中國智能高速鐵路2.0的內涵特征、體系架構與實施路徑

王同軍

（中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844）

全球科技創新和世界鐵路智能化快速發展，智能技術與傳統技術融合發展。以云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、北斗衛星導航（簡稱：北斗）、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）等新技術與鐵路業務深度融合，數字孿生、區塊鏈、通用AI、隱私計算、出行即服務（MaaS，Mobility as a Service）、下一代通信等新技術迭代更新，創新成果不斷涌現。在此背景下，還需進一步發揮智能技術在安全生產保障、效率效益提升、服務質量優化等方面的支撐作用，實現高速鐵路（簡稱：高鐵）全生命周期管理、全業務要素協同，達到面向智能高鐵的綜合效能優化系統性提升，支撐新時代鐵路高質量發展，實現智能建造、智能裝備等技術水平持續領跑世界高鐵發展。基于此，本文從頂層架構設計、關鍵技術創新、基礎平臺建設、工程示范應用等方面梳理中國智能高鐵發展成就，結合國家政策、國際鐵路趨勢、國內相關行業、新技術發展等方面剖析“十四五”時期智能高鐵面臨的新要求、新挑戰，在此基礎上提出智能高鐵2.0的內涵和代際特征，從頂層設計角度研究、構建智能高鐵體系架構2.0，指出具有前瞻性、引領性的智能高鐵重點任務，并以研究開發、試驗驗證、場景示范、整線示范4個階段實施路徑，保障重點任務統籌推進。

1 中國智能高鐵取得的主要成就

“十三五”時期，新一輪科技革命和產業變革蓬勃發展，云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能等新技術加速應用，國家《促進大數據發展行動綱要》《新一代人工智能發展規劃》等對大數據、人工智能等技術在交通領域的應用提出明確要求。中國鐵路已經建成世界上規模最大的高鐵網，擁有海量的建設運營數據和豐富的實踐應用場景，融合應用新技術系統開展了鐵路數字化、智能化建設。依托京張（北京—張家口）高鐵、京雄（北京—雄安）城際鐵路等重大工程，通過深入開展智能高鐵的理論和應用研究，在頂層架構設計、關鍵技術創新、基礎平臺建設、工程示范應用等方面取得重大突破[1-3]。

1.1 頂層設計方面

提出智能高鐵的科學定義和“全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習、科學決策”的技術內涵，創新了“模數驅動、軸面協同”的復雜巨系統管理方法[4]，構建了技術、標準、數據三位一體的智能高鐵體系架構，發布了中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）《智能高速鐵路體系架構1.0》標準，并被國際鐵路聯盟（UIC，International Union of Railways）采納，為世界智能高鐵發展提供了中國方案。主持編制《線形工程中心線1.1》國際標準、IFC（Industry Foundation Classes）RAIL國際標準，建成中國鐵路BIM標準體系。基于上述成果，我國成為世界智能鐵路發展的重要引領者

1.2 關鍵技術創新方面

圍繞智能建造、智能裝備、智能運營開展成套技術創新。

1.2.1 智能建造領域

在智能建造領域，構建全專業、全線統一環境的協同設計平臺，實現了多專業協同設計和數據無損傳遞；建成了智能雙塊式軌枕廠、智能板廠、智能梁場等，實現制造全工序自動化、全過程數據集成化；在路基智能填筑、橋梁裝配式施工、盾構隧道全預制拼裝、鉆爆法隧道襯砌智能施工、無砟軌道智能鋪設、接觸網及四電智能施工、客站智能施工等方面取得突破，創新了成套智能化工裝及工藝工法；研發了基于BIM+地理信息系統（GIS，Geographic Information System）的高鐵工程管理平臺，實現了面向設計、建設、運營全生命周期管理體系和模式的創新。

1.2.2 智能裝備領域

在智能裝備領域，研制了具備智能行車、智能運營維護（簡稱：運維）、智能服務等功能的智能動車組系統；首次實現350 km/h高速動車組自動駕駛；研發了智能一次設備、廣域測控保護系統和輔助監控系統等組成的無人值守智能牽引變電所；構建了高鐵地震預警系統，開展了災害監測、綜合視頻等大數據分析應用。

1.2.3 智能運營領域

在智能運營領域，實現全面電子客票及刷臉進站、建成了智能客站系統，研發智能調度集中系統和面向運輸全過程的智能綜合調度系統，構建了基于BIM的綜合維修生產管理系統，實現了基礎設施設備全生命周期的BIM表達；建立了動車組故障預測與健康管理系統（PHM，Prognostics and Health Management），推動視情維修的實現。

