下一代鐵路信息系統(tǒng)發(fā)展方向思考

朱濤，張伯駒，靳磊

（中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100844）

“十四五”時期以來，《交通強國建設(shè)綱要》《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展“十四五”規(guī)劃綱要》《數(shù)字交通“十四五”發(fā)展規(guī)劃》，以及中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》《“十四五”鐵路發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”鐵路網(wǎng)絡(luò)安全和信息化規(guī)劃》等陸續(xù)發(fā)布，為中國鐵路把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機，以信息化、智能化為杠桿培育新動能，提供了戰(zhàn)略指引，指明了前進方向。值此機遇與挑戰(zhàn)，分析信息系統(tǒng)發(fā)展代際及其特征，科學(xué)認(rèn)識我國鐵路信息系統(tǒng)當(dāng)前所處代際，研究下一代鐵路信息系統(tǒng)發(fā)展方向，對貫徹落實國家和國鐵集團信息化戰(zhàn)略要求與工作部署尤為重要。

1 信息系統(tǒng)發(fā)展代際及其特征

1.1 信息系統(tǒng)簡介

信息系統(tǒng)由計算機軟/硬件、網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備、信息資源、信息用戶及規(guī)章制度等組成，是以處理信息流為目的的人機一體化系統(tǒng)[1]。從概念上講，信息系統(tǒng)在計算機問世之前就已經(jīng)存在，區(qū)別于其他系統(tǒng)，信息系統(tǒng)并不從事某一具體的實物性工作，而是面向關(guān)系全局或領(lǐng)域的運轉(zhuǎn)運行、組織協(xié)調(diào)和管理決策。隨著科學(xué)管理、數(shù)學(xué)、計算機、通信等理論、方法和技術(shù)的相互滲透與交融，信息系統(tǒng)在近半個世紀(jì)中得到迅猛發(fā)展，有力促進了企業(yè)用戶的過程改進、效率提高和效益提升。

1.2 信息系統(tǒng)代際劃分方式

信息系統(tǒng)有多種代際劃分方式。按照集成程度，信息系統(tǒng)經(jīng)歷了簡單的數(shù)據(jù)處理、孤立的業(yè)務(wù)管理、集成的智能化管理3 個發(fā)展階段；按照部署方式，信息系統(tǒng)逐步由大型機時代、個人計算機時代、集群時代過渡到云計算時代；按照架構(gòu)模式，信息系統(tǒng)從單機架構(gòu)、分布式架構(gòu)演進到微服務(wù)架構(gòu)和低代碼模式；按照智能化水平，信息系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)向人工智能、虛擬現(xiàn)實與數(shù)字孿生等方向發(fā)展[2]。

以上代際劃分方式的主要依據(jù)是信息系統(tǒng)自身的幾種不同技術(shù)維度。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，信息系統(tǒng)就像人類的神經(jīng)系統(tǒng)一樣，全面滲透到各個角落，深入到各個層面，將大千世界、萬事萬物更加緊密、有機地聯(lián)系起來[3-4]，與人們的工作生活融為一體。網(wǎng)絡(luò)連接性作為信息系統(tǒng)的重要特征之一，不僅反映了多源異構(gòu)技術(shù)的銜接方式與運用模式，也反映了整體與局部、組織與個體間的協(xié)同方式與融合深度。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)化程度對信息系統(tǒng)劃分代際，能夠更清晰地反映信息系統(tǒng)的發(fā)展歷程。基于網(wǎng)絡(luò)化程度的信息系統(tǒng)代際劃分方式如圖1 所示。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)化程度的信息系統(tǒng)代際劃分方式

1.3 信息系統(tǒng)代際主要特征

基于網(wǎng)絡(luò)化程度的信息系統(tǒng)代際主要特征如下：

（1）第1 代信息系統(tǒng)處于信息技術(shù)誕生之初，采用單一功能的單主機直接連接結(jié)構(gòu)，可以解決簡單重復(fù)問題；

（2）第2 代信息系統(tǒng)對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，多個單主機信息系統(tǒng)可通過局域網(wǎng)互聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)內(nèi)部互聯(lián)互通，具備簡單分工協(xié)作能力；

（3）第3 代信息系統(tǒng)利用廣域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，形成以平臺層為中心的層次化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，信息系統(tǒng)以樹形結(jié)構(gòu)互聯(lián)，能夠處理專業(yè)內(nèi)或信息系統(tǒng)間一定范圍內(nèi)的復(fù)雜問題；

