智能高鐵體系框架研究

何華武，朱亮，李平，鄭金子

（1.?中國(guó)工程院，北京???100088；

2.?中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京???100081）

0 引言

近10年來(lái)，我國(guó)高速鐵路實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)快速發(fā)展，2017年開(kāi)始進(jìn)入智能化引領(lǐng)階段，全面啟動(dòng)智能京張高鐵建設(shè)，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組在京滬高鐵實(shí)現(xiàn)時(shí)速350?km運(yùn)營(yíng)，為我國(guó)高速鐵路智能創(chuàng)新拉開(kāi)了序幕。智能高鐵是龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)的研發(fā)具有時(shí)空性和階段性特征，為保證智能高鐵在全國(guó)范圍內(nèi)集成的兼容性、可控性、互操作性，需進(jìn)行智能高鐵頂層設(shè)計(jì)[1]。

智能高鐵體系架構(gòu)為智能高鐵規(guī)劃和建設(shè)提供了總體藍(lán)圖及規(guī)格說(shuō)明，它決定系統(tǒng)組成，確定功能模塊以及模塊間進(jìn)行通信和協(xié)同的協(xié)議與接口，為智能高鐵系統(tǒng)的研發(fā)提供指導(dǎo)性文件。結(jié)合新形勢(shì)下智能高鐵的內(nèi)涵及特征，設(shè)計(jì)智能高鐵體系框架，在總體架構(gòu)的指導(dǎo)下提出服務(wù)框架和邏輯框架，形成滿(mǎn)足智能高鐵功能需求的物理框架，并對(duì)智能高鐵大腦的內(nèi)涵和系統(tǒng)組成進(jìn)行探討。

1 智能系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)相關(guān)研究

在智能系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)外的智能交通、智慧城市、智能鐵路等行業(yè)紛紛開(kāi)展了大量研究與實(shí)踐，并取得了一定的借鑒成果。

智能交通系統(tǒng)（Intelligent?Traffic?System，ITS）體系框架的研究起步較早，美國(guó)是最早開(kāi)發(fā)完整ITS體系結(jié)構(gòu)的國(guó)家，1993年美國(guó)交通部啟動(dòng)ITS?體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，并于1996年完成第1版美國(guó)國(guó)家智能交通系統(tǒng)體系框架，其主要特點(diǎn)為內(nèi)容全面、包羅萬(wàn)象[2-3]。此后，美國(guó)不斷進(jìn)行ITS體系框架的修訂工作，并加強(qiáng)對(duì)體系框架的應(yīng)用、推廣以及與傳統(tǒng)交通規(guī)劃的結(jié)合，經(jīng)過(guò)20余年的迭代更新，現(xiàn)已形成8.2版本。歐盟于1998年開(kāi)始ITS體系框架的研究，并于1999年完成了邏輯框架和物理框架，此后陸續(xù)補(bǔ)充完善了其他部分內(nèi)容，形成了歐盟整體的ITS體系框架，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略性規(guī)劃，核心是突出其在ITS規(guī)劃和建設(shè)中的指導(dǎo)意義[4]。我國(guó)在“九五”期間推出“中國(guó)智能運(yùn)輸系統(tǒng)體系框架（第1版）”，為我國(guó)?ITS描繪了未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖，并為我國(guó)ITS的規(guī)范建設(shè)提供了依據(jù)[5]。目前，我國(guó)ITS體系框架包含用戶(hù)服務(wù)、邏輯框架、物理框架、應(yīng)用系統(tǒng)4部分，其中用戶(hù)服務(wù)包括9個(gè)服務(wù)領(lǐng)域、47項(xiàng)服務(wù)、179項(xiàng)子服務(wù)；邏輯框架包括10個(gè)功能領(lǐng)域、57項(xiàng)功能、101項(xiàng)子功能、406個(gè)過(guò)程、161?張數(shù)據(jù)流圖；物理框架包括?10個(gè)系統(tǒng)、38個(gè)子系統(tǒng)、150個(gè)系統(tǒng)模塊、51張物理框架流圖；應(yīng)用系統(tǒng)包括58個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)[6]。

