基于復雜適應系統理論的智能鐵路體系構建研究

李 平，楊 柳，邵 賽

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 科技和信息化部（總工室），北京 100081；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）

隨著大數據、人工智能、移動互聯等智能技術的迅猛發展，我國在高速鐵路、重載鐵路等領域積極開展智能鐵路體系架構的相關研究。在高速鐵路領域，依托京張（北京—張家口）高速鐵路和京雄（北京—雄安）城際鐵路等重大工程，我國率先提出了技術、數據、標準三位一體的智能高速鐵路體系架構1.0，發布為中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）技術標準，指導了智能建造、智能裝備和智能運營等成套技術創新；在重載鐵路領域，依托浩吉（浩勒報吉—吉安）重載鐵路工程，采用分層設計的原則，提出了包含智能感知層、傳輸層、融合層和應用層的智能重載鐵路體系架構?；凇捌脚_+應用”模式，構建了重載鐵路大腦平臺及智能綜合調度、智能運營維護、智能車站等構成的智能重載鐵路技術體系。

“十四五”期間，為持續推動智能化技術在鐵路領域的深度應用，國鐵集團發布了《“十四五”

1 CAS簡介

CAS理論由約翰·霍蘭教授提出，它作為一種復鐵路科技創新發展規劃》[1]，明確提出“圍繞智能建造、智能裝備、智能運營、智能鐵路平臺，持續深化關鍵核心技術研發應用，完善智能鐵路成套技術體系、數據體系和標準體系，推動智能鐵路1.0向2.0發展”的要求，因此，融合已有的智能高速鐵路體系架構和智能重載鐵路技術體系研究成果，研究提出智能鐵路體系架構極為必要。

傳統的面向過程方法、面向對象方法、企業架構方法等體系架構構建方法，側重于從復雜系統整體角度開展自頂向下的設計，缺乏對系統中多層級主體智能行為及主體間協同聯動機制的細粒度研究，難以滿足智能鐵路系統中各類主體之間高協調性、高聚合性、高交互性等要求。鑒于智能鐵路系統不是簡單系統，而是由多種因素綜合作用最終形成的復雜巨系統，它包含眾多的系統、子系統和要素，結構上呈現非線性關系[2]；各個系統和子系統之間還存在著復雜的空間和時間關系，呈現出時空結構復雜性。為更好地理解智能鐵路系統的特性并動態優化其設計，本文基于復雜適應系統（CAS，Complex Adaptive System）理論，研究智能鐵路體系：通過分析智能鐵路系統復雜適應性特征及其CAS主體構成，以及智能鐵路系統中各個組成部分之間的復雜關系和相互影響，提出智能鐵路系統結構，進而提出智能鐵路的技術體系和數據體系。雜性科學研究方法，被譽為繼第一代系統論（包括一般系統論、控制論和信息論）、第二代系統論（包括耗散結構論、協同論、突變論）之后的第三代系統論[3]。CAS理論認為，系統是由分布在不同層級的多個主體構成，每個主體都會對外界環境作出自適應反應，且多異質的自適應主體間也會發生復雜作用，二者均會對系統的結構和演化帶來影響。

CAS理論的主要特點在于將系統的宏觀分析和微觀分析有機結合起來，強調系統的層次性、多樣性和聚合性[4]。在宏觀層面，CAS注重主體與周圍環境的相互作用，以及同質和異質主體之間的相互作用，使得由多個主體組成的系統得以不斷演化和進化；在微觀層面，CAS強調主體的主動性和適應性，主體具有自己的目標、內部結構和行為模式，通過與環境和其他主體的交互學習，不斷優化自身的結構和行為。約翰·霍蘭教授圍繞適應性主體提出了CAS應具備的7個基本特性，包括聚集性、非線性、多樣性、流、標識、內部模型和積木[5]。

CAS理論的提出，為人們認識、理解、控制和管理復雜系統提供了新的思路，已在多個學科領域中得到了廣泛應用[6-10]。

2 智能鐵路系統的復雜適應特征分析

智能鐵路系統全生命周期是包括鐵路設計、建造、運營維護（簡稱：運維）等3個重要階段，涵蓋基礎設施、移動裝備、安全監測、運輸服務、運營指揮等多個業務主體的CAS。其CAS的7個特征如圖1所示。

