李紅俠

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、北斗導(dǎo)航、BIM等新技術(shù)和社會經(jīng)濟發(fā)展需求的共同影響下，當(dāng)前人工智能進(jìn)入了新的發(fā)展階段，為搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇，中國鐵路行業(yè)在黨的“十九大”報告提出的交通強國戰(zhàn)略指導(dǎo)下，實現(xiàn)“交通強國、鐵路先行”的目標(biāo)[1]，為服務(wù)經(jīng)濟和社會更好發(fā)展以及實現(xiàn)世界高鐵技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢的目標(biāo)具有重大意義，智能高鐵是現(xiàn)代化高速鐵路的發(fā)展方向。作為中國首條智能化高速鐵路的京張高鐵已于2019年12月30日開通運行，其中的多項智能技術(shù)的應(yīng)用均為國內(nèi)首次，國際領(lǐng)先。

按照中國國家鐵路集團有限公司的統(tǒng)一部署、依托京張高鐵建設(shè)，全面推進(jìn)智能建造、智能裝備、智能運營等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，提升高鐵智能化水平，設(shè)計方面做了一些探索及示范應(yīng)用。2016年初京張高鐵全線開工，國鐵集團提出打造“精品工程、智能京張”[2]的目標(biāo)，京張高鐵將集中國高鐵建設(shè)運營、管理技術(shù)水平之大成，集中展示我國智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果，在智能鐵路總體框架指導(dǎo)下[3-4]，結(jié)合服務(wù)奧運的需求，實現(xiàn)旅客智能出行、鐵路智能運輸，把京張高鐵建設(shè)成為精品與智能融為一體的典范之作，全面提升安全、生產(chǎn)、運營、管理、客運服務(wù)等現(xiàn)代化水平。

2 京張高鐵智能化設(shè)計主要內(nèi)容

2017年6月，國鐵集團召開京張高鐵建設(shè)推進(jìn)會，部署安排打造“精品工程、智能京張”的有關(guān)工作，發(fā)布智能京張工程建設(shè)的指導(dǎo)性文件，通過指導(dǎo)性文件明確智能工程化推進(jìn)工作方案并提出：“建設(shè)精品工程、智能京張工程化任務(wù)單”，京張高鐵智能化主要包括智能建造、智能裝備和智能運營三大板塊，具體涵蓋智能工程建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施、智能出行、智能經(jīng)營、智能列車、智能行車組織等方面的內(nèi)容。

2.1 智能工程建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施方面

(1)首次采用了時速300～350 km高速鐵路自動駕駛技術(shù)(CTCS+ATO)[5]，該技術(shù)在世界上尚屬空白，高鐵自動駕駛系統(tǒng)具備車站自動發(fā)車、站間自動運行、車站自動停車、車門自動開門、車門站臺門聯(lián)動五大功能，可以有效的提高運輸能力、降低運行能耗、提高旅客舒適度、減輕司機勞動強度，是高速鐵路列控系統(tǒng)智能化的重要標(biāo)志，對保持我國高速鐵路列控技術(shù)的國際先進(jìn)水平具有重要的意義。

(2)首次采用了以智能牽引供電設(shè)施、智能供電運行檢修管理系統(tǒng)、智能供電調(diào)度系統(tǒng)組成的智能牽引供電系統(tǒng)，為鐵路提供可靠、高效的牽引供電系統(tǒng)，其中智能變電所提供牽引供電數(shù)據(jù)源；智能調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)應(yīng)急處置、智能源端維護(hù)等智能功能；牽引供電設(shè)備故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)(PHM)實現(xiàn)智能運營維護(hù)管理；接觸網(wǎng)監(jiān)測實現(xiàn)接觸網(wǎng)實時在線監(jiān)測；接觸網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)備管理中信息與設(shè)備的身份對應(yīng)問題以及信息的自動采集獲取問題，結(jié)合接觸網(wǎng)PHM系統(tǒng)，實現(xiàn)維修工單生成檢修任務(wù)的智能轉(zhuǎn)換，極大提高管理工作的智能化水平與效率。

