智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)創(chuàng)新與展望

牛道安

（1. 中國(guó)鐵路總公司 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心，北京 100844；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

1 概述

為了滿(mǎn)足高速鐵路建設(shè)發(fā)展需要，我國(guó)開(kāi)展了高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)研究。2008年以來(lái)，通過(guò)技術(shù)探索和工程實(shí)踐，已形成了以聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動(dòng)態(tài)檢測(cè)及運(yùn)行試驗(yàn)為主要內(nèi)容的高速鐵路動(dòng)態(tài)驗(yàn)收模式，構(gòu)建了科學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了符合高速鐵路建設(shè)特點(diǎn)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試成套技術(shù)體系[1]。

隨著智能京張、智能京雄建設(shè)的全面啟動(dòng)，我國(guó)高速鐵路向更高標(biāo)準(zhǔn)的智能高鐵方向發(fā)展[2]。聯(lián)調(diào)聯(lián)試作為高速鐵路建設(shè)的重要組成部分，對(duì)于驗(yàn)證高速鐵路是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及是否滿(mǎn)足開(kāi)通運(yùn)營(yíng)需要發(fā)揮著重要作用。

2 智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)框架

智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試廣泛應(yīng)用大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、多源異構(gòu)信息融合、多維可視化、虛實(shí)互動(dòng)、專(zhuān)家系統(tǒng)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能高鐵固定設(shè)施、移動(dòng)裝備、內(nèi)外部環(huán)境信息及相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)的全面感知、融合分析、智能診斷，對(duì)智能高鐵各系統(tǒng)的功能、性能、狀態(tài)和系統(tǒng)間匹配關(guān)系進(jìn)行綜合檢測(cè)、驗(yàn)證、調(diào)整和優(yōu)化，使整體系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試按照各系統(tǒng)評(píng)價(jià)、系統(tǒng)間接口評(píng)價(jià)、多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)、全生命周期狀態(tài)評(píng)價(jià)等進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)及構(gòu)建。智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)框架見(jiàn)圖1。

（1）各系統(tǒng)評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)間接口評(píng)價(jià)。緊密?chē)@智能鐵路的智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營(yíng)三大領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對(duì)高速動(dòng)車(chē)組自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、基于“AI+”的智能客運(yùn)車(chē)站系統(tǒng)、北斗全域信號(hào)增強(qiáng)系統(tǒng)、全面電子客票等一系列智能新技術(shù)[3-4]，研究建立相關(guān)的評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)于智能高鐵系統(tǒng)的功能及性能、系統(tǒng)間匹配關(guān)系的科學(xué)評(píng)價(jià)。

（2）多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)。將車(chē)載/地面聯(lián)調(diào)聯(lián)試靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、多專(zhuān)業(yè)融合分析數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施綜合監(jiān)測(cè)等要素，結(jié)合線(xiàn)路環(huán)境、設(shè)備綜合圖、二維GIS、BIM進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)聯(lián)動(dòng)、圖數(shù)協(xié)同一體化展示，為智能高鐵狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)及融合分析提供可視化及輔助決策支持。

（3）全生命周期狀態(tài)評(píng)價(jià)。綜合聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常運(yùn)營(yíng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、專(zhuān)家系統(tǒng)等手段，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的故障智能診斷及趨勢(shì)變化分析，為基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期健康管理提供技術(shù)支撐。

圖1 智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)框架

3 關(guān)鍵技術(shù)

智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試按照系統(tǒng)及接口評(píng)價(jià)、多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)、全生命周期狀態(tài)評(píng)價(jià)進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)。需要解決智能化檢測(cè)、數(shù)據(jù)融合分析及集成展示、大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)。其技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)路線(xiàn)圖

3.1 智能化檢測(cè)技術(shù)

研究智能牽引供電、智能車(chē)站、智能列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)、智能客服、智能票務(wù)等測(cè)試方法，建立測(cè)試場(chǎng)景、測(cè)試案例庫(kù)，建立綜合評(píng)判指標(biāo)。

研究工務(wù)工程、牽引供電、通信信號(hào)、信息化、振動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)自動(dòng)檢測(cè)方法及異常值自動(dòng)判別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、傳輸、分析、處理、報(bào)表生成等，提高工務(wù)工程、牽引供電、通信信號(hào)、信息化等聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)分析自動(dòng)化水平。

3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)融合分析、集成展示技術(shù)

開(kāi)展輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)融合分析研究，開(kāi)展災(zāi)害監(jiān)測(cè)多點(diǎn)數(shù)據(jù)融合分析。

研究檢測(cè)數(shù)據(jù)疊加、數(shù)據(jù)可視化、多圖聯(lián)動(dòng)技術(shù)，研究被測(cè)對(duì)象、周邊環(huán)境和構(gòu)筑物平行仿真技術(shù)，研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試大值報(bào)警、線(xiàn)路質(zhì)量TQI、GSM-R場(chǎng)強(qiáng)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量、環(huán)境噪聲振動(dòng)、聲屏障降噪效果等圖數(shù)協(xié)同技術(shù)。