圖1 智能鐵路系統在CAS理論下的7個特征

2.1 聚集性

聚集性，指簡單主體的聚集，其主體間存在的一定相互關系會產生復雜的大尺度行為，這種行為能夠使參與的單個主體之間相互融合和適應。在智能鐵路系統中，線路、橋梁、隧道、軌道、車站、通信、信號、接觸網、動車組、運輸服務等單專業主體聚集形成智能基礎設施、智能運輸指揮、智能駕駛等綜合性主體，聚集而成的綜合性主體不是單專業主體的簡單、重復疊加，而是一種使參與的單專業主體間融會貫通、相互適應的組合，具備原單專業主體無法實現的功能和優勢，有助于實現整體系統的成本降低、效率提高、服務改善等多目標。

2.2 非線性

非線性，指主體－主體、主體－環境交互作用中，并非遵循簡單的線性關系，往往是各種反饋作用。智能鐵路系統從全生命周期角度看，設計、建造、運維等3個階段存在著大量的迭代反饋作用，通過建造階段數據分析結果，優化設計方案；通過運維階段數據分析結果，優化設計和建造。此外，每個階段均涉及多個業務主體的協同互動。以建造階段為例，涉及質量、進度、投資、安全、環保、外部環境等多要素的協同，存在著大量的動態不確定性，難以用線性模型來表征。

2.3 多樣性

主體－主體、主體－環境的不斷適應，造就了系統的多樣性與復雜性。智能鐵路系統主體行為、運行要求、技術規范、所在層級、所處區域等均具有多樣性。此外，智能鐵路不同階段的形態、目標也各不相同。

2.4 流

流，指主體－主體、主體－環境交互作用中存在著某種資源的流。智能鐵路系統中，移動設備、固定設施、調度指揮、服務對象等各主體之間，以及主體與外界環境之間，均存在著信息流、業務流和能量流的流動交換。

2.5 標識

標識，是聚集和邊界生成過程中存在的一個機制，是主體相互作用的基礎。智能鐵路標識機制從政策完善和執行、新技術應用和發展、共享目標和實施、各職能參與主體方面劃分，包括政策標識、新興技術標識、共享標識、角色標識。

例如，智能鐵路系統采用主數據等技術，為每個主體及其虛擬孿生體構建了唯一標識，通過標識確保多主體之間的協調運行和有序互動，確保智能鐵路系統運行安全高效。共享標識用于實現智能鐵路系統內部的信息共享和協調，使得不同的智能設備和子系統能夠相互理解和交流，從而實現智能鐵路系統內部的協同工作和決策。

2.6 內部模型

內部模型，用來表征主體實現的某項功能的互動規則。智能鐵路系統各同質/異質主體在交互作用中具有顯著的信息共享和業務重用等規則特征，可依托大數據、人工智能等技術建立主體及多主體的內部模型。

2.7 積木

積木，是指將系統在不斷演化過程中所積累的經驗知識和遵循的演化規則等作為依據，進行更高層次的主體標識聚集的過程。通過提供模塊化思想，將簡單的積木通過不同組合形成復雜系統。

根據智能鐵路系統非線性的特征，積木塊機制可將智能鐵路系統從宏觀、中觀和微觀共3個層次進行劃分。宏觀層面上的積木主要包括戰略研究信息、戰略規劃信息等；中觀層面的積木主要包括智能化需求信息、技術和算法信息、數據集成信息、數據共享信息；微觀層面的積木主要包括勘察設計系統信息、通信信號系統信息、客貨服務系統信息等。

例如，智能鐵路系統在建造過程中采用裝配式施工，實現了簡單部件組合（長大橋梁、隧道、客站等）形成的復雜系統。應用軟件設計中采用微服務架構實現，可以將單一功能進行組合復用，滿足更復雜的應用需求。

