智能鐵路總體架構(gòu)與發(fā)展展望

王同軍

（中國鐵路總公司，北京 100844）

進(jìn)入新世紀(jì)以來，信息技術(shù)突飛猛進(jìn)，智能化技術(shù)取得突破性進(jìn)展。人類社會在經(jīng)歷了工業(yè)化、信息化之后必將向智能化時代邁進(jìn)。各行各業(yè)都開啟了利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)程。智能交通全面深化，智能電網(wǎng)、智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等創(chuàng)新應(yīng)用層出不窮[1-3]。在此背景下，作為綜合運(yùn)輸體系骨干的鐵路行業(yè)，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[4]。如何提升運(yùn)輸組織效率，解決運(yùn)輸需求與能力供給之間的矛盾；如何更準(zhǔn)確地掌握用戶需求，提供更精準(zhǔn)和高品質(zhì)的客戶服務(wù)，設(shè)計更貼近市場需求的客貨運(yùn)產(chǎn)品；如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)險隱患的自動排查，提升事故故障的超前防范能力，適應(yīng)高速、重載的運(yùn)輸模式；作為重資產(chǎn)行業(yè)，如何掌握設(shè)備的劣化機(jī)理，提升設(shè)備的精細(xì)化管理水平，準(zhǔn)確預(yù)判設(shè)備的維修時間和內(nèi)容，大大降低設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修成本。在此背景下，智能鐵路的概念應(yīng)運(yùn)而生，全球范圍內(nèi)對于智能鐵路的研究全面開啟。

對于智能鐵路的研究，中國走在世界前列。特別是近期的智能京張、智能京雄，將智能鐵路的研究應(yīng)用引入新的階段。國外對于智能鐵路的研究，以歐、美、日為3大陣營，也取得了矚目的成績。

本文在總結(jié)智能鐵路國外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對于智能鐵路的概念、目標(biāo)、特征、內(nèi)涵等進(jìn)行了界定，剖析了智能鐵路的總體框架，提出了包含智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營在內(nèi)的3大系統(tǒng)組成，規(guī)劃了智能鐵路技術(shù)支撐體系，介紹了智能鐵路研究成果在京張鐵路的最新實(shí)踐，最后對智能鐵路發(fā)展藍(lán)圖進(jìn)行了展望。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人工智能、計算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國都開展了利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸?shù)难芯?，目的在于提高鐵路運(yùn)輸效率、增強(qiáng)鐵路運(yùn)營安全、提高服務(wù)質(zhì)量、減少環(huán)境污染。

1.1 早期階段

國外對于智能鐵路的研究，以歐、美、日為3大陣營，在早期產(chǎn)生了智能鐵路3個最具代表性的成果，分別是日本、歐洲、美國的CyberRail、InteGRail以及Smarter Railroad，但研究側(cè)重點(diǎn)各不相同。

日本的CyberRail[11]通過強(qiáng)大的信息提供功能，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸與其他運(yùn)輸方式的無接縫、無障礙銜接和運(yùn)輸。CyberRail根據(jù)乘客個人需求，實(shí)時向乘客推送定制化的旅行計劃和個人導(dǎo)航信息，同時還可幫助鐵路公司不斷優(yōu)化運(yùn)輸計劃，以滿足旅客的個性化需求和列車控制的高安全性。

歐洲的InteGRail[12]面向歐洲鐵路網(wǎng)的運(yùn)輸一體化展開研究，主要研究歐盟范圍內(nèi)的信息共享和資源一體化使用技術(shù)方案。通過建立集成共享信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路主要業(yè)務(wù)流程的協(xié)同一致，以達(dá)到更高效、更高速、更準(zhǔn)時、更安全、資源優(yōu)化使用的目標(biāo)。

