智能鐵路總體架構與發展展望

王同軍

（中國鐵路總公司，北京 100844）

進入新世紀以來，信息技術突飛猛進，智能化技術取得突破性進展。人類社會在經歷了工業化、信息化之后必將向智能化時代邁進。各行各業都開啟了利用高新技術改造傳統產業的進程。智能交通全面深化，智能電網、智慧城市、智慧農業、智慧醫療等創新應用層出不窮[1-3]。在此背景下，作為綜合運輸體系骨干的鐵路行業，面臨著前所未有的挑戰[4]。如何提升運輸組織效率，解決運輸需求與能力供給之間的矛盾；如何更準確地掌握用戶需求，提供更精準和高品質的客戶服務，設計更貼近市場需求的客貨運產品；如何實現風險隱患的自動排查，提升事故故障的超前防范能力，適應高速、重載的運輸模式；作為重資產行業，如何掌握設備的劣化機理，提升設備的精細化管理水平，準確預判設備的維修時間和內容，大大降低設備的養護維修成本。在此背景下，智能鐵路的概念應運而生，全球范圍內對于智能鐵路的研究全面開啟。

對于智能鐵路的研究，中國走在世界前列。特別是近期的智能京張、智能京雄，將智能鐵路的研究應用引入新的階段。國外對于智能鐵路的研究，以歐、美、日為3大陣營，也取得了矚目的成績。

本文在總結智能鐵路國外研究進展的基礎上，對于智能鐵路的概念、目標、特征、內涵等進行了界定，剖析了智能鐵路的總體框架，提出了包含智能建造、智能裝備、智能運營在內的3大系統組成，規劃了智能鐵路技術支撐體系，介紹了智能鐵路研究成果在京張鐵路的最新實踐，最后對智能鐵路發展藍圖進行了展望。

1 國內外發展現狀

隨著人工智能、計算機及其相關技術的飛速發展，世界各國都開展了利用高新技術改造傳統鐵路運輸的研究，目的在于提高鐵路運輸效率、增強鐵路運營安全、提高服務質量、減少環境污染。

1.1 早期階段

國外對于智能鐵路的研究，以歐、美、日為3大陣營，在早期產生了智能鐵路3個最具代表性的成果，分別是日本、歐洲、美國的CyberRail、InteGRail以及Smarter Railroad，但研究側重點各不相同。

日本的CyberRail[11]通過強大的信息提供功能，實現鐵路運輸與其他運輸方式的無接縫、無障礙銜接和運輸。CyberRail根據乘客個人需求，實時向乘客推送定制化的旅行計劃和個人導航信息，同時還可幫助鐵路公司不斷優化運輸計劃，以滿足旅客的個性化需求和列車控制的高安全性。

歐洲的InteGRail[12]面向歐洲鐵路網的運輸一體化展開研究，主要研究歐盟范圍內的信息共享和資源一體化使用技術方案。通過建立集成共享信息系統，實現鐵路主要業務流程的協同一致，以達到更高效、更高速、更準時、更安全、資源優化使用的目標。

美國的Smarter Railroad[13]提出利用更全面的互聯互通、更透徹的感知和度量以及更深入的智能化，實現智能信息的網絡化，進而在整個鐵路系統、企業內部以及合作伙伴之間實現信息的互聯和共享。在此基礎上，感知和度量可幫助鐵路公司收集新信息，從而更好地監控運營，更主動地采取措施。此外，復雜信息的分析整合、數據建模，可將戰略或運營決策與新銳洞察相結合，利于鐵路系統提高服務質量、服務安全性、服務可靠性以及鐵路運營效率，并節約成本。

中國對于智能鐵路的研究起步較早，2000年成立了國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，對于智能鐵路的概念、定位，特別是體系框架進行研究。借鑒智能交通系統（Intelligent Traffic System，簡稱ITS）體系框架研究成果，結合中國鐵路具體情況，提出了中國智能鐵路的總體框架（RITS）[5-6]。

