基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的智能鐵路體系構(gòu)建研究

李 平，楊 柳，邵 賽

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 科技和信息化部（總工室），北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)等智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，我國在高速鐵路、重載鐵路等領(lǐng)域積極開展智能鐵路體系架構(gòu)的相關(guān)研究。在高速鐵路領(lǐng)域，依托京張（北京—張家口）高速鐵路和京雄（北京—雄安）城際鐵路等重大工程，我國率先提出了技術(shù)、數(shù)據(jù)、標準三位一體的智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0，發(fā)布為中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）技術(shù)標準，指導(dǎo)了智能建造、智能裝備和智能運營等成套技術(shù)創(chuàng)新；在重載鐵路領(lǐng)域，依托浩吉（浩勒報吉—吉安）重載鐵路工程，采用分層設(shè)計的原則，提出了包含智能感知層、傳輸層、融合層和應(yīng)用層的智能重載鐵路體系架構(gòu)?；凇捌脚_+應(yīng)用”模式，構(gòu)建了重載鐵路大腦平臺及智能綜合調(diào)度、智能運營維護、智能車站等構(gòu)成的智能重載鐵路技術(shù)體系。

“十四五”期間，為持續(xù)推動智能化技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的深度應(yīng)用，國鐵集團發(fā)布了《“十四五”

1 CAS簡介

CAS理論由約翰·霍蘭教授提出，它作為一種復(fù)鐵路科技創(chuàng)新發(fā)展規(guī)劃》[1]，明確提出“圍繞智能建造、智能裝備、智能運營、智能鐵路平臺，持續(xù)深化關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，完善智能鐵路成套技術(shù)體系、數(shù)據(jù)體系和標準體系，推動智能鐵路1.0向2.0發(fā)展”的要求，因此，融合已有的智能高速鐵路體系架構(gòu)和智能重載鐵路技術(shù)體系研究成果，研究提出智能鐵路體系架構(gòu)極為必要。

傳統(tǒng)的面向過程方法、面向?qū)ο蠓椒ā⑵髽I(yè)架構(gòu)方法等體系架構(gòu)構(gòu)建方法，側(cè)重于從復(fù)雜系統(tǒng)整體角度開展自頂向下的設(shè)計，缺乏對系統(tǒng)中多層級主體智能行為及主體間協(xié)同聯(lián)動機制的細粒度研究，難以滿足智能鐵路系統(tǒng)中各類主體之間高協(xié)調(diào)性、高聚合性、高交互性等要求。鑒于智能鐵路系統(tǒng)不是簡單系統(tǒng)，而是由多種因素綜合作用最終形成的復(fù)雜巨系統(tǒng)，它包含眾多的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和要素，結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)非線性關(guān)系[2]；各個系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間還存在著復(fù)雜的空間和時間關(guān)系，呈現(xiàn)出時空結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。為更好地理解智能鐵路系統(tǒng)的特性并動態(tài)優(yōu)化其設(shè)計，本文基于復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)（CAS，Complex Adaptive System）理論，研究智能鐵路體系：通過分析智能鐵路系統(tǒng)復(fù)雜適應(yīng)性特征及其CAS主體構(gòu)成，以及智能鐵路系統(tǒng)中各個組成部分之間的復(fù)雜關(guān)系和相互影響，提出智能鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進而提出智能鐵路的技術(shù)體系和數(shù)據(jù)體系。雜性科學(xué)研究方法，被譽為繼第一代系統(tǒng)論（包括一般系統(tǒng)論、控制論和信息論）、第二代系統(tǒng)論（包括耗散結(jié)構(gòu)論、協(xié)同論、突變論）之后的第三代系統(tǒng)論[3]。CAS理論認為，系統(tǒng)是由分布在不同層級的多個主體構(gòu)成，每個主體都會對外界環(huán)境作出自適應(yīng)反應(yīng)，且多異質(zhì)的自適應(yīng)主體間也會發(fā)生復(fù)雜作用，二者均會對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演化帶來影響。

