基于智能高鐵建設實踐的智慧城軌整體設計方案研究

于鑫

摘 要：為推動我國智慧城軌健康快速發(fā)展，助推《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的落地實施，基于智能高速鐵路相關(guān)實踐經(jīng)驗，秉持《發(fā)展綱要》中的建設思想與目標，同時結(jié)合城軌領(lǐng)域各專業(yè)的業(yè)務特點，從構(gòu)建能力架構(gòu)、功能架構(gòu)與物理架構(gòu) 3 方面，提出具有實操性的智慧城軌整體設計方案，并給出保障措施和發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;智慧城軌;智能高鐵;整體設計方案

中圖分類號：U213.9

1 引言

當前，我國城市軌道交通智能化發(fā)展迅速。隨著全球科技創(chuàng)新進入空前密集活躍期，以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等信息技術(shù)為主導的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在為各領(lǐng)域的智能化發(fā)展點燃新引擎[1-2]。伴隨中國制造2025、交通強國、智慧城市、新基建等若干重大戰(zhàn)略的提出，科技革命、創(chuàng)新驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)格局重塑、經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型升級等組合作用，推動了我國城市軌道交通的智能化大發(fā)展[3-4]。

城軌智能建造、智能裝備、智能運維、智慧車站、智慧服務等若干智能技術(shù)的發(fā)展應用[5]，既契合了城軌運營企業(yè)對于安全、可靠、高效地管理運營規(guī)模急劇擴張線網(wǎng)的技術(shù)訴求，更充分地貫徹了“規(guī)劃建設為運營，運營服務為乘客”的行業(yè)服務理念[6-7]。北京、上海、廣州等形成網(wǎng)絡化運營的城市已經(jīng)率先提出各具特點的智慧城軌建設總體架構(gòu)與實施方案[8-11]，并在不同業(yè)務領(lǐng)域開展了程度不一的探索與實踐。而其他后發(fā)城市也躍躍欲試，在部分領(lǐng)域形成了獨特的智能應用技術(shù)。為促使我國城軌交通行業(yè)智能化的健康發(fā)展和智慧城軌的有序建設，2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會（以下簡稱“中城協(xié)”）發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》（以下簡稱《發(fā)展綱要》），以統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略，明確建設目標，確定重點任務，謀劃實施路徑[12]。

《發(fā)展綱要》的提出點燃了各地建設智慧城軌的熱情，但由于當前相關(guān)設計標準以及項目實踐經(jīng)驗的匱乏，城軌企業(yè)在規(guī)劃實施智慧城軌項目建設時，面臨難以結(jié)合自身發(fā)展基礎(chǔ)與實際需求，科學、合理制定實施方案的困境。本文基于已實施建設的智能高速鐵路相關(guān)實踐經(jīng)驗，同時結(jié)合城軌領(lǐng)域各專業(yè)的業(yè)務特點，提出一套針對智慧城軌建設的整體設計方案及相關(guān)建議，旨在為城軌企業(yè)開展智慧城軌建設相關(guān)研究或?qū)嵺`提供思路與啟示。

2 智能高速鐵路建設實踐

近年來，中國高速鐵路取得了快速發(fā)展，截至2019年底，高速鐵路營業(yè)里程超過3.5萬km，占全球高速鐵路營業(yè)里程的60%以上。中國高速鐵路的快速發(fā)展離不開鐵路信息化、智能化建設的持續(xù)推進。2017年，新時期鐵路信息化總體規(guī)劃發(fā)布，提出“智能鐵路”的戰(zhàn)略目標，中國鐵路總公司正式啟動智能京張、智能京雄等重大工程建設，并提出了建設智能高鐵的發(fā)展目標[13]。

中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）以京張高鐵、京雄城際鐵路技術(shù)攻關(guān)和工程建設為依托，從頂層設計角度出發(fā)制定了完整的智能高鐵體系架構(gòu)。智能高鐵是廣泛應用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、北斗導航、建筑信息模型（BIM）等新技術(shù)，綜合高效利用資源，實現(xiàn)高鐵移動裝備、固定基礎(chǔ)設施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學習和科學決策，實現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統(tǒng)[13]。智能高鐵的總體組成以一個智能高鐵大腦平臺為核心，包含智能建造、智能裝備、智能運營3部分，總體功能架構(gòu)如圖1所示[14]。