近年來(lái)，很多國(guó)家和地區(qū)先后提出智慧城市的發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃，美國(guó)、歐盟、俄羅斯等均出臺(tái)相關(guān)政策，明確智慧城市的發(fā)展目標(biāo)和建設(shè)重點(diǎn)。自2009年溫家寶總理在北京科技大會(huì)的報(bào)告中提出“智慧中國(guó)”等概念開(kāi)始[7]，智慧城市的研究和建設(shè)在我國(guó)全面展開(kāi)。2018年6月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《智慧城市頂層設(shè)計(jì)指南》，并于2019年1月1日正式開(kāi)始實(shí)施。該指南規(guī)定了智慧城市頂層設(shè)計(jì)的總體要求、基本過(guò)程及需求分析、總體設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)施路徑設(shè)計(jì)等，適用于智慧城市的頂層設(shè)計(jì)，也可指導(dǎo)信息化領(lǐng)域的頂層設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)智能鐵路體系框架也開(kāi)展了大量研究工作。日本的CyberRail是起步較早的智能鐵路系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)通過(guò)其強(qiáng)大的信息提供能力，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸與其他運(yùn)輸方式的無(wú)接縫、無(wú)障礙銜接和運(yùn)輸。CyberRail將用戶(hù)服務(wù)分為4個(gè)領(lǐng)域：面向需求的運(yùn)輸規(guī)劃和調(diào)度、多式聯(lián)運(yùn)信息和個(gè)人導(dǎo)航、智能列車(chē)控制、通用信息平臺(tái)。2000年，以國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心的成立為標(biāo)志，我國(guó)全面啟動(dòng)智能鐵路的研究工作。2002年，在借鑒ITS體系框架的研究思路基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并推出了中國(guó)鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)體系框架[8]。該框架由用戶(hù)主體、服務(wù)主體、服務(wù)框架、邏輯框架、物理框架和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)等部分組成，各部分密切相關(guān)，共同構(gòu)成了智能鐵路的有機(jī)整體。

2 智能高鐵體系框架構(gòu)成

智能高鐵絕不是先進(jìn)智能技術(shù)與控制技術(shù)在高速鐵路各專(zhuān)業(yè)獨(dú)立應(yīng)用的簡(jiǎn)單疊加，而是通過(guò)不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域、面向高鐵生命周期不同階段信息系統(tǒng)的集成融合，從而形成功能更強(qiáng)、效率更高、穩(wěn)定性更好的統(tǒng)一智能高鐵系統(tǒng)。智能高鐵系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程，同時(shí)它也必須是一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的系統(tǒng)，因此構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)需對(duì)系統(tǒng)的服務(wù)對(duì)象、用戶(hù)需求、功能定位、邏輯結(jié)構(gòu)、物理部署等有較全面的考慮和規(guī)劃，還要做到各子系統(tǒng)間、子系統(tǒng)與整體間的協(xié)調(diào)。

結(jié)合現(xiàn)階段智能高鐵發(fā)展的內(nèi)外部環(huán)境與需求，基于新形勢(shì)下智能高鐵的內(nèi)涵及特征，設(shè)計(jì)智能高鐵體系框架。研究采用結(jié)構(gòu)化分析方法的基本思想，按照需求分析、系統(tǒng)模型和物理模型3個(gè)階段設(shè)計(jì)智能高鐵體系框架的主要構(gòu)成，描述智能高鐵系統(tǒng)分析和構(gòu)建的過(guò)程（見(jiàn)圖1）。

由圖1可知，智能高鐵體系框架主要包含服務(wù)框架、功能框架、邏輯框架和物理框架4部分，此外，安全保障貫穿始終，為智能高鐵的規(guī)劃和建設(shè)提供安全保障基礎(chǔ)。智能高鐵體系框架中的服務(wù)框架對(duì)應(yīng)于需求分析，功能框架和邏輯框架對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)模型，物理框架對(duì)應(yīng)于物理模型。各部分的內(nèi)涵如下：

