中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司

　　科研基金項(xiàng)目（2019YJ177）

　　2020 年3 月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，以統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略，明確建設(shè)目標(biāo)，確定重點(diǎn)任務(wù)，謀劃實(shí)施路徑。《發(fā)展綱要》的提出點(diǎn)燃了各地建設(shè)智慧城軌的熱情，但由于當(dāng)前相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匱乏，城軌企業(yè)在規(guī)劃實(shí)施智慧城軌項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，面臨難以結(jié)合自身發(fā)展基礎(chǔ)與實(shí)際需求，科學(xué)、合理制定實(shí)施方案的困境。文章基于已實(shí)施建設(shè)的智能高速鐵路相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合城軌領(lǐng)域各專業(yè)的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，提出一套針對(duì)智慧城軌建設(shè)的整體設(shè)計(jì)方案及相關(guān)建議，旨在為城軌企業(yè)開展智慧城軌建設(shè)相關(guān)研究或?qū)嵺`提供思路與啟示。

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　　智能高速鐵路建設(shè)實(shí)踐

　　2017 年，新時(shí)期鐵路信息化總體規(guī)劃發(fā)布，提出“智能鐵路”的戰(zhàn)略目標(biāo)，中國(guó)鐵路總公司正式啟動(dòng)智能京張、智能京雄等重大工程建設(shè)，并提出了建設(shè)智能高鐵的發(fā)展目標(biāo)。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司以京張高鐵、京雄城際鐵路技術(shù)攻關(guān)和工程建設(shè)為依托，從頂層設(shè)計(jì)角度出發(fā)制定了完整的智能高鐵體系架構(gòu)。智能高鐵是廣泛應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、北斗導(dǎo)航、建筑信息模型（BIM）等新技術(shù)，綜合高效利用資源，實(shí)現(xiàn)高鐵移動(dòng)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(dòng)學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統(tǒng)。智能高鐵的總體組成以一個(gè)智能高鐵大腦平臺(tái)為核心，包含智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營(yíng)3 部分，總體功能架構(gòu)如圖1 所示。

　　圖 1 智能高鐵總體功能架構(gòu)

　　2019 年12 月30 日，京張高鐵開通運(yùn)營(yíng)。京張高鐵是我國(guó)智能鐵路最新成果的首次集成化應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)了智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營(yíng)，開啟了世界智能鐵路的先河，為構(gòu)建智能鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，初步形成智能鐵路應(yīng)用格局奠定了基礎(chǔ)。京張高鐵在智能建造方面形成了5 類典型示范，包括參數(shù)化協(xié)同設(shè)計(jì)、BIM + GIS（地理信息系統(tǒng)）工程管理平臺(tái)、路橋隧軌智能施工、四電智能施工以及客站智能施工；在智能裝備方面形成6 類典型示范，包括智能動(dòng)車組、高速列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、智能牽引變電所、智能災(zāi)害監(jiān)測(cè)、一體化綜合視頻以及基于BIM 的智能綜合檢測(cè)；在智能運(yùn)營(yíng)方面形成6 類示范應(yīng)用，包括工電供一體化運(yùn)維故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）系統(tǒng)、智能調(diào)度集中系統(tǒng)、智能票務(wù)、智能客站、北斗應(yīng)用以及大數(shù)據(jù)中心。國(guó)鐵集團(tuán)提出打造“精品工程，智能京張”的戰(zhàn)略舉措，使京張高鐵集中國(guó)鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)技術(shù)和管理水平之大成，全面展示我國(guó)智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果，成為中國(guó)高鐵從世界先進(jìn)水平向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)的標(biāo)志性工程。

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　　智慧城軌整體設(shè)計(jì)方案

　　對(duì)于智慧城軌發(fā)展整體規(guī)劃設(shè)計(jì)，一些地區(qū)城軌業(yè)主企業(yè)已經(jīng)形成并提出了自有方案。中城協(xié)發(fā)布的《發(fā)展綱要》中也對(duì)智慧城軌建設(shè)提出了“1-8-1-1”布局結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展藍(lán)圖，其包括了創(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)維安全和智慧網(wǎng)絡(luò)管理八大體系，以及建立一個(gè)城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)和制定一套中國(guó)智慧城軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。可以說，《發(fā)展綱要》較為全面地確立了建設(shè)智慧城軌需要規(guī)劃建設(shè)的各大體系及相應(yīng)的目標(biāo)及重點(diǎn)任務(wù)，為今后我國(guó)發(fā)展智慧城軌把控住了總方向。但是，由于其屬于規(guī)劃類文件，所闡述內(nèi)容尚不足以直接指導(dǎo)工程建設(shè)實(shí)施。在此，本文全面基于《發(fā)展綱要》建設(shè)思想、目標(biāo)與內(nèi)容，結(jié)合智能高鐵實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及城軌從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，從構(gòu)建能力架構(gòu)、功能架構(gòu)與物理架構(gòu)3 方面，提出具有實(shí)操性的智慧城軌整體設(shè)計(jì)方案。

