京張高速鐵路智能化技術應用進展

李紅俠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

在物聯網、大數據、云計算、北斗導航、BIM等新技術和社會經濟發展需求的共同影響下，當前人工智能進入了新的發展階段，為搶抓人工智能發展的重大戰略機遇，中國鐵路行業在黨的“十九大”報告提出的交通強國戰略指導下，實現“交通強國、鐵路先行”的目標[1]，為服務經濟和社會更好發展以及實現世界高鐵技術領先優勢的目標具有重大意義，智能高鐵是現代化高速鐵路的發展方向。作為中國首條智能化高速鐵路的京張高鐵已于2019年12月30日開通運行，其中的多項智能技術的應用均為國內首次，國際領先。

按照中國國家鐵路集團有限公司的統一部署、依托京張高鐵建設，全面推進智能建造、智能裝備、智能運營等領域的技術創新，提升高鐵智能化水平，設計方面做了一些探索及示范應用。2016年初京張高鐵全線開工，國鐵集團提出打造“精品工程、智能京張”[2]的目標，京張高鐵將集中國高鐵建設運營、管理技術水平之大成，集中展示我國智能鐵路創新發展的最新成果，在智能鐵路總體框架指導下[3-4]，結合服務奧運的需求，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融為一體的典范之作，全面提升安全、生產、運營、管理、客運服務等現代化水平。

2 京張高鐵智能化設計主要內容

2017年6月，國鐵集團召開京張高鐵建設推進會，部署安排打造“精品工程、智能京張”的有關工作，發布智能京張工程建設的指導性文件，通過指導性文件明確智能工程化推進工作方案并提出：“建設精品工程、智能京張工程化任務單”，京張高鐵智能化主要包括智能建造、智能裝備和智能運營三大板塊，具體涵蓋智能工程建設與基礎設施、智能出行、智能經營、智能列車、智能行車組織等方面的內容。

2.1 智能工程建設與基礎設施方面

(1)首次采用了時速300～350 km高速鐵路自動駕駛技術(CTCS+ATO)[5]，該技術在世界上尚屬空白，高鐵自動駕駛系統具備車站自動發車、站間自動運行、車站自動停車、車門自動開門、車門站臺門聯動五大功能，可以有效的提高運輸能力、降低運行能耗、提高旅客舒適度、減輕司機勞動強度，是高速鐵路列控系統智能化的重要標志，對保持我國高速鐵路列控技術的國際先進水平具有重要的意義。

(2)首次采用了以智能牽引供電設施、智能供電運行檢修管理系統、智能供電調度系統組成的智能牽引供電系統，為鐵路提供可靠、高效的牽引供電系統，其中智能變電所提供牽引供電數據源；智能調度系統實現應急處置、智能源端維護等智能功能；牽引供電設備故障預測與健康管理系統(PHM)實現智能運營維護管理；接觸網監測實現接觸網實時在線監測；接觸網智能巡檢系統實現接觸網設備管理中信息與設備的身份對應問題以及信息的自動采集獲取問題，結合接觸網PHM系統，實現維修工單生成檢修任務的智能轉換，極大提高管理工作的智能化水平與效率。

(3)在工程建設中，通過搭建重點工程結構安全監測傳感器及網絡，對關鍵設施、設備的運營狀態進行了實時的監測監控，實現對清河站、八達嶺長城站重點工程結構安全監測；建立了八達嶺長城地下站防災疏散救援系統，對八達嶺長城地下站的環形救援廊道進行了增強設計，完善了鐵路防災體系，進一步確保鐵路安全。

(4)基于北斗+GIS，京張高鐵部署鐵路統一的北斗應用服務平臺，基于鐵路高精度地圖，提供時空位置服務，以北斗地基增強網絡和北斗隧道信號覆蓋系統為支撐，規劃部署京張高鐵地基增強基站，利用沿線鐵路通信機械室網絡、電源等資源構建地基增強網絡，為全線提供高精度定位服務，布設京張隧道內相關設備，實現隧道內北斗模擬信號覆蓋，為隧道內動車組、作業人員提供位置服務；通過北斗終端定位，信息回傳鐵路局生產調度指揮中心，實現人員區域標記、位置監視及防護輔助等功能，提高作業人員管理質量；監測鐵路通信鐵塔基礎傾斜趨勢，提高鐵塔維護監測能力；應用北斗與天通衛星通信系統相結合應急終端；在既有應急通信系統中，進一步增加完善北斗短報文等應急通信裝備，豐富天通衛星等應急通信手段，通導一體化應急通信能力，應對極端災害情況下通信。京張北斗示范應用可以實現施工及維護上道作業人員監控、鐵塔傾斜監測和應急通信，為京張高鐵安全運營保駕護航。

