李平，史天運(yùn)，馬小寧，楊東盛，張曉棟

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

0 引言

2019年9月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》指出“推進(jìn)干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通的融合發(fā)展”。2021年2月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》指出“推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路融合建設(shè)，并做好與城市軌道交通銜接協(xié)調(diào)，構(gòu)建運(yùn)營管理和服務(wù)‘一張網(wǎng)’，實(shí)現(xiàn)設(shè)施互聯(lián)、票制互通、安檢互認(rèn)、信息共享、支付兼容”。2021年3月，《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出“推進(jìn)城市群都市圈交通一體化，加強(qiáng)城際鐵路、市域（郊）鐵路發(fā)展”“推動市內(nèi)市外交通有效銜接和軌道交通‘四網(wǎng)融合’，提高都市圈基礎(chǔ)設(shè)施連接性貫通性”。在此背景下，城際鐵路作為城市對外聯(lián)系的重要通道，對于城市群間的交通互聯(lián)互通和都市圈交通一體化發(fā)展具有重要意義。

城際鐵路作為連接干線鐵路和城市軌道交通的重要通道，與上下游軌道交通做好銜接極為必要。近年來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展，全球軌道交通進(jìn)入智能化發(fā)展新階段［1］，我國智能高速鐵路、智慧地鐵等取得快速發(fā)展。中國國家鐵路集團(tuán)有限公司于2020年9月印發(fā)“技術(shù)-數(shù)據(jù)-標(biāo)準(zhǔn)”三位一體的《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》，提出涵蓋智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營以及基礎(chǔ)平臺四大組成部分的智能高鐵建設(shè)與運(yùn)營的頂層設(shè)計(jì)（見圖1）［2］，并依托京張高鐵、京雄城際鐵路等開展智能高鐵的應(yīng)用示范，形成以BIM建造技術(shù)、智能動車組、列車自動駕駛、電子客票、智能客站、智能運(yùn)維等為代表的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，建成世界上首條智能鐵路——京張高鐵。2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌建設(shè)綱要》［3］，提出智慧城軌建設(shè)“1-8-1-1”藍(lán)圖設(shè)計(jì)（見圖2），即“鋪畫一張智慧城軌發(fā)展藍(lán)圖；創(chuàng)建智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運(yùn)行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)維安全、智慧網(wǎng)絡(luò)管理等八大體系；建立一個(gè)城軌云與大數(shù)據(jù)平臺；制定一套中國智慧城軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系”。

圖1 智能高鐵體系架構(gòu)

圖2 智慧城軌建設(shè)“1-8-1-1”藍(lán)圖

根據(jù)國外典型城市群軌道交通發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，日本東京灣區(qū)80%～90%通勤客運(yùn)依賴軌道交通，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)灣區(qū)交通一體化［4］；美國舊金山灣區(qū)形成的“環(huán)灣+放射狀”軌道網(wǎng)結(jié)構(gòu)，極大地帶動了區(qū)域協(xié)同化發(fā)展［5］。因此，通過信息新技術(shù)驅(qū)動軌道交通智能化，有利于達(dá)到更高品質(zhì)的個(gè)性化出行服務(wù)、更好的安全保障能力、更優(yōu)的交通運(yùn)輸效率、更少的環(huán)境污染，成為城際軌道交通發(fā)展的必然趨勢，開展智能化總體設(shè)計(jì)對于推動軌道交通四網(wǎng)高質(zhì)量融合具有極其重要的意義［6-10］。

1 智能城際鐵路概述

1.1 定義

智能城際鐵路（Intelligent Inter-City Railway，I2CR）廣泛應(yīng)用5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、BIM等新一代信息技術(shù)，綜合高效利用城際鐵路內(nèi)外部資源，面向全生命周期一體化管理，實(shí)現(xiàn)移動設(shè)備、固定設(shè)施、外部環(huán)境及其他交通方式間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策。

1.2 內(nèi)涵與目標(biāo)

智能城際鐵路的內(nèi)涵可簡稱為“三全四化”，即以AI、BIM、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等新技術(shù)在城際鐵路的全面深度應(yīng)用為標(biāo)志，通過覆蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)的“全業(yè)務(wù)流程、全價(jià)值鏈條、全生態(tài)體系”的智能化，實(shí)現(xiàn)“乘客出行安全便捷化、運(yùn)營管理高效無人化、設(shè)備設(shè)施數(shù)字智能化、全方位綠色人性化”（見圖3）。