（4）第4 代信息系統(tǒng)采用以網(wǎng)絡(luò)為中心的扁平化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，橫向可實現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的連接與交互，縱向可貫通領(lǐng)域內(nèi)各層級直達關(guān)注點，消滅了信息孤島與信息系統(tǒng)壁壘，并直接引發(fā)了數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長。

在云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的推動下，部分行業(yè)、企業(yè)的信息系統(tǒng)已整體具備第4 代信息系統(tǒng)的基本特征，數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化能力得到極大增強。目前，人們正在融合運用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和邊緣計算等技術(shù)，積極探索下一代暨第5 代信息系統(tǒng)的發(fā)展方向和演進路徑。

2 第5 代信息系統(tǒng)

近年來，從面向感知到類人模擬，人工智能技術(shù)取得突破性進展，眾多企業(yè)紛紛啟動行業(yè)或企業(yè)的“云腦平臺”或“智慧大腦”等類腦智能體建設(shè)。文獻[5—8]在系統(tǒng)研究神經(jīng)科學(xué)、人工智能與互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)在聯(lián)系與作用機理的基礎(chǔ)上，描繪了互聯(lián)網(wǎng)大腦模型，提出了城市大腦定義。文獻[9—10]介紹了軍事指揮系統(tǒng)云腦平臺建設(shè)思路。第5 代信息系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)云腦概念模型高度相似，是基于先進互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的類腦智能系統(tǒng)，將實現(xiàn)7 個特征演進。

2.1 云端結(jié)構(gòu)向泛在互聯(lián)演進

拓展既有云端資源，縱向延伸至基層、基礎(chǔ)、終端、邊緣，實現(xiàn)云邊端一體化，橫向融合中心云、分布云、移動云、邊緣微云和公有云，突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊界限制，實現(xiàn)泛在互聯(lián)，提升資源協(xié)同共享與信息互聯(lián)互通能力。

2.2 數(shù)據(jù)處理向認(rèn)知能力演進

融合精煉大量、冗余和繁雜的數(shù)據(jù)，面向企業(yè)用戶、過程、任務(wù)和人員特點與偏好，提供態(tài)勢分析、判別建議、執(zhí)行步驟等知識，減輕處理海量數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，提高有價信息的精準(zhǔn)度與時效性。

2.3 計算能力向普適計算演進

基于泛在互聯(lián)，數(shù)字化設(shè)備、便攜式終端、移動裝備和邊緣計算節(jié)點不再局限于云平臺或數(shù)據(jù)中心，均能提供計算能力，通過便捷靈活的重組與調(diào)度機制，用戶可在任何時間和任何地點，以任何方式獲取所需要的計算能力。

2.4 網(wǎng)絡(luò)中心向知識中心演進

聚焦知識、規(guī)則、模型、算法、模式的建設(shè)與組織，面向任務(wù)分析、決策、執(zhí)行與反饋，提供綜合智力服務(wù)，替代以數(shù)據(jù)共享和信息接口為主的信息系統(tǒng)間交互方式，將信息優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為智力優(yōu)勢，進而轉(zhuǎn)化為決策與行動優(yōu)勢。

2.5 定向?qū)W習(xí)向自主學(xué)習(xí)演進

具備自學(xué)習(xí)、自演化能力，基于泛在互聯(lián)，不間斷地精煉、博弈和訓(xùn)練知識、模型與算法，持續(xù)提升感知能力、認(rèn)知能力與智能水平。

2.6 人機交互向人機融合演進

利用人體生物工程學(xué)研究成果，通過合理的人機分工，將人的個性化與機器的預(yù)制化融合互補，建立自然高效的交互方式，充分發(fā)揮人與機器各自優(yōu)勢，朝著人機智能共生方向發(fā)展。

2.7 運行維護保障向韌性免疫演進

能夠?qū)崟r感知信息系統(tǒng)的運行狀態(tài)與環(huán)境的變化情況，可自主生成應(yīng)對故障的響應(yīng)恢復(fù)策略，利用普適計算調(diào)度資源，保障核心任務(wù)不中斷，并對新接入的資源、修復(fù)的資源和存在故障的資源進行自適應(yīng)重組，提升動態(tài)環(huán)境下完成任務(wù)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 云腦平臺

