面向京張高鐵的智能化服務總體應用框架設計

劉 軍，馬小寧，李 平，閻志遠，李國華

（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）

北京2022年冬奧會和冬殘奧會（簡稱：冬奧會）是推動我國奧林匹克運動深入發展、展示中國高速鐵路綜合水平[1-3]的重要機遇。北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）是目前我國數字化、信息化、智能化水平最高的鐵路[4-6]，也是北京冬奧會的重要交通基礎設施之一，將為北京、延慶、張家口3地賽區提供一流的高品質、高安全性、高科技含量的冬奧會交通服務。為順利召開北京冬奧會、打造中國高鐵運營示范線、彰顯中國文化和推進鐵路大數據應用建設[7-8]，由中國鐵道科學研究院集團有限公司牽頭，組織多家單位開展了“京張高鐵智能化服務關鍵技術與示范”項目的研究。

針對多國政要、運動員、媒體、觀眾在冬奧會期間的出行需求，面對乘客需求多元、語言體系多樣、安全要素復雜等條件下的京張高鐵智能化服務相關問題，本文介紹該項目的研究目標和研究內容，闡述項目的體系架構，從數據層、平臺層和應用層等方面，聯合攻關面向冬奧會的京張高鐵智能票務、智能站車旅服、復興號奧運智能動車組、隧道與地下車站智能分析和控制、運營安全保障等關鍵技術，對提升京張高鐵智能化水平、保障京張高鐵運營安全具有重要意義。

1 研究目標和研究內容

1.1 研究目標

圍繞北京冬奧會國際化、多元化、定制化出行需求和特點，研究京張高鐵智能化服務系列關鍵技術問題，研發面向冬奧會的多語言售票軟件系統、基于5G技術的列車多媒體冬奧會信息服務系統、融合冬奧會特色的車站智能服務系統，提出動車組冬奧會定制化、智能化提升方案，研制確保冬奧會出行安全、集成多專業數據集的大數據平臺，開發基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺，設計蘊含冬奧會主題與中國文化的標志識別元素，為北京冬奧會智能出行、智慧觀賽等提供一流的高鐵運輸保障。

1.2 研究內容

1.2.1 面向冬奧會的京張高鐵智能票務關鍵技術

圍繞跨區域冬奧會場景下的京張高鐵多模態票務服務關鍵技術問題，研究基于京張高鐵冬奧會出行鏈識別的票制和服務協同技術，構建京張高鐵冬奧會國際化售票服務保障技術體系，攻克京張高鐵多元票制驗/檢票服務和雙語智能票務技術，研制中英文自動售票機和多語言售票應用軟件（App）原型系統，開展智能票務應用示范。

1.2.2 面向冬奧會的京張高鐵智能站車旅服技術

圍繞面向冬奧會的站車一體化協同旅客服務（簡稱：旅服）關鍵技術問題，搭建全面融合應用5G技術的京張高鐵旅服信息支撐平臺，構建基于5G技術的列車多媒體冬奧會信息服務系統，研究京張高鐵旅客全行程智慧信息服務技術，提出站車應急處置方案自動生成模型與任務下發機制，攻克高鐵人員異常行為感知與預警技術，研發站臺門中央控制系統，開展智能站車旅服應用示范。

1.2.3 復興號奧運智能動車組改造關鍵技術

圍繞面向冬奧會需求的復雜困難線路工況下動車組安全運行關鍵技術問題，研究動車組車載旅服系統裝車改造、車體輕量化設計、司機登車門布置和冬奧會服務設施優化等技術，開展高寒防冰雪及低阻力耦合技術、長大坡道困難工況下運行技術的研究，滿足在困難工況下可靠啟動及安全停放的要求，開展京張奧運智能動車組應用示范。

1.2.4 基于時空大數據分析的京張高鐵運營安全保障關鍵技術

圍繞復雜環境的高鐵運營安全影響因素識別和分析關鍵技術問題，開展高鐵運營安全風險預警基礎理論研究，揭示復雜時空多因素耦合條件下“站—車—線”安全協同的機理，構建基于大數據的京張高鐵運營安全保障體系，研究基于深度學習的周界入侵、外部環境安全分析、軌道—接觸網的安全關聯分析、運營安全綜合預警、全要素時空可視化等關鍵技術，研發京張高鐵安全大數據平臺，開展京張高鐵運營安全大數據應用示范。

1.2.5 面向全生命周期的京張高鐵隧道與地下車站智能展示和控制技術

圍繞京張高鐵深埋站隧復雜空間虛擬交互導引和融合展示這一關鍵技術問題，研究基于BIM的全生命周期京張高鐵數字資產構建技術；攻克冬奧會設施設備平賽感知協調、地下空間疏散模擬及虛擬交互導引技術；構建面向冬奧會觀賽不同應用場景下的模型流式傳輸、批量加載與顯示優化框架，研究基于3D GIS、BIM與虛擬現實/增強現實/混合現實（VR/AR/MR）的多源數據、多技術、多終端融合展示技術；研發基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺，開展京張高鐵隧道與地下車站控制應用示范。