2019年12月30日，京張高鐵開通運營。京張高鐵是我國智能鐵路最新成果的首次集成化應用，其實現(xiàn)了智能建造、智能裝備和智能運營，開啟了世界智能鐵路的先河，為構(gòu)建智能鐵路技術(shù)標準體系，初步形成智能鐵路應用格局奠定了基礎(chǔ)[15]。京張高鐵在智能建造方面形成了5類典型示范，包括參數(shù)化協(xié)同設計、BIM + GIS（地理信息系統(tǒng)）工程管理平臺、路橋隧軌智能施工、四電智能施工以及客站智能施工;在智能裝備方面形成6類典型示范，包括智能動車組、高速列車自動駕駛系統(tǒng)、智能牽引變電所、智能災害監(jiān)測、一體化綜合視頻以及基于BIM的智能綜合檢測;在智能運營方面形成6類示范應用，包括工電供一體化運維故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)、智能調(diào)度集中系統(tǒng)、智能票務、智能客站、北斗應用以及大數(shù)據(jù)中心[16]。國鐵集團提出打造“精品工程，智能京張”的戰(zhàn)略舉措，使京張高鐵集中國鐵路建設運營技術(shù)和管理水平之大成，全面展示我國智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果，成為中國高鐵從世界先進水平向世界領(lǐng)先水平邁進的標志性工程[17-18]。

3 智慧城軌整體設計方案

對于智慧城軌發(fā)展整體規(guī)劃設計，一些地區(qū)城軌業(yè)主企業(yè)已經(jīng)形成并提出了自有方案。中城協(xié)發(fā)布的《發(fā)展綱要》中也對智慧城軌建設提出了“1-8-1-1”布局結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展藍圖，其包括了創(chuàng)建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設施、智能運維安全和智慧網(wǎng)絡管理八大體系，以及建立一個城軌云與大數(shù)據(jù)平臺和制定一套中國智慧城軌技術(shù)標準體系[12]?？梢哉f，《發(fā)展綱要》較為全面地確立了建設智慧城軌需要規(guī)劃建設的各大體系及相應的目標及重點任務，為今后我國發(fā)展智慧城軌把控住了總方向。但是，由于其屬于規(guī)劃類文件，所闡述內(nèi)容尚不足以直接指導工程建設實施。在此，本文全面基于《發(fā)展綱要》建設思想、目標與內(nèi)容，結(jié)合智能高鐵實踐經(jīng)驗以及城軌從業(yè)經(jīng)驗，從構(gòu)建能力架構(gòu)、功能架構(gòu)與物理架構(gòu)3方面，提出具有實操性的智慧城軌整體設計方案。

3.1 能力架構(gòu)

智慧城軌建設應以形成全面智能化應用與服務能力為目標，以引領(lǐng)城軌領(lǐng)域智慧化發(fā)展為標桿，以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐，實現(xiàn)覆蓋城軌交通規(guī)劃、設計、建設、運營和維護全業(yè)務流程、全價值鏈條、全生態(tài)體系的智能化，加速推動城軌企業(yè)運營安全、服務水平、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益的全面提升，更好滿足市民幸福出行。在明確上述建設原則的基礎(chǔ)上，提出“1中心”“2支撐”“3應用”的“1-2-3”智慧城軌設計框架，如圖2所示。

（1）“1中心”。建設1個智慧城軌云腦平臺，全面部署“大、物、移、云、智”，綜合承載智慧業(yè)務與應用，圍繞云腦平臺形成全局數(shù)據(jù)信息的充分匯集、交互、融合與分析能力，進而實現(xiàn)全系統(tǒng)的自主采樣、學習與決策。

（2）“2支撐”。建設2個支撐體系，即智能建造技術(shù)體系與智能技術(shù)裝備體系。設施設備是開展運營工作的基本載體，智能裝備與建造技術(shù)體系的構(gòu)建，可為智慧業(yè)務與應用場景提供應用基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)信息源支撐。

（3）“3應用”。構(gòu)建3類智能應用場景，即智能乘客服務、智能運營管控、智能運維保障?；谠颇X平臺及智能裝備與建造技術(shù)體系形成智能感知、智能分析、智能聯(lián)動能力，面向服務主體用戶需求，生成運營、服務、維保3大智慧場景，用數(shù)據(jù)驅(qū)動安全、效率、效益和服務的提升。

在“1中心”“2支撐”與“3應用”體系的基礎(chǔ)上，形成開展智能化運營業(yè)務的支撐能力、覆蓋主要運營業(yè)務智能化的應用能力及主動思維決策能力。通過構(gòu)建上述各體系，總體形成面向乘客、運營、供應商、政府部門、協(xié)作單位、區(qū)域同行的服務能力。

3.2 功能架構(gòu)

功能架構(gòu)通過綜合考慮用戶業(yè)務應用需求與技術(shù)發(fā)展應用條件而制定形成，在需求分析的基礎(chǔ)上對“2支撐”與“3應用”體系作進一步細分，在18個服務方向形成若干智能化功能應用，整體功能架構(gòu)如圖3所示。