美國的Smarter Railroad[13]提出利用更全面的互聯(lián)互通、更透徹的感知和度量以及更深入的智能化，實(shí)現(xiàn)智能信息的網(wǎng)絡(luò)化，進(jìn)而在整個鐵路系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部以及合作伙伴之間實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)和共享。在此基礎(chǔ)上，感知和度量可幫助鐵路公司收集新信息，從而更好地監(jiān)控運(yùn)營，更主動地采取措施。此外，復(fù)雜信息的分析整合、數(shù)據(jù)建模，可將戰(zhàn)略或運(yùn)營決策與新銳洞察相結(jié)合，利于鐵路系統(tǒng)提高服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)安全性、服務(wù)可靠性以及鐵路運(yùn)營效率，并節(jié)約成本。

中國對于智能鐵路的研究起步較早，2000年成立了國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，對于智能鐵路的概念、定位，特別是體系框架進(jìn)行研究。借鑒智能交通系統(tǒng)（Intelligent Traffic System，簡稱ITS）體系框架研究成果，結(jié)合中國鐵路具體情況，提出了中國智能鐵路的總體框架（RITS）[5-6]。

1.2 近期階段

進(jìn)入新世紀(jì)的第2個10年，對于智能鐵路的研究出現(xiàn)了新的形勢及特點(diǎn)。

2013年，歐盟提出的Shift2Rail科技創(chuàng)新項目是歐盟第一個以市場為導(dǎo)向的科研項目，是歐盟《地平線2020》規(guī)劃（《2014—2020年研究和創(chuàng)新框架規(guī)劃》）資助的唯一鐵路項目[14]。該項目的目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)歐洲鐵路一體化、增強(qiáng)歐洲鐵路的吸引力及競爭力、鞏固歐洲鐵路在全球市場的領(lǐng)導(dǎo)地位。為此，Shift2Rail劃分了5個創(chuàng)新項目（IPs，Innovation Programmes）：

IP1：高效可靠的大容量和高速列車；

IP2：先進(jìn)的運(yùn)輸管理和控制系統(tǒng)；

IP3：高質(zhì)量、低投入的基礎(chǔ)設(shè)施以及智能維護(hù)系統(tǒng)；

IP4：有吸引力的鐵路服務(wù)的IT解決方案；IP5：可持續(xù)和有吸引力的歐洲貨運(yùn)技術(shù)。

德國鐵路股份公司提出了鐵路4.0發(fā)展規(guī)劃，包括運(yùn)輸4.0、基礎(chǔ)設(shè)施4.0、物流4.0、信號技術(shù)4.0、IT4.0、生產(chǎn)制造4.0、工作崗位4.0、技術(shù)創(chuàng)新4.0等[15]。具體內(nèi)容包括：通過APP優(yōu)化乘客路線設(shè)計、購票及換乘體驗(yàn)；實(shí)現(xiàn)高效、快速的運(yùn)行線規(guī)劃，提高線路使用效率；實(shí)現(xiàn)故障設(shè)施的自動診斷和自動報修，提高設(shè)備的可用性；向客戶提供個性化物流解決方案；實(shí)現(xiàn)智能化的機(jī)車和貨車，自動判斷下一次檢修的時間和內(nèi)容等。

2015年法國國家鐵路公司推出數(shù)字化法鐵（DIGITALSNCF）項目，通過加強(qiáng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，構(gòu)建連通列車、路網(wǎng)、站房3大區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，既實(shí)現(xiàn)企業(yè)對安全、生產(chǎn)效率、能源經(jīng)濟(jì)、工作質(zhì)量等的追求，又滿足旅客對準(zhǔn)點(diǎn)率和舒適性的需求[16]。

近期，英國提出了數(shù)字時代下的鐵路發(fā)展藍(lán)圖[17]。該藍(lán)圖重點(diǎn)描述了當(dāng)前英國鐵路面臨的3大挑戰(zhàn)及應(yīng)對措施，主要包括：運(yùn)用藍(lán)牙及生物識別技術(shù)替代傳統(tǒng)售票技術(shù)，設(shè)計新型列車座椅以增加車廂容載量，研發(fā)智能列車以加大發(fā)車頻率。

