境外鐵路項目智能化系統(tǒng)方案研究

于行健，鄭金子，曹鴻飛，婁 昆

（1. 中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司 電化電信院，天津 300251；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

信息技術(shù)和智能化技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)今社會經(jīng)濟發(fā)展的重要驅(qū)動力，智能化水平已經(jīng)成為衡量國家整體實力的一項關(guān)鍵指標(biāo)，對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生著重大影響。

在“交通強國，鐵路先行”戰(zhàn)略方針的指引下，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱：國鐵集團(tuán)）正著力建設(shè)國內(nèi)智能鐵路[1]，以構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟的現(xiàn)代化綜合交通體系。

智能鐵路廣泛應(yīng)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(dǎo)航、BIM等新技術(shù)，通過對鐵路移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)和融合處理，高效利用鐵路所有移動裝備、固定設(shè)施、人力資源，實現(xiàn)鐵路建設(shè)與運營全過程的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、經(jīng)濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的新一代鐵路運輸系統(tǒng)[2]。

當(dāng)前，境外鐵路項目已經(jīng)成為實施中國鐵路產(chǎn)業(yè)“走出去”戰(zhàn)略和服務(wù)國家“一帶一路”行動計劃的重要途徑。如何將智能鐵路的概念推廣到境外鐵路項目、提高境外鐵路建設(shè)水平是中國鐵路當(dāng)前亟需深入研究的一個現(xiàn)實問題。為此，根據(jù)相關(guān)國家境外鐵路運營特點，結(jié)合智能鐵路的發(fā)展趨勢，研究適用于境外鐵路項目的智能化系統(tǒng)方案。

1 國內(nèi)鐵路智能化現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)鐵路智能化主要在京張高速鐵路（北京—張家口）、京沈客運專線（北京—沈陽）和京雄城際鐵路（北京—雄安）等項目中試點實施。

1.1 京張高速鐵路

作為我國首條智能化高速鐵路，京張高速鐵路首次采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)到點自動開車、區(qū)間自動運行、到站自動停車。此外，該鐵路還采用了一證通行、刷臉進(jìn)站等人性化、智能化的旅客服務(wù)新技術(shù)。

1.2 京沈客運專線

國鐵集團(tuán)在京沈客運專線的沈陽西—朝陽區(qū)段組織開展自主化智能鐵路綜合試驗，涉及CTCS3+ATO列控系統(tǒng)、智能牽引供電系統(tǒng)、新型簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)、智能CTC系統(tǒng)、BIM技術(shù)、北斗技術(shù)等28項科學(xué)試驗，對高速鐵路智能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗證，以提升高速鐵路技術(shù)裝備的自主化水平，掌握高速鐵路裝備關(guān)鍵核心技術(shù)，進(jìn)一步完善和優(yōu)化高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

1.3 京雄城際鐵路

京雄城際鐵路是國鐵集團(tuán)為服務(wù)國家級新區(qū)而建設(shè)的“智能鐵路、精品工程”，以打造首條全生命周期數(shù)字孿生鐵路為目標(biāo)，以元數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)為核心，以BIM+GIS技術(shù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)載體，實現(xiàn)鐵路設(shè)計施工方案的數(shù)據(jù)化和建設(shè)全過程的信息化管理，開創(chuàng)了鐵路智能建造的新模式。

2 境外鐵路項目的特點

（1）建造過程可視化展示需求較為強烈

與國內(nèi)鐵路項目相比，境外鐵路項目所在國家普遍缺乏大規(guī)模鐵路建設(shè)的經(jīng)驗，當(dāng)?shù)罔F路項目的管理機構(gòu)對鐵路建設(shè)缺乏較為全面和深入的理解，因而對鐵路建造過程的可視化展示抱有濃厚興趣。鐵路建造全過程的可視化展示將幫助當(dāng)?shù)罔F路項目建設(shè)管理機構(gòu)把握和管理項目的進(jìn)展情況，有益于雙方建立互信和保持良好的溝通。

（2）鐵路運營安全保障技術(shù)水平相對滯后

除了日本、德國、瑞士等少數(shù)鐵路技術(shù)發(fā)達(dá)國家以外，國外鐵路電氣化、信息化發(fā)展水平相對滯后，大多數(shù)境外鐵路的安全監(jiān)測主要依賴人工檢查，較少應(yīng)用自動化檢測監(jiān)測手段。因此，境外鐵路運營相關(guān)方大多對鐵路自動化檢測監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用有著濃厚的興趣。

（3）適于實施運維管理一體化

國鐵集團(tuán)當(dāng)前所承接的大部分境外鐵路項目是新建鐵路，且多為所在國家的第一條鐵路項目（尤其是高速鐵路項目），或是獨立運營的鐵路項目。相對于國內(nèi)鐵路，境外鐵路項目的運維管理不受垂直化專業(yè)分工的傳統(tǒng)限制，更適于實施多專業(yè)運營維護(hù)一體化[3]。

