)的數(shù)據(jù)流組成，其中存儲單元為智能高鐵大腦平臺，處理單元即為服務(wù)框架中給出的16個服務(wù)方向（見圖4）。

圖4 智能高鐵頂層邏輯框架

物理框架是對邏輯框架定義的各類過程及數(shù)據(jù)流進行整合，形成若干個具有一定功能、滿足智能高鐵需求的物理子系統(tǒng)。物理子系統(tǒng)的確定既要考慮功能需求，也要考慮非功能需求，包括管理體制、市場等方面的因素。功能需求通過邏輯框架確定的過程和數(shù)據(jù)流來體現(xiàn)，決定智能高鐵物理實體必須完成的功能，非功能要求則影響智能高鐵功能在物理實體上的分配方式。

在邏輯框架的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)行的鐵路運營管理體制，按照云端系統(tǒng)與鐵路現(xiàn)場子系統(tǒng)相結(jié)合的方式設(shè)計智能高鐵系統(tǒng)物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測監(jiān)測相結(jié)合的系統(tǒng)部署（見圖5）。

在云端部署智能高鐵大腦平臺以及智能高鐵三大領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)。智能高鐵大腦平臺作為智能高鐵的“操作系統(tǒng)”，為智能高鐵的有效、協(xié)同運轉(zhuǎn)提供通用的數(shù)據(jù)、平臺和智能計算能力。根據(jù)邏輯框架，應(yīng)用系統(tǒng)包括智能建造、智能裝備和智能運營領(lǐng)域的15個應(yīng)用系統(tǒng)。云端系統(tǒng)通過新一代鐵路通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與智能高鐵用戶終端相連接，用戶終端主要包括內(nèi)部管理終端和對外服務(wù)終端2類，其中內(nèi)部管理終端面向中國鐵路總公司管理人員、鐵路局集團公司管理人員以及其他鐵路內(nèi)部管理人員；對外服務(wù)終端面向旅客、供應(yīng)商、合作伙伴、其他交通方式管理人員等外部用戶。

鐵路現(xiàn)場子系統(tǒng)主要實現(xiàn)鐵路現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、具有高實時性要求的邊緣計算以及現(xiàn)場操控等功能，通過新一代鐵路通信網(wǎng)與云端系統(tǒng)相連接。鐵路現(xiàn)場子系統(tǒng)主要為需在鐵路現(xiàn)場進行操作控制的系統(tǒng)，包括智能動車組系統(tǒng)、車載列控系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、智能建造系統(tǒng)等；此外，還包括具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)上傳能力的智能終端，如視頻監(jiān)控、激光測量、紅外監(jiān)測及其他檢測監(jiān)測設(shè)備。

3.3 智能高鐵大腦平臺

圖5 智能高鐵總體物理框架

我國智能高鐵將按照“一平臺、多應(yīng)用”的模式規(guī)劃和建設(shè)，智能高鐵大腦即為智能高鐵的統(tǒng)一基礎(chǔ)平臺，為智能高鐵提供平臺、數(shù)據(jù)、計算能力，在智能高鐵大腦平臺的基礎(chǔ)上擴展建設(shè)各專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)。基于互聯(lián)網(wǎng)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)和新一代鐵路無線通信系統(tǒng)，構(gòu)建鐵路智聯(lián)網(wǎng)作為信息感知端，感知到的數(shù)據(jù)傳入智能高鐵大腦進行統(tǒng)一治理、加工、計算，最終為智能建造、智能裝備、智能運營等領(lǐng)域的智能應(yīng)用提供決策支持。智能高鐵大腦平臺的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括3部分，即基礎(chǔ)服務(wù)平臺、大數(shù)據(jù)資源湖、智能計算技術(shù)（見圖6）。

（1）基礎(chǔ)服務(wù)平臺為智能高鐵提供平臺和技術(shù)支撐能力，主要包括大數(shù)據(jù)平臺、GIS平臺、BIM平臺、AI平臺、北斗平臺等。

（2）大數(shù)據(jù)資源湖是智能高鐵智慧產(chǎn)生的源泉，一切智慧及決策皆來源于數(shù)據(jù)。通過對采集到的鐵路內(nèi)外部相關(guān)數(shù)據(jù)進行智能分析和處理，可分析、識別出隱含的有意義的信息，從而獲取對事物狀態(tài)及發(fā)展趨勢更深刻的認(rèn)識，為決策判斷提供科學(xué)依據(jù)。大數(shù)據(jù)資源湖基于鐵路智聯(lián)網(wǎng)全面整合智能高鐵戰(zhàn)略決策、運輸生產(chǎn)、經(jīng)營開發(fā)、資源管理、建設(shè)管理、綜合協(xié)同、社會數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的信息資源。

（3）智能計算技術(shù)集成智能高鐵所需的人工智能技術(shù)，將數(shù)據(jù)資源層的各類數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，并快速準(zhǔn)確地提供報表、儀表盤、3D等可視化方式進行全局展示，輔助智能高鐵業(yè)務(wù)經(jīng)營決策。智能計算技術(shù)主要包括深度學(xué)習(xí)、文本分析、圖像分析、知識圖譜等通用人工智能技術(shù)，此外還包括人員畫像、設(shè)備畫像等行業(yè)專用技術(shù)。

4 結(jié)束語

經(jīng)過十幾年的發(fā)展建設(shè)，我國已成為擁有世界上最發(fā)達的高鐵網(wǎng)的國家，形成了全面擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)裝備和技術(shù)體系。在“交通強國”戰(zhàn)略的指引下，在智能技術(shù)快速發(fā)展的推動下，我國高鐵快速發(fā)展的同時，正穩(wěn)步邁進智能化發(fā)展的新階段。智能高鐵是一項復(fù)雜而龐大的信息物理系統(tǒng)工程，需要做好頂層設(shè)計和整體規(guī)劃，通過對智能高鐵體系框架的研究和探索，提出智能高鐵的發(fā)展藍圖和實施戰(zhàn)略，為我國智能高鐵的有序建設(shè)提供戰(zhàn)略支撐。

圖6 智能高鐵大腦平臺總體架構(gòu)