為加強(qiáng)鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的過程管理，鞏固鐵路系統(tǒng)市場份額，確保鐵路可持續(xù)發(fā)展，俄羅斯鐵路公司（RZD）于2013年制定了《2016—2020年全面創(chuàng)新發(fā)展計劃》，提出數(shù)字化鐵路的發(fā)展目標(biāo)和任務(wù)，覆蓋范圍包括機(jī)車車輛和基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測、運(yùn)輸管理和列車控制等，包含了從企業(yè)運(yùn)營到資產(chǎn)管理的所有工作內(nèi)容[18]。

在中國，原鐵道部及改制后的鐵路總公司加大了科研課題的支持力度，對于智能鐵路發(fā)展戰(zhàn)略、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)等開展深入研究[7-10]，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、無人機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人等技術(shù)都不同程度地在鐵路系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

2 智能鐵路概念及內(nèi)涵

2.1 智能鐵路概念

智能鐵路是廣泛應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、下一代通信、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、BIM等新技術(shù)，通過對鐵路移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及相關(guān)內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，高效綜合利用鐵路所有移動、固定、空間、時間和人力等資源，實(shí)現(xiàn)鐵路建設(shè)、運(yùn)輸全過程、全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更加安全可靠、更加經(jīng)濟(jì)高效、更加溫馨舒適、更加方便快捷、更加節(jié)能環(huán)保的新一代鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)[19]。

2.2 智能鐵路目標(biāo)

（1）更加安全可靠。通過鐵路固定設(shè)施、移動設(shè)備、運(yùn)輸過程及自然環(huán)境等的狀態(tài)感知，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障、行車事故的預(yù)測、預(yù)警，突出超前防范，整體提升鐵路運(yùn)行安全保障能力。

（2）更加經(jīng)濟(jì)高效。通過鐵路運(yùn)輸組織的智能優(yōu)化，提高運(yùn)輸效率；通過鐵路設(shè)備設(shè)施全壽命周期管理，實(shí)現(xiàn)“計劃修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變，降低養(yǎng)護(hù)維修成本；通過鐵路經(jīng)營管理精益化，提高經(jīng)營效益。

（3）更加溫馨舒適。鐵路列車、車站采用大量人性化設(shè)計，為旅客提供全方位、全過程出行服務(wù)，滿足旅客多樣性和個性化服務(wù)要求，提高旅客出行體驗(yàn)。

（4）更加方便快捷。通過鐵路貨運(yùn)的網(wǎng)絡(luò)化，為貨主提供物流全流程的貨物跟蹤及查詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸信息透明化。

（5）更加節(jié)能環(huán)保。優(yōu)化列車動力結(jié)構(gòu)和列車運(yùn)行控制方式，實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)用電在線監(jiān)測、智能分析和節(jié)能控制，降低鐵路能源消耗。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能，降低環(huán)境、噪聲污染，促進(jìn)鐵路綠色發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展。

2.3 智能鐵路特征

（1）全面感知。對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中移動設(shè)備、固定設(shè)施、自然環(huán)境、其他相關(guān)要素等進(jìn)行全面透徹的信息感知。

（2）泛在互聯(lián)。各類信息進(jìn)行廣泛、深度、安全可信的交互，實(shí)現(xiàn)信息共享。

（3）融合處理。充分利用不同時間、空間的多源、異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)資源，解決數(shù)據(jù)不一致、不完整問題，為綜合決策提供充足的依據(jù)。

（4）主動學(xué)習(xí)。積累大量數(shù)據(jù)和知識，不斷迭代，適應(yīng)鐵路外部市場和環(huán)境的變化。

（5）科學(xué)決策?；诖髷?shù)據(jù)分析、知識推理等方法，從海量數(shù)據(jù)中提出決策信息，輔助運(yùn)營管理和經(jīng)營決策。

