基于智能高铁建设实践的智慧城轨整体设计方案研究

于鑫

摘 要：为推动我国智慧城轨健康快速发展，助推《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》的落地实施，基于智能高速铁路相关实践经验，秉持《发展纲要》中的建设思想与目标，同时结合城轨领域各专业的业务特点，从构建能力架构、功能架构与物理架构 3 方面，提出具有实操性的智慧城轨整体设计方案，并给出保障措施和发展建议。

关键词：城市轨道交通;智慧城轨;智能高铁;整体设计方案

中图分类号：U213.9

1 引言

当前，我国城市轨道交通智能化发展迅速。随着全球科技创新进入空前密集活跃期，以大数据、物联网、云计算、人工智能等信息技术为主导的新一轮科技革命和产业变革正在为各领域的智能化发展点燃新引擎[1-2]。伴随中国制造2025、交通强国、智慧城市、新基建等若干重大战略的提出，科技革命、创新驱动、产业格局重塑、经济发展转型升级等组合作用，推动了我国城市轨道交通的智能化大发展[3-4]。

城轨智能建造、智能装备、智能运维、智慧车站、智慧服务等若干智能技术的发展应用[5]，既契合了城轨运营企业对于安全、可靠、高效地管理运营规模急剧扩张线网的技术诉求，更充分地贯彻了“规划建设为运营，运营服务为乘客”的行业服务理念[6-7]。北京、上海、广州等形成网络化运营的城市已经率先提出各具特点的智慧城轨建设总体架构与实施方案[8-11]，并在不同业务领域开展了程度不一的探索与实践。而其他后发城市也跃跃欲试，在部分领域形成了独特的智能应用技术。为促使我国城轨交通行业智能化的健康发展和智慧城轨的有序建设，2020年3月，中国城市轨道交通协会（以下简称“中城协”）发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》（以下简称《发展纲要》），以统筹发展战略，明确建设目标，确定重点任务，谋划实施路径[12]。

《发展纲要》的提出点燃了各地建设智慧城轨的热情，但由于当前相关设计标准以及项目实践经验的匮乏，城轨企业在规划实施智慧城轨项目建设时，面临难以结合自身发展基础与实际需求，科学、合理制定实施方案的困境。本文基于已实施建设的智能高速铁路相关实践经验，同时结合城轨领域各专业的业务特点，提出一套针对智慧城轨建设的整体设计方案及相关建议，旨在为城轨企业开展智慧城轨建设相关研究或实践提供思路与启示。

2 智能高速铁路建设实践

近年来，中国高速铁路取得了快速发展，截至2019年底，高速铁路营业里程超过3.5万km，占全球高速铁路营业里程的60%以上。中国高速铁路的快速发展离不开铁路信息化、智能化建设的持续推进。2017年，新时期铁路信息化总体规划发布，提出“智能铁路”的战略目标，中国铁路总公司正式启动智能京张、智能京雄等重大工程建设，并提出了建设智能高铁的发展目标[13]。

中国国家铁路集团有限公司（以下简称“国铁集团”）以京张高铁、京雄城际铁路技术攻关和工程建设为依托，从顶层设计角度出发制定了完整的智能高铁体系架构。智能高铁是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、建筑信息模型（BIM）等新技术，综合高效利用资源，实现高铁移动装备、固定基础设施及内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代智能化高速铁路系统[13]。智能高铁的总体组成以一个智能高铁大脑平台为核心，包含智能建造、智能装备、智能运營3部分，总体功能架构如图1所示[14]。

2019年12月30日，京张高铁开通运营。京张高铁是我国智能铁路最新成果的首次集成化应用，其实现了智能建造、智能装备和智能运营，开启了世界智能铁路的先河，为构建智能铁路技术标准体系，初步形成智能铁路应用格局奠定了基础[15]。京张高铁在智能建造方面形成了5类典型示范，包括参数化协同设计、BIM + GIS（地理信息系统）工程管理平台、路桥隧轨智能施工、四电智能施工以及客站智能施工;在智能装备方面形成6类典型示范，包括智能动车组、高速列车自动驾驶系统、智能牵引变电所、智能灾害监测、一体化综合视频以及基于BIM的智能综合检测;在智能运营方面形成6类示范应用，包括工电供一体化运维故障预测与健康管理（PHM）系统、智能调度集中系统、智能票务、智能客站、北斗应用以及大数据中心[16]。国铁集团提出打造“精品工程，智能京张”的战略举措，使京张高铁集中国铁路建设运营技术和管理水平之大成，全面展示我国智能铁路创新发展的最新成果，成为中国高铁从世界先进水平向世界领先水平迈进的标志性工程[17-18]。

3 智慧城轨整体设计方案

对于智慧城轨发展整体规划设计，一些地区城轨业主企业已经形成并提出了自有方案。中城协发布的《发展纲要》中也对智慧城轨建设提出了“1-8-1-1”布局结构的整体发展蓝图，其包括了创建智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全和智慧网络管理八大体系，以及建立一个城轨云与大数据平台和制定一套中国智慧城轨技术标准体系[12]。可以说，《发展纲要》较为全面地确立了建设智慧城轨需要规划建设的各大体系及相应的目标及重点任务，为今后我国发展智慧城轨把控住了总方向。但是，由于其属于规划类文件，所阐述内容尚不足以直接指导工程建设实施。在此，本文全面基于《发展纲要》建设思想、目标与内容，结合智能高铁实践经验以及城轨从业经验，从构建能力架构、功能架构与物理架构3方面，提出具有实操性的智慧城轨整体设计方案。