　　2.1 能力架構(gòu)

　　智慧城軌建設(shè)應(yīng)以形成全面智能化應(yīng)用與服務(wù)能力為目標(biāo)，以引領(lǐng)城軌領(lǐng)域智慧化發(fā)展為標(biāo)桿，以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐，實(shí)現(xiàn)覆蓋城軌交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)全業(yè)務(wù)流程、全價(jià)值鏈條、全生態(tài)體系的智能化，加速推動(dòng)城軌企業(yè)運(yùn)營(yíng)安全、服務(wù)水平、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益的全面提升，更好滿足市民幸福出行。在明確上述建設(shè)原則的基礎(chǔ)上，提出“1 中心”“2 支撐”“3 應(yīng)用”的“1-2-3”智慧城軌設(shè)計(jì)框架，如圖2所示。

　　圖 2 “1-2-3”智慧城軌設(shè)計(jì)框架

　　（1）“1 中心”。建設(shè)1 個(gè)智慧城軌云腦平臺(tái)，全面部署“大、物、移、云、智”，綜合承載智慧業(yè)務(wù)與應(yīng)用，圍繞云腦平臺(tái)形成全局?jǐn)?shù)據(jù)信息的充分匯集、交互、融合與分析能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的自主采樣、學(xué)習(xí)與決策。

　?。?）“2 支撐”。建設(shè)2 個(gè)支撐體系，即智能建造技術(shù)體系與智能技術(shù)裝備體系。設(shè)施設(shè)備是開展運(yùn)營(yíng)工作的基本載體，智能裝備與建造技術(shù)體系的構(gòu)建，可為智慧業(yè)務(wù)與應(yīng)用場(chǎng)景提供應(yīng)用基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)信息源支撐。

　?。?）“3 應(yīng)用”。構(gòu)建3 類智能應(yīng)用場(chǎng)景，即智能乘客服務(wù)、智能運(yùn)營(yíng)管控、智能運(yùn)維保障。基于云腦平臺(tái)及智能裝備與建造技術(shù)體系形成智能感知、智能分析、智能聯(lián)動(dòng)能力，面向服務(wù)主體用戶需求，生成運(yùn)營(yíng)、服務(wù)、維保3大智慧場(chǎng)景，用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)安全、效率、效益和服務(wù)的提升。

　　在“1 中心”“2 支撐”與“3 應(yīng)用”體系的基礎(chǔ)上，形成開展智能化運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的支撐能力、覆蓋主要運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)智能化的應(yīng)用能力及主動(dòng)思維決策能力。通過構(gòu)建上述各體系，總體形成面向乘客、運(yùn)營(yíng)、供應(yīng)商、政府部門、協(xié)作單位、區(qū)域同行的服務(wù)能力。

　　2.2 功能架構(gòu)

　　功能架構(gòu)通過綜合考慮用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用需求與技術(shù)發(fā)展應(yīng)用條件而制定形成，在需求分析的基礎(chǔ)上對(duì)“2 支撐”與“3 應(yīng)用”體系作進(jìn)一步細(xì)分，在18 個(gè)服務(wù)方向形成若干智能化功能應(yīng)用，整體功能架構(gòu)如圖3 所示。

　　圖 3 整體功能架構(gòu)

　　（1）智能建造技術(shù)。以BIM、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)為手段，以滿足工程項(xiàng)目的功能性需求和不同使用者的個(gè)性需求為目的，構(gòu)建城軌項(xiàng)目建造和運(yùn)行的智慧環(huán)境，通過技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新對(duì)工程項(xiàng)目全生命周期的全過程實(shí)施有效改進(jìn)和管理。智能建造技術(shù)體系包含基于BIM 的工程建設(shè)管理、橋隧路軌工程智能化施工、四電工程智能化施工、車站智能化建造以及綜合調(diào)試驗(yàn)收5個(gè)智能化服務(wù)方向，可針對(duì)城軌交通軌道、橋梁、隧道、路基、車站、通信、信號(hào)、供電、風(fēng)水電全專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，在設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試、驗(yàn)收各階段進(jìn)行智能化管理與實(shí)施。

　　（2）智能技術(shù)裝備。以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐，裝備應(yīng)用智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集約化、人性化的新一代城軌交通車輛系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及機(jī)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車全自動(dòng)運(yùn)行與互聯(lián)互通、能源使用綠色環(huán)保、信息通信能力強(qiáng)勁與靈活便捷、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)集中可視可控。智能技術(shù)裝備包含智能列車運(yùn)行、智能綠色能源、智能通信平臺(tái)、智能機(jī)電系統(tǒng)4 個(gè)智能化服務(wù)方向，可為我國(guó)城軌自主化技術(shù)裝備的創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用提供廣闊舞臺(tái)。

