面向京張高鐵的智能化服務(wù)總體應(yīng)用框架設(shè)計(jì)

劉 軍，馬小寧，李 平，閻志遠(yuǎn)，李國(guó)華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)（簡(jiǎn)稱：冬奧會(huì)）是推動(dòng)我國(guó)奧林匹克運(yùn)動(dòng)深入發(fā)展、展示中國(guó)高速鐵路綜合水平[1-3]的重要機(jī)遇。北京—張家口高速鐵路（簡(jiǎn)稱：京張高鐵）是目前我國(guó)數(shù)字化、信息化、智能化水平最高的鐵路[4-6]，也是北京冬奧會(huì)的重要交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，將為北京、延慶、張家口3地賽區(qū)提供一流的高品質(zhì)、高安全性、高科技含量的冬奧會(huì)交通服務(wù)。為順利召開北京冬奧會(huì)、打造中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)示范線、彰顯中國(guó)文化和推進(jìn)鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用建設(shè)[7-8]，由中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司牽頭，組織多家單位開展了“京張高鐵智能化服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)與示范”項(xiàng)目的研究。

針對(duì)多國(guó)政要、運(yùn)動(dòng)員、媒體、觀眾在冬奧會(huì)期間的出行需求，面對(duì)乘客需求多元、語言體系多樣、安全要素復(fù)雜等條件下的京張高鐵智能化服務(wù)相關(guān)問題，本文介紹該項(xiàng)目的研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容，闡述項(xiàng)目的體系架構(gòu)，從數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層等方面，聯(lián)合攻關(guān)面向冬奧會(huì)的京張高鐵智能票務(wù)、智能站車旅服、復(fù)興號(hào)奧運(yùn)智能動(dòng)車組、隧道與地下車站智能分析和控制、運(yùn)營(yíng)安全保障等關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提升京張高鐵智能化水平、保障京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全具有重要意義。

1 研究目標(biāo)和研究?jī)?nèi)容

1.1 研究目標(biāo)

圍繞北京冬奧會(huì)國(guó)際化、多元化、定制化出行需求和特點(diǎn)，研究京張高鐵智能化服務(wù)系列關(guān)鍵技術(shù)問題，研發(fā)面向冬奧會(huì)的多語言售票軟件系統(tǒng)、基于5G技術(shù)的列車多媒體冬奧會(huì)信息服務(wù)系統(tǒng)、融合冬奧會(huì)特色的車站智能服務(wù)系統(tǒng)，提出動(dòng)車組冬奧會(huì)定制化、智能化提升方案，研制確保冬奧會(huì)出行安全、集成多專業(yè)數(shù)據(jù)集的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開發(fā)基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺(tái)，設(shè)計(jì)蘊(yùn)含冬奧會(huì)主題與中國(guó)文化的標(biāo)志識(shí)別元素，為北京冬奧會(huì)智能出行、智慧觀賽等提供一流的高鐵運(yùn)輸保障。

1.2 研究?jī)?nèi)容

1.2.1 面向冬奧會(huì)的京張高鐵智能票務(wù)關(guān)鍵技術(shù)

圍繞跨區(qū)域冬奧會(huì)場(chǎng)景下的京張高鐵多模態(tài)票務(wù)服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)問題，研究基于京張高鐵冬奧會(huì)出行鏈識(shí)別的票制和服務(wù)協(xié)同技術(shù)，構(gòu)建京張高鐵冬奧會(huì)國(guó)際化售票服務(wù)保障技術(shù)體系，攻克京張高鐵多元票制驗(yàn)/檢票服務(wù)和雙語智能票務(wù)技術(shù)，研制中英文自動(dòng)售票機(jī)和多語言售票應(yīng)用軟件（App）原型系統(tǒng)，開展智能票務(wù)應(yīng)用示范。

1.2.2 面向冬奧會(huì)的京張高鐵智能站車旅服技術(shù)