(5)基于BIM+GIS技術的可視化數字化應用，應用BIM技術[6]，從勘察設計、施工到運維，實現全生命周期的數字、智能化管理。通過BIM技術的應用，進一步深化施工設計，優化設計方案。通過BIM技術的應用，建設三維工程管理平臺，優化施工組織，實現工程進度管理、質量管理的可視化、信息化和智能化，為施工質量和施工進度提供技術保證。開展基于BIM技術的竣工交付標準研究，在竣工驗收階段，實現設計和建造數據的按需交付，形成現實和虛擬數字鐵路的同步交付。在運營階段，建立基于BIM技術的鐵路工程全生命周期綜合管理平臺，實現鐵路基礎設施健康狀態的預測診斷，實現鐵路工務、電務管理，環境保障和應急管理等信息化，確保工務、供電、電務、車輛等設備狀態良好。

2.2 智能出行方面

首次采用基于國內鐵路運營維護模式及國內旅客的乘車需求定制開放的軟件平臺：客站旅客服務與生產管控平臺，對車站旅客服務、客運管理、客運設備、應急指揮等業務進行了深度融合，主要功能包括：客運管理與指揮、新一代旅服系統、客站設備運用監控、客站應急指揮、智能管控服務、AI輔助決策、集成化展示服務。

采用全面優化完善的12306網站和票務自助服務設施，包括更加方便的客票系統，實現電子客票應用、全程個性化的精準服務，特別針對2022年冬奧會，增加與奧運主題相關聯的服務功能。

優化后的客票系統采用二代居民身份證、電子護照、手機二維碼以及“人臉”等豐富多樣的電子客票載體，使用自動識讀、電子識別、生物特征識別等多維度的身份識別技術，智能配置和優化客運生產服務資源，實現旅客全程出行無紙化、業務辦理自助化、客票銷售線上線下一體化、奧運門票互售、特許銷售、賽事信息推送等服務。

站內智能導航系統為旅客提供精準定位、路徑規劃、位置搜索、導航等服務，提升旅客出行體驗，為旅客提供從出發、到站、乘車、出站全流程服務。為車站管理人員提供先進的旅客服務管理手段以及提供基于旅客行為數據的統計與分析；根據情況，在車站內配置智能問詢機器人、智能巡更機器人，提升旅客出行體驗。

2.3 智能經營

通過大數據技術的應用，實現客運產品的設計優化，售票組織的優化，客運的相關延伸服務，為鐵路總公司的經營服務提供有力支撐。

在客運站內部署面對旅客的Wi-Fi網絡和Wi-Fi運營服務系統，為旅客提供包括視頻觀看、音樂、閱讀等車站Wi-Fi局域網本地內容服務以及正晚點、檢票口位置查詢等客運相關信息服務，同時為注冊認證的旅客提供互聯網接入服務，滿足旅客出行中多樣化服務需求，提高出行乘車體驗。

車站運營智能感知系統基于音視頻融合分析、跨場景目標跟蹤等技術，實現區域人數、排隊長度、人流速度和方向的統計分析，以及突發事件、非法入侵、站臺越界等異常行為的監控報警，為車站快速響應、協同指揮、智能調度提供有力支撐。

2.4 智能列車

采用的智能動車組列車是以“復興號”動車組為基礎，分為“瑞雪迎春”、“龍鳳呈祥”兩款，在安全舒適、綠色環保、智能化、綜合節能等方面進行全面提升優化?？梢詫崿F列車的自動駕駛；確保列車運營安全信息的自動判斷和實時監測，確保列車運行安全；實現旅客列車車內的無線網絡覆蓋及多樣化的信息咨詢服務。

2.5 智能行車組織

構建基于人工智能的高速鐵路智能調度指揮系統，實現進路和命令安全卡控、列車運行智能調整、搭建行車信息數據平臺、行車調度綜合仿真以及ATO系統需要的行車計劃上車等功能，實現京張高鐵行車調度的智能化。

3 智能高鐵頂層設計及發展高鐵智能化技術的必要性

3.1 智能高鐵頂層設計

依托智能京張技術攻關和工程建設，為了規范當前時期智能高速鐵路的建設與運營，國鐵集團正在積極策劃，初步明確智能高鐵的建設內容及其相互關系，從頂層設計的角度出發制定智能高速鐵路建設和運營的指導性文件：智能高速鐵路體系架構[7]1.0版，該體系架構涵蓋智能高速鐵路技術體系框架、數據體系框架、標準體系框架等。

智能高鐵技術體系框架設計采用分類分層設計原則，包含智能建造[8-9]、智能裝備、智能運營三大板塊。

3.1.1 智能建造

按照基礎設施的建造過程，智能建造包括勘察設計、工程施工和建設管理3個領域。

智能勘察設計領域的智能化包括空天地一體化工程勘察、基于BIM工程設計[10]等研究方向。其中，空天地一體化工程勘察主要創新內容包括基于GIS的智能勘察、空天地一體化智能測繪、數字化勘察交付等；基于BIM的工程設計主要創新內容包括BIM建模、協同設計和數字化交付等。