（1）智能建造技術(shù)。以BIM、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)為手段，以滿足工程項目的功能性需求和不同使用者的個性需求為目的，構(gòu)建城軌項目建造和運行的智慧環(huán)境，通過技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新對工程項目全生命周期的全過程實施有效改進和管理。智能建造技術(shù)體系包含基于BIM的工程建設管理、橋隧路軌工程智能化施工、四電工程智能化施工、車站智能化建造以及綜合調(diào)試驗收5個智能化服務方向，可針對城軌交通軌道、橋梁、隧道、路基、車站、通信、信號、供電、風水電全專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)設施，在設計、建造、調(diào)試、驗收各階段進行智能化管理與實施[19-20]。

（2）智能技術(shù)裝備。以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐，裝備應用智能化、網(wǎng)絡化、集約化、人性化的新一代城軌交通車輛系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及機電系統(tǒng)，實現(xiàn)列車全自動運行與互聯(lián)互通、能源使用綠色環(huán)保、信息通信能力強勁與靈活便捷、機電設備系統(tǒng)集中可視可控。智能技術(shù)裝備包含智能列車運行、智能綠色能源、智能通信平臺、智能機電系統(tǒng)4個智能化服務方向，可為我國城軌自主化技術(shù)裝備的創(chuàng)新研發(fā)應用提供廣闊舞臺。

（3）智能乘客服務。重視乘客出行體驗，鏈接生活要素，通過更人性化、智能化的服務手段，實現(xiàn)對乘客出行全鏈條服務需求的主動感知以及精準分析，并圍繞資訊、出行等關(guān)鍵服務內(nèi)容進行智能整合、提升，全面提供主動、及時、舒適、便捷的乘客服務[21]。智能乘客服務體系包含票務服務、站務服務、乘務服務、客運組織4個智能化服務方向，可為乘客出行全場景提供智能化服務。

（4）智能運營管控。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，改善傳統(tǒng)運營形式下數(shù)據(jù)孤島、信息離散、平臺封閉、響應被動、決策失當?shù)痊F(xiàn)狀問題，綜合增強運營管理的多態(tài)場景應用能力，滿足數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的運營品質(zhì)要求，并與乘客服務的需求相協(xié)調(diào)，與區(qū)域一體化發(fā)展定位相適應，極大提升運營企業(yè)的效率效益[22]。智能運營管控體系包含調(diào)度指揮與車站管控2個智能化服務方向，可達到運輸組織精準靈活、調(diào)度指揮協(xié)同高效、車站管理全景管控的目標。

（5）智能運維保障。應用泛在數(shù)據(jù)和智能技術(shù)對運維管理、安全管理、資產(chǎn)管理業(yè)務進行賦能，以運營相關(guān)的人、財、物為主要管控對象，以狀態(tài)信息的全面感知、綜合分析、精準預測、科學決策為手段，實現(xiàn)設施設備精準維修維護、系統(tǒng)安全可控、資產(chǎn)靈活利用，全面提高安全服務水平和管理效率，降低勞動強度、技能要求和運維成本[23-24]。智能運維保障體系包含設施設備運行維護、安全保障、資產(chǎn)管理3個智能化服務方向。

3.3 物理架構(gòu)

依據(jù)當前典型城市的城軌交通運營管理體制，按照云端系統(tǒng)與城軌交通現(xiàn)場子系統(tǒng)相結(jié)合的方式，設計智慧城軌體系的物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測監(jiān)測相結(jié)合的智慧城軌體系物理架構(gòu)，如圖4所示。

在云端部署智慧城軌云腦平臺以及智慧城軌5大體系的應用系統(tǒng)。智慧城軌云腦平臺作為智慧城軌的“操作系統(tǒng)”，為智慧城軌的有效、協(xié)同運轉(zhuǎn)提供通用數(shù)據(jù)、平臺和智能分析能力。根據(jù)功能框架，應用系統(tǒng)包括智能建造技術(shù)、智能技術(shù)裝備、智能乘客服務、智能運營管控、智能運維保障5大體系的18個服務系統(tǒng)。云端系統(tǒng)通過新一代城軌交通通信平臺、互聯(lián)網(wǎng)與智慧城軌用戶終端相連接，用戶終端主要包括內(nèi)部管理終端和對外服務終端2類。城軌現(xiàn)場子系統(tǒng)具有高實時性的邊緣計算以及現(xiàn)場操控與處置等功能，可實現(xiàn)城軌業(yè)務現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，通過新一代城軌交通通信平臺與云端系統(tǒng)相連接。

通過科學合理的智慧城軌軟硬件系統(tǒng)部署，并使之與前、后端交互關(guān)聯(lián)，使得系統(tǒng)全局實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息順暢的傳輸傳遞、深度分析、綜合決策、智能應用，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的城軌交通業(yè)務及服務全面智能化與智慧化。