圖1 智能高鐵體系框架構(gòu)成

（1）服務(wù)框架明確智能高鐵的用戶(hù)主體和服務(wù)主體，鐵路內(nèi)、外部用戶(hù)對(duì)智能高鐵的需求，并完全從用戶(hù)的角度出發(fā)提出智能高鐵所應(yīng)提供的服務(wù)；

（2）功能框架在需求分析的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，定義智能高鐵為滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)所需提供的功能；

（3）邏輯框架描述智能高鐵系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，定義各功能間的輸入、輸出數(shù)據(jù)流和處理過(guò)程；

（4）物理框架是邏輯框架的具體實(shí)現(xiàn)，定義能實(shí)現(xiàn)智能高鐵各類(lèi)功能的物理子系統(tǒng)及其交互關(guān)系；

（5）安全保障為智能高鐵的規(guī)劃和建設(shè)提供信息安全、網(wǎng)絡(luò)安全、物理安全、系統(tǒng)安全、應(yīng)用安全、安全管理等保障能力。

3 智能高鐵體系框架設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)框架與功能框架

服務(wù)框架的設(shè)計(jì)首先需明確智能高鐵的用戶(hù)主體和服務(wù)主體，以及智能高鐵所應(yīng)提供的服務(wù)，是進(jìn)行智能高鐵頂層設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

用戶(hù)主體是智能高鐵服務(wù)面對(duì)的主要用戶(hù)，是在某個(gè)服務(wù)領(lǐng)域指定需求的主體，是進(jìn)行需求分析、定義用戶(hù)服務(wù)、用戶(hù)子服務(wù)的前提與基礎(chǔ)；服務(wù)主體是根據(jù)用戶(hù)需求為用戶(hù)提供智能高鐵服務(wù)的主體。根據(jù)智能高鐵的內(nèi)涵，提出智能高鐵的用戶(hù)主體和服務(wù)主體。用戶(hù)主體分為管理用戶(hù)和服務(wù)用戶(hù)2類(lèi)，其中管理用戶(hù)主要為中國(guó)鐵路總公司的主要管理部門(mén)，包括客運(yùn)部、調(diào)度部、機(jī)輛部、工電部、運(yùn)輸統(tǒng)籌監(jiān)督局、物資管理部、建設(shè)管理部、安全監(jiān)督管理局等；服務(wù)用戶(hù)主要為旅客、合作伙伴、其他交通方式管理部門(mén)等。服務(wù)主體分為路內(nèi)服務(wù)提供方和路外服務(wù)提供方，路內(nèi)服務(wù)提供方主要為中國(guó)鐵路總公司、鐵路局集團(tuán)公司的技術(shù)管理部門(mén)，包括營(yíng)運(yùn)管理部門(mén)、調(diào)度指揮部門(mén)、固定設(shè)施管理部門(mén)、移動(dòng)設(shè)施管理部門(mén)、人財(cái)物管理部門(mén)、信息服務(wù)部門(mén)、緊急救援與安全管理部門(mén)等；路外服務(wù)提供方包括餐飲行業(yè)、酒店行業(yè)、交通行業(yè)等。

在明確用戶(hù)主體和服務(wù)主體的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶(hù)需求分析，提出智能高鐵服務(wù)框架，即“1個(gè)平臺(tái)、3大領(lǐng)域、16個(gè)服務(wù)方向”的框架結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。

在服務(wù)框架中，“1個(gè)平臺(tái)”是指智能高鐵大腦平臺(tái)，為智能高鐵各領(lǐng)域的智能應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺(tái)、數(shù)據(jù)資源、智能決策支撐?；谥悄芨哞F大腦平臺(tái)延展出三大應(yīng)用領(lǐng)域，分別是智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營(yíng)。在需求分析的基礎(chǔ)上對(duì)各應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)分，從而形成16個(gè)服務(wù)方向。

功能框架是在用戶(hù)需求分析及服務(wù)框架給定的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)角度描述智能高鐵系統(tǒng)所需提供的為滿(mǎn)足用戶(hù)服務(wù)的功能。例如，基于BIM的工程建設(shè)管理是用戶(hù)需要的服務(wù)，為實(shí)現(xiàn)該服務(wù)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，根據(jù)鐵路工程建設(shè)管理過(guò)程，提出4個(gè)主要系統(tǒng)功能，分別為勘察設(shè)計(jì)信息管理、建設(shè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與互聯(lián)、參建各方協(xié)同管理和輔助決策、建設(shè)質(zhì)量的可追溯閉環(huán)管理。智能高鐵的功能框架見(jiàn)圖3。

