李高豐，王學(xué)林，余 超，嚴(yán) 瑾

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 通信信號設(shè)計研究院，成都 610031）

智能鐵路中廣泛應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、建筑信息模型（BIM ，Building Information Modeling）等新技術(shù)，綜合高效利用資源，實(shí)現(xiàn)移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，是實(shí)現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)[1]。

2019年12月，北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）作為智能鐵路示范工程開通運(yùn)行，其智能化內(nèi)容主要包括智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營3大板塊，涵蓋工程管理、施工建造、智能動車組、智能牽引供電、智能車站、智能票務(wù)、智能出行服務(wù)、智能調(diào)度和自動駕駛等方面[2]。2020年9月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱：國鐵集團(tuán)）頒布了《智能高速鐵路體系架構(gòu) 1.0》，是現(xiàn)階段中國智能高鐵建設(shè)和運(yùn)營的指導(dǎo)性文件，涵蓋了智能高鐵技術(shù)體系框架、數(shù)據(jù)體系框架、標(biāo)準(zhǔn)體系框架等重要內(nèi)容。按照中國智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，智能高鐵已經(jīng)進(jìn)入理論與技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破階段（2021—2025年），將全面形成智能高鐵設(shè)計、建造到運(yùn)營全產(chǎn)業(yè)鏈成套技術(shù)[3]。

成渝中線（重慶—成都）高速鐵路（簡稱：成渝中線高鐵）從重慶樞紐既有重慶北站引出，沿線新設(shè)重慶科學(xué)城站、銅梁站、大足石刻站、安岳站、樂至站、簡州站，接入成都樞紐既有成都站，全長292 km[4]。成渝中線高鐵對構(gòu)建川渝一體化綜合交通運(yùn)輸體系，強(qiáng)化成都和重慶雙核引領(lǐng)、區(qū)域聯(lián)動，共建“一帶一路”和長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展，推進(jìn)新時代西部大開發(fā)形成新格局，具有重要的支撐作用，是成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)的又一標(biāo)志性工程。因此，將成渝中線高鐵打造成為一條更加安全可控、更加先進(jìn)實(shí)用、更加舒適便捷的智能高鐵，具有重要意義。

1 需求分析

1.1 雙城經(jīng)濟(jì)圈通勤時間需求

成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈是國家級城市群，并將逐步發(fā)展成為世界級城市群。城市群具有城鎮(zhèn)密集、聯(lián)系便捷的特點(diǎn)，城市功能有一定的互補(bǔ)性，如重要交通樞紐的共享、產(chǎn)業(yè)集群、共用金融中心及口岸等，其交通典型特征是出現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)式高密度交通[5]。以世界著名的紐約、倫敦、東京等都市圈的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，這種點(diǎn)對點(diǎn)式高密度交通通勤耐受時間一般為1 h左右。《成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)規(guī)劃綱要》也提出本區(qū)域內(nèi)需要建成中心城市間、中心城市與周邊城市（鎮(zhèn)）間1 h交通圈和通勤圈。因此，成渝中線高鐵需要以提高列車運(yùn)行控制與指揮調(diào)度能力、提升通勤旅客出行全過程效率、提供各項(xiàng)乘車便捷服務(wù)等為目標(biāo)，為成都和重慶兩大中心城市之間1 h通勤創(chuàng)造必要條件。

1.2 高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)營維護(hù)需求

基于成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈建設(shè)的國家戰(zhàn)略定位和貫徹落實(shí)長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展要求，成渝中線高鐵設(shè)計速度為350 km/h，大足石刻—簡州段運(yùn)營高鐵可根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)一步研究確定曲線半徑。隨著列車運(yùn)行速度的提高，對軌道、路基、橋涵、隧道、接觸網(wǎng)和牽引供電等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的性能參數(shù)和運(yùn)營維護(hù)（簡稱：運(yùn)維）有著全新的要求。

（1）需要全方位獲取相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)下的性能參數(shù)、幾何尺寸和視頻圖像等信息。例如：①橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力、振動和變形等數(shù)據(jù)；②隧道重點(diǎn)區(qū)段的圍巖深部位移和水壓力、襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變、基底結(jié)構(gòu)位移和隧內(nèi)環(huán)境變量等數(shù)據(jù)；③路基不良地質(zhì)區(qū)段的結(jié)構(gòu)形態(tài)與邊坡變形數(shù)據(jù)；④軌道上拱、扣件失效、軌道結(jié)構(gòu)開裂和鋼軌裂紋等病害情況；⑤接觸網(wǎng)零部件疲勞、變形和磨損等狀態(tài)[6-9]。