工程施工領域的智能化包含路橋隧軌智能化施工、客運站智能化施工、四電工程智能化施工等方向。其中，路橋隧軌智能化施工主要創新內容包括路基、橋梁、隧道、軌道工程智能化施工；客運站智能化施工主要創新內容包括客站智能施工、綜合交通體系施工協同、信息化工程智能施工等；四電工程智能化施工主要創新內容包括通信工程智能化施工、信號工程智能化施工、電氣化工程智能化施工等。

建設管理領域的智能化包含基于BIM+GIS工程建設管理等方向。主要創新內容包括基于BIM的虛擬建造、全過程數字化管理、數字化竣工交付等。

3.1.2 智能裝備

按照主要業務對象分類，智能裝備橫向上劃分為通信信號、電氣化、移動裝備、檢測監測4個領域。

通信信號領域的智能化包含通信、信號方向。其中，通信創新內容主要包括通信承載網、智能移動通信、智能調度通信等；信號創新內容主要包括列車自動駕駛ATO等。

電氣化領域的智能化包含智能牽引供電方向，創新內容主要包括智能牽引變電所、簡統化接觸網等。

移動裝備領域的智能化包含智能動車組、智能綜合檢測車等方向。其中，智能動車組主要創新內容包括動車組智能監控、動車組智能診斷、動車組智能服務、動車組智能運維等；智能綜合檢測車主要創新內容包括智能檢測設備、智能檢測數據分析等。

檢測監測領域的智能化包含檢測監測等方向，主要創新內容包括基礎設施檢測監測、自然災害監測與預警、周界入侵智能監測、環境智能監測等。

3.1.3 智能運營

按照運營領域的主要業務分類，智能運營橫向上劃分為客運服務、運輸組織、養護維修等3個領域。

客運服務領域的智能化包含智能客運信息物理系統CPS、智能票務等方向。其中，智能客運CPS主要創新內容包括客運一體化生產指揮管理、客運設備管理與監控智能化、站車重點服務、站車客運安全、站車智能服務等；智能票務主要創新內容包括電子客票、智能產品設計和售票組織、旅程規劃、精準營銷、綜合交通信息共享等。

運輸組織領域的智能化包含智能綜合調度、智能行車調度等方向。其中，智能綜合調度主要創新內容包括運輸態勢感知、計劃一體化協同、智能計劃調整、智能應急調度等；智能行車調度主要創新內容包括列車運行計劃自動調整、進路和命令卡控、行車調度綜合仿真等。

養護維修領域的智能化包含工電供一體化運維等方向，主要創新內容包括數字履歷管理、故障智能診斷等。

3.2 發展高鐵智能化技術的必要性

隨著智能技術和高鐵應用需求的不斷發展，未來也需對智能高速鐵路體系架構1.0進行持續優化與擴展。面向未來，鐵路在更高速度、更大運量的基礎設施成套技術[11]方向需要進一步研究；特殊艱險環境橋梁、隧道面臨新的技術難題[12]需要攻克；基于人工智能及空天地一體化的勘察測繪技術研究，綜合運用航天攝影測量、航空攝影測量、無人機攝影測量、傾斜攝影測量、機載車載及地面LiDar等多種技術手段及數據源，開展多源數據的快速生產及融合、實景三維建模、網絡模式下分布式協同測圖和實時化移動測圖、基于云平臺的地理空間信息實時共享、人工智能及深度神經網絡下的圖像及模式識別等方面的研究，提高數據獲取、生產、應用、分發的智能化、自動化水平的技術和裝備處于發展和應用的初級階段；需要研究建立基于BIM+GIS技術的基礎設施設計[13]、建造、運維的標準、平臺、應用及管理技術體系；鐵路橋梁、隧道、路基及軌道等主要結構物的基礎理論、設計方法需要不斷創新，與現代信息技術融合的智能建造技術需要不斷提升；基于全生命周期性能保持的基礎設施運維、監測、災害防治技術及其智能化體系需要進行進一步的構建優化研究；鐵路綠色技術[14]和配套裝備設施研發、基于北斗(BDS)技術和全電子化的新一代列控系統、基于北斗技術和依托5G技術的新一代智能運維技術等方面都需要進一步研究[15]。

4 結語

通過完成智能京張應用示范方案的落地實施，實現將京張高鐵打造為中國智能鐵路的1.0版，在高速鐵路自動駕駛技術(C3+ATO)、智能高鐵調度集中系統(智能CTC)等智能技術應用中，設計提前籌劃，在相關優化創新設計具備批復條件前，主體工程的設備采購招標、專業間接口設計等環節為智能化技術的應用做了預留，為其順利實施奠定了堅實的基礎并節省了工程投資；京張高鐵作為國內第一條利用BIM技術完成全專業、全生命周期相關設計工作的鐵路工程項目，實現了京張全線BIM模型建立并研究鐵路BIM正向設計的工作思路和方法等。通過對京張高鐵智能化技術應用情況進行總結，以期把京張高速鐵路智能化技術應用方面可復制可推廣的建設經驗進行分享，對新建智能高速鐵路和既有高速鐵路的智能化升級等應用方面都具有指導及借鑒意義。