CAS理論的主要特點在于將系統(tǒng)的宏觀分析和微觀分析有機結(jié)合起來，強調(diào)系統(tǒng)的層次性、多樣性和聚合性[4]。在宏觀層面，CAS注重主體與周圍環(huán)境的相互作用，以及同質(zhì)和異質(zhì)主體之間的相互作用，使得由多個主體組成的系統(tǒng)得以不斷演化和進化；在微觀層面，CAS強調(diào)主體的主動性和適應(yīng)性，主體具有自己的目標、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為模式，通過與環(huán)境和其他主體的交互學(xué)習(xí)，不斷優(yōu)化自身的結(jié)構(gòu)和行為。約翰·霍蘭教授圍繞適應(yīng)性主體提出了CAS應(yīng)具備的7個基本特性，包括聚集性、非線性、多樣性、流、標識、內(nèi)部模型和積木[5]。

CAS理論的提出，為人們認識、理解、控制和管理復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路，已在多個學(xué)科領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[6-10]。

2 智能鐵路系統(tǒng)的復(fù)雜適應(yīng)特征分析

智能鐵路系統(tǒng)全生命周期是包括鐵路設(shè)計、建造、運營維護（簡稱：運維）等3個重要階段，涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施、移動裝備、安全監(jiān)測、運輸服務(wù)、運營指揮等多個業(yè)務(wù)主體的CAS。其CAS的7個特征如圖1所示。

圖1 智能鐵路系統(tǒng)在CAS理論下的7個特征

2.1 聚集性

聚集性，指簡單主體的聚集，其主體間存在的一定相互關(guān)系會產(chǎn)生復(fù)雜的大尺度行為，這種行為能夠使參與的單個主體之間相互融合和適應(yīng)。在智能鐵路系統(tǒng)中，線路、橋梁、隧道、軌道、車站、通信、信號、接觸網(wǎng)、動車組、運輸服務(wù)等單專業(yè)主體聚集形成智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運輸指揮、智能駕駛等綜合性主體，聚集而成的綜合性主體不是單專業(yè)主體的簡單、重復(fù)疊加，而是一種使參與的單專業(yè)主體間融會貫通、相互適應(yīng)的組合，具備原單專業(yè)主體無法實現(xiàn)的功能和優(yōu)勢，有助于實現(xiàn)整體系統(tǒng)的成本降低、效率提高、服務(wù)改善等多目標。

2.2 非線性

非線性，指主體－主體、主體－環(huán)境交互作用中，并非遵循簡單的線性關(guān)系，往往是各種反饋作用。智能鐵路系統(tǒng)從全生命周期角度看，設(shè)計、建造、運維等3個階段存在著大量的迭代反饋作用，通過建造階段數(shù)據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計方案；通過運維階段數(shù)據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計和建造。此外，每個階段均涉及多個業(yè)務(wù)主體的協(xié)同互動。以建造階段為例，涉及質(zhì)量、進度、投資、安全、環(huán)保、外部環(huán)境等多要素的協(xié)同，存在著大量的動態(tài)不確定性，難以用線性模型來表征。

2.3 多樣性

主體－主體、主體－環(huán)境的不斷適應(yīng)，造就了系統(tǒng)的多樣性與復(fù)雜性。智能鐵路系統(tǒng)主體行為、運行要求、技術(shù)規(guī)范、所在層級、所處區(qū)域等均具有多樣性。此外，智能鐵路不同階段的形態(tài)、目標也各不相同。

2.4 流

流，指主體－主體、主體－環(huán)境交互作用中存在著某種資源的流。智能鐵路系統(tǒng)中，移動設(shè)備、固定設(shè)施、調(diào)度指揮、服務(wù)對象等各主體之間，以及主體與外界環(huán)境之間，均存在著信息流、業(yè)務(wù)流和能量流的流動交換。

2.5 標識

標識，是聚集和邊界生成過程中存在的一個機制，是主體相互作用的基礎(chǔ)。智能鐵路標識機制從政策完善和執(zhí)行、新技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展、共享目標和實施、各職能參與主體方面劃分，包括政策標識、新興技術(shù)標識、共享標識、角色標識。

例如，智能鐵路系統(tǒng)采用主數(shù)據(jù)等技術(shù)，為每個主體及其虛擬孿生體構(gòu)建了唯一標識，通過標識確保多主體之間的協(xié)調(diào)運行和有序互動，確保智能鐵路系統(tǒng)運行安全高效。共享標識用于實現(xiàn)智能鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的信息共享和協(xié)調(diào)，使得不同的智能設(shè)備和子系統(tǒng)能夠相互理解和交流，從而實現(xiàn)智能鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)同工作和決策。