1.3 基礎平臺建設方面

2017年，發布了《鐵路信息化總體規劃》《鐵路大數據應用實施方案》；2018年，建成行業首個基于云計算的主數據中心，實現了統建系統的云化部署和應用；構建了鐵路數據服務平臺、集成服務平臺、北斗服務平臺、地理信息平臺等一體化信息集成平臺，開創了“平臺+應用”的鐵路大數據應用模式，推進了大數據、北斗等新技術在鐵路的綜合應用。

1.4 工程示范應用方面

依托京張高鐵、京雄城際等重大工程開展智能建造、智能裝備、智能運營的體系化應用。已建成的世界上第一條設計時速為350 km的智能高鐵——京張高鐵，開啟了世界智能鐵路建設的新篇章，京張高鐵BIM應用獲得建筑智慧國際組織（BSI）2021年施工類大獎。京張高鐵取得的創新成果全面應用到京雄城際鐵路，以及其他相關領域。

2 十四五時期智能高鐵面臨的新形勢

“十四五”時期，中國智能高鐵的發展，在國家政策、國際鐵路趨勢、國內相關行業、新技術發展等方面，面臨著一系列新要求、新挑戰。

2.1 國家政策要求

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》《“十四五”數字經濟發展規劃》等陸續發布。在國家數字經濟戰略要求下，以數據資源為關鍵要素，以現代信息網絡為主要載體，以信息通信技術融合應用、全要素數字化轉型為重要推動力，加速開展鐵路行業的數字化、智能化建設提出新的更高要求。

2.2 國際鐵路形勢

數字化、智能化發展成為世界多國鐵路重要戰略方向和發展趨勢。歐洲聯盟（簡稱：歐盟）、德國、法國、瑞士、英國、日本等世界鐵路發達國家相繼提出了數字化、智能化戰略設計[5]。例如，歐盟委員會的Shift2Rail科研計劃、歐洲一體化運輸發展路線圖，德國鐵路股份公司（簡稱：德鐵）的鐵路數字化戰略（鐵路4.0），法國國營鐵路公司（簡稱：法鐵）的數字化法鐵（DIGITAL SNCF），瑞士聯邦鐵路公司的SmartRail 4.0，JR東日本鐵路公司的智能鐵路戰略[6-8]等。近期的世界鐵路智能化技術創新與戰略發展態勢，如圖1所示，各國鐵路主要聚焦在第5代移動通信技術（5G，5th Generation Mobile Communication Technology）、數字孿生、自動駕駛、MaaS+智能服務、智能運維等領域的單項應用，尚缺少頂層架構設計和體系化的技術研發和應用。

圖1 近期世界高鐵智能化技術創新與戰略規劃

2.3 國內相關行業智能化發展

國內交通、能源、金融、城市等多個領域的智能化發展都在積極推進中，智慧民航[9]、智能交通[10]、智能電網[11]、智慧城市的架構設計、標準規劃等相繼發布，積極探索典型場景的示范應用，為智能高鐵的發展提供了有益的參考和借鑒。

2.4 信息新技術的發展

數字孿生、區塊鏈、可解釋AI、隱私計算、下一代通信數字孿生、知識圖譜、擴展現實、機器人流程自動化等為代表的信息新技術正在加速進入成熟期，為智能建造、智能裝備、智能運營的技術創新提供了新的賦能手段。

綜上所述，“十四五”時期深化落實國家數字經濟戰略要求，融合應用信息新技術，實現智能高鐵持續領跑面臨重大挑戰。國鐵集團近期陸續發布了《中國國家鐵路集團有限公司“十四五”發展規劃》《“十四五”鐵路科技創新發展規劃》《“十四五”鐵路網絡安全和信息化規劃》，明確指出，在智能高鐵技術體系框架1.0的基礎上，面向智能鐵路2.0技術發展目標，著重圍繞智能建造、智能裝備、智能運營等應用場景持續深化關鍵技術創新，加大5G、大數據、物聯網、AI等現代技術與鐵路融合賦能攻關，深入開展賦能技術和智能系統的研發應用，完善智能鐵路成套技術體系、數據體系和標準體系，塑造智能鐵路技術發展領先新優勢。

為此，明確智能高鐵2.0的內涵和代際特征，提出智能高鐵體系架構2.0，規劃智能高鐵2.0的重點任務，對于指導“十四五”期間智能高鐵的高質量發展極為必要。

3 智能高鐵2.0的內涵與代際特征

3.1 智能高鐵2.0的內涵

遵循智能高鐵的科學定義，智能高鐵2.0的具體內涵是：在智能高鐵1.0基礎上，面向系統綜合效能最優開展頂層體系的正向設計，基于“模數驅動、軸面協同”理念，實現全專業協同和跨行業綜合，推動數據分析能力走向預測性分析應用。