2.4 智能鐵路內(nèi)涵

如果說工業(yè)化時代因能源驅(qū)動而使機(jī)器變得“四肢發(fā)達(dá)”，信息化時代因信息靈通而使機(jī)器變得“耳聰目明”，那么智能化時代將因智能技術(shù)的應(yīng)用使機(jī)器變得“頭腦聰慧”。信息化強(qiáng)調(diào)的是信息的采集、傳輸、分析及應(yīng)用，但信息的分析多停留在數(shù)值運(yùn)算的層面。智能化強(qiáng)調(diào)的是思維、判斷、決策，上升到邏輯運(yùn)算的層面。

從狹義上來講，智能鐵路指通過各種智能化技術(shù)的應(yīng)用，最大化模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能，將這種機(jī)制盡可能地移植給人造設(shè)備及系統(tǒng)，從而將人類從鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)組織眾多復(fù)雜的思維、決策活動中解脫出來，實(shí)現(xiàn)整個運(yùn)輸過程的自動化、智能化、便捷化。

同時，智能鐵路并不僅限于技術(shù)驅(qū)動，也體現(xiàn)在新思想、新理念的應(yīng)用。從廣義上來講，凡是有助于提高鐵路運(yùn)輸效率、提升安全保障能力、優(yōu)化客戶服務(wù)質(zhì)量的技術(shù)，都可稱之為智能鐵路技術(shù)。

3 智能鐵路總體架構(gòu)及系統(tǒng)組成

3.1 智能鐵路總體架構(gòu)

智能鐵路是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，從整體上來看，由智能感知層、智能傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、智能決策層、智能應(yīng)用層等組成，如圖1所示。

（1）智能感知層是智能鐵路感知真實(shí)世界的觸手，也是融合物理世界和信息世界的紐帶。智能感知層的功能是識別物體，采集信息，即通過傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等多種手段，自動化獲取鐵路行車狀態(tài)、設(shè)備健康狀況、自然環(huán)境條件等信息，全方位了解整個鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為上層的精細(xì)化管理提供支撐。作為構(gòu)建智能鐵路的基礎(chǔ)，智能感知層的采集方式多樣化及泛在化是其重要特征。信息采集設(shè)備主要包括傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、GPS/BDS、綜合視頻、紅外監(jiān)測等等。

（2）智能傳輸層是聯(lián)結(jié)智能鐵路各組成要素的紐帶。智能傳輸層的功能是將感知層采集到的信息，通過各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行匯集、整合，以供進(jìn)一步的智能分析及利用。廣泛互聯(lián)、可靠傳遞是對智能傳輸層的基本訴求，需要各種有線、無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)趨于成熟，為智能鐵路提供了堅實(shí)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。智能傳輸層采用的主要技術(shù)包括鐵路信息網(wǎng)絡(luò)的IPV4/IPV6技術(shù)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、3G/4G網(wǎng)絡(luò)等。

（3）數(shù)據(jù)資源層是智能鐵路智慧產(chǎn)生的源泉，一切智慧及決策皆來源于數(shù)據(jù)。通過對采集到的鐵路內(nèi)外部相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，可分析、識別出隱含的有意義的信息，從而獲取對事物狀態(tài)及發(fā)展趨勢更深刻的認(rèn)識，為決策判斷提供科學(xué)的依據(jù)。數(shù)據(jù)資源層從下到上分為兩個部分：最底層為數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，主要提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)共享、大數(shù)據(jù)存儲與分析等能力；最上層為數(shù)據(jù)資源，全面整合鐵路戰(zhàn)略決策、運(yùn)輸生產(chǎn)、經(jīng)營開發(fā)、資源管理、建設(shè)管理、綜合協(xié)同、社會數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的信息資源。