(3)在工程建設(shè)中，通過搭建重點工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測傳感器及網(wǎng)絡(luò)，對關(guān)鍵設(shè)施、設(shè)備的運營狀態(tài)進(jìn)行了實時的監(jiān)測監(jiān)控，實現(xiàn)對清河站、八達(dá)嶺長城站重點工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測；建立了八達(dá)嶺長城地下站防災(zāi)疏散救援系統(tǒng)，對八達(dá)嶺長城地下站的環(huán)形救援廊道進(jìn)行了增強設(shè)計，完善了鐵路防災(zāi)體系，進(jìn)一步確保鐵路安全。

(4)基于北斗+GIS，京張高鐵部署鐵路統(tǒng)一的北斗應(yīng)用服務(wù)平臺，基于鐵路高精度地圖，提供時空位置服務(wù)，以北斗地基增強網(wǎng)絡(luò)和北斗隧道信號覆蓋系統(tǒng)為支撐，規(guī)劃部署京張高鐵地基增強基站，利用沿線鐵路通信機械室網(wǎng)絡(luò)、電源等資源構(gòu)建地基增強網(wǎng)絡(luò)，為全線提供高精度定位服務(wù)，布設(shè)京張隧道內(nèi)相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)隧道內(nèi)北斗模擬信號覆蓋，為隧道內(nèi)動車組、作業(yè)人員提供位置服務(wù)；通過北斗終端定位，信息回傳鐵路局生產(chǎn)調(diào)度指揮中心，實現(xiàn)人員區(qū)域標(biāo)記、位置監(jiān)視及防護(hù)輔助等功能，提高作業(yè)人員管理質(zhì)量；監(jiān)測鐵路通信鐵塔基礎(chǔ)傾斜趨勢，提高鐵塔維護(hù)監(jiān)測能力；應(yīng)用北斗與天通衛(wèi)星通信系統(tǒng)相結(jié)合應(yīng)急終端；在既有應(yīng)急通信系統(tǒng)中，進(jìn)一步增加完善北斗短報文等應(yīng)急通信裝備，豐富天通衛(wèi)星等應(yīng)急通信手段，通導(dǎo)一體化應(yīng)急通信能力，應(yīng)對極端災(zāi)害情況下通信。京張北斗示范應(yīng)用可以實現(xiàn)施工及維護(hù)上道作業(yè)人員監(jiān)控、鐵塔傾斜監(jiān)測和應(yīng)急通信，為京張高鐵安全運營保駕護(hù)航。

(5)基于BIM+GIS技術(shù)的可視化數(shù)字化應(yīng)用，應(yīng)用BIM技術(shù)[6]，從勘察設(shè)計、施工到運維，實現(xiàn)全生命周期的數(shù)字、智能化管理。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步深化施工設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案。通過BIM技術(shù)的應(yīng)用，建設(shè)三維工程管理平臺，優(yōu)化施工組織，實現(xiàn)工程進(jìn)度管理、質(zhì)量管理的可視化、信息化和智能化，為施工質(zhì)量和施工進(jìn)度提供技術(shù)保證。開展基于BIM技術(shù)的竣工交付標(biāo)準(zhǔn)研究，在竣工驗收階段，實現(xiàn)設(shè)計和建造數(shù)據(jù)的按需交付，形成現(xiàn)實和虛擬數(shù)字鐵路的同步交付。在運營階段，建立基于BIM技術(shù)的鐵路工程全生命周期綜合管理平臺，實現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)的預(yù)測診斷，實現(xiàn)鐵路工務(wù)、電務(wù)管理，環(huán)境保障和應(yīng)急管理等信息化，確保工務(wù)、供電、電務(wù)、車輛等設(shè)備狀態(tài)良好。

2.2 智能出行方面

首次采用基于國內(nèi)鐵路運營維護(hù)模式及國內(nèi)旅客的乘車需求定制開放的軟件平臺：客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺，對車站旅客服務(wù)、客運管理、客運設(shè)備、應(yīng)急指揮等業(yè)務(wù)進(jìn)行了深度融合，主要功能包括：客運管理與指揮、新一代旅服系統(tǒng)、客站設(shè)備運用監(jiān)控、客站應(yīng)急指揮、智能管控服務(wù)、AI輔助決策、集成化展示服務(wù)。

