基于CPS理論的智能鐵路大腦平臺總體架構(gòu)設(shè)計與實踐

李 平，欒 中，曹鴻飛

（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）

數(shù)字化、智能化、可持續(xù)化已成為全球鐵路未來發(fā)展的重要方向，世界多國都在積極推動大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)與鐵路業(yè)務(wù)的深度融合[1-3]，列車自動駕駛、車地通信、移動閉塞、預(yù)測性運維、智能調(diào)度、門到門服務(wù)等成為新的競爭熱點。中國國家鐵路集團有限公司依托北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）、北京—雄安城際鐵路（簡稱：京雄城際）等重大工程，在建設(shè)期間開展了智能建造[4]、智能裝備[5]、智能運營[6]領(lǐng)域的創(chuàng)新實踐，制定了智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0，開啟了智能鐵路建設(shè)的新篇章[7]。未來隨著智能鐵路技術(shù)應(yīng)用在更大范圍、更深層次的不斷推進，由面向單個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的單體/單系統(tǒng)智能，轉(zhuǎn)為面向全鐵路網(wǎng)的大系統(tǒng)智能將成為重要挑戰(zhàn)。因此，亟需規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)一的智能鐵路大腦平臺為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供感知、互聯(lián)、處理、學(xué)習(xí)、決策等能力。

1 智能鐵路大腦平臺定位和需求

1.1 智能鐵路大腦平臺定位

智能鐵路大腦平臺綜合應(yīng)用數(shù)據(jù)智能、機器智能、類腦智能、自然語言處理、視覺處理等新技術(shù)，面向鐵路全生命周期、全業(yè)務(wù)域提供全域感知、融合分析、主動學(xué)習(xí)、智能決策等功能，是智能鐵路的綜合賦能中樞。大腦平臺可實時感知鐵路網(wǎng)上運行的各類設(shè)備設(shè)施、運營業(yè)務(wù)、運行環(huán)境和內(nèi)外部人員的動靜態(tài)信息。對海量多源數(shù)據(jù)進行挖掘分析后，將決策結(jié)果推送至智能裝備、智能運營、智能建造等領(lǐng)域內(nèi)的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)對運、機、工、電、輛等專業(yè)內(nèi)物理對象的精準(zhǔn)控制，是一個典型的信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical System），如圖1 所示。大腦平臺打通數(shù)字空間與物理鐵路網(wǎng)，形成數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)體系。其中，鐵路行業(yè)的數(shù)字空間主要包括大腦平臺自身及各領(lǐng)域業(yè)務(wù)系統(tǒng)，物理鐵路網(wǎng)主要包括各專業(yè)智能設(shè)備及業(yè)務(wù)人員。數(shù)據(jù)自動流轉(zhuǎn)體系是基于海量數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決鐵路建造、裝備、運營服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高全鐵路網(wǎng)資源利用效率、客貨服務(wù)水平和安全保障能力。

圖1 智能鐵路大腦平臺的CPS 特征

1.2 智能鐵路大腦平臺需求

智能鐵路大腦平臺的核心功能需求是基于數(shù)據(jù)的自動流動，實現(xiàn)復(fù)雜鐵路網(wǎng)的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。

（1）通過在鐵路沿線基礎(chǔ)設(shè)施和移動裝備等物理對象上部署感知設(shè)備，將海量蘊含在基礎(chǔ)設(shè)施、機車車輛等物理實體中的隱性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯性數(shù)據(jù)，形成原始數(shù)據(jù)集。

（2）對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)加工和數(shù)據(jù)治理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和物理實體的對齊，將顯性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相互關(guān)聯(lián)、有邏輯且有價值的信息資產(chǎn)。

（3）對不同系統(tǒng)的信息進行挖掘、分析、學(xué)習(xí)等，獲得對復(fù)雜鐵路系統(tǒng)的認知、判斷和理解，將信息進一步轉(zhuǎn)化為知識。

（4）將知識轉(zhuǎn)化為應(yīng)對外部變化的預(yù)測和科學(xué)決策，指導(dǎo)鐵路系統(tǒng)的運行。

形成數(shù)據(jù)—信息—知識—智慧（DIKW，Data-Information-Knowledge-Wisdom）的動態(tài)閉環(huán)流動，如圖2 所示。

圖2 基于DIKW的智能鐵路大腦平臺核心需求

2 智能鐵路大腦平臺架構(gòu)