（4）智能決策層是智能鐵路的大腦，將數(shù)據(jù)資源層的各類數(shù)據(jù)，通過智能技術(shù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識，并快速準(zhǔn)確地提供報表、儀表盤、3D等可視化方式進(jìn)行全局展示，輔助鐵路業(yè)務(wù)經(jīng)營決策。智能決策層采用的主要技術(shù)包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、交互學(xué)習(xí)技術(shù)、可視化技術(shù)等。

（5）智能應(yīng)用層充分體現(xiàn)了智能鐵路的能動性，對鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行控制、改造、優(yōu)化。智能應(yīng)用層是智能化與鐵路業(yè)務(wù)分工的深度融合，形成各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能化子系統(tǒng)?；谥悄軟Q策層的分析結(jié)果，可提升運(yùn)輸組織效率、提高安全保障能力、推動業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新。根據(jù)智能鐵路豐富的內(nèi)涵，智能應(yīng)用層主要由智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營3部分組成。

3.2 智能鐵路系統(tǒng)組成

智能鐵路信息系統(tǒng)是智能鐵路的外延，是智能鐵路最終發(fā)揮效果、對外提供能力的載體。目前，我國智能鐵路信息系統(tǒng)涵蓋3個方面，智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營，致力于實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸全業(yè)務(wù)流程、全價值鏈條、全生命周期、全生態(tài)體系的整體智能化。

（1）智能建造

智能建造是以BIM+GIS技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，與先進(jìn)的工程建造技術(shù)相融合，通過自動感知、智能診斷、協(xié)同互動、主動學(xué)習(xí)和智能決策等手段，進(jìn)行工程設(shè)計及仿真、數(shù)字化工廠、精密測控、自動化安裝、動態(tài)監(jiān)測等工程化應(yīng)用，構(gòu)建勘察、設(shè)計、施工、驗(yàn)收、安質(zhì)、監(jiān)督全壽命可追溯的閉環(huán)體系，圍繞橋梁、隧道、路基、軌道及車站，實(shí)現(xiàn)建設(shè)過程中進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資的精細(xì)化和智能化管理，形成和諧共生的工程建設(shè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，使復(fù)雜的建造過程透明化、可視化，推動鐵路建設(shè)從信息化、數(shù)字化走向智能化。

（2）智能裝備

智能裝備包括智能移動裝備（動車組、機(jī)車）、智能基礎(chǔ)設(shè)施（工務(wù)、電務(wù)、供電）等?；谌轿粦B(tài)勢感知、自動駕駛、運(yùn)行控制、故障診斷、故障預(yù)測與健康管理（PHM）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵路移動裝備及基礎(chǔ)設(shè)施的自感知、自診斷、自決策、自適應(yīng)、自修復(fù)；實(shí)現(xiàn)動車組、機(jī)車等移動裝備的自動及協(xié)同運(yùn)行；構(gòu)建新一代智能化牽引供電和通信體系，實(shí)現(xiàn)線路、通信信號、牽引供電等基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期精細(xì)化管理及優(yōu)化配置，保持基礎(chǔ)設(shè)施的最佳使用狀態(tài)。

