智能高鐵體系框架研究

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，我國高速鐵路實現了優質快速發展，2017年開始進入智能化引領階段，全面啟動智能京張高鐵建設，“復興號”動車組在京滬高鐵實現時速350?km運營，為我國高速鐵路智能創新拉開了序幕。智能高鐵是龐大而復雜的系統工程，系統的研發具有時空性和階段性特征，為保證智能高鐵在全國范圍內集成的兼容性、可控性、互操作性，需進行智能高鐵頂層設計[1]。

智能高鐵體系架構為智能高鐵規劃和建設提供了總體藍圖及規格說明，它決定系統組成，確定功能模塊以及模塊間進行通信和協同的協議與接口，為智能高鐵系統的研發提供指導性文件。結合新形勢下智能高鐵的內涵及特征，設計智能高鐵體系框架，在總體架構的指導下提出服務框架和邏輯框架，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涵和系統組成進行探討。

1 智能系統頂層設計相關研究

在智能系統頂層設計方面，國內外的智能交通、智慧城市、智能鐵路等行業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（Intelligent?Traffic?System，ITS）體系框架的研究起步較早，美國是最早開發完整ITS體系結構的國家，1993年美國交通部啟動ITS?體系結構開發計劃，并于1996年完成第1版美國國家智能交通系統體系框架，其主要特點為內容全面、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用、推廣以及與傳統交通規劃的結合，經過20余年的迭代更新，現已形成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，此后陸續補充完善了其他部分內容，形成了歐盟整體的ITS體系框架，強調系統設計的戰略性規劃，核心是突出其在ITS規劃和建設中的指導意義[4]。我國在“九五”期間推出“中國智能運輸系統體系框架（第1版）”，為我國?ITS描繪了未來發展藍圖，并為我國ITS的規范建設提供了依據[5]。目前，我國ITS體系框架包含用戶服務、邏輯框架、物理框架、應用系統4部分，其中用戶服務包括9個服務領域、47項服務、179項子服務；邏輯框架包括10個功能領域、57項功能、101項子功能、406個過程、161?張數據流圖；物理框架包括?10個系統、38個子系統、150個系統模塊、51張物理框架流圖；應用系統包括58個應用系統[6]。

近年來，很多國家和地區先后提出智慧城市的發展戰略計劃，美國、歐盟、俄羅斯等均出臺相關政策，明確智慧城市的發展目標和建設重點。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在我國全面展開。2018年6月，國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會聯合發布了國家標準《智慧城市頂層設計指南》，并于2019年1月1日正式開始實施。該指南規定了智慧城市頂層設計的總體要求、基本過程及需求分析、總體設計、架構設計、實施路徑設計等，適用于智慧城市的頂層設計，也可指導信息化領域的頂層設計。

國內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，強調通過其強大的信息提供能力，實現鐵路運輸與其他運輸方式的無接縫、無障礙銜接和運輸。CyberRail將用戶服務分為4個領域：面向需求的運輸規劃和調度、多式聯運信息和個人導航、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工程技術研究中心的成立為標志，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上，設計并推出了中國鐵路智能運輸系統體系框架[8]。該框架由用戶主體、服務主體、服務框架、邏輯框架、物理框架和技術經濟評價等部分組成，各部分密切相關，共同構成了智能鐵路的有機整體。

2 智能高鐵體系框架構成

智能高鐵絕不是先進智能技術與控制技術在高速鐵路各專業獨立應用的簡單疊加，而是通過不同業務領域、面向高鐵生命周期不同階段信息系統的集成融合，從而形成功能更強、效率更高、穩定性更好的統一智能高鐵系統。智能高鐵系統的規劃和建設需要一個較長的過程，同時它也必須是一個可持續發展的系統，因此構建系統時需對系統的服務對象、用戶需求、功能定位、邏輯結構、物理部署等有較全面的考慮和規劃，還要做到各子系統間、子系統與整體間的協調。