3.1 能力架构

智慧城轨建设应以形成全面智能化应用与服务能力为目标，以引领城轨领域智慧化发展为标杆，以新技术、新材料、新工艺为支撑，实现覆盖城轨交通规划、设计、建设、运营和维护全业务流程、全价值链条、全生态体系的智能化，加速推动城轨企业运营安全、服务水平、生产效率、经济效益的全面提升，更好满足市民幸福出行。在明确上述建设原则的基础上，提出“1中心”“2支撑”“3应用”的“1-2-3”智慧城轨设计框架，如图2所示。

（1）“1中心”。建设1个智慧城轨云脑平台，全面部署“大、物、移、云、智”，综合承载智慧业务与应用，围绕云脑平台形成全局数据信息的充分汇集、交互、融合与分析能力，进而实现全系统的自主采样、学习与决策。

（2）“2支撑”。建设2个支撑体系，即智能建造技术体系与智能技术装备体系。设施设备是开展运营工作的基本载体，智能装备与建造技术体系的构建，可为智慧业务与应用场景提供应用基础与数据信息源支撑。

（3）“3应用”。构建3类智能应用场景，即智能乘客服务、智能运营管控、智能运维保障。基于云脑平台及智能装备与建造技术体系形成智能感知、智能分析、智能联动能力，面向服务主体用户需求，生成运营、服务、维保3大智慧场景，用数据驱动安全、效率、效益和服务的提升。

在“1中心”“2支撑”与“3应用”体系的基础上，形成开展智能化运营业务的支撑能力、覆盖主要运营业务智能化的应用能力及主动思维决策能力。通过构建上述各体系，总体形成面向乘客、运营、供应商、政府部门、协作单位、区域同行的服务能力。

3.2 功能架构

功能架构通过综合考虑用户业务应用需求与技术发展应用条件而制定形成，在需求分析的基础上对“2支撑”与“3应用”体系作进一步细分，在18个服务方向形成若干智能化功能应用，整体功能架构如图3所示。

（1）智能建造技术。以BIM、物联网等先进技术为手段，以满足工程项目的功能性需求和不同使用者的个性需求为目的，构建城轨项目建造和运行的智慧环境，通过技术创新和管理创新对工程项目全生命周期的全过程实施有效改进和管理。智能建造技术体系包含基于BIM的工程建设管理、桥隧路轨工程智能化施工、四电工程智能化施工、车站智能化建造以及综合调试验收5个智能化服务方向，可针对城轨交通轨道、桥梁、隧道、路基、车站、通信、信号、供电、风水电全专业相关基础设施，在设计、建造、调试、驗收各阶段进行智能化管理与实施[19-20]。

（2）智能技术装备。以新技术、新材料、新工艺为支撑，装备应用智能化、网络化、集约化、人性化的新一代城轨交通车辆系统、能源系统、通信系统以及机电系统，实现列车全自动运行与互联互通、能源使用绿色环保、信息通信能力强劲与灵活便捷、机电设备系统集中可视可控。智能技术装备包含智能列车运行、智能绿色能源、智能通信平台、智能机电系统4个智能化服务方向，可为我国城轨自主化技术装备的创新研发应用提供广阔舞台。

（3）智能乘客服务。重视乘客出行体验，链接生活要素，通过更人性化、智能化的服务手段，实现对乘客出行全链条服务需求的主动感知以及精准分析，并围绕资讯、出行等关键服务内容进行智能整合、提升，全面提供主动、及时、舒适、便捷的乘客服务[21]。智能乘客服务体系包含票务服务、站务服务、乘务服务、客运组织4个智能化服务方向，可为乘客出行全场景提供智能化服务。

（4）智能运营管控。通过物联网、云计算、大数据、人工智能等技术手段，改善传统运营形式下数据孤岛、信息离散、平台封闭、响应被动、决策失当等现状问题，综合增强运营管理的多态场景应用能力，满足数字化、网络化、智能化的运营品质要求，并与乘客服务的需求相协调，与区域一体化发展定位相适应，极大提升运营企业的效率效益[22]。智能运营管控体系包含调度指挥与车站管控2个智能化服务方向，可达到运输组织精准灵活、调度指挥协同高效、车站管理全景管控的目标。

（5）智能运维保障。应用泛在数据和智能技术对运维管理、安全管理、资产管理业务进行赋能，以运营相关的人、财、物为主要管控对象，以状态信息的全面感知、综合分析、精准预测、科学决策为手段，实现设施设备精准维修维护、系统安全可控、资产灵活利用，全面提高安全服务水平和管理效率，降低劳动强度、技能要求和运维成本[23-24]。智能运维保障体系包含设施设备运行维护、安全保障、资产管理3个智能化服务方向。