2.6 內(nèi)部模型

內(nèi)部模型，用來表征主體實現(xiàn)的某項功能的互動規(guī)則。智能鐵路系統(tǒng)各同質(zhì)/異質(zhì)主體在交互作用中具有顯著的信息共享和業(yè)務(wù)重用等規(guī)則特征，可依托大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)建立主體及多主體的內(nèi)部模型。

2.7 積木

積木，是指將系統(tǒng)在不斷演化過程中所積累的經(jīng)驗知識和遵循的演化規(guī)則等作為依據(jù)，進行更高層次的主體標識聚集的過程。通過提供模塊化思想，將簡單的積木通過不同組合形成復(fù)雜系統(tǒng)。

根據(jù)智能鐵路系統(tǒng)非線性的特征，積木塊機制可將智能鐵路系統(tǒng)從宏觀、中觀和微觀共3個層次進行劃分。宏觀層面上的積木主要包括戰(zhàn)略研究信息、戰(zhàn)略規(guī)劃信息等；中觀層面的積木主要包括智能化需求信息、技術(shù)和算法信息、數(shù)據(jù)集成信息、數(shù)據(jù)共享信息；微觀層面的積木主要包括勘察設(shè)計系統(tǒng)信息、通信信號系統(tǒng)信息、客貨服務(wù)系統(tǒng)信息等。

例如，智能鐵路系統(tǒng)在建造過程中采用裝配式施工，實現(xiàn)了簡單部件組合（長大橋梁、隧道、客站等）形成的復(fù)雜系統(tǒng)。應(yīng)用軟件設(shè)計中采用微服務(wù)架構(gòu)實現(xiàn)，可以將單一功能進行組合復(fù)用，滿足更復(fù)雜的應(yīng)用需求。

綜上所述，智能鐵路系統(tǒng)具備CAS理論的7個基本特性，兩者具有較好的同構(gòu)性。CAS理論可為智能鐵路的體系構(gòu)建提供指導(dǎo)。

3 智能鐵路系統(tǒng)的CAS主體構(gòu)成

智能鐵路系統(tǒng)作為一個動態(tài)復(fù)雜的適應(yīng)性系統(tǒng)，參與方主要包括鐵路部門、第三方企業(yè)、乘客、貨物等，各參與方之間均存在業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)等交流，交互關(guān)系錯綜復(fù)雜?；谥悄荑F路系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，將適應(yīng)性系統(tǒng)的主體分為領(lǐng)域級主體、業(yè)務(wù)級主體、應(yīng)用級主體和項目級主體，各個主體之間的關(guān)系和行為是動態(tài)變化和適應(yīng)環(huán)境的。智能鐵路系統(tǒng)的CAS多級主體構(gòu)成如圖2所示。

圖2 智能鐵路系統(tǒng)CAS多級主體構(gòu)成

3.1 領(lǐng)域級主體

領(lǐng)域級主體是負責(zé)智能鐵路系統(tǒng)的整體規(guī)劃和管理，包括智能建造主體、智能裝備主體和智能運營主體。其中，智能建造主體的任務(wù)是負責(zé)智能鐵路系統(tǒng)的建設(shè)和實施；智能裝備主體的任務(wù)是負責(zé)智能鐵路系統(tǒng)需要的各種裝備和設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和供應(yīng)；智能運營主體的任務(wù)是負責(zé)智能鐵路系統(tǒng)的運營和管理。

3.2 業(yè)務(wù)級主體

業(yè)務(wù)級主體是智能鐵路系統(tǒng)中各領(lǐng)域級主體下的具體業(yè)務(wù)單元，例如，勘察設(shè)計、工程施工、移動裝備、通信信號、客貨運服務(wù)等。每個業(yè)務(wù)級主體負責(zé)完成特定的任務(wù)，并與其他業(yè)務(wù)級主體進行信息交換和協(xié)作。業(yè)務(wù)級主體可以根據(jù)需要進行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)不斷變化的運行環(huán)境。

3.3 應(yīng)用級主體

應(yīng)用級主體是智能鐵路系統(tǒng)中的各項目級主體新技術(shù)標識機制下的積聚形成。應(yīng)用級主體可以包括空天地一體化工程勘察、數(shù)字化工廠、智能信號等。每個應(yīng)用級主體負責(zé)實現(xiàn)特定的功能，并與其他應(yīng)用級主體進行數(shù)據(jù)交換和協(xié)作。