3 境外鐵路項目智能化方案

結(jié)合國內(nèi)鐵路智能化建設(shè)經(jīng)驗和境外鐵路項目特點，針對境外鐵路在建造、安全監(jiān)測和運維管理3個方面的要求，構(gòu)建依托數(shù)據(jù)中心、涵蓋建造智能化、裝備智能化、運維智能化的境外鐵路項目智能化方案[4-5]，涉及數(shù)字化協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化施工、鐵路建設(shè)信息管理、通信信號、檢測監(jiān)測、養(yǎng)護(hù)維修、運輸組織、智能管理、客運服務(wù)等主要內(nèi)容，如圖1所示。

3.1 建造智能化

圖1 境外鐵路智能化方案構(gòu)成

建造智能化著眼于境外鐵路項目從設(shè)計到施工交付的全過程的可視化、智能化管理與建造，涵蓋數(shù)字化協(xié)同設(shè)計、數(shù)字化施工和鐵路建設(shè)信息管理3個方面[6]，主要包括11項智能化應(yīng)用和服務(wù)，如圖2所示。

圖2 境外鐵路項目建造智能化

3.1.1 數(shù)字化協(xié)同設(shè)計

基于統(tǒng)一數(shù)字化平臺，通過鐵路工程BIM協(xié)同設(shè)計，在嚴(yán)格遵循工程設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，提高設(shè)計圖紙和文件質(zhì)量，減少工程設(shè)計差錯，為建設(shè)階段的數(shù)字化施工和信息化管理以及運營階段的智能化運維提供標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1.2 數(shù)字化施工

基于高帶寬的移動數(shù)據(jù)傳輸手段，并利用BIM和GIS等技術(shù)，實現(xiàn)基于現(xiàn)場及設(shè)備的3D模型可視化施工方案設(shè)計、施工管理和施工問題回溯，利用諸如橋梁預(yù)制和樁基施工信息管理、梁場全過程質(zhì)量管控等自動化技術(shù)，實現(xiàn)鐵路施工過程可視化和數(shù)字化。

3.1.3 鐵路建設(shè)信息管理

基于航測遙感技術(shù)、3D建模技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、3D GIS數(shù)據(jù)集成等技術(shù)，實現(xiàn)工程進(jìn)度、投資、質(zhì)量、安全等信息融合，在3D GIS平臺中實現(xiàn)技術(shù)交底、虛擬施工、施工進(jìn)度等管理與展示，提高鐵路工程建設(shè)管理的信息化水平。

3.2 鐵路裝備智能化

依托大數(shù)據(jù)分析、北斗定位等技術(shù)，利用各類能智能化和信息化監(jiān)測檢測設(shè)備來保證鐵路沿線的運營安全[7]，主要包括基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測監(jiān)測、列車運行控制、智能牽引供電、智能通信監(jiān)測、能源管理、綜合檢測與監(jiān)測6類鐵路裝備，涉及19項智能化措施和服務(wù)，如圖3所示。

圖3 鐵路裝備智能化

3.2.1 列車運行控制系統(tǒng)

根據(jù)列車的運行條件和線路實際情況，對列車運行速度和制動方式等進(jìn)行監(jiān)督、控制和調(diào)整，實現(xiàn)列車自動防護(hù)功能，包括防止列車沒有行車許可運行，防止列車超速運行，防止列車溜逸，以及防滑、防空轉(zhuǎn)功能。

3.2.2 智能牽引供電系統(tǒng)

通過接觸網(wǎng)簡化、接觸網(wǎng)6C系統(tǒng)和智能變電所等手段，采用一體化構(gòu)型、力學(xué)監(jiān)測、非接觸式探測、新型通信和信息化采樣等技術(shù)，實現(xiàn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)主體設(shè)計和施工流程的簡化、接觸網(wǎng)張力、振動等關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)控，以及牽引系統(tǒng)所亭的智能化監(jiān)測和信息的實時共享。

3.2.3 智能通信監(jiān)測系統(tǒng)

主要包含鐵塔監(jiān)測、漏纜監(jiān)測、光纜監(jiān)測、電源環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控和綜合網(wǎng)絡(luò)管理等，通過設(shè)備在線監(jiān)測、在線故障定位及5G傳輸?shù)燃夹g(shù)，實現(xiàn)各種檢測數(shù)據(jù)的快速收集、反饋及響應(yīng)，提升對鐵路沿線通信設(shè)備的智能化監(jiān)測。