1.2 近期階段

進入新世紀的第2個10年，對于智能鐵路的研究出現了新的形勢及特點。

2013年，歐盟提出的Shift2Rail科技創新項目是歐盟第一個以市場為導向的科研項目，是歐盟《地平線2020》規劃（《2014—2020年研究和創新框架規劃》）資助的唯一鐵路項目[14]。該項目的目標在于實現歐洲鐵路一體化、增強歐洲鐵路的吸引力及競爭力、鞏固歐洲鐵路在全球市場的領導地位。為此，Shift2Rail劃分了5個創新項目（IPs，Innovation Programmes）：

IP1：高效可靠的大容量和高速列車；

IP2：先進的運輸管理和控制系統；

IP3：高質量、低投入的基礎設施以及智能維護系統；

IP4：有吸引力的鐵路服務的IT解決方案；IP5：可持續和有吸引力的歐洲貨運技術。

德國鐵路股份公司提出了鐵路4.0發展規劃，包括運輸4.0、基礎設施4.0、物流4.0、信號技術4.0、IT4.0、生產制造4.0、工作崗位4.0、技術創新4.0等[15]。具體內容包括：通過APP優化乘客路線設計、購票及換乘體驗；實現高效、快速的運行線規劃，提高線路使用效率；實現故障設施的自動診斷和自動報修，提高設備的可用性；向客戶提供個性化物流解決方案；實現智能化的機車和貨車，自動判斷下一次檢修的時間和內容等。

2015年法國國家鐵路公司推出數字化法鐵（DIGITALSNCF）項目，通過加強工業互聯網建設，構建連通列車、路網、站房3大區域的網絡，既實現企業對安全、生產效率、能源經濟、工作質量等的追求，又滿足旅客對準點率和舒適性的需求[16]。

近期，英國提出了數字時代下的鐵路發展藍圖[17]。該藍圖重點描述了當前英國鐵路面臨的3大挑戰及應對措施，主要包括：運用藍牙及生物識別技術替代傳統售票技術，設計新型列車座椅以增加車廂容載量，研發智能列車以加大發車頻率。

為加強鐵路系統內部的過程管理，鞏固鐵路系統市場份額，確保鐵路可持續發展，俄羅斯鐵路公司（RZD）于2013年制定了《2016—2020年全面創新發展計劃》，提出數字化鐵路的發展目標和任務，覆蓋范圍包括機車車輛和基礎設施檢測監測、運輸管理和列車控制等，包含了從企業運營到資產管理的所有工作內容[18]。

在中國，原鐵道部及改制后的鐵路總公司加大了科研課題的支持力度，對于智能鐵路發展戰略、體系架構、關鍵技術等開展深入研究[7-10]，大數據、物聯網、無人機、虛擬現實、機器人等技術都不同程度地在鐵路系統中得到應用。

2 智能鐵路概念及內涵

2.1 智能鐵路概念

智能鐵路是廣泛應用云計算、物聯網、大數據、人工智能、機器人、下一代通信、北斗衛星導航、BIM等新技術，通過對鐵路移動裝備、固定基礎設施及相關內外部環境信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策，高效綜合利用鐵路所有移動、固定、空間、時間和人力等資源，實現鐵路建設、運輸全過程、全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、更加經濟高效、更加溫馨舒適、更加方便快捷、更加節能環保的新一代鐵路運輸系統[19]。

2.2 智能鐵路目標

（1）更加安全可靠。通過鐵路固定設施、移動設備、運輸過程及自然環境等的狀態感知，實現設備故障、行車事故的預測、預警，突出超前防范，整體提升鐵路運行安全保障能力。

（2）更加經濟高效。通過鐵路運輸組織的智能優化，提高運輸效率；通過鐵路設備設施全壽命周期管理，實現“計劃修”向“狀態修”轉變，降低養護維修成本；通過鐵路經營管理精益化，提高經營效益。

（3）更加溫馨舒適。鐵路列車、車站采用大量人性化設計，為旅客提供全方位、全過程出行服務，滿足旅客多樣性和個性化服務要求，提高旅客出行體驗。

（4）更加方便快捷。通過鐵路貨運的網絡化，為貨主提供物流全流程的貨物跟蹤及查詢服務，實現運輸信息透明化。

（5）更加節能環保。優化列車動力結構和列車運行控制方式，實現各環節用電在線監測、智能分析和節能控制，降低鐵路能源消耗。優化建筑結構、設備性能，降低環境、噪聲污染，促進鐵路綠色發展和可持續發展。

2.3 智能鐵路特征

（1）全面感知。對鐵路運輸系統中移動設備、固定設施、自然環境、其他相關要素等進行全面透徹的信息感知。

（2）泛在互聯。各類信息進行廣泛、深度、安全可信的交互，實現信息共享。

（3）融合處理。充分利用不同時間、空間的多源、異構傳感器數據資源，解決數據不一致、不完整問題，為綜合決策提供充足的依據。

（4）主動學習。積累大量數據和知識，不斷迭代，適應鐵路外部市場和環境的變化。

（5）科學決策。基于大數據分析、知識推理等方法，從海量數據中提出決策信息，輔助運營管理和經營決策。

2.4 智能鐵路內涵

如果說工業化時代因能源驅動而使機器變得“四肢發達”，信息化時代因信息靈通而使機器變得“耳聰目明”，那么智能化時代將因智能技術的應用使機器變得“頭腦聰慧”。信息化強調的是信息的采集、傳輸、分析及應用，但信息的分析多停留在數值運算的層面。智能化強調的是思維、判斷、決策，上升到邏輯運算的層面。

從狹義上來講，智能鐵路指通過各種智能化技術的應用，最大化模擬、延伸和擴展人類智能，將這種機制盡可能地移植給人造設備及系統，從而將人類從鐵路運輸生產組織眾多復雜的思維、決策活動中解脫出來，實現整個運輸過程的自動化、智能化、便捷化。

同時，智能鐵路并不僅限于技術驅動，也體現在新思想、新理念的應用。從廣義上來講，凡是有助于提高鐵路運輸效率、提升安全保障能力、優化客戶服務質量的技術，都可稱之為智能鐵路技術。

3 智能鐵路總體架構及系統組成

3.1 智能鐵路總體架構

智能鐵路是一個復雜的系統工程，從整體上來看，由智能感知層、智能傳輸層、數據資源層、智能決策層、智能應用層等組成，如圖1所示。

（1）智能感知層是智能鐵路感知真實世界的觸手，也是融合物理世界和信息世界的紐帶。智能感知層的功能是識別物體，采集信息，即通過傳感網、物聯網等多種手段，自動化獲取鐵路行車狀態、設備健康狀況、自然環境條件等信息，全方位了解整個鐵路運輸系統的運行情況，為上層的精細化管理提供支撐。作為構建智能鐵路的基礎，智能感知層的采集方式多樣化及泛在化是其重要特征。信息采集設備主要包括傳感網、物聯網、GPS/BDS、綜合視頻、紅外監測等等。

（2）智能傳輸層是聯結智能鐵路各組成要素的紐帶。智能傳輸層的功能是將感知層采集到的信息，通過各種網絡技術進行匯集、整合，以供進一步的智能分析及利用。廣泛互聯、可靠傳遞是對智能傳輸層的基本訴求，需要各種有線、無線網絡與互聯網融合。經過多年的快速發展，移動通信、互聯網等技術趨于成熟，為智能鐵路提供了堅實的網絡基礎。智能傳輸層采用的主要技術包括鐵路信息網絡的IPV4/IPV6技術、Wi-Fi網絡、3G/4G網絡等。

（3）數據資源層是智能鐵路智慧產生的源泉，一切智慧及決策皆來源于數據。通過對采集到的鐵路內外部相關數據進行智能分析和處理，可分析、識別出隱含的有意義的信息，從而獲取對事物狀態及發展趨勢更深刻的認識，為決策判斷提供科學的依據。數據資源層從下到上分為兩個部分：最底層為數據服務平臺，主要提供基礎數據管理、數據集成、數據共享、大數據存儲與分析等能力；最上層為數據資源，全面整合鐵路戰略決策、運輸生產、經營開發、資源管理、建設管理、綜合協同、社會數據等領域的信息資源。

（4）智能決策層是智能鐵路的大腦，將數據資源層的各類數據，通過智能技術進行分析，將數據轉化為知識，并快速準確地提供報表、儀表盤、3D等可視化方式進行全局展示，輔助鐵路業務經營決策。智能決策層采用的主要技術包括大數據技術、機器學習技術、交互學習技術、可視化技術等。

（5）智能應用層充分體現了智能鐵路的能動性，對鐵路運輸系統進行控制、改造、優化。智能應用層是智能化與鐵路業務分工的深度融合，形成各業務領域的智能化子系統。基于智能決策層的分析結果，可提升運輸組織效率、提高安全保障能力、推動業務模式創新。根據智能鐵路豐富的內涵，智能應用層主要由智能建造、智能裝備、智能運營3部分組成。

3.2 智能鐵路系統組成

智能鐵路信息系統是智能鐵路的外延，是智能鐵路最終發揮效果、對外提供能力的載體。目前，我國智能鐵路信息系統涵蓋3個方面，智能建造、智能裝備和智能運營，致力于實現鐵路運輸全業務流程、全價值鏈條、全生命周期、全生態體系的整體智能化。

（1）智能建造

智能建造是以BIM+GIS技術為核心，綜合應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據等新一代信息技術，與先進的工程建造技術相融合，通過自動感知、智能診斷、協同互動、主動學習和智能決策等手段，進行工程設計及仿真、數字化工廠、精密測控、自動化安裝、動態監測等工程化應用，構建勘察、設計、施工、驗收、安質、監督全壽命可追溯的閉環體系，圍繞橋梁、隧道、路基、軌道及車站，實現建設過程中進度、質量、安全、投資的精細化和智能化管理，形成和諧共生的工程建設產業生態環境，使復雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設從信息化、數字化走向智能化。

（2）智能裝備

智能裝備包括智能移動裝備（動車組、機車）、智能基礎設施（工務、電務、供電）等。基于全方位態勢感知、自動駕駛、運行控制、故障診斷、故障預測與健康管理（PHM）等技術，實現鐵路移動裝備及基礎設施的自感知、自診斷、自決策、自適應、自修復；實現動車組、機車等移動裝備的自動及協同運行；構建新一代智能化牽引供電和通信體系，實現線路、通信信號、牽引供電等基礎設施全生命周期精細化管理及優化配置，保持基礎設施的最佳使用狀態。

（3）智能運營

智能運營包括智能調度、智能服務、智能車站、智能物流、智能運維、智能安全保障及智能經營。采用泛在感知、智能監測、虛擬現實、智能視頻、事故預測及智聯網等技術，實現運輸計劃的一體化編制和智能調整，全力打造列控與調度一體化體系，保障列車的自動安全準點運行。圍繞購票、進站、候車、乘車、出站等環節，為旅客提供自助化、精準化、個性化、智能化、國際化的“溫馨、便捷、安全、綠色”無障礙全過程出行服務。以客運車站設施設備及運營環境狀態感知、故障診斷、智能決策為基礎，實現車站設備智能化、車站服務多樣化、客運車站人員-設備-作業協同聯動，提高管理效率，提升服務質量，優化業務流程。通過對運輸、倉儲、裝卸、配送等物流全過程的有效整合，實現最優路徑規劃、貨物在途追蹤、物流倉儲配送及分揀自動化，為貨主提供物流全過程一站式服務，大幅提升運輸效率，降低物流成本。掌握基礎設施及移動裝備劣化機理及演變規律，實現預測性維修，提高養護維修效率，降低運維成本。通過鐵路固定設施、移動裝備、運輸過程及自然環境等的狀態感知，實現設備故障、行車事故的預測、預警，突出超前防范，整體提升鐵路運行安全保障能力。準確把握市場需求，科學開展客貨運產品設計及優化，實現運輸價格的動態化、售票組織的智能化、運輸收益的最大化，提升鐵路精細化經營管理水平、提高運營效率。

4 智能鐵路技術體系

科學技術的進步不斷促進鐵路行業的發展，智能鐵路更是一個技術密集型的概念。只有當科學技術發展到一定程度后，智能鐵路的理念才有可能得以實現。智能鐵路需要一整套技術進行支撐，這些技術大體上可以分為3類，如圖2所示。

4.1 智能鐵路通用技術

信息化是智能化的基礎和前提，智能化是信息化的高級階段和發展方向。智能鐵路首先需要基礎信息、數據處理技術的支撐，以實現最根本的數據采集、數據傳輸、數據處理等功能。從數據生命周期來看，通用技術又可以分為數據感知、傳輸、處理及應用等幾個環節。

4.2 智能處理技術

圖2 智能鐵路技術體系

智能鐵路的核心理念是最大化模擬、延伸和擴展人類智能，賦予機器思維、判斷、決策的能力，實現以上能力主要依靠智能處理技術。智能處理技術以人工智能理論為基礎，側重于信息處理的智能化，既包括傳統的知識工程、智能規劃等技術，也包括新興的混合增強智能、量子智能計算等技術。智能處理技術是實現鐵路大腦的核心支撐。2017年，國家發布《新一代人工智能發展規劃》，全面布局人工智能技術研究及發展，為智能鐵路建設提供了強有力的技術支撐。

4.3 智能鐵路專用技術

鐵路是一個多學科、跨領域的復雜系統，涉及工務工程、牽引供電、通信信號、移動裝備、運輸組織、客貨服務、設備維修、安全保障等各個方面。建設智能鐵路，需要在鐵路既有各領域實現技術的突破及創新，包括機器人建造技術、鐵路BIM技術、智能動車組技術、自動駕駛技術、智能牽引供電技術、行車安全預警技術、運行圖編制理論、智能調度技術、智能運維技術及全面電子客票技術等。

通過以上技術的綜合應用、集成創新，最終實現智能鐵路的整體目標。

5 智能鐵路發展

近年來，隨著智能鐵路研究的深入及技術的成熟，中國智能鐵路建設逐漸進入實質性階段。京張高鐵、京雄高鐵、福廈高鐵、蒙華鐵路以及珠三角城際鐵路，都成為智能鐵路建設的前沿。

5.1 智能京張定位

2016年4月，京張高鐵全線開工。中國鐵路總公司提出打造“精品工程、智能京張”的戰略舉措，京張高鐵將集中國高鐵建設運營技術和管理水平之大成，全面展示我國智能鐵路創新發展的最新成果，是中國高鐵從世界先進水平向世界領先水平邁進的標志性工程。

智能京張，就是采用云計算、物聯網、大數據、人工智能、移動互聯網、BIM等先進技術，通過信息的全面感知、安全傳輸、融合處理和科學決策，打造智能車站、智能列車、智能線路，實現旅客智能出行、鐵路智能運輸，把京張高鐵建設成為精品與智能深度融合、硬件與軟件相得益彰的典范之作，全面提升安全生產、運營管理、客運服務的現代化水平。

5.2 智能京張技術創新

（1）在工程建設方面，京張高鐵在全球首次全線采用BIM技術。從原材管理、鋼筋加工、混凝土拌制、運輸養護，到內業資料整理，實現全生命周期智能化、信息化管理。利用BIM可視化技術，通過監控系統對接盾構機導向系統，可精準實時查看盾構機姿態，根據姿態顯示及時糾正盾構機掘進參數，確保隧道施工達到精度要求；同時可以及時了解隧道掘進進度，當進度滯后時能夠及時修正方案，做出調整。

（2）在動車組方面，以現有“復興號”CR400BF型動車組為基礎，在智能化、安全舒適、綠色環保、綜合節能等方面全面升級，實現工作狀態自感知、運行故障自診斷、導向安全自決策等功能。京張高鐵智能動車組將首次采用我國自主研發的北斗衛星導航系統，實現350 km/h的自動駕駛，在高鐵應用歷史上屬世界首例。同時，車上還配有滑雪板存放處，并開設了世界上最獨特的移動新聞中心——媒體車廂，媒體車廂將實現高速互聯網覆蓋，實現奧運賽事直播。