基于上述需求，智能鐵路大腦平臺通過支撐智能建造、智能裝備、智能運營等應(yīng)用域各子系統(tǒng)協(xié)同工作，使其彼此耦合形成整體放大效應(yīng)，實現(xiàn)智能鐵路大系統(tǒng)的可視、可測、可控、可響應(yīng)。由于智能鐵路在時間和空間上具有的漸進集成特性，大腦平臺需具備與智能鐵路成長性需求相適應(yīng)的敏捷性、伸縮性、迭代性和自學(xué)習(xí)性。將平臺自底向上劃分為4 層，即數(shù)據(jù)層、信息層、知識層和決策接口層，上層對下層提供的要素進行加工萃取，下層為上層提供與其需求精準(zhǔn)匹配的要素集合，如圖3所示。

圖3 智能鐵路大腦平臺總體架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層用于表達鐵路車站、線路、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、通信信號等的固定設(shè)施、移動設(shè)備等物理實體的原始數(shù)據(jù)。該層中每個點代表鐵路網(wǎng)的一個物理實體，點和點之間的連接線代表實體之間的相互關(guān)系。

2.2 信息層

信息層對鐵路各類物理實體的動靜態(tài)數(shù)據(jù)進行加工、治理，并對分散在不同系統(tǒng)中、針對同一物理實體的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和聚合，形成高價值、邏輯清晰的信息資產(chǎn)。

2.3 知識層

知識層綜合運用大數(shù)據(jù)智能、機器智能、自然語言處理、知識推理等技術(shù)，實現(xiàn)對海量異構(gòu)信息的分析挖掘，并根據(jù)不斷產(chǎn)生的信息實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和動態(tài)演進。

2.4 決策接口層

決策接口層提供統(tǒng)一的接口定義與組合服務(wù)。在智能建造、智能裝備、智能運營等應(yīng)用域的需求驅(qū)動下，進行接口定義，形成滿足各類應(yīng)用互操作需求的接口集合，并對若干個接口集合進行組合，以支撐特定功能。

2.5 協(xié)同調(diào)度模塊

為確保大腦平臺的成長性、動態(tài)自重構(gòu)性、可互操作性，協(xié)同調(diào)度模塊通過與數(shù)據(jù)層、信息層、知識層、決策接口層的交互機制，實現(xiàn)DIKW的協(xié)同。

3 智能鐵路大腦平臺功能設(shè)計

圍繞DIKW的協(xié)同，智能鐵路大腦平臺主要由數(shù)據(jù)中樞、分析中樞、決策中樞3 部分功能構(gòu)成，分別對應(yīng)大腦平臺數(shù)據(jù)匯集治理、智能分析挖掘、戰(zhàn)略決策制定3 個方面的核心功能，3 個中樞之間緊密合作、互相支撐、也可單獨對外提供服務(wù)。功能架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 智能鐵路大腦平臺功能架構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)中樞

數(shù)據(jù)中樞的主要功能是匯集鐵路行業(yè)各專業(yè)結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)并進行存儲，形成鐵路行業(yè)全域數(shù)據(jù)，并進行資產(chǎn)化管理，對外提供數(shù)據(jù)服務(wù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括應(yīng)用數(shù)據(jù)、標(biāo)簽數(shù)據(jù)等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括知識圖譜、地理地質(zhì)模型、建筑信息模型等各類文件數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理包括元數(shù)據(jù)管理、生命周期管理、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)安全管理等功能；數(shù)據(jù)服務(wù)體系包括預(yù)處理、可視化、共享等功能。

3.2 分析中樞

分析中樞的功能是提供各類大數(shù)據(jù)、人工智能相關(guān)的智能分析算法基礎(chǔ)，以及面向鐵路行業(yè)應(yīng)用的智能分析服務(wù)。智能分析算法基礎(chǔ)部分部署各類通用分析算法，包括圖像識別、目標(biāo)檢測、文本分詞、語音識別、回歸分析、規(guī)則推理、知識挖掘等。智能分析服務(wù)部分包括鐵路各業(yè)務(wù)所需的設(shè)備人員畫像分析、知識圖譜搜索推理、統(tǒng)計回歸模型服務(wù)、文本語音識別分析等模型。其中，知識圖譜搜索推理模塊具備基于規(guī)則的推理、基于分布式表示學(xué)習(xí)的推理、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理、混合推理等知識推理和學(xué)習(xí)功能。

