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

牛道安

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

1 概述

為了滿足高速鐵路建設(shè)發(fā)展需要，我國開展了高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)研究。2008年以來，通過技術(shù)探索和工程實(shí)踐，已形成了以聯(lián)調(diào)聯(lián)試、動態(tài)檢測及運(yùn)行試驗(yàn)為主要內(nèi)容的高速鐵路動態(tài)驗(yàn)收模式，構(gòu)建了科學(xué)系統(tǒng)的評價指標(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，我國高速鐵路向更高標(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)，以及是否滿足開通運(yùn)營需要發(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)、移動互聯(lián)、多源異構(gòu)信息融合、多維可視化、虛實(shí)互動、專家系統(tǒng)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對智能高鐵固定設(shè)施、移動裝備、內(nèi)外部環(huán)境信息及相關(guān)測試數(shù)據(jù)的全面感知、融合分析、智能診斷，對智能高鐵各系統(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、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)評價、系統(tǒng)間接口評價、多專業(yè)綜合評價、全生命周期狀態(tài)評價等進(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)框架見圖1。

（1）各系統(tǒng)評價以及系統(tǒng)間接口評價。緊密圍繞智能鐵路的智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營三大領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，針對高速動車組自動駕駛系統(tǒng)、基于“AI+”的智能客運(yùn)車站系統(tǒng)、北斗全域信號增強(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)的評價方法及指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)對于智能高鐵系統(tǒng)的功能及性能、系統(tǒng)間匹配關(guān)系的科學(xué)評價。

（2）多專業(yè)綜合評價。將車載/地面聯(lián)調(diào)聯(lián)試靜動態(tài)數(shù)據(jù)、多專業(yè)融合分析數(shù)據(jù)、設(shè)備設(shè)施綜合監(jiān)測等要素，結(jié)合線路環(huán)境、設(shè)備綜合圖、二維GIS、BIM進(jìn)行多專業(yè)聯(lián)動、圖數(shù)協(xié)同一體化展示，為智能高鐵狀態(tài)綜合評價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)評價。綜合聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常運(yùn)營檢測監(jiān)測數(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)及接口評價、多專業(yè)綜合評價、全生命周期狀態(tài)評價進(jìn)行技術(shù)演進(jìn)。需要解決智能化檢測、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)路線見圖2。

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

3.1 智能化檢測技術(shù)

研究智能牽引供電、智能車站、智能列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、智能客服、智能票務(wù)等測試方法，建立測試場景、測試案例庫，建立綜合評判指標(biāo)。

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

3.2 檢測數(shù)據(jù)融合分析、集成展示技術(shù)

開展輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、列車空氣動力學(xué)聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)融合分析研究，開展災(zāi)害監(jiān)測多點(diǎn)數(shù)據(jù)融合分析。

研究檢測數(shù)據(jù)疊加、數(shù)據(jù)可視化、多圖聯(lián)動技術(shù)，研究被測對象、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)試大值報警、線路質(zhì)量TQI、GSM-R場強(qiáng)覆蓋和服務(wù)質(zhì)量、環(huán)境噪聲振動、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)、專家系統(tǒng)的故障智能診斷技術(shù)，提取各專業(yè)典型故障特征并建立知識庫，對于檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)、建模、訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對于檢測數(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。通過建立智能綜合分析展示平臺，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)范化存儲管理，融合多專業(yè)、多維度條件下線路設(shè)備狀態(tài)、車站及線路周邊環(huán)境結(jié)構(gòu)物功能狀態(tài)的動態(tài)實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時的智能綜合顯示，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數(shù)據(jù)、車輛動態(tài)響應(yīng)及輪軌力檢測數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究不同速度級、不同軌道結(jié)構(gòu)下輪軌力、加速度的時域、頻域及時頻特性，分析列車運(yùn)行速度及軌道結(jié)構(gòu)對于輪軌動力學(xué)響應(yīng)特性的影響，找出引起車輛劇烈振動的病害及特征。

（3）靜動態(tài)接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)融合分析。利用弓網(wǎng)關(guān)系和受流性能評價指數(shù)（CPOI）、接觸網(wǎng)靜態(tài)質(zhì)量評價指數(shù)（CQI）實(shí)現(xiàn)靜動態(tài)接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)融合分析，對接觸網(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)。通過對聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的清洗、格式轉(zhuǎn)換、時空校準(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)見圖3。采用模塊化分析、標(biāo)準(zhǔn)化接口等提高多專業(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，并通過模式識別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、故障預(yù)測和聯(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)在價值，全面提升分析和應(yīng)用能力，為技術(shù)升級、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)保持我國在高速鐵路綜合檢測領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢。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)間接口的評價方法、評價指標(biāo)，研究建立多專業(yè)綜合評價方法及指標(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)車載集成顯示平臺、多專業(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)，對于檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)建模、訓(xùn)練，并通過模式識別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、故障預(yù)測和聯(lián)合分析等手段，實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試檢測系統(tǒng)智能診斷分析與無人值守。實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)與日常檢測數(shù)據(jù)的綜合關(guān)聯(lián)分析，科學(xué)評價基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)趨勢變化，充分發(fā)揮聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)的內(nèi)在價值。

6 結(jié)束語

在“交通強(qiáng)國”戰(zhàn)略的指引下，在智能技術(shù)快速發(fā)展的推動下，我國高鐵正穩(wěn)步邁入智能化發(fā)展的新階段[6]。為了滿足智能高鐵的建設(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)我國智能高鐵的建設(shè)提供了技術(shù)支撐。