圍繞面向冬奧會(huì)的站車一體化協(xié)同旅客服務(wù)（簡(jiǎn)稱：旅服）關(guān)鍵技術(shù)問題，搭建全面融合應(yīng)用5G技術(shù)的京張高鐵旅服信息支撐平臺(tái)，構(gòu)建基于5G技術(shù)的列車多媒體冬奧會(huì)信息服務(wù)系統(tǒng)，研究京張高鐵旅客全行程智慧信息服務(wù)技術(shù)，提出站車應(yīng)急處置方案自動(dòng)生成模型與任務(wù)下發(fā)機(jī)制，攻克高鐵人員異常行為感知與預(yù)警技術(shù)，研發(fā)站臺(tái)門中央控制系統(tǒng)，開展智能站車旅服應(yīng)用示范。

1.2.3 復(fù)興號(hào)奧運(yùn)智能動(dòng)車組改造關(guān)鍵技術(shù)

圍繞面向冬奧會(huì)需求的復(fù)雜困難線路工況下動(dòng)車組安全運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)問題，研究動(dòng)車組車載旅服系統(tǒng)裝車改造、車體輕量化設(shè)計(jì)、司機(jī)登車門布置和冬奧會(huì)服務(wù)設(shè)施優(yōu)化等技術(shù)，開展高寒防冰雪及低阻力耦合技術(shù)、長(zhǎng)大坡道困難工況下運(yùn)行技術(shù)的研究，滿足在困難工況下可靠啟動(dòng)及安全停放的要求，開展京張奧運(yùn)智能動(dòng)車組應(yīng)用示范。

1.2.4 基于時(shí)空大數(shù)據(jù)分析的京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全保障關(guān)鍵技術(shù)

圍繞復(fù)雜環(huán)境的高鐵運(yùn)營(yíng)安全影響因素識(shí)別和分析關(guān)鍵技術(shù)問題，開展高鐵運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警基礎(chǔ)理論研究，揭示復(fù)雜時(shí)空多因素耦合條件下“站—車—線”安全協(xié)同的機(jī)理，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全保障體系，研究基于深度學(xué)習(xí)的周界入侵、外部環(huán)境安全分析、軌道—接觸網(wǎng)的安全關(guān)聯(lián)分析、運(yùn)營(yíng)安全綜合預(yù)警、全要素時(shí)空可視化等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)京張高鐵安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)，開展京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用示范。

1.2.5 面向全生命周期的京張高鐵隧道與地下車站智能展示和控制技術(shù)

圍繞京張高鐵深埋站隧復(fù)雜空間虛擬交互導(dǎo)引和融合展示這一關(guān)鍵技術(shù)問題，研究基于BIM的全生命周期京張高鐵數(shù)字資產(chǎn)構(gòu)建技術(shù)；攻克冬奧會(huì)設(shè)施設(shè)備平賽感知協(xié)調(diào)、地下空間疏散模擬及虛擬交互導(dǎo)引技術(shù)；構(gòu)建面向冬奧會(huì)觀賽不同應(yīng)用場(chǎng)景下的模型流式傳輸、批量加載與顯示優(yōu)化框架，研究基于3D GIS、BIM與虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（VR/AR/MR）的多源數(shù)據(jù)、多技術(shù)、多終端融合展示技術(shù)；研發(fā)基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺(tái)，開展京張高鐵隧道與地下車站控制應(yīng)用示范。

1.2.6 面向冬奧會(huì)的京張高鐵配套視覺全方案設(shè)計(jì)技術(shù)

圍繞冬奧會(huì)主題生成的京張高鐵視覺傳達(dá)與展示設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)人文冬奧與中國(guó)文化展示需求，建立檢索與應(yīng)用展示，融合展示京張高鐵文化、中國(guó)文化、科技成就；研究設(shè)計(jì)美學(xué)與京張高鐵文化的對(duì)應(yīng)機(jī)制，結(jié)合冬奧會(huì)特征建設(shè)京張高鐵專屬標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)和京張高鐵導(dǎo)視符號(hào)系統(tǒng)；提出契合冬奧會(huì)整體視覺形象設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的京張高鐵車站空間、列車涂裝與列車空間整體創(chuàng)意設(shè)計(jì)技術(shù)方案，開展京張高鐵視覺應(yīng)用示范。