圖2 智能高鐵服務(wù)框架

3.2 邏輯框架與物理框架

邏輯框架從系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)輸入數(shù)據(jù)流、輸出數(shù)據(jù)流及處理過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)性組織，邏輯框架的構(gòu)建不考慮管理體制和技術(shù)因素，具體的功能實(shí)現(xiàn)工作由物理框架完成。邏輯框架與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相分離的設(shè)計(jì)方法使邏輯框架便于改進(jìn)，具備相對(duì)較好的穩(wěn)定性，支持廣泛的不同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

邏輯框架通常用層次數(shù)據(jù)流圖（DFD）來(lái)描述。層次數(shù)據(jù)流圖是一種描述分解的結(jié)構(gòu)化過(guò)程的建模工具，能以直觀的圖形清晰地描述系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的流動(dòng)、數(shù)據(jù)的變化和系統(tǒng)所執(zhí)行的處理等。層次數(shù)據(jù)流圖通常由頂層、底層和若干中間層組成，頂層圖說(shuō)明系統(tǒng)的邊界，即系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)流；底層圖由一些不可再分解的處理構(gòu)成；中間層描述某個(gè)處理的分解，同時(shí)其組成部分還要進(jìn)一步分解。每一層數(shù)據(jù)流圖通常由數(shù)據(jù)流、處理、實(shí)體、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等元素構(gòu)成。

在系統(tǒng)功能框架的基礎(chǔ)上，按照由頂至下、逐層細(xì)化的思路設(shè)計(jì)智能高鐵系統(tǒng)的邏輯框架。在頂層邏輯框架中，由1個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、16個(gè)處理單元和相應(yīng)的數(shù)據(jù)流組成，其中存儲(chǔ)單元為智能高鐵大腦平臺(tái)，處理單元即為服務(wù)框架中給出的16個(gè)服務(wù)方向（見(jiàn)圖4）。

圖4 智能高鐵頂層邏輯框架

物理框架是對(duì)邏輯框架定義的各類(lèi)過(guò)程及數(shù)據(jù)流進(jìn)行整合，形成若干個(gè)具有一定功能、滿(mǎn)足智能高鐵需求的物理子系統(tǒng)。物理子系統(tǒng)的確定既要考慮功能需求，也要考慮非功能需求，包括管理體制、市場(chǎng)等方面的因素。功能需求通過(guò)邏輯框架確定的過(guò)程和數(shù)據(jù)流來(lái)體現(xiàn)，決定智能高鐵物理實(shí)體必須完成的功能，非功能要求則影響智能高鐵功能在物理實(shí)體上的分配方式。

在邏輯框架的基礎(chǔ)上，依據(jù)現(xiàn)行的鐵路運(yùn)營(yíng)管理體制，按照云端系統(tǒng)與鐵路現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)智能高鐵系統(tǒng)物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測(cè)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的系統(tǒng)部署（見(jiàn)圖5）。

在云端部署智能高鐵大腦平臺(tái)以及智能高鐵三大領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)。智能高鐵大腦平臺(tái)作為智能高鐵的“操作系統(tǒng)”，為智能高鐵的有效、協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)提供通用的數(shù)據(jù)、平臺(tái)和智能計(jì)算能力。根據(jù)邏輯框架，應(yīng)用系統(tǒng)包括智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域的15個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。云端系統(tǒng)通過(guò)新一代鐵路通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)與智能高鐵用戶(hù)終端相連接，用戶(hù)終端主要包括內(nèi)部管理終端和對(duì)外服務(wù)終端2類(lèi)，其中內(nèi)部管理終端面向中國(guó)鐵路總公司管理人員、鐵路局集團(tuán)公司管理人員以及其他鐵路內(nèi)部管理人員；對(duì)外服務(wù)終端面向旅客、供應(yīng)商、合作伙伴、其他交通方式管理人員等外部用戶(hù)。