3.2.4 基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)監(jiān)測設(shè)備

基于多類型傳感器探測技術(shù)，通過測量機器人、北斗系統(tǒng)、高精度位移計等手段對軌道、輪軌力、接觸網(wǎng)、通信、信號等基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行動態(tài)檢測，能夠?qū)崟r檢測、精確定位，提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測效率，指導(dǎo)現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)維修，確保列車運營安全。

3.2.5 能源管理

利用智能電力抄表及能耗監(jiān)控等手段，實現(xiàn)對水、電、熱、氣等能耗狀況的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)長期保存及趨勢分析，通過大數(shù)據(jù)運算分析，提供異常能耗報告和改進(jìn)建議；可對機電設(shè)備自動節(jié)能控制的動作條件建模分析，使其實現(xiàn)智能控制；提供能耗匯總和趨勢分析報告，支持節(jié)能管理部門改進(jìn)管理。

3.2.6 綜合檢測與監(jiān)測

基于航空、無人機等多源數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，通過衛(wèi)星、無人機、現(xiàn)場氣象監(jiān)測設(shè)備、地震監(jiān)測設(shè)備、異物及周界監(jiān)測設(shè)備等多種監(jiān)測方式，實現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)、沿線環(huán)境和各類自然災(zāi)害的實時監(jiān)測與檢測，確保鐵路運營安全。

3.3 運維智能化

依托北斗定位、5G傳輸、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對多專業(yè)運維工作進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各鐵路項目的集成化運維，主要包括智能運營調(diào)度、設(shè)備設(shè)施運維一體化、智能車站、智能票務(wù)，如圖4所示。

圖4 運維智能化

3.3.1 智能運營調(diào)度

設(shè)置CTC、供電調(diào)度（PSCADA）和運輸調(diào)度管理系統(tǒng)（TDMS）等[8]，具備計劃編制、運行管理、車輛管理、供電管理、客運調(diào)度等功能，實現(xiàn)調(diào)度統(tǒng)一指揮，實現(xiàn)運力資源的高效利用。

3.3.2 設(shè)備設(shè)施運維一體化

設(shè)置維修管理信息系統(tǒng)，集中存儲鐵路設(shè)備設(shè)施運維相關(guān)信息，實現(xiàn)運維信息共享，對鐵路設(shè)備設(shè)施及其檢查、維修作業(yè)進(jìn)行一體化管理[9-10]，為經(jīng)濟、有效的設(shè)備設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐，保障鐵路安全、穩(wěn)定、高效運行。

3.3.3 智能車站

設(shè)置旅客服務(wù)、客運管理、客設(shè)管理、應(yīng)急指揮等應(yīng)用系統(tǒng)，采用二級應(yīng)用部署架構(gòu)；中心級部署中心級智能車站中心大腦，提供全路車站運營信息查詢、狀態(tài)展示及輔助決策等功能，并從多維度形成分析報告，支撐車站的智能化應(yīng)用；供所轄車站的運營信息查詢、狀態(tài)展示及輔助決策等功能。

在車站配置必要的接口和邊緣計算服務(wù)器，提供作業(yè)—人員—設(shè)備一體化協(xié)同的客運管理、調(diào)度指揮、生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備運維功能，對旅客服務(wù)設(shè)備提供后臺數(shù)據(jù)和服務(wù)支撐。

3.3.4 智能票務(wù)

智能票務(wù)系統(tǒng)可通過互聯(lián)網(wǎng)、電子支付及非接觸式身份識別等手段，鐵路旅客提供智能化、電子化、網(wǎng)絡(luò)化的購票、檢票。

智能票務(wù)系統(tǒng)一般采用中心級和車站級二級架構(gòu)。中心級部署核心業(yè)務(wù)中央系統(tǒng)和前端業(yè)務(wù)系統(tǒng)，主要完成業(yè)務(wù)組織與維護(hù)、席位統(tǒng)籌管理、統(tǒng)計分析、系統(tǒng)監(jiān)控等功能，完成各種業(yè)務(wù)功能的后臺處理；車站僅設(shè)置業(yè)務(wù)終端，完成售票、退票、補票、檢票等相關(guān)業(yè)務(wù)的辦理及財務(wù)結(jié)賬等功能。

4 系統(tǒng)架構(gòu)

4.1 總體架構(gòu)

綜合考慮境外鐵路項目對建設(shè)過程可視化管理、鐵路運營安全檢測監(jiān)測和集成化運維的需求，按照分層設(shè)計的思想，提出如圖5所示的適用于境外鐵路的智能化系統(tǒng)總體架構(gòu)，包括感知層、基礎(chǔ)平臺層、數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用層。

（1）感知層：主要為建造智能化、裝備智能化、運營智能化的整體過程提供各類數(shù)據(jù)探測服務(wù)；通過各類傳感設(shè)備采集地震監(jiān)測數(shù)據(jù)、風(fēng)雨及異物侵限監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測數(shù)據(jù)、電務(wù)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)等，將這些數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。