3.4 項目級主體

項目級主體是智能鐵路系統(tǒng)中的具體項目或任務(wù)單元，例如，基于地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographical Information System）的智能勘探、動車組智能制造等。每個項目級主體具有獨立的目標和任務(wù)，并與其他主體進行協(xié)調(diào)和合作，以實現(xiàn)項目的順利進行。這些主體之間相互作用和協(xié)作，通過信息交換和共享來實現(xiàn)智能鐵路系統(tǒng)的高效運行。

4 基于CAS的智能鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從鐵路技術(shù)應(yīng)用視角，依據(jù)鐵路設(shè)計、建造和運營這3個階段中的核心要素、關(guān)聯(lián)關(guān)系，智能鐵路系統(tǒng)可以分為智能建造、智能裝備、智能運營等3個板塊[11]。根據(jù)CAS理論，以標識為建造、裝備、運營的子系統(tǒng)作為積木，對其進行聚集，形成智能建造主體、智能裝備主體和智能運營主體，構(gòu)成基于CAS的智能鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

4.1 智能建造主體

智能建造主體包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建造和維護相關(guān)的主體。這些主體可以是承包商、建筑公司、工程師等，他們負責(zé)設(shè)計、建造和維護鐵路線路、車站、信號設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施。智能建造主體使用先進的技術(shù)和工具，例如，將 BIM（Building Information Modeling）、GIS、數(shù)字孿生、施工機器人、自動化質(zhì)檢、預(yù)制化與拼裝化等技術(shù)與先進的工程建造技術(shù)相融合，實現(xiàn)高速鐵路勘察設(shè)計、工程施工、建設(shè)全過程的精細化和智能化管理。

4.2 智能裝備主體

智能裝備主體包括鐵路運輸中使用的智能化裝備和設(shè)備的相關(guān)主體。這些主體可以是列車制造商、信號設(shè)備供應(yīng)商、通信設(shè)備制造商等。他們致力于研發(fā)和生產(chǎn)智能化的列車、信號設(shè)備、通信設(shè)備等，將全方位態(tài)勢感知、自動駕駛、運行控制、故障預(yù)測與健康管理（PHM，Prognostics Health Management） 等技術(shù)與先進裝備技術(shù)相融合，實現(xiàn)鐵路移動裝備和基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期的安全化、高效化和智能化管理，提高鐵路運輸?shù)男省⒖煽啃院桶踩浴?/p>

4.3 智能運營主體

智能運營主體包括鐵路系統(tǒng)的運營和管理相關(guān)的主體。這些主體可以是鐵路公司、交通管理部門、運輸服務(wù)提供商等。他們負責(zé)列車調(diào)度、車票管理、安全監(jiān)控、客戶服務(wù)等任務(wù)，運用智能技術(shù)，如數(shù)據(jù)分析、智能算法等，提供高效、可持續(xù)、安全的鐵路運輸服務(wù)。

4.4 多主體交互

4.4.1 信息流交互

各個主體之間通過信息流進行通信和數(shù)據(jù)交換。例如，智能建造主體與智能裝備主體通過信息共享和協(xié)作，進行施工計劃的優(yōu)化和資源分配的協(xié)調(diào)；智能運營主體與智能裝備主體通過信息交流，實現(xiàn)實時監(jiān)控和維護，確保鐵路運輸?shù)陌踩晚槙场?/p>

4.4.2 業(yè)務(wù)流交互

各個主體之間通過業(yè)務(wù)流進行合作和協(xié)調(diào)。例如，智能建造主體與智能運營主體之間的協(xié)作，確保鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與運營的銜接和無縫對接；智能裝備主體與智能運營主體之間的協(xié)作，保證智能裝備的有效使用和維護，以提供高質(zhì)量的鐵路運輸服務(wù)。

5 基于CAS的智能鐵路體系

5.1 智能鐵路技術(shù)體系

遵循基于CAS的智能鐵路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，智能鐵路技術(shù)體系框架包括3個板塊、10個領(lǐng)域、21個方向、N項創(chuàng)新、1個平臺，共5個層級，如圖3所示。