3.2 智能高鐵2.0的代際特征

與智能高鐵1.0相比，智能高鐵2.0的主要代際特征體現在“體系正向設計、全專業協同、跨行業綜合、預測性分析”4個方面，如表1所示。

表1 智能高鐵2.0的代際特征

3.2.1 頂層設計走向正向設計

智能高鐵1.0是依托京張高鐵、京雄城際工程，取得了智能建造、智能裝備、智能運營系列成果，同步優化形成了智能高鐵體系架構1.0。智能高鐵2.0則是在智能高鐵1.0基礎上，以綜合效能最優為目標開展體系架構的正向設計，再指導成渝中線（重慶—成都）高鐵、CR450科技創新等工程應用。

3.2.2 體系協同走向全專業協同

智能高鐵1.0實現了智能建造、智能裝備、智能運營3大領域內部的跨專業協同。智能高鐵2.0將遵循“模數驅動、軸面協同”的理念，實現設計、建造、運營全生命周期不同時段的全專業全要素的協同。

3.2.3 應用范圍走向跨行業綜合

智能高鐵1.0主要面向高鐵建造、裝備和運營等實現智能化應用。智能高鐵2.0將貫徹國家綜合立體交通網規劃綱要的目標要求，初步實現與地質、環境、氣象、供應鏈、以及與航空、水運、道路等其他交通方式的綜合。

3.2.4 數據分析走向預測性應用

智能高鐵1.0依托部署在主數據中心的數據服務平臺，實現了多專業的數據匯集、治理，并開展了基于閾值的研判報警等方面的應用。智能高鐵2.0將在全域數據匯集的基礎上提升數據分析的能力，面向全生命周期全業務要素協同開展預測性關聯性分析應用。

4 智能高鐵體系架構2.0

智能高鐵體系架構包括技術體系、數據體系和標準體系3個組成部分，在整體設計原則中兼顧了穩定性和未來的可擴展性。基于上述考慮，智能高鐵體系架構2.0在架構層級設置上保持穩定不變，結合智能建造、智能裝備、智能運營等領域技術升級需求帶來的N項創新和基礎平臺進行了擴展和優化。

4.1 智能高鐵技術體系框架2.0

智能高鐵技術體系框架2.0是從技術層面，面向大系統全生命周期整體效能最優目標，遵循“模數驅動+軸面協同”管理理念，對智能建造、智能裝備、智能運營、基礎平臺的核心要素、關聯關系等進行整體設計。基于分類分層設計原則，自頂而下劃分為3大板塊、10大領域、18個方向、N項創新、1個平臺。智能高鐵技術體系框架2.0，如圖2所示，其中，黃色填充的方框為智能高鐵2.0的重點攻關任務相關內容。

圖2 智能高鐵技術體系框架2.0

4.1.1 智能建造板塊

在智能建造板塊，推進空天地一體的鐵路工程智能勘察設計，深化少人化梁場/板（枕）廠、鉆爆法隧道智能施工、路基智能填筑、軌道板/枕自動精調等技術，開展基于數字孿生的智能建造，實現工程建設進度動態管控、質量安全風險管控、施工組織優化、竣工交付及運維體系轉化等功能。

4.1.2 智能裝備板塊

在智能裝備板塊，研發CR450智能動車組、高鐵GoA3級自動駕駛技術、基于空天車地一體的高鐵運營安全防護技術等。其中，CR450智能動車組基于400 km/h的高速動車組技術平臺，實現時間敏感性以太網控制、動車組自適應智能運行、基于PHM的預測性維修、基于虛擬列車的動車組關鍵系統仿真等；高速列車自動駕駛方面，實現正線鐵路的GoA3級自動駕駛，以及面向動車段/所的遙控駕駛、自動調車等；檢測監測方面，實現基于空天車地多源信息感知、傳輸與分析的高鐵運營安全防護。

4.1.3 智能運營板塊

在智能運營板塊，開展面向綜合立體交通網和多種交通方式深度融合的MaaS+全行程智能服務，實現面向區域路網的智能綜合調度和車地一體化聯合運維。其中，MaaS+全行程智能服務實現全程暢行規劃、車站數字化接駁引導、車上旅客智能交互、鐵空公水聯運、國際鐵路票務等一體化出行服務；面向區域鐵路網的智能綜合調度實現面向區域鐵路網運輸組織全過程的各業務環節數據共享、高鐵綜合計劃智能編制、高鐵列車“一日一圖”實現、高鐵調度命令數字化編制、高鐵列車運行計劃自動調整等功能；車地一體化聯合運維實現面向動車組和基礎設施狀態感知數據融合的故障智能識別及健康評估，以及車輛和工務協同作業為目標的主動維修決策支持。