1.2.6 面向冬奧會的京張高鐵配套視覺全方案設計技術

圍繞冬奧會主題生成的京張高鐵視覺傳達與展示設計這一關鍵技術，針對人文冬奧與中國文化展示需求，建立檢索與應用展示，融合展示京張高鐵文化、中國文化、科技成就；研究設計美學與京張高鐵文化的對應機制，結合冬奧會特征建設京張高鐵專屬標志識別系統和京張高鐵導視符號系統；提出契合冬奧會整體視覺形象設計標準的京張高鐵車站空間、列車涂裝與列車空間整體創意設計技術方案，開展京張高鐵視覺應用示范。

2 總體架構

京張高鐵智能化服務是一個復雜、綜合的系統工程，主要涉及智能票務、智能旅服、智能動車組、智能安全、智能BIM和人文冬奧等，京張高鐵智能化服務總體應用框架主要包括數據層、平臺層和應用層。如圖1所示。

圖1 京張高鐵智能化服務總體架構

2.1 數據層

京張高鐵智能化服務數據包括12306互聯網售票系統（簡稱：12306）購票數據、站車旅服數據、動車組基本信息和運維數據、鐵路沿線安全數據、車站和隧道BIM及控制信息、京張文化元素等。

2.2 平臺層

提供數據集成、數據清洗、數據存儲、數據分析、數據共享、數據可視化等一站式數據管控平臺，通過匯集和融合京張高鐵票務、旅服、動車、安全、BIM等數據，形成票務主題域、旅服主題域、動車主題域、安全主題域、BIM主題域、綜合主題域，以支撐智能化服務的不同應用。

2.3 應用層

2.3.1 智能票務

主要包括基于京張高鐵冬奧會全行程出行鏈識別的票制協同研究、雙語場景下的京張高鐵購票體驗與交互協作優化研究、京張高鐵全時區國際化售票需求與服務能力匹配研究、面向冬奧會的京張高鐵票務運營保障技術研究、基于冬奧會旅客出行服務數據模型的售票隱私保護技術研究、基于深度學習的冬奧會旅客驗/檢票人像識別技術研究、基于深度學習的多語言智能票務客服技術研究和面向冬奧會的京張高鐵智能票務應用示范。

2.3.2 智能旅服

主要包括智能站車旅服環境演化與生產要素協同機理、面向冬奧會的客運集中管控平臺適配提升、面向冬奧會的站車一體化旅服系統、京張高鐵旅客全行程智慧信息服務技術、京張高鐵人員異常行為感知與預警技術、京張高鐵站車應急處置智能決策與協同聯動機制，以及站臺門智能協同聯動與自適應控制技術。

2.3.3 智能動車組

主要包括動車組頂層指標及整車試驗驗證技術、冬奧會定制化服務設施及輕量化技術、高寒防冰雪及低阻力技術、長大坡道困難工況下運行技術、長大坡道困難工況下制動技術、基于故障預測與健康管理的智能運維技術。

2.3.4 智能安全

主要包括京張高鐵運營安全風險預警理論、基于深度學習的京張高鐵周界入侵圖像智能分析技術、基于深度學習的京張高鐵外部環境遙感影像智能分析技術、基于動態時空檢測數據的軌道—接觸網安全狀態智能診斷技術、基于設備—人員畫像技術的“人—車—物—環—管”多因素安全綜合預警分析技術、京張高鐵全域運營安全要素時空模態表達與安全態勢關聯分析技術，以及京張高鐵運營安全數據采集、存儲、共享和分析技術及應用示范。

2.3.5 智能BIM

主要包括面向全生命周期的高鐵站隧信息模型一致性表達與構建關鍵技術研究、面向冬奧會的站內流動性設施設備空間位置感知識別和動態融合關鍵技術研究、大型復雜地下車站多元動態人群疏散模擬演練關鍵技術研究、隧道及地下車站復雜空間虛擬交互導引關鍵技術研究、基于BIM+GIS+VR/AR/MR的智能展示關鍵技術研究、基于BIM的京張高鐵隧道與地下車站全生命周期平臺研發及應用示范。