（3）智能運(yùn)營

智能運(yùn)營包括智能調(diào)度、智能服務(wù)、智能車站、智能物流、智能運(yùn)維、智能安全保障及智能經(jīng)營。采用泛在感知、智能監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí)、智能視頻、事故預(yù)測及智聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸計劃的一體化編制和智能調(diào)整，全力打造列控與調(diào)度一體化體系，保障列車的自動安全準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。圍繞購票、進(jìn)站、候車、乘車、出站等環(huán)節(jié)，為旅客提供自助化、精準(zhǔn)化、個性化、智能化、國際化的“溫馨、便捷、安全、綠色”無障礙全過程出行服務(wù)。以客運(yùn)車站設(shè)施設(shè)備及運(yùn)營環(huán)境狀態(tài)感知、故障診斷、智能決策為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備智能化、車站服務(wù)多樣化、客運(yùn)車站人員-設(shè)備-作業(yè)協(xié)同聯(lián)動，提高管理效率，提升服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化業(yè)務(wù)流程。通過對運(yùn)輸、倉儲、裝卸、配送等物流全過程的有效整合，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃、貨物在途追蹤、物流倉儲配送及分揀自動化，為貨主提供物流全過程一站式服務(wù)，大幅提升運(yùn)輸效率，降低物流成本。掌握基礎(chǔ)設(shè)施及移動裝備劣化機(jī)理及演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維修，提高養(yǎng)護(hù)維修效率，降低運(yùn)維成本。通過鐵路固定設(shè)施、移動裝備、運(yùn)輸過程及自然環(huán)境等的狀態(tài)感知，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障、行車事故的預(yù)測、預(yù)警，突出超前防范，整體提升鐵路運(yùn)行安全保障能力。準(zhǔn)確把握市場需求，科學(xué)開展客貨運(yùn)產(chǎn)品設(shè)計及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸價格的動態(tài)化、售票組織的智能化、運(yùn)輸收益的最大化，提升鐵路精細(xì)化經(jīng)營管理水平、提高運(yùn)營效率。

4 智能鐵路技術(shù)體系

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷促進(jìn)鐵路行業(yè)的發(fā)展，智能鐵路更是一個技術(shù)密集型的概念。只有當(dāng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定程度后，智能鐵路的理念才有可能得以實(shí)現(xiàn)。智能鐵路需要一整套技術(shù)進(jìn)行支撐，這些技術(shù)大體上可以分為3類，如圖2所示。

4.1 智能鐵路通用技術(shù)

信息化是智能化的基礎(chǔ)和前提，智能化是信息化的高級階段和發(fā)展方向。智能鐵路首先需要基礎(chǔ)信息、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的支撐，以實(shí)現(xiàn)最根本的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等功能。從數(shù)據(jù)生命周期來看，通用技術(shù)又可以分為數(shù)據(jù)感知、傳輸、處理及應(yīng)用等幾個環(huán)節(jié)。

4.2 智能處理技術(shù)

圖2 智能鐵路技術(shù)體系

智能鐵路的核心理念是最大化模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能，賦予機(jī)器思維、判斷、決策的能力，實(shí)現(xiàn)以上能力主要依靠智能處理技術(shù)。智能處理技術(shù)以人工智能理論為基礎(chǔ)，側(cè)重于信息處理的智能化，既包括傳統(tǒng)的知識工程、智能規(guī)劃等技術(shù)，也包括新興的混合增強(qiáng)智能、量子智能計算等技術(shù)。智能處理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)鐵路大腦的核心支撐。2017年，國家發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，全面布局人工智能技術(shù)研究及發(fā)展，為智能鐵路建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

4.3 智能鐵路專用技術(shù)

鐵路是一個多學(xué)科、跨領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)，涉及工務(wù)工程、牽引供電、通信信號、移動裝備、運(yùn)輸組織、客貨服務(wù)、設(shè)備維修、安全保障等各個方面。建設(shè)智能鐵路，需要在鐵路既有各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)的突破及創(chuàng)新，包括機(jī)器人建造技術(shù)、鐵路BIM技術(shù)、智能動車組技術(shù)、自動駕駛技術(shù)、智能牽引供電技術(shù)、行車安全預(yù)警技術(shù)、運(yùn)行圖編制理論、智能調(diào)度技術(shù)、智能運(yùn)維技術(shù)及全面電子客票技術(shù)等。

通過以上技術(shù)的綜合應(yīng)用、集成創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)智能鐵路的整體目標(biāo)。

5 智能鐵路發(fā)展

近年來，隨著智能鐵路研究的深入及技術(shù)的成熟，中國智能鐵路建設(shè)逐漸進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。京張高鐵、京雄高鐵、福廈高鐵、蒙華鐵路以及珠三角城際鐵路，都成為智能鐵路建設(shè)的前沿。