2 總體架構(gòu)

京張高鐵智能化服務(wù)是一個(gè)復(fù)雜、綜合的系統(tǒng)工程，主要涉及智能票務(wù)、智能旅服、智能動(dòng)車組、智能安全、智能BIM和人文冬奧等，京張高鐵智能化服務(wù)總體應(yīng)用框架主要包括數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。如圖1所示。

圖1 京張高鐵智能化服務(wù)總體架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)層

京張高鐵智能化服務(wù)數(shù)據(jù)包括12306互聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：12306）購(gòu)票數(shù)據(jù)、站車旅服數(shù)據(jù)、動(dòng)車組基本信息和運(yùn)維數(shù)據(jù)、鐵路沿線安全數(shù)據(jù)、車站和隧道BIM及控制信息、京張文化元素等。

2.2 平臺(tái)層

提供數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)可視化等一站式數(shù)據(jù)管控平臺(tái)，通過匯集和融合京張高鐵票務(wù)、旅服、動(dòng)車、安全、BIM等數(shù)據(jù)，形成票務(wù)主題域、旅服主題域、動(dòng)車主題域、安全主題域、BIM主題域、綜合主題域，以支撐智能化服務(wù)的不同應(yīng)用。

2.3 應(yīng)用層

2.3.1 智能票務(wù)

主要包括基于京張高鐵冬奧會(huì)全行程出行鏈識(shí)別的票制協(xié)同研究、雙語場(chǎng)景下的京張高鐵購(gòu)票體驗(yàn)與交互協(xié)作優(yōu)化研究、京張高鐵全時(shí)區(qū)國(guó)際化售票需求與服務(wù)能力匹配研究、面向冬奧會(huì)的京張高鐵票務(wù)運(yùn)營(yíng)保障技術(shù)研究、基于冬奧會(huì)旅客出行服務(wù)數(shù)據(jù)模型的售票隱私保護(hù)技術(shù)研究、基于深度學(xué)習(xí)的冬奧會(huì)旅客驗(yàn)/檢票人像識(shí)別技術(shù)研究、基于深度學(xué)習(xí)的多語言智能票務(wù)客服技術(shù)研究和面向冬奧會(huì)的京張高鐵智能票務(wù)應(yīng)用示范。

2.3.2 智能旅服

主要包括智能站車旅服環(huán)境演化與生產(chǎn)要素協(xié)同機(jī)理、面向冬奧會(huì)的客運(yùn)集中管控平臺(tái)適配提升、面向冬奧會(huì)的站車一體化旅服系統(tǒng)、京張高鐵旅客全行程智慧信息服務(wù)技術(shù)、京張高鐵人員異常行為感知與預(yù)警技術(shù)、京張高鐵站車應(yīng)急處置智能決策與協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以及站臺(tái)門智能協(xié)同聯(lián)動(dòng)與自適應(yīng)控制技術(shù)。

2.3.3 智能動(dòng)車組

主要包括動(dòng)車組頂層指標(biāo)及整車試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)、冬奧會(huì)定制化服務(wù)設(shè)施及輕量化技術(shù)、高寒防冰雪及低阻力技術(shù)、長(zhǎng)大坡道困難工況下運(yùn)行技術(shù)、長(zhǎng)大坡道困難工況下制動(dòng)技術(shù)、基于故障預(yù)測(cè)與健康管理的智能運(yùn)維技術(shù)。

2.3.4 智能安全

主要包括京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警理論、基于深度學(xué)習(xí)的京張高鐵周界入侵圖像智能分析技術(shù)、基于深度學(xué)習(xí)的京張高鐵外部環(huán)境遙感影像智能分析技術(shù)、基于動(dòng)態(tài)時(shí)空檢測(cè)數(shù)據(jù)的軌道—接觸網(wǎng)安全狀態(tài)智能診斷技術(shù)、基于設(shè)備—人員畫像技術(shù)的“人—車—物—環(huán)—管”多因素安全綜合預(yù)警分析技術(shù)、京張高鐵全域運(yùn)營(yíng)安全要素時(shí)空模態(tài)表達(dá)與安全態(tài)勢(shì)關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，以及京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、共享和分析技術(shù)及應(yīng)用示范。