3.3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用

研究聯(lián)調(diào)聯(lián)試多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、資源總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)資源分布、數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)接口、安全策略、數(shù)據(jù)匯聚流程等[5]，研究全生命周期的數(shù)據(jù)管理模型，提出高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理總體技術(shù)方案。

研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)、專(zhuān)家系統(tǒng)的故障智能診斷技術(shù)，提取各專(zhuān)業(yè)典型故障特征并建立知識(shí)庫(kù)，對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、建模、訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)的智能診斷分析。

4 技術(shù)創(chuàng)新

（1）智能綜合分析展示平臺(tái)。通過(guò)建立智能綜合分析展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)接口及安全傳輸、數(shù)據(jù)規(guī)范化存儲(chǔ)管理，融合多專(zhuān)業(yè)、多維度條件下線(xiàn)路設(shè)備狀態(tài)、車(chē)站及線(xiàn)路周邊環(huán)境結(jié)構(gòu)物功能狀態(tài)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的智能綜合顯示，達(dá)到洞察數(shù)據(jù)內(nèi)部規(guī)律，挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，提高數(shù)據(jù)的交互性、使用效率的目的。

（2）軌道幾何參數(shù)與輪軌動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)融合分析。綜合軌道幾何平順、軌道結(jié)構(gòu)、車(chē)輛狀態(tài)等實(shí)際因素融合分析，深入挖掘同一斷面軌道幾何檢測(cè)數(shù)據(jù)、車(chē)輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)及輪軌力檢測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究不同速度級(jí)、不同軌道結(jié)構(gòu)下輪軌力、加速度的時(shí)域、頻域及時(shí)頻特性，分析列車(chē)運(yùn)行速度及軌道結(jié)構(gòu)對(duì)于輪軌動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性的影響，找出引起車(chē)輛劇烈振動(dòng)的病害及特征。

（3）靜動(dòng)態(tài)接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)融合分析。利用弓網(wǎng)關(guān)系和受流性能評(píng)價(jià)指數(shù)（CPOI）、接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)（CQI）實(shí)現(xiàn)靜動(dòng)態(tài)接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)融合分析，對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行更為全面的、多角度的反映，為維修決策和合理調(diào)配維修資源的提供定量化數(shù)據(jù)支撐。

（4）聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的清洗、格式轉(zhuǎn)換、時(shí)空校準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)建模等建立大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全和共享管理。聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)見(jiàn)圖3。采用模塊化分析、標(biāo)準(zhǔn)化接口等提高多專(zhuān)業(yè)技術(shù)融合及大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用能力。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)建模、訓(xùn)練，并通過(guò)模式識(shí)別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、故障預(yù)測(cè)和聯(lián)合分析等手段，充分發(fā)揮聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值，全面提升分析和應(yīng)用能力，為技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)品能力驗(yàn)證等提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

5 發(fā)展展望

通過(guò)全面推進(jìn)數(shù)字高鐵、智能高鐵建設(shè)，加大云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、人工智能等先進(jìn)技術(shù)在智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度，持續(xù)保持我國(guó)在高速鐵路綜合檢測(cè)領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。結(jié)合智能高鐵發(fā)展規(guī)劃，智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試發(fā)展可分為以下2個(gè)階段：

（1）2018—2020年，依托智能京張、智能京雄高鐵示范工程建設(shè)，研究建立智能高鐵各系統(tǒng)及系統(tǒng)間接口的評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究建立多專(zhuān)業(yè)綜合評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，初步構(gòu)建智能鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)車(chē)載集成顯示平臺(tái)、多專(zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)分析、大數(shù)據(jù)融合分析等應(yīng)用格局。

（2）2021—2025年，實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常檢測(cè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立聯(lián)調(diào)聯(lián)試大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。突破聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)挖掘及智能診斷分析等理論與技術(shù)，對(duì)于檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)建模、訓(xùn)練，并通過(guò)模式識(shí)別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、故障預(yù)測(cè)和聯(lián)合分析等手段，實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試檢測(cè)系統(tǒng)智能診斷分析與無(wú)人值守。實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)與日常檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合關(guān)聯(lián)分析，科學(xué)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)趨勢(shì)變化，充分發(fā)揮聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

在“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的指引下，在智能技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)高鐵正穩(wěn)步邁入智能化發(fā)展的新階段[6]。為了滿(mǎn)足智能高鐵的建設(shè)需要，設(shè)計(jì)了智能高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試系統(tǒng)框架，確定了需要深入研究的關(guān)鍵技術(shù)，為科學(xué)規(guī)劃聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能化技術(shù)發(fā)展提供了參考，為推進(jìn)我國(guó)智能高鐵的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。