3.1 定義

云腦平臺借鑒云計算技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)大腦模型[11]，以構(gòu)建行業(yè)、企業(yè)或?qū)I(yè)領(lǐng)域類腦智能體為目標(biāo)，以系統(tǒng)科學(xué)為指導(dǎo)，逐步形成智能體的感覺神經(jīng)（物聯(lián)網(wǎng)）、神經(jīng)纖維（5G、光纖、衛(wèi)星等通信技術(shù)）、神經(jīng)元（信息系統(tǒng)、專業(yè)平臺、工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、神經(jīng)末梢（邊緣計算）和中樞神經(jīng)（大數(shù)據(jù)、人工智能），具有環(huán)境認(rèn)知、人機融合、主動學(xué)習(xí)、自主演化和群腦協(xié)作等特點與能力，為解決復(fù)雜問題，滿足各方需求，實現(xiàn)精準(zhǔn)分析、整體研判和協(xié)同指揮提供智能支撐作用。

3.2 架構(gòu)機理

云腦平臺依托云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能與泛在互聯(lián)等理念、方法和技術(shù)，由感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、知識中心、認(rèn)知系統(tǒng)、韌性保障系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成，其參考架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 云腦平臺架構(gòu)

3.2.1 感知系統(tǒng)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器采集時間、位置、溫度、濕度、流量、流速等信息，并源源不斷地向認(rèn)知系統(tǒng)傳遞，構(gòu)成云腦平臺的感覺神經(jīng)系統(tǒng)，形成感知能力。

3.2.2 決策系統(tǒng)

將業(yè)務(wù)需求、要求、目標(biāo)、策略和規(guī)則與云腦平臺的感知能力、認(rèn)知能力深度融合，提供分析、演示、研判、博弈、演進、推理等類腦研判決策服務(wù)，滿足統(tǒng)一指揮、協(xié)同調(diào)度、監(jiān)督監(jiān)測、反饋評估等任務(wù)需要，構(gòu)成云腦平臺的神經(jīng)中樞，形成決策能力。

3.2.3 知識中心

知識中心面向知識，將物理上數(shù)據(jù)互連的接口網(wǎng)絡(luò)，演化為邏輯上知識互連的知識網(wǎng)絡(luò)，支持知識的認(rèn)知、提煉、檢索及自我學(xué)習(xí)和自我更新。依托知識中心，數(shù)據(jù)挖掘轉(zhuǎn)變?yōu)橹R獲取，態(tài)勢感知升級為態(tài)勢認(rèn)知，數(shù)據(jù)共享提升為知識共用，簡單協(xié)作發(fā)展為聯(lián)合行動，信息技術(shù)對業(yè)務(wù)的支撐作用將由輔助工具、展示方式和交互平臺演變?yōu)轫憫?yīng)能力、處置能力和聯(lián)動能力。

3.2.4 認(rèn)知系統(tǒng)

利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，重組、整合各種面向領(lǐng)域、面向?qū)I(yè)的信息系統(tǒng)和信息服務(wù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、任務(wù)執(zhí)行、效果反饋、信息提煉、知識學(xué)習(xí)等，構(gòu)成云腦平臺的神經(jīng)元、神經(jīng)末梢和知識中心，形成認(rèn)知能力。

3.2.5 韌性保障系統(tǒng)

利用云計算、網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)，持續(xù)感知云腦平臺、關(guān)聯(lián)節(jié)點及要素結(jié)構(gòu)等資源狀態(tài)、運行環(huán)境的變化與異常，自主診斷問題，主動調(diào)度相關(guān)資源，形成自我修復(fù)與免疫防御能力，持續(xù)不斷地向各聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進行智能賦能，保障核心任務(wù)的穩(wěn)定、安全和可靠。同時，韌性保障還具有自適應(yīng)、可組合等能力，允許其他云腦平臺或類腦智能體的無感接入與退出，通過重組、重構(gòu)與自我調(diào)整機制實現(xiàn)整體能力的提升與演化。

3.2.6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

利用泛在互聯(lián)技術(shù)形成宏大、健壯的信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，進而基于感知能力和認(rèn)知能力，傳輸、響應(yīng)、反射各種數(shù)據(jù)、知識與決策，構(gòu)成云腦平臺的神經(jīng)纖維，逐步形成神經(jīng)系統(tǒng)，最大化提高云腦平臺的敏捷性和靈活性。