結合現階段智能高鐵發展的內外部環境與需求，基于新形勢下智能高鐵的內涵及特征，設計智能高鐵體系框架。研究采用結構化分析方法的基本思想，按照需求分析、系統模型和物理模型3個階段設計智能高鐵體系框架的主要構成，描述智能高鐵系統分析和構建的過程（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，為智能高鐵的規劃和建設提供安全保障基礎。智能高鐵體系框架中的服務框架對應于需求分析，功能框架和邏輯框架對應于系統模型，物理框架對應于物理模型。各部分的內涵如下：

圖1 智能高鐵體系框架構成

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

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

（3）邏輯框架描述智能高鐵系統的內部結構，定義各功能間的輸入、輸出數據流和處理過程；

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

（5）安全保障為智能高鐵的規劃和建設提供信息安全、網絡安全、物理安全、系統安全、應用安全、安全管理等保障能力。

3 智能高鐵體系框架設計

3.1 服務框架與功能框架

服務框架的設計首先需明確智能高鐵的用戶主體和服務主體，以及智能高鐵所應提供的服務，是進行智能高鐵頂層設計的基礎。

用戶主體是智能高鐵服務面對的主要用戶，是在某個服務領域指定需求的主體，是進行需求分析、定義用戶服務、用戶子服務的前提與基礎；服務主體是根據用戶需求為用戶提供智能高鐵服務的主體。根據智能高鐵的內涵，提出智能高鐵的用戶主體和服務主體。用戶主體分為管理用戶和服務用戶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、調度部、機輛部、工電部、運輸統籌監督局、物資管理部、建設管理部、安全監督管理局等；服務用戶主要為旅客、合作伙伴、其他交通方式管理部門等。服務主體分為路內服務提供方和路外服務提供方，路內服務提供方主要為中國鐵路總公司、鐵路局集團公司的技術管理部門，包括營運管理部門、調度指揮部門、固定設施管理部門、移動設施管理部門、人財物管理部門、信息服務部門、緊急救援與安全管理部門等；路外服務提供方包括餐飲行業、酒店行業、交通行業等。

在明確用戶主體和服務主體的基礎上，根據用戶需求分析，提出智能高鐵服務框架，即“1個平臺、3大領域、16個服務方向”的框架結構（見圖2）。

在服務框架中，“1個平臺”是指智能高鐵大腦平臺，為智能高鐵各領域的智能應用提供基礎平臺、數據資源、智能決策支撐。基于智能高鐵大腦平臺延展出三大應用領域，分別是智能建造、智能裝備和智能運營。在需求分析的基礎上對各應用領域進一步細分，從而形成16個服務方向。

功能框架是在用戶需求分析及服務框架給定的基礎上，從系統角度描述智能高鐵系統所需提供的為滿足用戶服務的功能。例如，基于BIM的工程建設管理是用戶需要的服務，為實現該服務需對系統進行功能設計，根據鐵路工程建設管理過程，提出4個主要系統功能，分別為勘察設計信息管理、建設數據的自動采集與互聯、參建各方協同管理和輔助決策、建設質量的可追溯閉環管理。智能高鐵的功能框架見圖3。

圖2 智能高鐵服務框架

3.2 邏輯框架與物理框架

邏輯框架從系統內部對輸入數據流、輸出數據流及處理過程進行結構性組織，邏輯框架的構建不考慮管理體制和技術因素，具體的功能實現工作由物理框架完成。邏輯框架與系統實現相分離的設計方法使邏輯框架便于改進，具備相對較好的穩定性，支持廣泛的不同系統的設計。

邏輯框架通常用層次數據流圖（DFD）來描述。層次數據流圖是一種描述分解的結構化過程的建模工具，能以直觀的圖形清晰地描述系統中數據的流動、數據的變化和系統所執行的處理等。層次數據流圖通常由頂層、底層和若干中間層組成，頂層圖說明系統的邊界，即系統的輸入輸出數據流；底層圖由一些不可再分解的處理構成；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。每一層數據流圖通常由數據流、處理、實體、數據存儲等元素構成。