綜上所述，智能鐵路系統具備CAS理論的7個基本特性，兩者具有較好的同構性。CAS理論可為智能鐵路的體系構建提供指導。

3 智能鐵路系統的CAS主體構成

智能鐵路系統作為一個動態復雜的適應性系統，參與方主要包括鐵路部門、第三方企業、乘客、貨物等，各參與方之間均存在業務、數據等交流，交互關系錯綜復雜?；谥悄荑F路系統本身的復雜性，將適應性系統的主體分為領域級主體、業務級主體、應用級主體和項目級主體，各個主體之間的關系和行為是動態變化和適應環境的。智能鐵路系統的CAS多級主體構成如圖2所示。

圖2 智能鐵路系統CAS多級主體構成

3.1 領域級主體

領域級主體是負責智能鐵路系統的整體規劃和管理，包括智能建造主體、智能裝備主體和智能運營主體。其中，智能建造主體的任務是負責智能鐵路系統的建設和實施；智能裝備主體的任務是負責智能鐵路系統需要的各種裝備和設備的研發、生產和供應；智能運營主體的任務是負責智能鐵路系統的運營和管理。

3.2 業務級主體

業務級主體是智能鐵路系統中各領域級主體下的具體業務單元，例如，勘察設計、工程施工、移動裝備、通信信號、客貨運服務等。每個業務級主體負責完成特定的任務，并與其他業務級主體進行信息交換和協作。業務級主體可以根據需要進行動態調整和優化，以適應不斷變化的運行環境。

3.3 應用級主體

應用級主體是智能鐵路系統中的各項目級主體新技術標識機制下的積聚形成。應用級主體可以包括空天地一體化工程勘察、數字化工廠、智能信號等。每個應用級主體負責實現特定的功能，并與其他應用級主體進行數據交換和協作。

3.4 項目級主體

項目級主體是智能鐵路系統中的具體項目或任務單元，例如，基于地理信息系統（GIS，Geographical Information System）的智能勘探、動車組智能制造等。每個項目級主體具有獨立的目標和任務，并與其他主體進行協調和合作，以實現項目的順利進行。這些主體之間相互作用和協作，通過信息交換和共享來實現智能鐵路系統的高效運行。

4 基于CAS的智能鐵路系統結構

從鐵路技術應用視角，依據鐵路設計、建造和運營這3個階段中的核心要素、關聯關系，智能鐵路系統可以分為智能建造、智能裝備、智能運營等3個板塊[11]。根據CAS理論，以標識為建造、裝備、運營的子系統作為積木，對其進行聚集，形成智能建造主體、智能裝備主體和智能運營主體，構成基于CAS的智能鐵路系統結構。

4.1 智能建造主體

智能建造主體包括鐵路基礎設施的建造和維護相關的主體。這些主體可以是承包商、建筑公司、工程師等，他們負責設計、建造和維護鐵路線路、車站、信號設備等基礎設施。智能建造主體使用先進的技術和工具，例如，將 BIM（Building Information Modeling）、GIS、數字孿生、施工機器人、自動化質檢、預制化與拼裝化等技術與先進的工程建造技術相融合，實現高速鐵路勘察設計、工程施工、建設全過程的精細化和智能化管理。

4.2 智能裝備主體

智能裝備主體包括鐵路運輸中使用的智能化裝備和設備的相關主體。這些主體可以是列車制造商、信號設備供應商、通信設備制造商等。他們致力于研發和生產智能化的列車、信號設備、通信設備等，將全方位態勢感知、自動駕駛、運行控制、故障預測與健康管理（PHM，Prognostics Health Management） 等技術與先進裝備技術相融合，實現鐵路移動裝備和基礎設施全生命周期的安全化、高效化和智能化管理，提高鐵路運輸的效率、可靠性和安全性。

4.3 智能運營主體

智能運營主體包括鐵路系統的運營和管理相關的主體。這些主體可以是鐵路公司、交通管理部門、運輸服務提供商等。他們負責列車調度、車票管理、安全監控、客戶服務等任務，運用智能技術，如數據分析、智能算法等，提供高效、可持續、安全的鐵路運輸服務。

4.4 多主體交互

4.4.1 信息流交互

各個主體之間通過信息流進行通信和數據交換。例如，智能建造主體與智能裝備主體通過信息共享和協作，進行施工計劃的優化和資源分配的協調；智能運營主體與智能裝備主體通過信息交流，實現實時監控和維護，確保鐵路運輸的安全和順暢。