（2）需要通過大數(shù)據(jù)分析、AI等技術(shù)對基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行綜合分析與趨勢研判，對基礎(chǔ)設(shè)施缺陷進(jìn)行故障預(yù)測與健康評估，輔助編制設(shè)備維修計劃和作業(yè)方案，優(yōu)化修程修制，提升運(yùn)維水平。

1.3 復(fù)雜工程設(shè)計與管理需求

（1）成渝中線高鐵沿線不良地質(zhì)現(xiàn)象眾多，主要有礦場采空區(qū)、巖溶及巖溶水、有害氣體、危巖及巖堆、高溫?zé)崴突碌龋€路穿越多處山脈和水系，緊鄰多處自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)域，在設(shè)計、建造階段需要及時快速地掌握現(xiàn)場的地質(zhì)情況和生態(tài)變化，進(jìn)行智能分析和決策，降低建設(shè)風(fēng)險，有效控制工程投資。

（2）成渝中線高鐵兩端分別為成都和重慶兩座超大城市，城市具有建筑物密集、多種城市交通運(yùn)輸方式交織、市政地下管網(wǎng)密布等特點(diǎn)，對設(shè)計選線和工程建設(shè)要求極高，需要開展動態(tài)、精細(xì)化的設(shè)計和工程管理，有效保障工程建設(shè)的安全和質(zhì)量。

2 總體方案

2.1 基本原則

2.1.1 全生命周期管理

通過應(yīng)用各類信息化和智能化系統(tǒng)，滿足成渝中線高鐵線路勘察、設(shè)計、建造、運(yùn)營和維護(hù)全生命周期的工程管理要求。在建造期、運(yùn)營期采用統(tǒng)一的軟硬件服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，保證建造期內(nèi)積累的各類數(shù)據(jù)資源能夠全面、在序地轉(zhuǎn)移至運(yùn)營期。

2.1.2 數(shù)據(jù)集成、共享、分析

通過企業(yè)級大數(shù)據(jù)平臺開展數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)布、智能分析和數(shù)據(jù)可視化等功能。建立可靠的數(shù)據(jù)共享安全保障機(jī)制，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，確保鐵路內(nèi)部數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)能夠共享。

2.1.3 兼容性

智能化平臺采用與既有數(shù)據(jù)中心相兼容的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備，各類新建智能化系統(tǒng)應(yīng)與建設(shè)單位、運(yùn)營單位的既有系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)兼容。常使用功能的設(shè)備可在運(yùn)營期繼續(xù)使用，避免重復(fù)設(shè)置，減少浪費(fèi)。

2.1.4 設(shè)施設(shè)備永臨結(jié)合

建造期各類智能應(yīng)用系統(tǒng)布設(shè)的現(xiàn)場智能感知設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備均可根據(jù)設(shè)備使用年限規(guī)定、實(shí)際使用狀況在工程竣工交付時進(jìn)行評估，具備正

2.2 智能化架構(gòu)

成渝中線高鐵以智能鐵路AI平臺為核心，包含智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營相關(guān)的各類智能化子系統(tǒng)，其智能化架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 成渝中線高鐵智能化架構(gòu)

2.2.1 智能鐵路AI平臺

智能鐵路AI平臺作為成渝中線高鐵智能化的核心，利用既有國鐵集團(tuán)、中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺資源并按需擴(kuò)容。平臺匯集來自智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營板塊和既有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并與航空、公路、城市交通、氣象和災(zāi)害等外部數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，從而形成一套多專業(yè)融合、跨業(yè)務(wù)、跨部門共享的規(guī)范數(shù)據(jù)資源。在此基礎(chǔ)上，平臺開展主數(shù)據(jù)、地理信息、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等服務(wù)。

2.2.2 智能應(yīng)用

智能應(yīng)用由智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營3大板塊組成。

（1）智能建造。①綜合利用空天地一體化網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理，構(gòu)建成渝中線高鐵全域范圍內(nèi)高精度、可量測影像實(shí)景三維模型，實(shí)現(xiàn)海量地形地貌三維模型數(shù)據(jù)的管理、顯示和分析應(yīng)用；②以O(shè)penRailDesigner為基礎(chǔ)平臺，按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架原則，開展各專業(yè)的BIM設(shè)計應(yīng)用工作，完成各階段、各專業(yè)BIM交付；③采用智能濕噴臺車、智能襯砌臺車、路基智能壓實(shí)、軌道智能精調(diào)等新型智能建造裝備與系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工過程精細(xì)化管理和質(zhì)量控制；④根據(jù)生態(tài)環(huán)保管理需求，對鐵路沿線生態(tài)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、智能分析和智能預(yù)警，消除或減少鐵路施工對生態(tài)環(huán)境的影響。