圖3 智能鐵路技術(shù)體系

其中，3個板塊指智能建造、智能裝備、智能運營；10個領(lǐng)域指在3個板塊框架下勘察設(shè)計、工程施工、建設(shè)管理等領(lǐng)域；21個方向指在3個板塊、10個領(lǐng)域框架下空天地一體化工程勘察、基于 BIM工程設(shè)計、數(shù)字化工廠等方向；N 項創(chuàng)新指在3個板塊、10個領(lǐng)域、21個方向框架下基于GIS 的智能勘探、BIM建模、智能梁場、盾構(gòu)隧道智能施工、電氣化工程智能施工、基于BIM 虛擬建造等創(chuàng)新；1個平臺指為智能鐵路技術(shù)創(chuàng)新提供支撐和服務(wù)的智能鐵路信息基礎(chǔ)設(shè)施。

5.1.1 智能建造

考慮鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的建造過程，智能建造橫向上可劃分為勘察設(shè)計、工程施工、建設(shè)管理等3個領(lǐng)域[10]，包含空天地一體化工程勘察、基于BIM工程設(shè)計數(shù)字化工廠、橋隧路軌工程智能化施工、基于BIM+GIS工程建設(shè)管理等方向，以及智能枕廠、智能構(gòu)件廠、盾構(gòu)隧道智能施工等創(chuàng)新內(nèi)容。

5.1.2 智能裝備

按照主要業(yè)務(wù)對象分類，智能裝備可分為移動裝備、通信信號、牽引供電、檢測監(jiān)測等4個領(lǐng)域[11]，包含智能動車組、智能機車車輛、智能檢修裝備、智能信號、新一代通信等方向，以及動車組智能制造、機車智能監(jiān)控、智能自輪運轉(zhuǎn)特種設(shè)備（大型養(yǎng)路機械等）、車站區(qū)間一體化控制、天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)、移動裝備運行狀態(tài)地面監(jiān)控、裝備試驗驗證等創(chuàng)新內(nèi)容。

5.1.3 智能運營

按照主要運營業(yè)務(wù)分類，智能運營可劃分為客貨服務(wù)、運輸組織、養(yǎng)護維修等3個領(lǐng)域[12]，包含智能貨運、智能票務(wù)、智能調(diào)度和智能場站組織等方向，以及客站一體化生產(chǎn)指揮管理、貨運多式聯(lián)運、智能貨運安全、全行程/全過程的客貨運服務(wù)、場站數(shù)字化、PHM等創(chuàng)新內(nèi)容。

5.2 智能鐵路數(shù)據(jù)體系

為支撐基于CAS的智能鐵路技術(shù)體系中多主體的信息交互和流動，智能鐵路數(shù)據(jù)體系架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)匯集層、存儲分析層和應(yīng)用展示層[13]，如圖4所示。

圖4 智能鐵路數(shù)據(jù)體系

5.2.1 數(shù)據(jù)匯集層

為了實現(xiàn)智能鐵路系統(tǒng)全業(yè)務(wù)、全類型的數(shù)據(jù)匯集，該層專門匯集來自建造、裝備、運營等3個板塊和既有業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以及其他交通方式、氣象、地震等外部相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.2.2 存儲分析層

基于鐵路大數(shù)據(jù)和人工智能平臺，存儲分析層主要負責(zé)對數(shù)據(jù)進行標準化、規(guī)范化的處理。根據(jù)建造、裝備、運營等不同主題建立全生命周期數(shù)據(jù)組織與存儲結(jié)構(gòu)，最終形成一套多專業(yè)融合、跨層級業(yè)務(wù)、跨部門共享的規(guī)范數(shù)據(jù)資源。此外，該層還提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)治理等服務(wù)。

5.2.3 應(yīng)用展示層

應(yīng)用展示層主要圍繞工程建設(shè)、移動裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、運輸生產(chǎn)、運營安全、客運管理與服務(wù)、綜合交通共享等領(lǐng)域的主體行為進行大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用[10]。

6 結(jié)束語

本文基于CAS 理論，對智能鐵路系統(tǒng)復(fù)雜適應(yīng)性特征進行全面闡述，并對智能鐵路系統(tǒng)的CAS主體構(gòu)成及其結(jié)構(gòu)進行了分析，進而構(gòu)建了智能鐵路技術(shù)體系和智能鐵路數(shù)據(jù)體系。本文的研究成果對智能鐵路系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化提供了新的方法和思路。目前，利用CAS理論進行智能鐵路系統(tǒng)多主體建模的研究尚處于初步探索階段，有待在智能鐵路系統(tǒng)從微觀到宏觀的聯(lián)動機制方面進行深入研究。