　　（3）智能乘客服務(wù)。重視乘客出行體驗(yàn)，鏈接生活要素，通過更人性化、智能化的服務(wù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)乘客出行全鏈條服務(wù)需求的主動(dòng)感知以及精準(zhǔn)分析，并圍繞資訊、出行等關(guān)鍵服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行智能整合、提升，全面提供主動(dòng)、及時(shí)、舒適、便捷的乘客服務(wù)[21]。智能乘客服務(wù)體系包含票務(wù)服務(wù)、站務(wù)服務(wù)、乘務(wù)服務(wù)、客運(yùn)組織4 個(gè)智能化服務(wù)方向，可為乘客出行全場(chǎng)景提供智能化服務(wù)。

　?。?）智能運(yùn)營(yíng)管控。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，改善傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)形式下數(shù)據(jù)孤島、信息離散、平臺(tái)封閉、響應(yīng)被動(dòng)、決策失當(dāng)?shù)痊F(xiàn)狀問題，綜合增強(qiáng)運(yùn)營(yíng)管理的多態(tài)場(chǎng)景應(yīng)用能力，滿足數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)要求，并與乘客服務(wù)的需求相協(xié)調(diào)，與區(qū)域一體化發(fā)展定位相適應(yīng)，極大提升運(yùn)營(yíng)企業(yè)的效率效益。智能運(yùn)營(yíng)管控體系包含調(diào)度指揮與車站管控2 個(gè)智能化服務(wù)方向，可達(dá)到運(yùn)輸組織精準(zhǔn)靈活、調(diào)度指揮協(xié)同高效、車站管理全景管控的目標(biāo)。

　　（5）智能運(yùn)維保障。應(yīng)用泛在數(shù)據(jù)和智能技術(shù)對(duì)運(yùn)維管理、安全管理、資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)進(jìn)行賦能，以運(yùn)營(yíng)相關(guān)的人、財(cái)、物為主要管控對(duì)象，以狀態(tài)信息的全面感知、綜合分析、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、科學(xué)決策為手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備精準(zhǔn)維修維護(hù)、系統(tǒng)安全可控、資產(chǎn)靈活利用，全面提高安全服務(wù)水平和管理效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、技能要求和運(yùn)維成本。智能運(yùn)維保障體系包含設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)、安全保障、資產(chǎn)管理3 個(gè)智能化服務(wù)方向。

　　2.3 物理架構(gòu)

　　依據(jù)當(dāng)前典型城市的城軌交通運(yùn)營(yíng)管理體制，按照云端系統(tǒng)與城軌交通現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)智慧城軌體系的物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測(cè)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的智慧城軌體系物理架構(gòu)，如圖4 所示。

　　圖 4 智慧城軌體系物理架構(gòu)

　　在云端部署智慧城軌云腦平臺(tái)以及智慧城軌5 大體系的應(yīng)用系統(tǒng)。智慧城軌云腦平臺(tái)作為智慧城軌的“操作系統(tǒng)”，為智慧城軌的有效、協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)提供通用數(shù)據(jù)、平臺(tái)和智能分析能力。根據(jù)功能框架，應(yīng)用系統(tǒng)包括智能建造技術(shù)、智能技術(shù)裝備、智能乘客服務(wù)、智能運(yùn)營(yíng)管控、智能運(yùn)維保障5 大體系的18 個(gè)服務(wù)系統(tǒng)。云端系統(tǒng)通過新一代城軌交通通信平臺(tái)、互聯(lián)網(wǎng)與智慧城軌用戶終端相連接，用戶終端主要包括內(nèi)部管理終端和對(duì)外服務(wù)終端2 類。城軌現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)具有高實(shí)時(shí)性的邊緣計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)操控與處置等功能，可實(shí)現(xiàn)城軌業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，通過新一代城軌交通通信平臺(tái)與云端系統(tǒng)相連接。

　　通過科學(xué)合理的智慧城軌軟硬件系統(tǒng)部署，并使之與前、后端交互關(guān)聯(lián)，使得系統(tǒng)全局實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息順暢的傳輸傳遞、深度分析、綜合決策、智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的城軌交通業(yè)務(wù)及服務(wù)全面智能化與智慧化。

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　　智慧城軌體系建設(shè)與發(fā)展建議

　　為全面輔助智慧城軌技術(shù)體系的創(chuàng)新發(fā)展與落地實(shí)施，本文從頂層設(shè)計(jì)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、融合管理、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等角度提出以下建議。