采用全面優(yōu)化完善的12306網(wǎng)站和票務(wù)自助服務(wù)設(shè)施，包括更加方便的客票系統(tǒng)，實現(xiàn)電子客票應(yīng)用、全程個性化的精準(zhǔn)服務(wù)，特別針對2022年冬奧會，增加與奧運主題相關(guān)聯(lián)的服務(wù)功能。

優(yōu)化后的客票系統(tǒng)采用二代居民身份證、電子護(hù)照、手機二維碼以及“人臉”等豐富多樣的電子客票載體，使用自動識讀、電子識別、生物特征識別等多維度的身份識別技術(shù)，智能配置和優(yōu)化客運生產(chǎn)服務(wù)資源，實現(xiàn)旅客全程出行無紙化、業(yè)務(wù)辦理自助化、客票銷售線上線下一體化、奧運門票互售、特許銷售、賽事信息推送等服務(wù)。

站內(nèi)智能導(dǎo)航系統(tǒng)為旅客提供精準(zhǔn)定位、路徑規(guī)劃、位置搜索、導(dǎo)航等服務(wù)，提升旅客出行體驗，為旅客提供從出發(fā)、到站、乘車、出站全流程服務(wù)。為車站管理人員提供先進(jìn)的旅客服務(wù)管理手段以及提供基于旅客行為數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析；根據(jù)情況，在車站內(nèi)配置智能問詢機器人、智能巡更機器人，提升旅客出行體驗。

2.3 智能經(jīng)營

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，實現(xiàn)客運產(chǎn)品的設(shè)計優(yōu)化，售票組織的優(yōu)化，客運的相關(guān)延伸服務(wù)，為鐵路總公司的經(jīng)營服務(wù)提供有力支撐。

在客運站內(nèi)部署面對旅客的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi運營服務(wù)系統(tǒng)，為旅客提供包括視頻觀看、音樂、閱讀等車站W(wǎng)i-Fi局域網(wǎng)本地內(nèi)容服務(wù)以及正晚點、檢票口位置查詢等客運相關(guān)信息服務(wù)，同時為注冊認(rèn)證的旅客提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，滿足旅客出行中多樣化服務(wù)需求，提高出行乘車體驗。

車站運營智能感知系統(tǒng)基于音視頻融合分析、跨場景目標(biāo)跟蹤等技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域人數(shù)、排隊長度、人流速度和方向的統(tǒng)計分析，以及突發(fā)事件、非法入侵、站臺越界等異常行為的監(jiān)控報警，為車站快速響應(yīng)、協(xié)同指揮、智能調(diào)度提供有力支撐。

2.4 智能列車

采用的智能動車組列車是以“復(fù)興號”動車組為基礎(chǔ)，分為“瑞雪迎春”、“龍鳳呈祥”兩款，在安全舒適、綠色環(huán)保、智能化、綜合節(jié)能等方面進(jìn)行全面提升優(yōu)化?？梢詫崿F(xiàn)列車的自動駕駛；確保列車運營安全信息的自動判斷和實時監(jiān)測，確保列車運行安全；實現(xiàn)旅客列車車內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋及多樣化的信息咨詢服務(wù)。

2.5 智能行車組織

構(gòu)建基于人工智能的高速鐵路智能調(diào)度指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)進(jìn)路和命令安全卡控、列車運行智能調(diào)整、搭建行車信息數(shù)據(jù)平臺、行車調(diào)度綜合仿真以及ATO系統(tǒng)需要的行車計劃上車等功能，實現(xiàn)京張高鐵行車調(diào)度的智能化。

3 智能高鐵頂層設(shè)計及發(fā)展高鐵智能化技術(shù)的必要性

3.1 智能高鐵頂層設(shè)計

依托智能京張技術(shù)攻關(guān)和工程建設(shè)，為了規(guī)范當(dāng)前時期智能高速鐵路的建設(shè)與運營，國鐵集團正在積極策劃，初步明確智能高鐵的建設(shè)內(nèi)容及其相互關(guān)系，從頂層設(shè)計的角度出發(fā)制定智能高速鐵路建設(shè)和運營的指導(dǎo)性文件：智能高速鐵路體系架構(gòu)[7]1.0版，該體系架構(gòu)涵蓋智能高速鐵路技術(shù)體系框架、數(shù)據(jù)體系框架、標(biāo)準(zhǔn)體系框架等。