4.1.4 基礎平臺方面

在基礎平臺方面，構建模型數據一體化的基礎平臺，開展模型和數據的匯集、治理和標準化等，提供具有統一存儲結構、語義定義、信息傳遞的模數聚合服務，提供自主式數據分析和通專結合模型算法構建，支持實現模數一體的存儲、傳遞和應用等。

4.2 智能高鐵標準體系框架2.0

智能高鐵標準體系框架2.0在標準體系框架1.0基礎上，基于技術體系框架的更新而同步優化，如圖3所示。其中，智能建造類目增加空天地一體的鐵路工程智能勘察標準、數字孿生工程管理標準等，智能裝備類目補充CR450智能動車組標準、GoA3級自動駕駛標準、空天車地的高鐵運營安全防護標準等，智能運營類目升級MaaS+全行程智能服務標準、面向區域鐵路網的智能綜合調度標準等，基礎平臺類目增加模數一體化平臺標準等。

圖3 智能高鐵標準體系框架2.0

4.3 智能高鐵數據體系框架2.0

智能高鐵數據體系框架2.0是面向軸面協同目標，按照“模型與數據融合驅動”的理念進行了升級優化，自底向上分為數據匯集層、存儲分析層和智能應用層，如圖4所示。其中，黃色方框是增加的表征模型和機理模型等構成的模型湖、融合數據服務平臺、人工智能平臺和數字孿生平臺等構成的模數一體化平臺。智能應用層實現全生命周期全專業的軸面協同應用，以及跨行業的分析應用。

圖4 智能高鐵數據體系框架2.0

5 智能高鐵2.0的重點攻關任務及技術實施路徑

5.1 智能高鐵2.0的重點攻關任務

為實現智能高鐵2.0的“正向設計、全專業協同、跨專業綜合、預測性分析”等代際特征，綜合應用場景需求和技術可行性分析，“十四五”期間智能高鐵2.0在持續深化提升智能高鐵1.0取得的創新應用成果基礎上，還應面向高鐵持續領跑要求，圍繞智能建造、智能裝備、智能運營等開展創新攻關，重點攻關任務，如表2所示。

表2 智能高鐵2.0的重點攻關任務

5.2 技術實施路徑

依據中國智能高鐵1.0的創新實踐經驗，智能高鐵2.0重點攻關任務將采取研究開發、試驗驗證、場景示范、整線示范的4階段實施路徑進行推進，如圖5所示。

圖5 智能高鐵2.0重點攻關任務的實施路徑

第1階段，基于各創新主體，圍繞10項重點攻關任務完成總體方案設計、系統功能研發測試等；

第2階段，基于國家鐵道試驗中心環境，開展典型系統功能、性能的測試；

第3階段，選取運營線路，在確保線路運行安全的前提下面向典型場景開展運營測試；

第4階段，選取新建線路，開展成體系的技術驗證和應用示范。

6 結束語

文章總結中國智能高鐵在頂層架構設計、關鍵技術創新、基礎平臺建設、工程示范應用等方面取得的主要成就，分析“十四五”時期中國智能高鐵面臨的內/外部形勢和要求，從技術體系、數據體系、標準體系等維度構建了智能高鐵體系架構2.0，規劃建造、裝備、運營等領域智能化重點攻關任務及其實施路徑。

預計到2025年末，中國智能高鐵2.0將在智能建造、智能裝備、智能運營方面取得領跑型技術突破。智能建造領域，走向空天地一體的工程智能勘察、橋隧路軌體系化智能施工和工程數字孿生，實現基礎設施全生命周期正向傳遞和反向迭代優化；智能裝備領域，CR450智能動車組更高速、更智能，高鐵自動駕駛走向GoA3級，高鐵運營安全防護走向多源信息感知、傳輸與融合分析，確保高鐵更加安全可靠、更加經濟高效；智能運營領域，實現面向綜合交通深度融合的MaaS+全行程智能服務、面向區域路網的智能綜合調度、動車組輪軌一體化智能維修等，實現高鐵出行更加方便快捷、溫馨舒適和節能環保。隨著模數一體化平臺的建設，智能高鐵將全面實現全專業軸面協同，并初步實現跨行業綜合。此外，中國鐵路將積極推進智能高鐵成套標準的國際化，實現“十四五”期間持續領跑世界高鐵發展，不斷為其他國家提供中國智能高鐵方案。