3.3 決策中樞

決策中樞主要提供在數(shù)字世界推演鐵路系統(tǒng)運行態(tài)勢的功能，在數(shù)字鐵路環(huán)境中開展多維仿真，并指導(dǎo)物理鐵路的運行，為鐵路行業(yè)的各類態(tài)勢感知、智能決策任務(wù)提供科學(xué)決策依據(jù)，由模擬推演引擎、推演決策服務(wù)和群體智能算法基礎(chǔ)構(gòu)成。模擬推演引擎主要包括智能體狀態(tài)控制、智能體交互控制、演化目標(biāo)控制等功能，推演決策服務(wù)主要包括人群行為仿真、災(zāi)害影響仿真、全局資源優(yōu)化分析、政策決策推演評價、全局搜索最優(yōu)方案等。

4 智能鐵路大腦平臺在浩吉鐵路的應(yīng)用

4.1 浩吉鐵路概述

浩勒報吉—吉安鐵路（簡稱：浩吉鐵路）全線于2019 年9 月28 日建成開通，全長1 814 km，是世界上一次性建成的里程最長的，按照智能化設(shè)計的重載煤運專線[8]，是“北煤南運”國家戰(zhàn)略的新運輸通道，是國家綜合交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分。浩吉鐵路以智能化為引領(lǐng)，根據(jù)智能浩吉總體架構(gòu)，部署了智能鐵路大腦平臺，為智能綜合調(diào)度、綜合安全大數(shù)據(jù)應(yīng)用、綜合視頻智能分析等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和決策支持。

4.2 應(yīng)用情況

針對浩吉鐵路的業(yè)務(wù)需求特點，對智能鐵路大腦平臺的功能進行了裁剪和定制，稱為智能浩吉大腦平臺。主要包括數(shù)據(jù)工廠、數(shù)據(jù)挖掘、智能決策、視覺工廠、能力開放、AI 分析和空間分析7 個功能模塊，如圖5 所示。

圖5 智能浩吉大腦平臺的主要功能

7 個功能模塊均根據(jù)浩吉鐵路的實際應(yīng)用需求設(shè)計，其中，數(shù)據(jù)工廠是大腦平臺最重要也是應(yīng)用最廣泛的功能模塊。該模塊主要包含數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)3 類功能，數(shù)據(jù)工廠功能的充分發(fā)揮，高度依賴數(shù)據(jù)域的規(guī)劃和匯集。在數(shù)據(jù)方面，智能浩吉大腦平臺在實踐中匯集了營銷服務(wù)、運輸生產(chǎn)、綜合安全、經(jīng)營管理、基礎(chǔ)編碼、其他行業(yè)共計6 類大數(shù)據(jù)域。營銷服務(wù)數(shù)據(jù)主要包含客戶、合同、交易等數(shù)據(jù)；運輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要包含物流調(diào)度、安全調(diào)度、行車調(diào)度、運轉(zhuǎn)作業(yè)等；綜合安全數(shù)據(jù)主要包含安全監(jiān)測、防災(zāi)監(jiān)控、安全管理等；經(jīng)營管理數(shù)據(jù)主要包含人財物、辦公、運輸管理等；基礎(chǔ)編碼數(shù)據(jù)主要包含線路、車站、品類、車輛等；其他行業(yè)數(shù)據(jù)主要包含多式聯(lián)運、地震、氣象等。

基于大腦平臺開展了面向調(diào)度、安全、運維等主題的分析挖掘應(yīng)用，為實現(xiàn)全線降本、增效、保安全等發(fā)揮了重要作用，基礎(chǔ)設(shè)施運維和綜合安全分析界面如圖6 所示。

圖6 智能浩吉基礎(chǔ)設(shè)施運維和綜合安全分析界面

5 結(jié)束語

智能鐵路大腦平臺是實現(xiàn)智能建造、智能裝備、智能運營等應(yīng)用域協(xié)同互動、開放互聯(lián)、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策的重要基礎(chǔ)。本文闡述了智能鐵路大腦平臺的定位，利用DIKW 分析了智能鐵路大腦平臺的核心需求，基于CPS理論設(shè)計了數(shù)據(jù)層、信息層、知識層和決策接口層組成的總體架構(gòu)，給出了數(shù)據(jù)中樞、分析中樞、決策中樞3 項功能構(gòu)成的平臺總體功能，并介紹了智能鐵路大腦平臺在浩吉鐵路的應(yīng)用。