（2）基礎(chǔ)平臺層：包括基礎(chǔ)設(shè)施云平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺和AI平臺，統(tǒng)一為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供大數(shù)據(jù)、地理信息、主數(shù)據(jù)、AI算法及基礎(chǔ)設(shè)施云服務(wù)等，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供數(shù)據(jù)及管理平臺服務(wù)。

圖5 境外鐵路項目智能化系統(tǒng)架構(gòu)

（3）數(shù)據(jù)資源層：面向工程建造、移動裝備、基礎(chǔ)設(shè)施運維、運營服務(wù)等業(yè)務(wù)領(lǐng)域，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供各類數(shù)據(jù)的匯總、清洗及分析服務(wù)。

（4）應(yīng)用層：為各類建造、管理、運維人員提供建造智能化、裝備智能化、運營智能化的實際應(yīng)用，主要包括BIM設(shè)計交付、動車組管理信息系統(tǒng)、綜合檢測監(jiān)測系統(tǒng)、智能票務(wù)系統(tǒng)、智能車站系統(tǒng)、運輸調(diào)度系統(tǒng)、工電供運維一體化系統(tǒng)等應(yīng)用。

4.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

境外鐵路智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)主要包括工程建設(shè)數(shù)據(jù)、移動裝備數(shù)據(jù)和運輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)3個方面，采用各種數(shù)據(jù)分析方法，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供數(shù)據(jù)支持。

為充分發(fā)揮大數(shù)據(jù)、云平臺和人工智能等技術(shù)的優(yōu)勢，建設(shè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，集中存儲數(shù)據(jù)；按照數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)模型，對上傳至數(shù)據(jù)中心的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和融合。數(shù)據(jù)中心對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化分類存儲，利用數(shù)據(jù)倉庫軟件對不同類型數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

大數(shù)據(jù)云平臺將利用深度學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，通過數(shù)據(jù)分析，獲取旅客行為、維修養(yǎng)護(hù)、工程建造等方面的潛在問題，為鐵路運營管理人員提供有針對性的定制化服務(wù)，如圖6所示。

4.3 數(shù)據(jù)中心設(shè)計框架

圖6 境外鐵路項目智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一部署提供共用資源，將傳統(tǒng)架構(gòu)下中心級、車站級資源云化，使系統(tǒng)層級扁平化，簡化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理流程，實現(xiàn)資源有效利用，支持系統(tǒng)運維集中化管理。

利用服務(wù)器虛擬化、存儲虛擬化和云計算管理等技術(shù)，構(gòu)建易于管理、動態(tài)高效、靈活擴展、穩(wěn)定可靠、按需使用的云計算模式的數(shù)據(jù)中心，滿足資源虛擬化、彈性計算、高等級安全、跨地理位置分布、數(shù)據(jù)一致性等要求，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)智能聯(lián)動、大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺支撐。

數(shù)據(jù)中心在基于云計算平臺架構(gòu)開展設(shè)計，分為IaaS層、PaaS層和SaaS層：

（1）IaaS層提供基礎(chǔ)資源保障，包括計算資源、存儲資源與網(wǎng)絡(luò)資源，提供虛擬化管理平臺，對虛擬化資源池集中化統(tǒng)一管理；

（2）PaaS層實現(xiàn)資源動態(tài)調(diào)配、微服務(wù)開發(fā)框架，部署關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、中間件，融合大數(shù)據(jù)平臺、AI服務(wù)平臺、時空信息服務(wù)平臺等，為云平臺體系架構(gòu)提供靈活的資源調(diào)度；

（3）SaaS層為鐵路系統(tǒng)及外部互聯(lián)單位提供軟件訂閱以及其它增值服務(wù)，方便鐵路相關(guān)各方進(jìn)行日常的運營管理及維護(hù)。

5 結(jié)束語

概述國內(nèi)鐵路智能化現(xiàn)狀，分析境外鐵路項目的境外鐵路建設(shè)與運營維護(hù)管理的要求和特點，提出涵蓋建造智能化、裝備智能化、運營智能化的境外鐵路項目智能化系統(tǒng)方案，在規(guī)劃層面突破以往分子系統(tǒng)獨立設(shè)計的限制，設(shè)置數(shù)據(jù)中心，為各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)的統(tǒng)一部署提供共用資源，將傳統(tǒng)架構(gòu)下中心級、車站級資源云化，使系統(tǒng)層級扁平化，簡化數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理流程，實現(xiàn)資源有效利用，支持系統(tǒng)運維集中化管理，可為境外鐵路項目的建設(shè)和運維提供參考。