智能高鐵技術(shù)體系框架設(shè)計采用分類分層設(shè)計原則，包含智能建造[8-9]、智能裝備、智能運營三大板塊。

3.1.1 智能建造

按照基礎(chǔ)設(shè)施的建造過程，智能建造包括勘察設(shè)計、工程施工和建設(shè)管理3個領(lǐng)域。

智能勘察設(shè)計領(lǐng)域的智能化包括空天地一體化工程勘察、基于BIM工程設(shè)計[10]等研究方向。其中，空天地一體化工程勘察主要創(chuàng)新內(nèi)容包括基于GIS的智能勘察、空天地一體化智能測繪、數(shù)字化勘察交付等；基于BIM的工程設(shè)計主要創(chuàng)新內(nèi)容包括BIM建模、協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化交付等。

工程施工領(lǐng)域的智能化包含路橋隧軌智能化施工、客運站智能化施工、四電工程智能化施工等方向。其中，路橋隧軌智能化施工主要創(chuàng)新內(nèi)容包括路基、橋梁、隧道、軌道工程智能化施工；客運站智能化施工主要創(chuàng)新內(nèi)容包括客站智能施工、綜合交通體系施工協(xié)同、信息化工程智能施工等；四電工程智能化施工主要創(chuàng)新內(nèi)容包括通信工程智能化施工、信號工程智能化施工、電氣化工程智能化施工等。

建設(shè)管理領(lǐng)域的智能化包含基于BIM+GIS工程建設(shè)管理等方向。主要創(chuàng)新內(nèi)容包括基于BIM的虛擬建造、全過程數(shù)字化管理、數(shù)字化竣工交付等。

3.1.2 智能裝備

按照主要業(yè)務(wù)對象分類，智能裝備橫向上劃分為通信信號、電氣化、移動裝備、檢測監(jiān)測4個領(lǐng)域。

通信信號領(lǐng)域的智能化包含通信、信號方向。其中，通信創(chuàng)新內(nèi)容主要包括通信承載網(wǎng)、智能移動通信、智能調(diào)度通信等；信號創(chuàng)新內(nèi)容主要包括列車自動駕駛ATO等。

電氣化領(lǐng)域的智能化包含智能牽引供電方向，創(chuàng)新內(nèi)容主要包括智能牽引變電所、簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)等。

移動裝備領(lǐng)域的智能化包含智能動車組、智能綜合檢測車等方向。其中，智能動車組主要創(chuàng)新內(nèi)容包括動車組智能監(jiān)控、動車組智能診斷、動車組智能服務(wù)、動車組智能運維等；智能綜合檢測車主要創(chuàng)新內(nèi)容包括智能檢測設(shè)備、智能檢測數(shù)據(jù)分析等。

檢測監(jiān)測領(lǐng)域的智能化包含檢測監(jiān)測等方向，主要創(chuàng)新內(nèi)容包括基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警、周界入侵智能監(jiān)測、環(huán)境智能監(jiān)測等。

3.1.3 智能運營

按照運營領(lǐng)域的主要業(yè)務(wù)分類，智能運營橫向上劃分為客運服務(wù)、運輸組織、養(yǎng)護(hù)維修等3個領(lǐng)域。

客運服務(wù)領(lǐng)域的智能化包含智能客運信息物理系統(tǒng)CPS、智能票務(wù)等方向。其中，智能客運CPS主要創(chuàng)新內(nèi)容包括客運一體化生產(chǎn)指揮管理、客運設(shè)備管理與監(jiān)控智能化、站車重點服務(wù)、站車客運安全、站車智能服務(wù)等；智能票務(wù)主要創(chuàng)新內(nèi)容包括電子客票、智能產(chǎn)品設(shè)計和售票組織、旅程規(guī)劃、精準(zhǔn)營銷、綜合交通信息共享等。