5.1 智能京張定位

2016年4月，京張高鐵全線開工。中國鐵路總公司提出打造“精品工程、智能京張”的戰(zhàn)略舉措，京張高鐵將集中國高鐵建設(shè)運(yùn)營技術(shù)和管理水平之大成，全面展示我國智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果，是中國高鐵從世界先進(jìn)水平向世界領(lǐng)先水平邁進(jìn)的標(biāo)志性工程。

智能京張，就是采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)、BIM等先進(jìn)技術(shù)，通過信息的全面感知、安全傳輸、融合處理和科學(xué)決策，打造智能車站、智能列車、智能線路，實(shí)現(xiàn)旅客智能出行、鐵路智能運(yùn)輸，把京張高鐵建設(shè)成為精品與智能深度融合、硬件與軟件相得益彰的典范之作，全面提升安全生產(chǎn)、運(yùn)營管理、客運(yùn)服務(wù)的現(xiàn)代化水平。

5.2 智能京張技術(shù)創(chuàng)新

（1）在工程建設(shè)方面，京張高鐵在全球首次全線采用BIM技術(shù)。從原材管理、鋼筋加工、混凝土拌制、運(yùn)輸養(yǎng)護(hù)，到內(nèi)業(yè)資料整理，實(shí)現(xiàn)全生命周期智能化、信息化管理。利用BIM可視化技術(shù)，通過監(jiān)控系統(tǒng)對接盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)，可精準(zhǔn)實(shí)時查看盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，根據(jù)姿態(tài)顯示及時糾正盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，確保隧道施工達(dá)到精度要求；同時可以及時了解隧道掘進(jìn)進(jìn)度，當(dāng)進(jìn)度滯后時能夠及時修正方案，做出調(diào)整。

（2）在動車組方面，以現(xiàn)有“復(fù)興號”CR400BF型動車組為基礎(chǔ)，在智能化、安全舒適、綠色環(huán)保、綜合節(jié)能等方面全面升級，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)自感知、運(yùn)行故障自診斷、導(dǎo)向安全自決策等功能。京張高鐵智能動車組將首次采用我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)350 km/h的自動駕駛，在高鐵應(yīng)用歷史上屬世界首例。同時，車上還配有滑雪板存放處，并開設(shè)了世界上最獨(dú)特的移動新聞中心——媒體車廂，媒體車廂將實(shí)現(xiàn)高速互聯(lián)網(wǎng)覆蓋，實(shí)現(xiàn)奧運(yùn)賽事直播。

（3）在供電系統(tǒng)方面，配備由智能供電設(shè)備、智能供電調(diào)度、智能供電運(yùn)行管理及通信網(wǎng)絡(luò)組成的智能供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能故障診斷、預(yù)警、自愈重構(gòu)等功能，形成供電系統(tǒng)健康評估體系。

（4）在調(diào)度指揮方面，構(gòu)建基于人工智能的高速鐵路智能調(diào)度指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能動態(tài)調(diào)度、智能協(xié)同控制、智能換乘調(diào)度、智能故障診斷等功能，達(dá)到路網(wǎng)整體列車調(diào)度效率最優(yōu)，提升系統(tǒng)應(yīng)急決策和處置能力，提高運(yùn)營效率和旅客滿意度。

（5）在旅客服務(wù)方面，全面完善12306網(wǎng)站及自助服務(wù)設(shè)施；支持多國語言國外銀行卡支付；拓展票種形式（定期票、聯(lián)程票、常旅客票等）；實(shí)現(xiàn)全面電子客票、一證通行、刷臉進(jìn)站及檢票；提供行程規(guī)劃及資訊服務(wù)，以及站車WiFi全覆蓋、站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)；配備行李搬運(yùn)機(jī)器人，并提供個性化及無障礙服務(wù)等。