圖3 智能城際鐵路的內(nèi)涵

智能城際鐵路是信息化、智能化技術(shù)與城際鐵路各領(lǐng)域深度融合的新一代城際鐵路系統(tǒng)，在城際鐵路的傳統(tǒng)特征基礎(chǔ)上，信息化、智能化技術(shù)又賦予其新的功能與特征，使其能夠?qū)﹁F路各系統(tǒng)要素進(jìn)行全面實(shí)時(shí)感知，不斷適應(yīng)環(huán)境、主動學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的深度融合與廣泛共享；通過對大量數(shù)據(jù)的挖掘、分析、推理，提出科學(xué)合理的決策支持。智能城際鐵路具有“以人為本、運(yùn)行安全、降本增效、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)創(chuàng)新”等特征，可實(shí)現(xiàn)“更加安全可靠、更加溫馨舒適、更加節(jié)能環(huán)保、更加經(jīng)濟(jì)高效、更加方便快捷”的發(fā)展目標(biāo)（見圖4）。

圖4 智能城際鐵路的目標(biāo)

1.3 需求分析

智能城際鐵路的需求主要包括以下5個(gè)方面：

（1）綠色環(huán)保、節(jié)能高效。對于城際鐵路的建設(shè)，除了考慮智能技術(shù)裝備的提升，還面臨智慧能源管理、資源共享共建、生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈打造等問題，需要加強(qiáng)整個(gè)綜合交通運(yùn)輸體系的效率提升、安全運(yùn)轉(zhuǎn)、節(jié)支降耗要求。

（2）智能驅(qū)動、業(yè)務(wù)創(chuàng)新。城際鐵路在建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)、管理、服務(wù)等多個(gè)范疇，均面臨智能化技術(shù)裝備、智能化系統(tǒng)、智慧化服務(wù)場景的創(chuàng)新應(yīng)用，運(yùn)營的智能監(jiān)測、決策管理、分析挖掘，客運(yùn)全過程服務(wù)，內(nèi)外部單位共享互通，以及全過程、全生命周期數(shù)據(jù)管理互聯(lián)等問題。

（3）云數(shù)引領(lǐng)、數(shù)據(jù)賦能。在多網(wǎng)綜合交通、多線建設(shè)運(yùn)營中，需要解決資源靈活分配、統(tǒng)籌管理、傳統(tǒng)架構(gòu)陳舊、安全管控薄弱、運(yùn)維體系龐大等問題，同時(shí)需要思考多網(wǎng)、多線、多專業(yè)、多場景的數(shù)據(jù)如何在業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)、業(yè)務(wù)重構(gòu)、業(yè)務(wù)塑造中進(jìn)行價(jià)值提升，借助云平臺服務(wù)能力和唾手可得的數(shù)據(jù)資源，推動全鏈條城際鐵路運(yùn)營各環(huán)節(jié)的改進(jìn)提升。

（4）區(qū)域融合、生態(tài)互聯(lián)。在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮都市圈軌道交通網(wǎng)絡(luò)布局，除了在線路走向、技術(shù)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、站城一體化等方面進(jìn)行多網(wǎng)共享，還面臨區(qū)域性運(yùn)營管理模式、運(yùn)輸服務(wù)方式、運(yùn)輸組織管理、綜合交通銜接、信息互聯(lián)互通等問題。同時(shí)，應(yīng)兼顧新型都市圈、大型樞紐中心等生態(tài)體系的構(gòu)建和共享價(jià)值的再生，實(shí)現(xiàn)綜合性一體化的生態(tài)互聯(lián)。

（5）乘客出行、個(gè)性服務(wù)。新一代信息技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了乘客服務(wù)體系的提升，通過智慧屏、智能感知、智慧數(shù)據(jù)、多媒體生態(tài)等應(yīng)用，共同打造更加舒適、健康、便捷的交通出行方式。在城際鐵路建設(shè)中，應(yīng)滿足以乘客為中心的智慧化、個(gè)性化服務(wù)需求。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于復(fù)雜系統(tǒng)理論和企業(yè)架構(gòu)構(gòu)建方法，以需求為驅(qū)動，從業(yè)務(wù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)、技術(shù)3個(gè)維度進(jìn)行智能城際鐵路的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)