運輸組織領(lǐng)域的智能化包含智能綜合調(diào)度、智能行車調(diào)度等方向。其中，智能綜合調(diào)度主要創(chuàng)新內(nèi)容包括運輸態(tài)勢感知、計劃一體化協(xié)同、智能計劃調(diào)整、智能應(yīng)急調(diào)度等；智能行車調(diào)度主要創(chuàng)新內(nèi)容包括列車運行計劃自動調(diào)整、進(jìn)路和命令卡控、行車調(diào)度綜合仿真等。

養(yǎng)護(hù)維修領(lǐng)域的智能化包含工電供一體化運維等方向，主要創(chuàng)新內(nèi)容包括數(shù)字履歷管理、故障智能診斷等。

3.2 發(fā)展高鐵智能化技術(shù)的必要性

隨著智能技術(shù)和高鐵應(yīng)用需求的不斷發(fā)展，未來也需對智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化與擴展。面向未來，鐵路在更高速度、更大運量的基礎(chǔ)設(shè)施成套技術(shù)[11]方向需要進(jìn)一步研究；特殊艱險環(huán)境橋梁、隧道面臨新的技術(shù)難題[12]需要攻克；基于人工智能及空天地一體化的勘察測繪技術(shù)研究，綜合運用航天攝影測量、航空攝影測量、無人機攝影測量、傾斜攝影測量、機載車載及地面LiDar等多種技術(shù)手段及數(shù)據(jù)源，開展多源數(shù)據(jù)的快速生產(chǎn)及融合、實景三維建模、網(wǎng)絡(luò)模式下分布式協(xié)同測圖和實時化移動測圖、基于云平臺的地理空間信息實時共享、人工智能及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下的圖像及模式識別等方面的研究，提高數(shù)據(jù)獲取、生產(chǎn)、應(yīng)用、分發(fā)的智能化、自動化水平的技術(shù)和裝備處于發(fā)展和應(yīng)用的初級階段；需要研究建立基于BIM+GIS技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計[13]、建造、運維的標(biāo)準(zhǔn)、平臺、應(yīng)用及管理技術(shù)體系；鐵路橋梁、隧道、路基及軌道等主要結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法需要不斷創(chuàng)新，與現(xiàn)代信息技術(shù)融合的智能建造技術(shù)需要不斷提升；基于全生命周期性能保持的基礎(chǔ)設(shè)施運維、監(jiān)測、災(zāi)害防治技術(shù)及其智能化體系需要進(jìn)行進(jìn)一步的構(gòu)建優(yōu)化研究；鐵路綠色技術(shù)[14]和配套裝備設(shè)施研發(fā)、基于北斗(BDS)技術(shù)和全電子化的新一代列控系統(tǒng)、基于北斗技術(shù)和依托5G技術(shù)的新一代智能運維技術(shù)等方面都需要進(jìn)一步研究[15]。

4 結(jié)語

通過完成智能京張應(yīng)用示范方案的落地實施，實現(xiàn)將京張高鐵打造為中國智能鐵路的1.0版，在高速鐵路自動駕駛技術(shù)(C3+ATO)、智能高鐵調(diào)度集中系統(tǒng)(智能CTC)等智能技術(shù)應(yīng)用中，設(shè)計提前籌劃，在相關(guān)優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計具備批復(fù)條件前，主體工程的設(shè)備采購招標(biāo)、專業(yè)間接口設(shè)計等環(huán)節(jié)為智能化技術(shù)的應(yīng)用做了預(yù)留，為其順利實施奠定了堅實的基礎(chǔ)并節(jié)省了工程投資；京張高鐵作為國內(nèi)第一條利用BIM技術(shù)完成全專業(yè)、全生命周期相關(guān)設(shè)計工作的鐵路工程項目，實現(xiàn)了京張全線BIM模型建立并研究鐵路BIM正向設(shè)計的工作思路和方法等。通過對京張高鐵智能化技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)，以期把京張高速鐵路智能化技術(shù)應(yīng)用方面可復(fù)制可推廣的建設(shè)經(jīng)驗進(jìn)行分享，對新建智能高速鐵路和既有高速鐵路的智能化升級等應(yīng)用方面都具有指導(dǎo)及借鑒意義。