面向綜合立體交通網的智能城際鐵路總體架構研究

李平，史天運，馬小寧，楊東盛，張曉棟

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

0 引言

2019年9月，中共中央、國務院印發的《交通強國建設綱要》指出“推進干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通的融合發展”。2021年2月，中共中央、國務院印發的《國家綜合立體交通網規劃綱要》指出“推動干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路融合建設，并做好與城市軌道交通銜接協調，構建運營管理和服務‘一張網’，實現設施互聯、票制互通、安檢互認、信息共享、支付兼容”。2021年3月，《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》指出“推進城市群都市圈交通一體化，加強城際鐵路、市域（郊）鐵路發展”“推動市內市外交通有效銜接和軌道交通‘四網融合’，提高都市圈基礎設施連接性貫通性”。在此背景下，城際鐵路作為城市對外聯系的重要通道，對于城市群間的交通互聯互通和都市圈交通一體化發展具有重要意義。

城際鐵路作為連接干線鐵路和城市軌道交通的重要通道，與上下游軌道交通做好銜接極為必要。近年來，隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能等新技術的發展，全球軌道交通進入智能化發展新階段［1］，我國智能高速鐵路、智慧地鐵等取得快速發展。中國國家鐵路集團有限公司于2020年9月印發“技術-數據-標準”三位一體的《智能高速鐵路體系架構1.0》，提出涵蓋智能建造、智能裝備、智能運營以及基礎平臺四大組成部分的智能高鐵建設與運營的頂層設計（見圖1）［2］，并依托京張高鐵、京雄城際鐵路等開展智能高鐵的應用示范，形成以BIM建造技術、智能動車組、列車自動駕駛、電子客票、智能客站、智能運維等為代表的關鍵技術創新，建成世界上首條智能鐵路——京張高鐵。2020年3月，中國城市軌道交通協會發布《中國城市軌道交通智慧城軌建設綱要》［3］，提出智慧城軌建設“1-8-1-1”藍圖設計（見圖2），即“鋪畫一張智慧城軌發展藍圖；創建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統、智能列車運行、智能技術裝備、智能基礎設施、智能運維安全、智慧網絡管理等八大體系；建立一個城軌云與大數據平臺；制定一套中國智慧城軌技術標準體系”。

圖1 智能高鐵體系架構

圖2 智慧城軌建設“1-8-1-1”藍圖

根據國外典型城市群軌道交通發展經驗，日本東京灣區80%～90%通勤客運依賴軌道交通，并實現整個灣區交通一體化［4］；美國舊金山灣區形成的“環灣+放射狀”軌道網結構，極大地帶動了區域協同化發展［5］。因此，通過信息新技術驅動軌道交通智能化，有利于達到更高品質的個性化出行服務、更好的安全保障能力、更優的交通運輸效率、更少的環境污染，成為城際軌道交通發展的必然趨勢，開展智能化總體設計對于推動軌道交通四網高質量融合具有極其重要的意義［6-10］。

1 智能城際鐵路概述

1.1 定義

智能城際鐵路（Intelligent Inter-City Railway，I2CR）廣泛應用5G、云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、BIM等新一代信息技術，綜合高效利用城際鐵路內外部資源，面向全生命周期一體化管理，實現移動設備、固定設施、外部環境及其他交通方式間信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策。

1.2 內涵與目標

智能城際鐵路的內涵可簡稱為“三全四化”，即以AI、BIM、云計算、大數據、5G、區塊鏈、數字孿生等新技術在城際鐵路的全面深度應用為標志，通過覆蓋規劃、設計、建設、運營、維護的“全業務流程、全價值鏈條、全生態體系”的智能化，實現“乘客出行安全便捷化、運營管理高效無人化、設備設施數字智能化、全方位綠色人性化”（見圖3）。

圖3 智能城際鐵路的內涵

智能城際鐵路是信息化、智能化技術與城際鐵路各領域深度融合的新一代城際鐵路系統，在城際鐵路的傳統特征基礎上，信息化、智能化技術又賦予其新的功能與特征，使其能夠對鐵路各系統要素進行全面實時感知，不斷適應環境、主動學習，實現各類數據的深度融合與廣泛共享；通過對大量數據的挖掘、分析、推理，提出科學合理的決策支持。智能城際鐵路具有“以人為本、運行安全、降本增效、節能環保、技術創新”等特征，可實現“更加安全可靠、更加溫馨舒適、更加節能環保、更加經濟高效、更加方便快捷”的發展目標（見圖4）。