2.3.6 人文冬奧

主要包括基于中國文化內涵的京張高鐵文化數據庫關鍵技術、京張高鐵視覺識別系統和導視系統關鍵技術、京張高鐵車站空間與車廂空間視覺設計技術、京張高鐵視覺展示示范。

3 創新點

3.1 智能票務方面

提出適應冬奧會場景的多元票制，建立京張高鐵冬奧會旅客票務模型，攻克雙語場景下的京張高鐵購票體驗與交互協作優化、全時區國際化售票需求與服務能力匹配系列技術，解決基于深度學習的冬奧會旅客驗/檢票人像識別和雙語智能票務客服等技術難題，實現跨區域賽事人群多元出行需求與高鐵多模態票務協同，提升票務國際化和智能化水平。

3.2 智能旅服方面

揭示面向冬奧會的旅客站車服務環境演化和生產要素協同機理，研究基于5G技術的列車多媒體服務關鍵技術，構建旅服與生產管控體系架構，攻克人群異常行為智能識別技術，創建站車應急處置方案自動生成模型，實現京張高鐵車站運營環境中生產要素隨時間和空間變化趨勢的預測推演，從而更好地保障旅客出行安全，提高旅客出行質量。

3.3 智能動車組方面

構建動車組奧運服務定制化設施與困難線路適應性的頂層技術架構，攻克困難復雜多變線路條件下的冰雪與阻力耦合設計優化、多輸入條件運行模擬評估及健康管理等關鍵技術，實現冬奧會動車組服務、運行、測試、維保等一體化的定制優化，解決京張高鐵沿線特定運行工況下的定制化服務和運行安全評估問題。

3.4 智能運營安全方面

針對京張高鐵“安全要求高、安全因素多”復雜運營環境，研究復雜時空多因素耦合條件下“站—車—線”安全協同的機理，構建京張高鐵運營安全保障技術體系，攻克基于多源信息融合的京張高鐵周界入侵、外部環境安全遙感影像等識別技術，以及軌道—接觸網安全狀態智能診斷技術和“人—車—物—環—管”安全綜合分析技術，實現京張高鐵運營安全數據匯集、跨專業安全大數據分析和精準安全管控，保障冬奧會期間京張高鐵運營安全。

3.5 智能BIM方面

提出基于BIM的全生命周期京張高鐵信息模型一致性表達與數字資產構建技術體系，攻克基于機器視覺冬奧會設施設備平賽感知協調、地下空間疏散模擬及虛用擬交互導引技術，以及應用BIM、GIS、VR/AR/MR的多主題融合展示技術，豐富冬奧會旅客虛擬交互體驗。

3.6 冬奧文化展示方面

探索設計美學與高鐵文化、冬奧會文化、地方文化的融合機理，建立蘊涵京張高鐵文化和冬奧會特色的多層級文化元素設計庫。構建面向冬奧會的京張高鐵配套視覺設計體系，提出便于旅客和工作人員尋路的流線導視符號系統，制定面向冬奧會的京張高鐵專屬標志識別系統，提出融合冬奧會元素及京張文化的高鐵車站、車廂空間及不同使用場景的視覺設計方案。

4 成果應用

京張高鐵智能化服務項目的一系列成果可為冬奧會旅客提供便捷、舒適、安全的京張高鐵智能出行服務，在關鍵技術、設計方案、系統平臺及應用示范等方面形成了一批高水平、標志性成果。將開展智能票務、智能旅服、智能動車組、智能安全、智能BIM和人文冬奧等方面的應用示范，不僅為北京冬奧會智能出行、智慧觀賽等提供一流的高鐵交通保障，還可促進冬奧會交通產業向科技引領、產業創新和綠色節能方向發展，為鐵路運輸行業發展提供持久動力。

該項目將開展我國高鐵智能化服務示范，為新一輪高鐵產業增長提供技術動力，提升中國高鐵海外市場競爭力，帶動相關領域的技術和經濟發展。同時，也將滿足北京冬奧會國際化出行需求，支撐京張高鐵全方位運營安全，提升公眾的高鐵出行、奧運文化體驗，全方位展示中國高鐵建造、裝備、運營智能化水平和科技成就，進一步提高中國高鐵在全球的品牌地位，助力“一帶一路”倡議的實施。

5 結束語

本文介紹了京張高鐵智能化服務關鍵技術及示范項目的研究目標、研究內容和總體架構，分析了面向冬奧會的京張高鐵智能票務關鍵技術、京張高鐵智能站車旅服技術、復興號奧運智能動車組改造關鍵技術、面向全生命周期的京張高鐵隧道與地下車站智能展示和控制技術、基于時空大數據的京張高鐵運營安全大數據關鍵技術、基于冬奧會主題生成的京張高鐵視覺傳達與展示設計技術，提練了面向智能出行、運營安全、人文冬奧等方面的創新點。

京張高鐵智能化服務有利于支撐北京冬奧會順利召開、提升客運服務水平、保障鐵路運輸安全、彰顯中國文化。京張高鐵智能化建設工程獲得了大批原創的、具有自主知識產權的科技成果，已成為中國鐵路信息化建設的標桿工程。