在系統功能框架的基礎上，按照由頂至下、逐層細化的思路設計智能高鐵系統的邏輯框架。在頂層邏輯框架中，由1個數據存儲單元、16個處理單元和相應的數據流組成，其中存儲單元為智能高鐵大腦平臺，處理單元即為服務框架中給出的16個服務方向（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據流進行整合，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。物理子系統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據流來體現，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。

在邏輯框架的基礎上，依據現行的鐵路運營管理體制，按照云端系統與鐵路現場子系統相結合的方式設計智能高鐵系統物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測監測相結合的系統部署（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域的應用系統。智能高鐵大腦平臺作為智能高鐵的“操作系統”，為智能高鐵的有效、協同運轉提供通用的數據、平臺和智能計算能力。根據邏輯框架，應用系統包括智能建造、智能裝備和智能運營領域的15個應用系統。云端系統通過新一代鐵路通信網、互聯網與智能高鐵用戶終端相連接，用戶終端主要包括內部管理終端和對外服務終端2類，其中內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部管理人員；對外服務終端面向旅客、供應商、合作伙伴、其他交通方式管理人員等外部用戶。

鐵路現場子系統主要實現鐵路現場數據的采集、具有高實時性要求的邊緣計算以及現場操控等功能，通過新一代鐵路通信網與云端系統相連接。鐵路現場子系統主要為需在鐵路現場進行操作控制的系統，包括智能動車組系統、車載列控系統、牽引供電系統、智能建造系統等；此外，還包括具有數據采集、數據分析、數據上傳能力的智能終端，如視頻監控、激光測量、紅外監測及其他檢測監測設備。

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、多應用”的模式規劃和建設，智能高鐵大腦即為智能高鐵的統一基礎平臺，為智能高鐵提供平臺、數據、計算能力，在智能高鐵大腦平臺的基礎上擴展建設各專業領域的應用系統。基于互聯網、鐵路物聯網、信息物理系統和新一代鐵路無線通信系統，構建鐵路智聯網作為信息感知端，感知到的數據傳入智能高鐵大腦進行統一治理、加工、計算，最終為智能建造、智能裝備、智能運營等領域的智能應用提供決策支持。智能高鐵大腦平臺的系統構成主要包括3部分，即基礎服務平臺、大數據資源湖、智能計算技術（見圖6）。

（1）基礎服務平臺為智能高鐵提供平臺和技術支撐能力，主要包括大數據平臺、GIS平臺、BIM平臺、AI平臺、北斗平臺等。

（2）大數據資源湖是智能高鐵智慧產生的源泉，一切智慧及決策皆來源于數據。通過對采集到的鐵路內外部相關數據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及發展趨勢更深刻的認識，為決策判斷提供科學依據。大數據資源湖基于鐵路智聯網全面整合智能高鐵戰略決策、運輸生產、經營開發、資源管理、建設管理、綜合協同、社會數據等領域的信息資源。

（3）智能計算技術集成智能高鐵所需的人工智能技術，將數據資源層的各類數據轉化為知識，并快速準確地提供報表、儀表盤、3D等可視化方式進行全局展示，輔助智能高鐵業務經營決策。智能計算技術主要包括深度學習、文本分析、圖像分析、知識圖譜等通用人工智能技術，此外還包括人員畫像、設備畫像等行業專用技術。

4 結束語

經過十幾年的發展建設，我國已成為擁有世界上最發達的高鐵網的國家，形成了全面擁有自主知識產權的成套技術裝備和技術體系。在“交通強國”戰略的指引下，在智能技術快速發展的推動下，我國高鐵快速發展的同時，正穩步邁進智能化發展的新階段。智能高鐵是一項復雜而龐大的信息物理系統工程，需要做好頂層設計和整體規劃，通過對智能高鐵體系框架的研究和探索，提出智能高鐵的發展藍圖和實施戰略，為我國智能高鐵的有序建設提供戰略支撐。

圖6 智能高鐵大腦平臺總體架構