智能城際鐵路的業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)是基于分類分層設(shè)計(jì)思想，按照“顆粒度一致、高內(nèi)聚、低耦合、可靈活擴(kuò)充”等設(shè)計(jì)原則，自上而下劃分為平臺、板塊、領(lǐng)域、應(yīng)用4個(gè)層面，包括1個(gè)云腦平臺、6個(gè)智能板塊、16個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域、N個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)（1-6-16-N）。智能城際鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)見圖5。

圖5 智能城際鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)

（1）1個(gè)云腦平臺：為智能城際鐵路提供支撐和服務(wù)。

（2）6個(gè)智能板塊：包括智能建造、智能列車、智能調(diào)度與列控、智能檢測監(jiān)測、智能運(yùn)維、智能服務(wù)等。

（3）16個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域：包括基礎(chǔ)設(shè)施智能施工、BIM工程管理、整車設(shè)計(jì)、智能監(jiān)控、智能服務(wù)、智能調(diào)度、智能列控、固定設(shè)施監(jiān)測、移動設(shè)備監(jiān)測、災(zāi)害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、固定設(shè)施智能運(yùn)維、動車組智能運(yùn)維、智能票務(wù)、智能客站、智能運(yùn)輸組織等。

（4）N個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)：

①基礎(chǔ)設(shè)施智能施工：包括橋梁智能施工、隧道智能施工、路基智能施工、軌道智能施工等系統(tǒng)。

②BIM工程管理：包括BIM+GIS工程管理、監(jiān)理多端協(xié)同作業(yè)、數(shù)字化設(shè)計(jì)竣工交付等平臺。

③整車設(shè)計(jì)：包括城際動車組整車與品牌設(shè)計(jì)、列車網(wǎng)絡(luò)控制、車輛電氣控制、牽引等系統(tǒng)。

④智能監(jiān)控：城際動車組車載安全監(jiān)控、城際動車組車載信息無線傳輸、城際列車綜合無線通信、城際動車組車載健康管理等系統(tǒng)。

⑤智能服務(wù)：基于5G列車智能綜合服務(wù)、車窗信息智能發(fā)布等系統(tǒng)。

⑥智能調(diào)度：智能綜合調(diào)度管理、智能調(diào)度應(yīng)急指揮、智能調(diào)度集中等系統(tǒng)。

⑦智能列控：CTCS&CBTC融合技術(shù)的城際鐵路列控、C3+ATO列控、C2+ATO列控、動車段/所全自動運(yùn)行調(diào)度與控制等系統(tǒng)。

⑧固定設(shè)施監(jiān)測：基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測車/巡檢車、工務(wù)設(shè)施綜合檢測監(jiān)測、供變電設(shè)施及接觸網(wǎng)監(jiān)測、站房鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等系統(tǒng)。

⑨移動設(shè)備監(jiān)測：動車組地對車運(yùn)行安全監(jiān)控、動車組運(yùn)行安全管理分析等系統(tǒng)。

⑩災(zāi)害監(jiān)測：自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測、地震監(jiān)測預(yù)警、滑坡及泥石流監(jiān)測等系統(tǒng)。

?環(huán)境監(jiān)測：周界入侵報(bào)警、機(jī)房電源及環(huán)境集中監(jiān)控、振動監(jiān)測控制、智能一體化視頻監(jiān)測等系統(tǒng)。

?固定設(shè)施智能運(yùn)維：綜合維修生產(chǎn)管理信息、基礎(chǔ)設(shè)施故障診斷與健康管理、基礎(chǔ)設(shè)施智能預(yù)測運(yùn)維等系統(tǒng)。

?動車組智能運(yùn)維：智能動車段/所、動車組故障預(yù)測與健康管理等系統(tǒng)。

?智能票務(wù)：智能城際票務(wù)、智能城際清分等系統(tǒng)。

?智能客站：城際站臺安全防護(hù)、（智能客站）服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺等系統(tǒng)。

?智能運(yùn)輸組織：基于機(jī)器視覺的客流預(yù)測與管理、基于實(shí)時(shí)客流預(yù)測的運(yùn)行圖智能編制、城際快運(yùn)等應(yīng)用系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

智能城際鐵路的數(shù)據(jù)架構(gòu)自下而上可分為數(shù)據(jù)匯集層、存儲分析層、創(chuàng)新應(yīng)用層（見圖6）：

圖6 智能城際鐵路數(shù)據(jù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)匯集層。用于匯集來自智能建造、智能檢測監(jiān)測、智能列車、智能調(diào)度與列控、智能運(yùn)維、智能服務(wù)等6個(gè)智能板塊的數(shù)據(jù)，以及其他交通方式、氣象、互聯(lián)網(wǎng)、公共服務(wù)等外部相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)、全類型的智能城際鐵路數(shù)據(jù)匯集。