3.3 物理架构

依据当前典型城市的城轨交通运营管理体制，按照云端系统与城轨交通现场子系统相结合的方式，设计智慧城轨体系的物理部署方案，形成云端的集中管控与终端操控、检测监测相结合的智慧城轨体系物理架构，如图4所示。

在云端部署智慧城轨云脑平台以及智慧城轨5大体系的应用系统。智慧城轨云脑平台作为智慧城轨的“操作系统”，为智慧城轨的有效、协同运转提供通用数据、平台和智能分析能力。根据功能框架，应用系统包括智能建造技术、智能技术装备、智能乘客服务、智能运营管控、智能运维保障5大体系的18个服务系统。云端系统通过新一代城轨交通通信平台、互联网与智慧城轨用户终端相连接，用户终端主要包括内部管理终端和对外服务终端2类。城轨现场子系统具有高实时性的边缘计算以及现场操控与处置等功能，可实现城轨业务现场数据的采集，通过新一代城轨交通通信平台与云端系统相连接。

通过科学合理的智慧城轨软硬件系统部署，并使之与前、后端交互关联，使得系统全局实现数据信息顺畅的传输传递、深度分析、综合决策、智能应用，实现基于数据驱动的城轨交通业务及服务全面智能化与智慧化。

4 智慧城轨体系建设与发展建议

为全面辅助智慧城轨技术体系的创新发展与落地实施，本文从顶层设计、创新驱动、融合管理、标准建设等角度提出以下建议。

（1）坚持创新驱动。加大力度研发新技术、新产品、新模式，先机掌握关键核心技术及知识产权;通过充分融合应用大数据、云计算、人工智能、物联网、5G、卫星通信、区块链等先进信息科学技术，推动智慧城轨交通体系的建设;坚持创新引领，驱动新技术、新装备、新模式的落地应用，为行业推广奠定基础;着重秉持业主单位主导和引领创新、装备企业驱动创新、行业同行协同创新的原则，业界同仁凝心聚力、同舟共济，同绘智慧城轨蓝图，共筑交通强国梦。

（2）加强顶层设计。智慧城轨体系性极强，并且其相关技术应用具有前瞻性、颠覆性，因此，发展智慧城轨应统筹规划、注重顶层设计，指明发展方向、把控实施路径，以最终形成设计科学、技术先进、投资节省、效益可观的全局方案，保障智慧城轨建设顺利落地实施。

（3）实施因地制宜。由于全国各地城轨交通建设起步时期不同，所处阶段不同，特别是对“智慧城轨”的认识程度深浅有别，致使各地城轨业主单位的信息化进程参差不齐，智能化应用程度和水平差异较大，不同业务领域开展的程度也不一致。因此，发展智慧城轨应因地制宜，在智能运维技术上分阶段、分类别实施，坚持成熟技术“先行先上”，不成熟技术后续逐步实现应用;依据当地城轨运营特点，以实际运营业务及服务需求为主导开展智慧城轨设计与建设。

（4）促进融合共享。信息共享是提高信息资源利用率、充分发挥其效益的重要手段，数据共享是大数据潜在价值挖掘和利用的重要基础，因此发展智能城轨应促进信息和数据的融合共享。统筹工务、车辆、供电、通号等各专业信息和数据的融合共享;推动乘客服务、运输组织、运维保障等各业务模块的信息和数据共享;加强管理、规划、设计、建设、供货、运营、维保等全行业的信息和数据共享;推进与交通、政務、市政、公安等其他行业的信息和数据共享，全面支撑城市轨道交通的智能化发展。

（5）推动标准化建设。推动智慧城轨标准化建设，符合“规范研究先行，标准指导建设”的理念和原则。围绕智慧城轨体系，针对关键领域，形成从顶层管理、监督评估、运行应用、平台建设、数据融合到底层感知的系列化标准，弥补在关键环节、核心技术装备等方面规范缺失问题，指导智慧城轨建设项目的有序、高质量开展;进一步升级城轨交通智能系统的标准化、规范化，持续推动创新智慧城轨体系建设，强化智能系统安全。

（6）落实支撑保障。为推动智慧城轨体系的健康有序发展，应落实支撑保障。政府主管部门应进一步加大智慧城轨发展的支持及鼓励力度，支持智能化、智慧化技术研发及工程应用;大力推广示范工程，为城轨企业提供发展智慧城轨的机会，促进对智能产品和系统关键核心技术的攻关和创新;落实智慧城轨工程建设、更新改造及科技研发的资金，进一步引入市场化机制，扩充筹融资渠道，并做好智慧城轨专业人才培养和人才引进。

5 结语

建设智慧城轨是实现交通强国战略的突破口，是智慧城市建设的先导工程，是行业高质量发展的重要抓手，对于国家、城市以及行业发展极为重要。同时，智慧城轨建设是一个庞大的系统性工程，覆盖面广、建设体量大、技术难度高、实施周期长，不能毕其功于一役。因此，需要全行业凝心聚力，统筹谋划全局，围绕工作主线持续奋斗、久久为功，为全面建成智慧城轨贡献力量。

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收稿日期 2020-08-03

责任编辑 朱开明