4 鐵路信息系統(tǒng)發(fā)展代際與發(fā)展方向

4.1 鐵路信息系統(tǒng)當(dāng)前代際

中國鐵路信息系統(tǒng)起步于上世紀(jì)70 年代，經(jīng)過多年發(fā)展，從最早的單機電算化應(yīng)用，到以鐵路運輸管理信息系統(tǒng)（TMIS，Transportation Management Information System）為代表的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，再到以鐵路12306 互聯(lián)網(wǎng)售票系統(tǒng)、鐵路95306 貨運電子商務(wù)系統(tǒng)、鐵路運輸調(diào)度管理系統(tǒng)（TDMS，Transportation Dispatching Management System）、貨運票據(jù)電子化系統(tǒng)等為代表的面向?qū)I(yè)的多層級信息系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了鐵路主要業(yè)務(wù)場景的全覆蓋，有效提升了鐵路運營、服務(wù)與管理水平。按照信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化代際劃分方法，中國鐵路信息系統(tǒng)已全面具備第3 代特征，正快速向第4 代過渡。中國鐵路信息系統(tǒng)代際如圖3 所示。

圖3 中國鐵路信息系統(tǒng)代際

4.2 下一代鐵路信息系統(tǒng)發(fā)展方向

中國鐵路可結(jié)合自身實際與發(fā)展目標(biāo)，搶抓新一輪科技革命強勁動力，加快技術(shù)迭代，提升研發(fā)實力，面向第5 代信息系統(tǒng)，基于云腦平臺理念，構(gòu)建下一代鐵路信息系統(tǒng)?；谠颇X平臺的鐵路信息系統(tǒng)架構(gòu)模型如圖4 所示。

圖4 基于云腦平臺的鐵路信息系統(tǒng)架構(gòu)模型

下一代鐵路信息系統(tǒng)的核心任務(wù)是構(gòu)建鐵路云腦平臺。鐵路云腦平臺以國鐵集團數(shù)據(jù)中心和國鐵云為依托，融合鐵路信息網(wǎng)絡(luò)、5G 公/專網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、集成服務(wù)平臺、大數(shù)據(jù)與人工智能平臺及各領(lǐng)域信息系統(tǒng)，形成面向鐵路的類腦智能體，為生產(chǎn)、經(jīng)營、管理與決策提供支撐。基于鐵路云腦平臺，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、計算等模塊將分解為云腦平臺的基礎(chǔ)構(gòu)成要素，既有的功能、規(guī)則、算法、業(yè)務(wù)邏輯將轉(zhuǎn)為感知單元和認(rèn)知單元，信息化將更加聚焦知識建設(shè)和能力建設(shè)。

5 鐵路云腦平臺關(guān)鍵技術(shù)

鐵路云腦平臺涉及眾多學(xué)科理論、方法與技術(shù)，以下重點介紹3 項基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 知識中心構(gòu)建技術(shù)

海量數(shù)據(jù)既可以成為數(shù)據(jù)優(yōu)勢，也可能成為數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)，其關(guān)鍵是加快構(gòu)建知識中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向知識的跨越，以知識為核心要素，將數(shù)據(jù)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為決策優(yōu)勢和行動優(yōu)勢。構(gòu)建知識中心的關(guān)鍵在于打破信息系統(tǒng)間的邊界，建立以知識為核心的共享機制、響應(yīng)機制、處理機制、執(zhí)行機制和學(xué)習(xí)機制。

5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

鐵路信息網(wǎng)絡(luò)已全面覆蓋國鐵集團、鐵路局集團公司及所有基層站段，為建設(shè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了良好的基礎(chǔ)環(huán)境。區(qū)別于信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)需重點關(guān)注2 個方面：

（1）繼續(xù)利用鐵路路網(wǎng)優(yōu)勢，融合通信、互聯(lián)網(wǎng)、信息等技術(shù)推動萬物互聯(lián)，突破物理樹形或?qū)蛹壗M網(wǎng)結(jié)構(gòu)，建立虛擬神經(jīng)纖維，構(gòu)建扁平化、類互聯(lián)網(wǎng)連通特性的虛擬網(wǎng)絡(luò)；