（2）存儲分析層?；谥悄艹请H鐵路云腦平臺，對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理，按不同主題建立全生命周期數(shù)據(jù)組織與存儲結(jié)構(gòu)，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。

（3）創(chuàng)新應(yīng)用層。采用“平臺+應(yīng)用”模式，在云數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)上，提供物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、主數(shù)據(jù)服務(wù)、BIM+GIS服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析服務(wù)、人工智能服務(wù)、決策支持服務(wù)等大數(shù)據(jù)典型應(yīng)用，支撐各專業(yè)智能化的實(shí)現(xiàn)。

2.3 技術(shù)架構(gòu)

遵循業(yè)界領(lǐng)先的“平臺+應(yīng)用”技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念，搭建智能城際鐵路技術(shù)架構(gòu)，通過基于統(tǒng)一的云腦平臺，為智能列車、智能調(diào)度、智能列控、智能檢測監(jiān)測、智能運(yùn)維、智能客站、智能票務(wù)清分等賦能（見圖7）。在智能城際鐵路的技術(shù)架構(gòu)中，云腦平臺是中樞大腦，為各板塊的智能化應(yīng)用提供統(tǒng)一的IaaS、PaaS等服務(wù)；并基于數(shù)據(jù)驅(qū)動理念，為管理部門提供智能決策分析。

圖7 智能城際鐵路技術(shù)架構(gòu)

云腦平臺由基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、云數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)湖、支撐服務(wù)4個(gè)部分組成：

（1）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。為整個(gè)信息基礎(chǔ)設(shè)施提供底層的網(wǎng)絡(luò)承載，包括各種專網(wǎng)、實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)以及基于5G的專用物聯(lián)網(wǎng)。

（2）云數(shù)據(jù)中心?；谙冗M(jìn)的軟件定義、云計(jì)算等技術(shù)，將計(jì)算、存儲、安全等物理資源虛擬化為資源池，實(shí)現(xiàn)資源的按需供給、動態(tài)調(diào)配，并通過IaaS、PaaS、SaaS形式對外提供服務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)湖?；跀?shù)據(jù)溫度、分級分域等技術(shù)，構(gòu)建分區(qū)、分域、分級管理的，且適應(yīng)四網(wǎng)融合要求的數(shù)據(jù)資源中心，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨行業(yè)數(shù)據(jù)共享，為上層智能化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）支撐服務(wù)。云腦平臺提供的大數(shù)據(jù)計(jì)算、智能分析、決策支持等核心能力，包括物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、主數(shù)據(jù)服務(wù)、地理信息服務(wù)、大數(shù)據(jù)服務(wù)、人工智能服務(wù)、決策支持服務(wù)等。

各專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)都應(yīng)按要求匯集至智能城際鐵路云腦平臺，經(jīng)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成智能城際鐵路數(shù)據(jù)湖；另外，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換共享都基于云腦平臺開展，各系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)接口統(tǒng)一從云腦平臺獲取所需數(shù)據(jù)。智能城際鐵路數(shù)據(jù)接口示意見圖8。

圖8 智能城際鐵路數(shù)據(jù)接口示意圖

3 結(jié)束語

從綜合立體交通網(wǎng)中城際鐵路的智能化發(fā)展需求出發(fā)，提出智能城際鐵路的定義、內(nèi)涵及目標(biāo)藍(lán)圖，基于對城際軌道交通智能化需求的分析，提出可概括為“1-6-16-X”的智能城際鐵路業(yè)務(wù)應(yīng)用架構(gòu)，設(shè)計(jì)涵蓋數(shù)據(jù)采集、存儲、應(yīng)用等全流程的數(shù)據(jù)架構(gòu)，建立基于“平臺+應(yīng)用”模式的技術(shù)架構(gòu)。

未來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)的創(chuàng)新突破和融合發(fā)展，依托云腦平臺數(shù)字底座，逐步實(shí)現(xiàn)需求辨識驅(qū)動的列車運(yùn)行計(jì)劃編制、多網(wǎng)融合的智能列控、聯(lián)程化票務(wù)與清分、綜合調(diào)度列控一體化等，促進(jìn)軌道交通四網(wǎng)的高質(zhì)量融合，為構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化綜合交通體系提供有力支撐。