2.3.5 智能BIM

主要包括面向全生命周期的高鐵站隧信息模型一致性表達(dá)與構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)研究、面向冬奧會(huì)的站內(nèi)流動(dòng)性設(shè)施設(shè)備空間位置感知識(shí)別和動(dòng)態(tài)融合關(guān)鍵技術(shù)研究、大型復(fù)雜地下車站多元?jiǎng)討B(tài)人群疏散模擬演練關(guān)鍵技術(shù)研究、隧道及地下車站復(fù)雜空間虛擬交互導(dǎo)引關(guān)鍵技術(shù)研究、基于BIM+GIS+VR/AR/MR的智能展示關(guān)鍵技術(shù)研究、基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺(tái)研發(fā)及應(yīng)用示范。

2.3.6 人文冬奧

主要包括基于中國(guó)文化內(nèi)涵的京張高鐵文化數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)鍵技術(shù)、京張高鐵視覺識(shí)別系統(tǒng)和導(dǎo)視系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、京張高鐵車站空間與車廂空間視覺設(shè)計(jì)技術(shù)、京張高鐵視覺展示示范。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 智能票務(wù)方面

提出適應(yīng)冬奧會(huì)場(chǎng)景的多元票制，建立京張高鐵冬奧會(huì)旅客票務(wù)模型，攻克雙語場(chǎng)景下的京張高鐵購(gòu)票體驗(yàn)與交互協(xié)作優(yōu)化、全時(shí)區(qū)國(guó)際化售票需求與服務(wù)能力匹配系列技術(shù)，解決基于深度學(xué)習(xí)的冬奧會(huì)旅客驗(yàn)/檢票人像識(shí)別和雙語智能票務(wù)客服等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域賽事人群多元出行需求與高鐵多模態(tài)票務(wù)協(xié)同，提升票務(wù)國(guó)際化和智能化水平。

3.2 智能旅服方面

揭示面向冬奧會(huì)的旅客站車服務(wù)環(huán)境演化和生產(chǎn)要素協(xié)同機(jī)理，研究基于5G技術(shù)的列車多媒體服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建旅服與生產(chǎn)管控體系架構(gòu)，攻克人群異常行為智能識(shí)別技術(shù)，創(chuàng)建站車應(yīng)急處置方案自動(dòng)生成模型，實(shí)現(xiàn)京張高鐵車站運(yùn)營(yíng)環(huán)境中生產(chǎn)要素隨時(shí)間和空間變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)推演，從而更好地保障旅客出行安全，提高旅客出行質(zhì)量。

3.3 智能動(dòng)車組方面

構(gòu)建動(dòng)車組奧運(yùn)服務(wù)定制化設(shè)施與困難線路適應(yīng)性的頂層技術(shù)架構(gòu)，攻克困難復(fù)雜多變線路條件下的冰雪與阻力耦合設(shè)計(jì)優(yōu)化、多輸入條件運(yùn)行模擬評(píng)估及健康管理等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冬奧會(huì)動(dòng)車組服務(wù)、運(yùn)行、測(cè)試、維保等一體化的定制優(yōu)化，解決京張高鐵沿線特定運(yùn)行工況下的定制化服務(wù)和運(yùn)行安全評(píng)估問題。

3.4 智能運(yùn)營(yíng)安全方面

針對(duì)京張高鐵“安全要求高、安全因素多”復(fù)雜運(yùn)營(yíng)環(huán)境，研究復(fù)雜時(shí)空多因素耦合條件下“站—車—線”安全協(xié)同的機(jī)理，構(gòu)建京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全保障技術(shù)體系，攻克基于多源信息融合的京張高鐵周界入侵、外部環(huán)境安全遙感影像等識(shí)別技術(shù)，以及軌道—接觸網(wǎng)安全狀態(tài)智能診斷技術(shù)和“人—車—物—環(huán)—管”安全綜合分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全數(shù)據(jù)匯集、跨專業(yè)安全大數(shù)據(jù)分析和精準(zhǔn)安全管控，保障冬奧會(huì)期間京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全。