（2）借鑒腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知腦計算模型等研究成果，探索類腦神經(jīng)反射弧機理、多模態(tài)感知信息傳遞等理論與方法，銜接虛擬神經(jīng)元、神經(jīng)末梢和神經(jīng)中樞，形成感知、認(rèn)知、決策反射弧，為知識的運用與分享，以及能力的組合與協(xié)作提供基礎(chǔ)。

5.3 自適應(yīng)可組合能力

鐵路與各行各業(yè)聯(lián)系緊密，目前采用的數(shù)據(jù)共享與接口交互將被云腦平臺間的聯(lián)動協(xié)作所替代，這就要求鐵路云腦平臺需要具備自適應(yīng)可組合能力。自適應(yīng)可組合能力可使云腦平臺像人類一樣，既能單獨執(zhí)行任務(wù)，也可以結(jié)成小組團隊作戰(zhàn)，團隊成員可隨時加入或退出。這種能力超越了信息系統(tǒng)間技術(shù)層的鏈接，核心是實現(xiàn)不同云腦平臺間感知、認(rèn)知、知識、決策、執(zhí)行、反饋等能力層的組合與協(xié)作。自適應(yīng)可組合能力實現(xiàn)的重點是以多數(shù)據(jù)中心連接、多云組合、多網(wǎng)融合為基礎(chǔ)，突破神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)銜接，實現(xiàn)知識共享共用、群腦研判決策等。

6 前瞻研究建議

鐵路云腦平臺建設(shè)并非一蹴而就，需要科學(xué)規(guī)劃，統(tǒng)籌推進。按照當(dāng)前鐵路信息系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，建議預(yù)先開展以下2 項基礎(chǔ)性前瞻研究。

6.1 云邊協(xié)同與泛在互聯(lián)

鐵路是全國一張網(wǎng)，運營需要“數(shù)據(jù)中心—站場—線路”三者的業(yè)務(wù)協(xié)同，云邊結(jié)合的云架構(gòu)非常符合鐵路網(wǎng)絡(luò)特點。鐵路自有信息網(wǎng)絡(luò)已建設(shè)了云平臺網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)邊緣接入環(huán)境，形成了天然的云邊關(guān)系?；谠七厖f(xié)同的國鐵云，通過融合數(shù)據(jù)中心云、邊緣云和物聯(lián)網(wǎng)終端，共同構(gòu)成“云邊端協(xié)同一體”，初步實現(xiàn)泛在互聯(lián)，為后續(xù)開展鐵路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和感知系統(tǒng)建設(shè)奠定了物理環(huán)境基礎(chǔ)。

6.2 面向認(rèn)知與智能處理

鐵路大數(shù)據(jù)平臺、各專業(yè)信息系統(tǒng)和業(yè)務(wù)中臺積累了海量數(shù)據(jù)，精煉大量、冗余和繁雜的數(shù)據(jù)，通過沉淀有價信息，提煉高效算法，梳理復(fù)雜流程，歸集各類業(yè)務(wù)場景和工作任務(wù)的環(huán)境態(tài)勢、內(nèi)在聯(lián)系、要素結(jié)構(gòu)和演變方式，形成鐵路業(yè)務(wù)知識，為各級各專業(yè)工作人員開展分析、設(shè)計、決策、執(zhí)行與評估提供選項與支持，繼而為后續(xù)開展認(rèn)知系統(tǒng)、神經(jīng)元、神經(jīng)末梢和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的研究夯實基礎(chǔ)。

7 結(jié)束語

文章介紹信息系統(tǒng)發(fā)展代際特征及其劃分方法，研究下一代鐵路信息系統(tǒng)發(fā)展方向。中國鐵路信息系統(tǒng)已具備第3 代特征，正快速向第4 代演進。在國家戰(zhàn)略部署和國鐵集團發(fā)展規(guī)劃的指導(dǎo)下，鐵路信息系統(tǒng)應(yīng)緊抓新一輪科技革命契機，面向第5 代，基于云腦平臺理念，開展神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、認(rèn)知系統(tǒng)、知識中心和決策系統(tǒng)等前瞻性研究，推動鐵路信息系統(tǒng)整體架構(gòu)升級、技術(shù)更新、能力提升，促進信息系統(tǒng)代際快速趕超，并為后續(xù)建設(shè)鐵路云腦平臺，構(gòu)建鐵路類腦智能體，推動鐵路信息系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化奠定基礎(chǔ)。