　　（1）堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)。加大力度研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式，先機(jī)掌握關(guān)鍵核心技術(shù)及知識(shí)產(chǎn)權(quán)；通過充分融合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等先進(jìn)信息科學(xué)技術(shù)，推動(dòng)智慧城軌交通體系的建設(shè)；堅(jiān)持創(chuàng)新引領(lǐng)，驅(qū)動(dòng)新技術(shù)、新裝備、新模式的落地應(yīng)用，為行業(yè)推廣奠定基礎(chǔ)；著重秉持業(yè)主單位主導(dǎo)和引領(lǐng)創(chuàng)新、裝備企業(yè)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新、行業(yè)同行協(xié)同創(chuàng)新的原則，業(yè)界同仁凝心聚力、同舟共濟(jì)，同繪智慧城軌藍(lán)圖，共筑交通強(qiáng)國(guó)夢(mèng)。

　　（2）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。智慧城軌體系性極強(qiáng)，并且其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用具有前瞻性、顛覆性，因此，發(fā)展智慧城軌應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃、注重頂層設(shè)計(jì)，指明發(fā)展方向、把控實(shí)施路徑，以最終形成設(shè)計(jì)科學(xué)、技術(shù)先進(jìn)、投資節(jié)省、效益可觀的全局方案，保障智慧城軌建設(shè)順利落地實(shí)施。

　?。?）實(shí)施因地制宜。由于全國(guó)各地城軌交通建設(shè)起步時(shí)期不同，所處階段不同，特別是對(duì)“智慧城軌”的認(rèn)識(shí)程度深淺有別，致使各地城軌業(yè)主單位的信息化進(jìn)程參差不齊，智能化應(yīng)用程度和水平差異較大，不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域開展的程度也不一致。因此，發(fā)展智慧城軌應(yīng)因地制宜，在智能運(yùn)維技術(shù)上分階段、分類別實(shí)施，堅(jiān)持成熟技術(shù)“先行先上”，不成熟技術(shù)后續(xù)逐步實(shí)現(xiàn)應(yīng)用；依據(jù)當(dāng)?shù)爻擒夁\(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，以實(shí)際運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)及服務(wù)需求為主導(dǎo)開展智慧城軌設(shè)計(jì)與建設(shè)。

　?。?）促進(jìn)融合共享。信息共享是提高信息資源利用率、充分發(fā)揮其效益的重要手段，數(shù)據(jù)共享是大數(shù)據(jù)潛在價(jià)值挖掘和利用的重要基礎(chǔ)，因此發(fā)展智能城軌應(yīng)促進(jìn)信息和數(shù)據(jù)的融合共享。統(tǒng)籌工務(wù)、車輛、供電、通號(hào)等各專業(yè)信息和數(shù)據(jù)的融合共享；推動(dòng)乘客服務(wù)、運(yùn)輸組織、運(yùn)維保障等各業(yè)務(wù)模塊的信息和數(shù)據(jù)共享；加強(qiáng)管理、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、供貨、運(yùn)營(yíng)、維保等全行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享；推進(jìn)與交通、政務(wù)、市政、公安等其他行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享，全面支撐城市軌道交通的智能化發(fā)展。

　?。?）推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。推動(dòng)智慧城軌標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，符合“規(guī)范研究先行，標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)建設(shè)”的理念和原則。圍繞智慧城軌體系，針對(duì)關(guān)鍵領(lǐng)域，形成從頂層管理、監(jiān)督評(píng)估、運(yùn)行應(yīng)用、平臺(tái)建設(shè)、數(shù)據(jù)融合到底層感知的系列化標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)在關(guān)鍵環(huán)節(jié)、核心技術(shù)裝備等方面規(guī)范缺失問題，指導(dǎo)智慧城軌建設(shè)項(xiàng)目的有序、高質(zhì)量開展；進(jìn)一步升級(jí)城軌交通智能系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，持續(xù)推動(dòng)創(chuàng)新智慧城軌體系建設(shè)，強(qiáng)化智能系統(tǒng)安全。

　?。?）落實(shí)支撐保障。為推動(dòng)智慧城軌體系的健康有序發(fā)展，應(yīng)落實(shí)支撐保障。政府主管部門應(yīng)進(jìn)一步加大智慧城軌發(fā)展的支持及鼓勵(lì)力度，支持智能化、智慧化技術(shù)研發(fā)及工程應(yīng)用；大力推廣示范工程，為城軌企業(yè)提供發(fā)展智慧城軌的機(jī)會(huì)，促進(jìn)對(duì)智能產(chǎn)品和系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)和創(chuàng)新；落實(shí)智慧城軌工程建設(shè)、更新改造及科技研發(fā)的資金，進(jìn)一步引入市場(chǎng)化機(jī)制，擴(kuò)充籌融資渠道，并做好智慧城軌專業(yè)人才培養(yǎng)和人才引進(jìn)。

　　于鑫. 基于智能高鐵建設(shè)實(shí)踐的智慧城軌整體設(shè)計(jì)方案研究[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2020（8）：1-7.