4 智慧城軌體系建設與發(fā)展建議

為全面輔助智慧城軌技術(shù)體系的創(chuàng)新發(fā)展與落地實施，本文從頂層設計、創(chuàng)新驅(qū)動、融合管理、標準建設等角度提出以下建議。

（1）堅持創(chuàng)新驅(qū)動。加大力度研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式，先機掌握關(guān)鍵核心技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán);通過充分融合應用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等先進信息科學技術(shù)，推動智慧城軌交通體系的建設;堅持創(chuàng)新引領(lǐng)，驅(qū)動新技術(shù)、新裝備、新模式的落地應用，為行業(yè)推廣奠定基礎(chǔ);著重秉持業(yè)主單位主導和引領(lǐng)創(chuàng)新、裝備企業(yè)驅(qū)動創(chuàng)新、行業(yè)同行協(xié)同創(chuàng)新的原則，業(yè)界同仁凝心聚力、同舟共濟，同繪智慧城軌藍圖，共筑交通強國夢。

（2）加強頂層設計。智慧城軌體系性極強，并且其相關(guān)技術(shù)應用具有前瞻性、顛覆性，因此，發(fā)展智慧城軌應統(tǒng)籌規(guī)劃、注重頂層設計，指明發(fā)展方向、把控實施路徑，以最終形成設計科學、技術(shù)先進、投資節(jié)省、效益可觀的全局方案，保障智慧城軌建設順利落地實施。

（3）實施因地制宜。由于全國各地城軌交通建設起步時期不同，所處階段不同，特別是對“智慧城軌”的認識程度深淺有別，致使各地城軌業(yè)主單位的信息化進程參差不齊，智能化應用程度和水平差異較大，不同業(yè)務領(lǐng)域開展的程度也不一致。因此，發(fā)展智慧城軌應因地制宜，在智能運維技術(shù)上分階段、分類別實施，堅持成熟技術(shù)“先行先上”，不成熟技術(shù)后續(xù)逐步實現(xiàn)應用;依據(jù)當?shù)爻擒夁\營特點，以實際運營業(yè)務及服務需求為主導開展智慧城軌設計與建設。

（4）促進融合共享。信息共享是提高信息資源利用率、充分發(fā)揮其效益的重要手段，數(shù)據(jù)共享是大數(shù)據(jù)潛在價值挖掘和利用的重要基礎(chǔ)，因此發(fā)展智能城軌應促進信息和數(shù)據(jù)的融合共享。統(tǒng)籌工務、車輛、供電、通號等各專業(yè)信息和數(shù)據(jù)的融合共享;推動乘客服務、運輸組織、運維保障等各業(yè)務模塊的信息和數(shù)據(jù)共享;加強管理、規(guī)劃、設計、建設、供貨、運營、維保等全行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享;推進與交通、政務、市政、公安等其他行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享，全面支撐城市軌道交通的智能化發(fā)展。

（5）推動標準化建設。推動智慧城軌標準化建設，符合“規(guī)范研究先行，標準指導建設”的理念和原則。圍繞智慧城軌體系，針對關(guān)鍵領(lǐng)域，形成從頂層管理、監(jiān)督評估、運行應用、平臺建設、數(shù)據(jù)融合到底層感知的系列化標準，彌補在關(guān)鍵環(huán)節(jié)、核心技術(shù)裝備等方面規(guī)范缺失問題，指導智慧城軌建設項目的有序、高質(zhì)量開展;進一步升級城軌交通智能系統(tǒng)的標準化、規(guī)范化，持續(xù)推動創(chuàng)新智慧城軌體系建設，強化智能系統(tǒng)安全。

（6）落實支撐保障。為推動智慧城軌體系的健康有序發(fā)展，應落實支撐保障。政府主管部門應進一步加大智慧城軌發(fā)展的支持及鼓勵力度，支持智能化、智慧化技術(shù)研發(fā)及工程應用;大力推廣示范工程，為城軌企業(yè)提供發(fā)展智慧城軌的機會，促進對智能產(chǎn)品和系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)和創(chuàng)新;落實智慧城軌工程建設、更新改造及科技研發(fā)的資金，進一步引入市場化機制，擴充籌融資渠道，并做好智慧城軌專業(yè)人才培養(yǎng)和人才引進。

5 結(jié)語

建設智慧城軌是實現(xiàn)交通強國戰(zhàn)略的突破口，是智慧城市建設的先導工程，是行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手，對于國家、城市以及行業(yè)發(fā)展極為重要。同時，智慧城軌建設是一個龐大的系統(tǒng)性工程，覆蓋面廣、建設體量大、技術(shù)難度高、實施周期長，不能畢其功于一役。因此，需要全行業(yè)凝心聚力，統(tǒng)籌謀劃全局，圍繞工作主線持續(xù)奮斗、久久為功，為全面建成智慧城軌貢獻力量。

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收稿日期 2020-08-03

責任編輯 朱開明