（2）智能裝備。①在列車運(yùn)行自動調(diào)整、進(jìn)路和命令安全卡控、行車調(diào)度綜合仿真、行車信息數(shù)據(jù)平臺等方面進(jìn)一步優(yōu)化和完善，實(shí)現(xiàn)調(diào)度集中系統(tǒng)更深層次的智能化；②采用智能牽引變電所、智能供電調(diào)度系統(tǒng)、智能供電運(yùn)行檢修管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)全方位、全覆蓋的綜合檢測監(jiān)測，以及綜合分析、判斷；③利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，對鐵路沿線特殊區(qū)段或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的橋梁、隧道和路基進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康狀況的綜合監(jiān)控、評價和分析；④采用對鐵路沿線給排水設(shè)施使用情況（取水量、供水量、供水損耗量、耗電量等）、關(guān)鍵參數(shù)（液位、壓力、流量）等信息進(jìn)行監(jiān)測，通過各類遠(yuǎn)程控制設(shè)備對水泵、電磁閥等給排水機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)給排水系統(tǒng)的自動運(yùn)行和無人值守；⑤借助智能化技術(shù)對電力貫通電纜狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測，及時掌握電纜運(yùn)行狀態(tài)異?；蚬收系恼髡?，并進(jìn)行數(shù)據(jù)上報，實(shí)現(xiàn)電纜故障的快速定位維修和優(yōu)化檢修周期。

（3）智能運(yùn)營。①形成以鐵路旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺為核心的智能客站，具備旅客服務(wù)應(yīng)用、客運(yùn)管理應(yīng)用、客站設(shè)備管理應(yīng)用、客站應(yīng)急指揮應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)客站生產(chǎn)和服務(wù)業(yè)務(wù)的一體化協(xié)同；②以工程建設(shè)期BIM+地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）為載體，共享工程建設(shè)期交付數(shù)據(jù)，以運(yùn)營期鐵路局集團(tuán)公司統(tǒng)建的生產(chǎn)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立工電一體化運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)建造與運(yùn)維一體化及設(shè)備履歷全壽命周期管理，為科學(xué)開展設(shè)備維修提供技術(shù)支持；③根據(jù)運(yùn)維管理的需要，結(jié)合工電供運(yùn)維一體化，對全線車站站房、生產(chǎn)生活房屋、區(qū)間箱式變電站進(jìn)行綜合能耗監(jiān)測管理，自動提供能耗分析和解決方案。

2.2.3 通信網(wǎng)絡(luò)

（1）建造期

鐵路沿線各類智能應(yīng)用系統(tǒng)/設(shè)備可通過有線網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)匯集后，利用電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)資源將信息傳輸至智能鐵路AI平臺，也可直接利用電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)資源將信息傳輸至智能鐵路AI平臺。

智能鐵路AI平臺與各級施工單位指揮機(jī)構(gòu)、各級建設(shè)指揮機(jī)構(gòu)、設(shè)計單位、咨詢單位、監(jiān)理單位之間的網(wǎng)絡(luò)通道可根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)資源或鐵路專網(wǎng)資源。

（2）運(yùn)營期

沿線各類智能應(yīng)用系統(tǒng)/設(shè)備根據(jù)成渝中線鐵路專網(wǎng)建設(shè)情況和數(shù)據(jù)安全傳輸需要，優(yōu)先選擇利用沿線鐵路專網(wǎng)資源將信息傳輸至智能鐵路AI平臺。

智能鐵路AI平臺至運(yùn)營、維護(hù)管理單位或部門之間的網(wǎng)絡(luò)通道選用鐵路專網(wǎng)資源。

3 結(jié)束語

中國智能鐵路在京張高鐵、北京—雄安城際鐵路的智能化創(chuàng)新實(shí)踐基礎(chǔ)上，形成了智能高鐵體系架構(gòu)，取得了一系列應(yīng)用成果。隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用，依托成渝中線高鐵，以無人化、自主化為目標(biāo)，按照“一個核心，三大板塊”的智能化架構(gòu)，將進(jìn)一步提升智能鐵路AI平臺能力，擴(kuò)展鐵路智能應(yīng)用領(lǐng)域，為推進(jìn)成渝雙城經(jīng)濟(jì)圈高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐。