境外鐵路項目智能化系統方案研究

于行健，鄭金子，曹鴻飛，婁 昆

（1. 中國鐵路設計集團有限公司 電化電信院，天津 300251；2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

信息技術和智能化技術已經成為當今社會經濟發展的重要驅動力，智能化水平已經成為衡量國家整體實力的一項關鍵指標，對社會經濟發展產生著重大影響。

在“交通強國，鐵路先行”戰略方針的指引下，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）正著力建設國內智能鐵路[1]，以構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的現代化綜合交通體系。

智能鐵路廣泛應用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、北斗導航、BIM等新技術，通過對鐵路移動裝備、固定基礎設施及內外部環境信息的全面感知、泛在互聯和融合處理，高效利用鐵路所有移動裝備、固定設施、人力資源，實現鐵路建設與運營全過程的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的新一代鐵路運輸系統[2]。

當前，境外鐵路項目已經成為實施中國鐵路產業“走出去”戰略和服務國家“一帶一路”行動計劃的重要途徑。如何將智能鐵路的概念推廣到境外鐵路項目、提高境外鐵路建設水平是中國鐵路當前亟需深入研究的一個現實問題。為此，根據相關國家境外鐵路運營特點，結合智能鐵路的發展趨勢，研究適用于境外鐵路項目的智能化系統方案。

1 國內鐵路智能化現狀

目前，國內鐵路智能化主要在京張高速鐵路（北京—張家口）、京沈客運專線（北京—沈陽）和京雄城際鐵路（北京—雄安）等項目中試點實施。

1.1 京張高速鐵路

作為我國首條智能化高速鐵路，京張高速鐵路首次采用北斗衛星導航系統，實現到點自動開車、區間自動運行、到站自動停車。此外，該鐵路還采用了一證通行、刷臉進站等人性化、智能化的旅客服務新技術。

1.2 京沈客運專線

國鐵集團在京沈客運專線的沈陽西—朝陽區段組織開展自主化智能鐵路綜合試驗，涉及CTCS3+ATO列控系統、智能牽引供電系統、新型簡統化接觸網、智能CTC系統、BIM技術、北斗技術等28項科學試驗，對高速鐵路智能關鍵技術進行驗證，以提升高速鐵路技術裝備的自主化水平，掌握高速鐵路裝備關鍵核心技術，進一步完善和優化高速鐵路技術標準規范。

1.3 京雄城際鐵路

京雄城際鐵路是國鐵集團為服務國家級新區而建設的“智能鐵路、精品工程”，以打造首條全生命周期數字孿生鐵路為目標，以元數據、BIM數據為核心，以BIM+GIS技術為基礎數據載體，實現鐵路設計施工方案的數據化和建設全過程的信息化管理，開創了鐵路智能建造的新模式。

2 境外鐵路項目的特點

（1）建造過程可視化展示需求較為強烈

與國內鐵路項目相比，境外鐵路項目所在國家普遍缺乏大規模鐵路建設的經驗，當地鐵路項目的管理機構對鐵路建設缺乏較為全面和深入的理解，因而對鐵路建造過程的可視化展示抱有濃厚興趣。鐵路建造全過程的可視化展示將幫助當地鐵路項目建設管理機構把握和管理項目的進展情況，有益于雙方建立互信和保持良好的溝通。

（2）鐵路運營安全保障技術水平相對滯后

除了日本、德國、瑞士等少數鐵路技術發達國家以外，國外鐵路電氣化、信息化發展水平相對滯后，大多數境外鐵路的安全監測主要依賴人工檢查，較少應用自動化檢測監測手段。因此，境外鐵路運營相關方大多對鐵路自動化檢測監測技術的應用有著濃厚的興趣。

（3）適于實施運維管理一體化

國鐵集團當前所承接的大部分境外鐵路項目是新建鐵路，且多為所在國家的第一條鐵路項目（尤其是高速鐵路項目），或是獨立運營的鐵路項目。相對于國內鐵路，境外鐵路項目的運維管理不受垂直化專業分工的傳統限制，更適于實施多專業運營維護一體化[3]。

3 境外鐵路項目智能化方案

結合國內鐵路智能化建設經驗和境外鐵路項目特點，針對境外鐵路在建造、安全監測和運維管理3個方面的要求，構建依托數據中心、涵蓋建造智能化、裝備智能化、運維智能化的境外鐵路項目智能化方案[4-5]，涉及數字化協同設計、數字化施工、鐵路建設信息管理、通信信號、檢測監測、養護維修、運輸組織、智能管理、客運服務等主要內容，如圖1所示。

3.1 建造智能化

圖1 境外鐵路智能化方案構成

建造智能化著眼于境外鐵路項目從設計到施工交付的全過程的可視化、智能化管理與建造，涵蓋數字化協同設計、數字化施工和鐵路建設信息管理3個方面[6]，主要包括11項智能化應用和服務，如圖2所示。

圖2 境外鐵路項目建造智能化

3.1.1 數字化協同設計

基于統一數字化平臺，通過鐵路工程BIM協同設計，在嚴格遵循工程設計流程的基礎上，提高設計圖紙和文件質量，減少工程設計差錯，為建設階段的數字化施工和信息化管理以及運營階段的智能化運維提供標準化基礎數據。

3.1.2 數字化施工

基于高帶寬的移動數據傳輸手段，并利用BIM和GIS等技術，實現基于現場及設備的3D模型可視化施工方案設計、施工管理和施工問題回溯，利用諸如橋梁預制和樁基施工信息管理、梁場全過程質量管控等自動化技術，實現鐵路施工過程可視化和數字化。

3.1.3 鐵路建設信息管理

基于航測遙感技術、3D建模技術、虛擬現實技術、3D GIS數據集成等技術，實現工程進度、投資、質量、安全等信息融合，在3D GIS平臺中實現技術交底、虛擬施工、施工進度等管理與展示，提高鐵路工程建設管理的信息化水平。

3.2 鐵路裝備智能化

依托大數據分析、北斗定位等技術，利用各類能智能化和信息化監測檢測設備來保證鐵路沿線的運營安全[7]，主要包括基礎設施動態檢測監測、列車運行控制、智能牽引供電、智能通信監測、能源管理、綜合檢測與監測6類鐵路裝備，涉及19項智能化措施和服務，如圖3所示。

圖3 鐵路裝備智能化

3.2.1 列車運行控制系統

根據列車的運行條件和線路實際情況，對列車運行速度和制動方式等進行監督、控制和調整，實現列車自動防護功能，包括防止列車沒有行車許可運行，防止列車超速運行，防止列車溜逸，以及防滑、防空轉功能。

3.2.2 智能牽引供電系統

通過接觸網簡化、接觸網6C系統和智能變電所等手段，采用一體化構型、力學監測、非接觸式探測、新型通信和信息化采樣等技術，實現接觸網結構主體設計和施工流程的簡化、接觸網張力、振動等關鍵參數的實時監控，以及牽引系統所亭的智能化監測和信息的實時共享。

3.2.3 智能通信監測系統

主要包含鐵塔監測、漏纜監測、光纜監測、電源環境監控、視頻監控和綜合網絡管理等，通過設備在線監測、在線故障定位及5G傳輸等技術，實現各種檢測數據的快速收集、反饋及響應，提升對鐵路沿線通信設備的智能化監測。

3.2.4 基礎設施動態監測設備

基于多類型傳感器探測技術，通過測量機器人、北斗系統、高精度位移計等手段對軌道、輪軌力、接觸網、通信、信號等基礎設施進行動態檢測，能夠實時檢測、精確定位，提高鐵路基礎設施檢測效率，指導現場養護維修，確保列車運營安全。

3.2.5 能源管理

利用智能電力抄表及能耗監控等手段，實現對水、電、熱、氣等能耗狀況的實時監測、數據長期保存及趨勢分析，通過大數據運算分析，提供異常能耗報告和改進建議；可對機電設備自動節能控制的動作條件建模分析，使其實現智能控制；提供能耗匯總和趨勢分析報告，支持節能管理部門改進管理。

3.2.6 綜合檢測與監測

基于航空、無人機等多源數據獲取和數據處理技術，通過衛星、無人機、現場氣象監測設備、地震監測設備、異物及周界監測設備等多種監測方式，實現建筑物結構、沿線環境和各類自然災害的實時監測與檢測，確保鐵路運營安全。

3.3 運維智能化

依托北斗定位、5G傳輸、大數據分析等技術，對多專業運維工作進行統一管理，實現各鐵路項目的集成化運維，主要包括智能運營調度、設備設施運維一體化、智能車站、智能票務，如圖4所示。

圖4 運維智能化

3.3.1 智能運營調度

設置CTC、供電調度（PSCADA）和運輸調度管理系統（TDMS）等[8]，具備計劃編制、運行管理、車輛管理、供電管理、客運調度等功能，實現調度統一指揮，實現運力資源的高效利用。

3.3.2 設備設施運維一體化

設置維修管理信息系統，集中存儲鐵路設備設施運維相關信息，實現運維信息共享，對鐵路設備設施及其檢查、維修作業進行一體化管理[9-10]，為經濟、有效的設備設施養護維修提供技術支撐，保障鐵路安全、穩定、高效運行。

3.3.3 智能車站

設置旅客服務、客運管理、客設管理、應急指揮等應用系統，采用二級應用部署架構；中心級部署中心級智能車站中心大腦，提供全路車站運營信息查詢、狀態展示及輔助決策等功能，并從多維度形成分析報告，支撐車站的智能化應用；供所轄車站的運營信息查詢、狀態展示及輔助決策等功能。

在車站配置必要的接口和邊緣計算服務器，提供作業—人員—設備一體化協同的客運管理、調度指揮、生產作業、設備運維功能，對旅客服務設備提供后臺數據和服務支撐。

3.3.4 智能票務

智能票務系統可通過互聯網、電子支付及非接觸式身份識別等手段，鐵路旅客提供智能化、電子化、網絡化的購票、檢票。

智能票務系統一般采用中心級和車站級二級架構。中心級部署核心業務中央系統和前端業務系統，主要完成業務組織與維護、席位統籌管理、統計分析、系統監控等功能，完成各種業務功能的后臺處理；車站僅設置業務終端，完成售票、退票、補票、檢票等相關業務的辦理及財務結賬等功能。

4 系統架構

4.1 總體架構

綜合考慮境外鐵路項目對建設過程可視化管理、鐵路運營安全檢測監測和集成化運維的需求，按照分層設計的思想，提出如圖5所示的適用于境外鐵路的智能化系統總體架構，包括感知層、基礎平臺層、數據資源層和應用層。

（1）感知層：主要為建造智能化、裝備智能化、運營智能化的整體過程提供各類數據探測服務；通過各類傳感設備采集地震監測數據、風雨及異物侵限監測數據、基礎設施綜合檢測數據、電務設備監測數據等，將這些數據傳輸給數據中心的數據服務平臺。

（2）基礎平臺層：包括基礎設施云平臺、數據服務平臺和AI平臺，統一為各業務系統提供大數據、地理信息、主數據、AI算法及基礎設施云服務等，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供數據及管理平臺服務。

圖5 境外鐵路項目智能化系統架構

（3）數據資源層：面向工程建造、移動裝備、基礎設施運維、運營服務等業務領域，構建結構化數據集和非結構化數據集，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供各類數據的匯總、清洗及分析服務。

（4）應用層：為各類建造、管理、運維人員提供建造智能化、裝備智能化、運營智能化的實際應用，主要包括BIM設計交付、動車組管理信息系統、綜合檢測監測系統、智能票務系統、智能車站系統、運輸調度系統、工電供運維一體化系統等應用。

4.2 數據架構

境外鐵路智能化系統的數據架構主要包括工程建設數據、移動裝備數據和運輸生產數據3個方面，采用各種數據分析方法，為建造智能化、裝備智能化、運營智能化提供數據支持。

為充分發揮大數據、云平臺和人工智能等技術的優勢，建設系統數據中心，集中存儲數據；按照數據標準和數據模型，對上傳至數據中心的各類數據進行清洗和融合。數據中心對結構化和非結構化分類存儲，利用數據倉庫軟件對不同類型數據進行管理。

大數據云平臺將利用深度學習和數據挖掘等技術手段，通過數據分析，獲取旅客行為、維修養護、工程建造等方面的潛在問題，為鐵路運營管理人員提供有針對性的定制化服務，如圖6所示。

4.3 數據中心設計框架

圖6 境外鐵路項目智能化系統數據架構

數據中心為各業務系統的統一部署提供共用資源，將傳統架構下中心級、車站級資源云化，使系統層級扁平化，簡化數據業務處理流程，實現資源有效利用，支持系統運維集中化管理。

利用服務器虛擬化、存儲虛擬化和云計算管理等技術，構建易于管理、動態高效、靈活擴展、穩定可靠、按需使用的云計算模式的數據中心，滿足資源虛擬化、彈性計算、高等級安全、跨地理位置分布、數據一致性等要求，為各業務系統智能聯動、大數據分析等應用提供基礎平臺支撐。

數據中心在基于云計算平臺架構開展設計，分為IaaS層、PaaS層和SaaS層：

（1）IaaS層提供基礎資源保障，包括計算資源、存儲資源與網絡資源，提供虛擬化管理平臺，對虛擬化資源池集中化統一管理；

（2）PaaS層實現資源動態調配、微服務開發框架，部署關系型數據庫、中間件，融合大數據平臺、AI服務平臺、時空信息服務平臺等，為云平臺體系架構提供靈活的資源調度；

（3）SaaS層為鐵路系統及外部互聯單位提供軟件訂閱以及其它增值服務，方便鐵路相關各方進行日常的運營管理及維護。

5 結束語

概述國內鐵路智能化現狀，分析境外鐵路項目的境外鐵路建設與運營維護管理的要求和特點，提出涵蓋建造智能化、裝備智能化、運營智能化的境外鐵路項目智能化系統方案，在規劃層面突破以往分子系統獨立設計的限制，設置數據中心，為各類業務系統的統一部署提供共用資源，將傳統架構下中心級、車站級資源云化，使系統層級扁平化，簡化數據業務處理流程，實現資源有效利用，支持系統運維集中化管理，可為境外鐵路項目的建設和運維提供參考。