圖4 智能城際鐵路的目標

1.3 需求分析

智能城際鐵路的需求主要包括以下5個方面：

（1）綠色環保、節能高效。對于城際鐵路的建設，除了考慮智能技術裝備的提升，還面臨智慧能源管理、資源共享共建、生態產業鏈打造等問題，需要加強整個綜合交通運輸體系的效率提升、安全運轉、節支降耗要求。

（2）智能驅動、業務創新。城際鐵路在建設、運營、維護、管理、服務等多個范疇，均面臨智能化技術裝備、智能化系統、智慧化服務場景的創新應用，運營的智能監測、決策管理、分析挖掘，客運全過程服務，內外部單位共享互通，以及全過程、全生命周期數據管理互聯等問題。

（3）云數引領、數據賦能。在多網綜合交通、多線建設運營中，需要解決資源靈活分配、統籌管理、傳統架構陳舊、安全管控薄弱、運維體系龐大等問題，同時需要思考多網、多線、多專業、多場景的數據如何在業務流轉、業務重構、業務塑造中進行價值提升，借助云平臺服務能力和唾手可得的數據資源，推動全鏈條城際鐵路運營各環節的改進提升。

（4）區域融合、生態互聯。在規劃設計中，應統籌考慮都市圈軌道交通網絡布局，除了在線路走向、技術裝備、基礎設施建設、站城一體化等方面進行多網共享，還面臨區域性運營管理模式、運輸服務方式、運輸組織管理、綜合交通銜接、信息互聯互通等問題。同時，應兼顧新型都市圈、大型樞紐中心等生態體系的構建和共享價值的再生，實現綜合性一體化的生態互聯。

（5）乘客出行、個性服務。新一代信息技術發展促進了乘客服務體系的提升，通過智慧屏、智能感知、智慧數據、多媒體生態等應用，共同打造更加舒適、健康、便捷的交通出行方式。在城際鐵路建設中，應滿足以乘客為中心的智慧化、個性化服務需求。

2 總體架構設計

基于復雜系統理論和企業架構構建方法，以需求為驅動，從業務應用、數據、技術3個維度進行智能城際鐵路的總體架構設計。

2.1 業務應用架構

智能城際鐵路的業務應用架構是基于分類分層設計思想，按照“顆粒度一致、高內聚、低耦合、可靈活擴充”等設計原則，自上而下劃分為平臺、板塊、領域、應用4個層面，包括1個云腦平臺、6個智能板塊、16個創新領域、N個應用系統（1-6-16-N）。智能城際鐵路業務應用架構見圖5。

圖5 智能城際鐵路業務應用架構

（1）1個云腦平臺：為智能城際鐵路提供支撐和服務。

（2）6個智能板塊：包括智能建造、智能列車、智能調度與列控、智能檢測監測、智能運維、智能服務等。

（3）16個創新領域：包括基礎設施智能施工、BIM工程管理、整車設計、智能監控、智能服務、智能調度、智能列控、固定設施監測、移動設備監測、災害監測、環境監測、固定設施智能運維、動車組智能運維、智能票務、智能客站、智能運輸組織等。