（6）在車站方面，提供智能引導(dǎo)、自助服務(wù)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)基于非法侵入識別、人流聚集與擴(kuò)散異常檢測、環(huán)境監(jiān)測與調(diào)節(jié)的車站運(yùn)營智能感知。車站環(huán)境舒適性監(jiān)控系統(tǒng)、能源管控系統(tǒng)等將保證車站的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備智能監(jiān)控與管理，并配備垃圾密閉式氣力輸送等節(jié)能環(huán)保措施。

（7）在運(yùn)營維護(hù)方面，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)、故障預(yù)測與健康管理（PHM）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)裝備的全過程管理，提高動車組等技術(shù)裝備維修的智能化水平，降低裝備的全生命周期成本，提高運(yùn)輸效率和安全水平。

（8）在自然災(zāi)害防護(hù)方面，能夠?qū)︼L(fēng)級、雨量、雪深等自然環(huán)境自動監(jiān)測與報警，實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)急處置。還能實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警及自動應(yīng)急處置，并對沿線非法侵入自動報警防范等。

京張智能高鐵是我國智能鐵路最新成果的首次集成化應(yīng)用，在列車自動駕駛、智能調(diào)度指揮、故障智能診斷、建筑信息模型、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、生物特征識別等方面實(shí)現(xiàn)重大突破。智能京張的建設(shè)，開啟了中國智能鐵路建設(shè)的新篇章，使百年京張鐵路重新煥發(fā)了生機(jī)，具有劃時代的重要意義。

6 中國智能鐵路發(fā)展展望

智能鐵路是中國鐵路發(fā)展的方向。未來20年，中國將釋放出巨大的社會經(jīng)濟(jì)需求，這將為智能鐵路發(fā)展創(chuàng)造千載難逢的機(jī)遇和得天獨(dú)厚的條件。結(jié)合鐵路實(shí)際業(yè)務(wù)需求和技術(shù)發(fā)展趨勢，形成智能鐵路發(fā)展藍(lán)圖，保障智能鐵路發(fā)展的有序推進(jìn)可分為以下3個階段：

（1）2018—2020年，完成智能京張、智能京雄高鐵示范工程建設(shè)，構(gòu)建智能鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，初步形成智能鐵路應(yīng)用格局。

（2）2021—2025年，突破基于BIM的智能建造標(biāo)準(zhǔn)體系、自學(xué)習(xí)及自適應(yīng)的譜系化智能動車組、全面感知的列車無人駕駛（DTO）、面向多種交通方式的智能綜合協(xié)同指揮、旅客無障礙出行服務(wù)體系等重大智能鐵路理論與技術(shù)，全面掌握從設(shè)計、建造到運(yùn)營的全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)。

（3）2026—2035年，智能鐵路應(yīng)用由輔助協(xié)同向自主操控升級，智能建造技術(shù)廣泛應(yīng)用，研發(fā)自修復(fù)型智能動車組，探索全自動無人駕駛（UTO），突破極端復(fù)雜情況下高鐵智能容錯理論與技術(shù)，構(gòu)建基于量子、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的智能安全體系，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)營全面自主操控、無人化。

7 結(jié)束語

本文在概括國外智能鐵路現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，給出了智能鐵路概念及內(nèi)涵，明確了智能鐵路目標(biāo)及發(fā)展方向，設(shè)計了智能鐵路總體架構(gòu)及組成系統(tǒng)，構(gòu)建了智能鐵路技術(shù)體系。通過對智能鐵路的深入研究，依托京張、京雄、蒙華等多條新線建設(shè)，使智能鐵路研究成果得以驗(yàn)證、轉(zhuǎn)化、落地、推廣，使其切實(shí)服務(wù)于廣大人民群眾，成為鐵路持續(xù)發(fā)展的核心支撐，從而引領(lǐng)工程科技創(chuàng)新，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)及社會效益。