4.4.2 業務流交互

各個主體之間通過業務流進行合作和協調。例如，智能建造主體與智能運營主體之間的協作，確保鐵路基礎設施的建設與運營的銜接和無縫對接；智能裝備主體與智能運營主體之間的協作，保證智能裝備的有效使用和維護，以提供高質量的鐵路運輸服務。

5 基于CAS的智能鐵路體系

5.1 智能鐵路技術體系

遵循基于CAS的智能鐵路系統結構，智能鐵路技術體系框架包括3個板塊、10個領域、21個方向、N項創新、1個平臺，共5個層級，如圖3所示。

圖3 智能鐵路技術體系

其中，3個板塊指智能建造、智能裝備、智能運營；10個領域指在3個板塊框架下勘察設計、工程施工、建設管理等領域；21個方向指在3個板塊、10個領域框架下空天地一體化工程勘察、基于 BIM工程設計、數字化工廠等方向；N 項創新指在3個板塊、10個領域、21個方向框架下基于GIS 的智能勘探、BIM建模、智能梁場、盾構隧道智能施工、電氣化工程智能施工、基于BIM 虛擬建造等創新；1個平臺指為智能鐵路技術創新提供支撐和服務的智能鐵路信息基礎設施。

5.1.1 智能建造

考慮鐵路基礎設施的建造過程，智能建造橫向上可劃分為勘察設計、工程施工、建設管理等3個領域[10]，包含空天地一體化工程勘察、基于BIM工程設計數字化工廠、橋隧路軌工程智能化施工、基于BIM+GIS工程建設管理等方向，以及智能枕廠、智能構件廠、盾構隧道智能施工等創新內容。

5.1.2 智能裝備

按照主要業務對象分類，智能裝備可分為移動裝備、通信信號、牽引供電、檢測監測等4個領域[11]，包含智能動車組、智能機車車輛、智能檢修裝備、智能信號、新一代通信等方向，以及動車組智能制造、機車智能監控、智能自輪運轉特種設備（大型養路機械等）、車站區間一體化控制、天地一體化信息網絡、移動裝備運行狀態地面監控、裝備試驗驗證等創新內容。

5.1.3 智能運營

按照主要運營業務分類，智能運營可劃分為客貨服務、運輸組織、養護維修等3個領域[12]，包含智能貨運、智能票務、智能調度和智能場站組織等方向，以及客站一體化生產指揮管理、貨運多式聯運、智能貨運安全、全行程/全過程的客貨運服務、場站數字化、PHM等創新內容。

5.2 智能鐵路數據體系

為支撐基于CAS的智能鐵路技術體系中多主體的信息交互和流動，智能鐵路數據體系架構主要包括數據匯集層、存儲分析層和應用展示層[13]，如圖4所示。

圖4 智能鐵路數據體系

5.2.1 數據匯集層

為了實現智能鐵路系統全業務、全類型的數據匯集，該層專門匯集來自建造、裝備、運營等3個板塊和既有業務信息系統的數據，以及其他交通方式、氣象、地震等外部相關數據。

5.2.2 存儲分析層

基于鐵路大數據和人工智能平臺，存儲分析層主要負責對數據進行標準化、規范化的處理。根據建造、裝備、運營等不同主題建立全生命周期數據組織與存儲結構，最終形成一套多專業融合、跨層級業務、跨部門共享的規范數據資源。此外，該層還提供基礎數據管理、數據集成、數據治理等服務。

5.2.3 應用展示層

應用展示層主要圍繞工程建設、移動裝備、基礎設施、運輸生產、運營安全、客運管理與服務、綜合交通共享等領域的主體行為進行大數據分析應用[10]。

6 結束語

本文基于CAS 理論，對智能鐵路系統復雜適應性特征進行全面闡述，并對智能鐵路系統的CAS主體構成及其結構進行了分析，進而構建了智能鐵路技術體系和智能鐵路數據體系。本文的研究成果對智能鐵路系統的設計及優化提供了新的方法和思路。目前，利用CAS理論進行智能鐵路系統多主體建模的研究尚處于初步探索階段，有待在智能鐵路系統從微觀到宏觀的聯動機制方面進行深入研究。