（4）N個應用系統：

①基礎設施智能施工：包括橋梁智能施工、隧道智能施工、路基智能施工、軌道智能施工等系統。

②BIM工程管理：包括BIM+GIS工程管理、監理多端協同作業、數字化設計竣工交付等平臺。

③整車設計：包括城際動車組整車與品牌設計、列車網絡控制、車輛電氣控制、牽引等系統。

④智能監控：城際動車組車載安全監控、城際動車組車載信息無線傳輸、城際列車綜合無線通信、城際動車組車載健康管理等系統。

⑤智能服務：基于5G列車智能綜合服務、車窗信息智能發布等系統。

⑥智能調度：智能綜合調度管理、智能調度應急指揮、智能調度集中等系統。

⑦智能列控：CTCS&CBTC融合技術的城際鐵路列控、C3+ATO列控、C2+ATO列控、動車段/所全自動運行調度與控制等系統。

⑧固定設施監測：基礎設施綜合檢測車/巡檢車、工務設施綜合檢測監測、供變電設施及接觸網監測、站房鋼結構健康監測等系統。

⑨移動設備監測：動車組地對車運行安全監控、動車組運行安全管理分析等系統。

⑩災害監測：自然災害及異物侵限監測、地震監測預警、滑坡及泥石流監測等系統。

?環境監測：周界入侵報警、機房電源及環境集中監控、振動監測控制、智能一體化視頻監測等系統。

?固定設施智能運維：綜合維修生產管理信息、基礎設施故障診斷與健康管理、基礎設施智能預測運維等系統。

?動車組智能運維：智能動車段/所、動車組故障預測與健康管理等系統。

?智能票務：智能城際票務、智能城際清分等系統。

?智能客站：城際站臺安全防護、（智能客站）服務與生產管控平臺等系統。

?智能運輸組織：基于機器視覺的客流預測與管理、基于實時客流預測的運行圖智能編制、城際快運等應用系統。

2.2 數據架構

智能城際鐵路的數據架構自下而上可分為數據匯集層、存儲分析層、創新應用層（見圖6）：

圖6 智能城際鐵路數據架構

（1）數據匯集層。用于匯集來自智能建造、智能檢測監測、智能列車、智能調度與列控、智能運維、智能服務等6個智能板塊的數據，以及其他交通方式、氣象、互聯網、公共服務等外部相關數據，實現全業務、全類型的智能城際鐵路數據匯集。

（2）存儲分析層。基于智能城際鐵路云腦平臺，對數據進行標準化、規范化處理，按不同主題建立全生命周期數據組織與存儲結構，形成一套多專業融合、跨業務、跨部門共享的規范數據資源。

（3）創新應用層。采用“平臺+應用”模式，在云數據中心基礎上，提供物聯網服務、主數據服務、BIM+GIS服務、大數據分析服務、人工智能服務、決策支持服務等大數據典型應用，支撐各專業智能化的實現。

2.3 技術架構

遵循業界領先的“平臺+應用”技術架構設計理念，搭建智能城際鐵路技術架構，通過基于統一的云腦平臺，為智能列車、智能調度、智能列控、智能檢測監測、智能運維、智能客站、智能票務清分等賦能（見圖7）。在智能城際鐵路的技術架構中，云腦平臺是中樞大腦，為各板塊的智能化應用提供統一的IaaS、PaaS等服務；并基于數據驅動理念，為管理部門提供智能決策分析。

圖7 智能城際鐵路技術架構

云腦平臺由基礎網絡、云數據中心、數據湖、支撐服務4個部分組成：

（1）基礎網絡。為整個信息基礎設施提供底層的網絡承載，包括各種專網、實時控制網絡以及基于5G的專用物聯網。

（2）云數據中心。基于先進的軟件定義、云計算等技術，將計算、存儲、安全等物理資源虛擬化為資源池，實現資源的按需供給、動態調配，并通過IaaS、PaaS、SaaS形式對外提供服務。

（3）數據湖。基于數據溫度、分級分域等技術，構建分區、分域、分級管理的，且適應四網融合要求的數據資源中心，實現跨專業、跨行業數據共享，為上層智能化應用提供數據支撐。

（4）支撐服務。云腦平臺提供的大數據計算、智能分析、決策支持等核心能力，包括物聯網服務、主數據服務、地理信息服務、大數據服務、人工智能服務、決策支持服務等。

各專業系統數據都應按要求匯集至智能城際鐵路云腦平臺，經規范化、標準化處理，形成智能城際鐵路數據湖；另外，各系統間的數據交換共享都基于云腦平臺開展，各系統基于標準接口統一從云腦平臺獲取所需數據。智能城際鐵路數據接口示意見圖8。

圖8 智能城際鐵路數據接口示意圖

3 結束語

從綜合立體交通網中城際鐵路的智能化發展需求出發，提出智能城際鐵路的定義、內涵及目標藍圖，基于對城際軌道交通智能化需求的分析，提出可概括為“1-6-16-X”的智能城際鐵路業務應用架構，設計涵蓋數據采集、存儲、應用等全流程的數據架構，建立基于“平臺+應用”模式的技術架構。

未來，隨著云計算、大數據、人工智能、5G等新一代信息技術的創新突破和融合發展，依托云腦平臺數字底座，逐步實現需求辨識驅動的列車運行計劃編制、多網融合的智能列控、聯程化票務與清分、綜合調度列控一體化等，促進軌道交通四網的高質量融合，為構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化綜合交通體系提供有力支撐。