3.5 智能BIM方面

提出基于BIM的全生命周期京張高鐵信息模型一致性表達(dá)與數(shù)字資產(chǎn)構(gòu)建技術(shù)體系，攻克基于機(jī)器視覺冬奧會(huì)設(shè)施設(shè)備平賽感知協(xié)調(diào)、地下空間疏散模擬及虛用擬交互導(dǎo)引技術(shù)，以及應(yīng)用BIM、GIS、VR/AR/MR的多主題融合展示技術(shù)，豐富冬奧會(huì)旅客虛擬交互體驗(yàn)。

3.6 冬奧文化展示方面

探索設(shè)計(jì)美學(xué)與高鐵文化、冬奧會(huì)文化、地方文化的融合機(jī)理，建立蘊(yùn)涵京張高鐵文化和冬奧會(huì)特色的多層級(jí)文化元素設(shè)計(jì)庫(kù)。構(gòu)建面向冬奧會(huì)的京張高鐵配套視覺設(shè)計(jì)體系，提出便于旅客和工作人員尋路的流線導(dǎo)視符號(hào)系統(tǒng)，制定面向冬奧會(huì)的京張高鐵專屬標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)，提出融合冬奧會(huì)元素及京張文化的高鐵車站、車廂空間及不同使用場(chǎng)景的視覺設(shè)計(jì)方案。

4 成果應(yīng)用

京張高鐵智能化服務(wù)項(xiàng)目的一系列成果可為冬奧會(huì)旅客提供便捷、舒適、安全的京張高鐵智能出行服務(wù)，在關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)平臺(tái)及應(yīng)用示范等方面形成了一批高水平、標(biāo)志性成果。將開展智能票務(wù)、智能旅服、智能動(dòng)車組、智能安全、智能BIM和人文冬奧等方面的應(yīng)用示范，不僅為北京冬奧會(huì)智能出行、智慧觀賽等提供一流的高鐵交通保障，還可促進(jìn)冬奧會(huì)交通產(chǎn)業(yè)向科技引領(lǐng)、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和綠色節(jié)能方向發(fā)展，為鐵路運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展提供持久動(dòng)力。

該項(xiàng)目將開展我國(guó)高鐵智能化服務(wù)示范，為新一輪高鐵產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)提供技術(shù)動(dòng)力，提升中國(guó)高鐵海外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。同時(shí)，也將滿足北京冬奧會(huì)國(guó)際化出行需求，支撐京張高鐵全方位運(yùn)營(yíng)安全，提升公眾的高鐵出行、奧運(yùn)文化體驗(yàn)，全方位展示中國(guó)高鐵建造、裝備、運(yùn)營(yíng)智能化水平和科技成就，進(jìn)一步提高中國(guó)高鐵在全球的品牌地位，助力“一帶一路”倡議的實(shí)施。

5 結(jié)束語

本文介紹了京張高鐵智能化服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)及示范項(xiàng)目的研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容和總體架構(gòu)，分析了面向冬奧會(huì)的京張高鐵智能票務(wù)關(guān)鍵技術(shù)、京張高鐵智能站車旅服技術(shù)、復(fù)興號(hào)奧運(yùn)智能動(dòng)車組改造關(guān)鍵技術(shù)、面向全生命周期的京張高鐵隧道與地下車站智能展示和控制技術(shù)、基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的京張高鐵運(yùn)營(yíng)安全大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)、基于冬奧會(huì)主題生成的京張高鐵視覺傳達(dá)與展示設(shè)計(jì)技術(shù)，提練了面向智能出行、運(yùn)營(yíng)安全、人文冬奧等方面的創(chuàng)新點(diǎn)。

京張高鐵智能化服務(wù)有利于支撐北京冬奧會(huì)順利召開、提升客運(yùn)服務(wù)水平、保障鐵路運(yùn)輸安全、彰顯中國(guó)文化。京張高鐵智能化建設(shè)工程獲得了大批原創(chuàng)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科技成果，已成為中國(guó)鐵路信息化建設(shè)的標(biāo)桿工程。