（3）在供電系統方面，配備由智能供電設備、智能供電調度、智能供電運行管理及通信網絡組成的智能供電系統，實現智能故障診斷、預警、自愈重構等功能，形成供電系統健康評估體系。

（4）在調度指揮方面，構建基于人工智能的高速鐵路智能調度指揮系統，實現智能動態調度、智能協同控制、智能換乘調度、智能故障診斷等功能，達到路網整體列車調度效率最優，提升系統應急決策和處置能力，提高運營效率和旅客滿意度。

（5）在旅客服務方面，全面完善12306網站及自助服務設施；支持多國語言國外銀行卡支付；拓展票種形式（定期票、聯程票、常旅客票等）；實現全面電子客票、一證通行、刷臉進站及檢票；提供行程規劃及資訊服務，以及站車WiFi全覆蓋、站內導航服務；配備行李搬運機器人，并提供個性化及無障礙服務等。

（6）在車站方面，提供智能引導、自助服務設施，實現基于非法侵入識別、人流聚集與擴散異常檢測、環境監測與調節的車站運營智能感知。車站環境舒適性監控系統、能源管控系統等將保證車站的高效運轉，實現車站設備智能監控與管理，并配備垃圾密閉式氣力輸送等節能環保措施。

（7）在運營維護方面，應用大數據、深度學習、故障預測與健康管理（PHM）、增強現實等先進技術，實現技術裝備的全過程管理，提高動車組等技術裝備維修的智能化水平，降低裝備的全生命周期成本，提高運輸效率和安全水平。

（8）在自然災害防護方面，能夠對風級、雨量、雪深等自然環境自動監測與報警，實現快速應急處置。還能實現地震預警及自動應急處置，并對沿線非法侵入自動報警防范等。

京張智能高鐵是我國智能鐵路最新成果的首次集成化應用，在列車自動駕駛、智能調度指揮、故障智能診斷、建筑信息模型、北斗衛星導航、生物特征識別等方面實現重大突破。智能京張的建設，開啟了中國智能鐵路建設的新篇章，使百年京張鐵路重新煥發了生機，具有劃時代的重要意義。

6 中國智能鐵路發展展望

智能鐵路是中國鐵路發展的方向。未來20年，中國將釋放出巨大的社會經濟需求，這將為智能鐵路發展創造千載難逢的機遇和得天獨厚的條件。結合鐵路實際業務需求和技術發展趨勢，形成智能鐵路發展藍圖，保障智能鐵路發展的有序推進可分為以下3個階段：

（1）2018—2020年，完成智能京張、智能京雄高鐵示范工程建設，構建智能鐵路技術標準體系，初步形成智能鐵路應用格局。

（2）2021—2025年，突破基于BIM的智能建造標準體系、自學習及自適應的譜系化智能動車組、全面感知的列車無人駕駛（DTO）、面向多種交通方式的智能綜合協同指揮、旅客無障礙出行服務體系等重大智能鐵路理論與技術，全面掌握從設計、建造到運營的全產業鏈技術。

（3）2026—2035年，智能鐵路應用由輔助協同向自主操控升級，智能建造技術廣泛應用，研發自修復型智能動車組，探索全自動無人駕駛（UTO），突破極端復雜情況下高鐵智能容錯理論與技術，構建基于量子、區塊鏈等新技術的智能安全體系，實現鐵路運營全面自主操控、無人化。

7 結束語

本文在概括國外智能鐵路現狀及發展趨勢的基礎上，給出了智能鐵路概念及內涵，明確了智能鐵路目標及發展方向，設計了智能鐵路總體架構及組成系統，構建了智能鐵路技術體系。通過對智能鐵路的深入研究，依托京張、京雄、蒙華等多條新線建設，使智能鐵路研究成果得以驗證、轉化、落地、推廣，使其切實服務于廣大人民群眾，成為鐵路持續發展的核心支撐，從而引領工程科技創新，產生巨大的經濟及社會效益。