鐵路現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)鐵路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、具有高實(shí)時(shí)性要求的邊緣計(jì)算以及現(xiàn)場(chǎng)操控等功能，通過(guò)新一代鐵路通信網(wǎng)與云端系統(tǒng)相連接。鐵路現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)主要為需在鐵路現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作控制的系統(tǒng)，包括智能動(dòng)車(chē)組系統(tǒng)、車(chē)載列控系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)、智能建造系統(tǒng)等；此外，還包括具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)上傳能力的智能終端，如視頻監(jiān)控、激光測(cè)量、紅外監(jiān)測(cè)及其他檢測(cè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。

3.3 智能高鐵大腦平臺(tái)

圖5 智能高鐵總體物理框架

我國(guó)智能高鐵將按照“一平臺(tái)、多應(yīng)用”的模式規(guī)劃和建設(shè)，智能高鐵大腦即為智能高鐵的統(tǒng)一基礎(chǔ)平臺(tái)，為智能高鐵提供平臺(tái)、數(shù)據(jù)、計(jì)算能力，在智能高鐵大腦平臺(tái)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展建設(shè)各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用系統(tǒng)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)、鐵路物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)和新一代鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)，構(gòu)建鐵路智聯(lián)網(wǎng)作為信息感知端，感知到的數(shù)據(jù)傳入智能高鐵大腦進(jìn)行統(tǒng)一治理、加工、計(jì)算，最終為智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營(yíng)等領(lǐng)域的智能應(yīng)用提供決策支持。智能高鐵大腦平臺(tái)的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括3部分，即基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)資源湖、智能計(jì)算技術(shù)（見(jiàn)圖6）。

（1）基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)為智能高鐵提供平臺(tái)和技術(shù)支撐能力，主要包括大數(shù)據(jù)平臺(tái)、GIS平臺(tái)、BIM平臺(tái)、AI平臺(tái)、北斗平臺(tái)等。

（2）大數(shù)據(jù)資源湖是智能高鐵智慧產(chǎn)生的源泉，一切智慧及決策皆來(lái)源于數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)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(shí)別出隱含的有意義的信息，從而獲取對(duì)事物狀態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)更深刻的認(rèn)識(shí)，為決策判斷提供科學(xué)依據(jù)。大數(shù)據(jù)資源湖基于鐵路智聯(lián)網(wǎng)全面整合智能高鐵戰(zhàn)略決策、運(yùn)輸生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)開(kāi)發(fā)、資源管理、建設(shè)管理、綜合協(xié)同、社會(huì)數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的信息資源。

（3）智能計(jì)算技術(shù)集成智能高鐵所需的人工智能技術(shù)，將數(shù)據(jù)資源層的各類(lèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為知識(shí)，并快速準(zhǔn)確地提供報(bào)表、儀表盤(pán)、3D等可視化方式進(jìn)行全局展示，輔助智能高鐵業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)決策。智能計(jì)算技術(shù)主要包括深度學(xué)習(xí)、文本分析、圖像分析、知識(shí)圖譜等通用人工智能技術(shù)，此外還包括人員畫(huà)像、設(shè)備畫(huà)像等行業(yè)專(zhuān)用技術(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展建設(shè)，我國(guó)已成為擁有世界上最發(fā)達(dá)的高鐵網(wǎng)的國(guó)家，形成了全面擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)裝備和技術(shù)體系。在“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略的指引下，在智能技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下，我國(guó)高鐵快速發(fā)展的同時(shí)，正穩(wěn)步邁進(jìn)智能化發(fā)展的新階段。智能高鐵是一項(xiàng)復(fù)雜而龐大的信息物理系統(tǒng)工程，需要做好頂層設(shè)計(jì)和整體規(guī)劃，通過(guò)對(duì)智能高鐵體系框架的研究和探索，提出智能高鐵的發(fā)展藍(lán)圖和實(shí)施戰(zhàn)略，為我國(guó)智能高鐵的有序建設(shè)提供戰(zhàn)略支撐。

圖6 智能高鐵大腦平臺(tái)總體架構(gòu)