基于智能高鐵建設實踐的智慧城軌整體設計方案研究

于鑫

摘 要：為推動我國智慧城軌健康快速發展，助推《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》的落地實施，基于智能高速鐵路相關實踐經驗，秉持《發展綱要》中的建設思想與目標，同時結合城軌領域各專業的業務特點，從構建能力架構、功能架構與物理架構 3 方面，提出具有實操性的智慧城軌整體設計方案，并給出保障措施和發展建議。

關鍵詞：城市軌道交通;智慧城軌;智能高鐵;整體設計方案

中圖分類號：U213.9

1 引言

當前，我國城市軌道交通智能化發展迅速。隨著全球科技創新進入空前密集活躍期，以大數據、物聯網、云計算、人工智能等信息技術為主導的新一輪科技革命和產業變革正在為各領域的智能化發展點燃新引擎[1-2]。伴隨中國制造2025、交通強國、智慧城市、新基建等若干重大戰略的提出，科技革命、創新驅動、產業格局重塑、經濟發展轉型升級等組合作用，推動了我國城市軌道交通的智能化大發展[3-4]。

城軌智能建造、智能裝備、智能運維、智慧車站、智慧服務等若干智能技術的發展應用[5]，既契合了城軌運營企業對于安全、可靠、高效地管理運營規模急劇擴張線網的技術訴求，更充分地貫徹了“規劃建設為運營，運營服務為乘客”的行業服務理念[6-7]。北京、上海、廣州等形成網絡化運營的城市已經率先提出各具特點的智慧城軌建設總體架構與實施方案[8-11]，并在不同業務領域開展了程度不一的探索與實踐。而其他后發城市也躍躍欲試，在部分領域形成了獨特的智能應用技術。為促使我國城軌交通行業智能化的健康發展和智慧城軌的有序建設，2020年3月，中國城市軌道交通協會（以下簡稱“中城協”）發布了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》（以下簡稱《發展綱要》），以統籌發展戰略，明確建設目標，確定重點任務，謀劃實施路徑[12]。

《發展綱要》的提出點燃了各地建設智慧城軌的熱情，但由于當前相關設計標準以及項目實踐經驗的匱乏，城軌企業在規劃實施智慧城軌項目建設時，面臨難以結合自身發展基礎與實際需求，科學、合理制定實施方案的困境。本文基于已實施建設的智能高速鐵路相關實踐經驗，同時結合城軌領域各專業的業務特點，提出一套針對智慧城軌建設的整體設計方案及相關建議，旨在為城軌企業開展智慧城軌建設相關研究或實踐提供思路與啟示。

2 智能高速鐵路建設實踐

近年來，中國高速鐵路取得了快速發展，截至2019年底，高速鐵路營業里程超過3.5萬km，占全球高速鐵路營業里程的60%以上。中國高速鐵路的快速發展離不開鐵路信息化、智能化建設的持續推進。2017年，新時期鐵路信息化總體規劃發布，提出“智能鐵路”的戰略目標，中國鐵路總公司正式啟動智能京張、智能京雄等重大工程建設，并提出了建設智能高鐵的發展目標[13]。

中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）以京張高鐵、京雄城際鐵路技術攻關和工程建設為依托，從頂層設計角度出發制定了完整的智能高鐵體系架構。智能高鐵是廣泛應用云計算、大數據、物聯網、移動互聯、人工智能、北斗導航、建筑信息模型（BIM）等新技術，綜合高效利用資源，實現高鐵移動裝備、固定基礎設施及內外部環境信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策，實現全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統[13]。智能高鐵的總體組成以一個智能高鐵大腦平臺為核心，包含智能建造、智能裝備、智能運營3部分，總體功能架構如圖1所示[14]。

2019年12月30日，京張高鐵開通運營。京張高鐵是我國智能鐵路最新成果的首次集成化應用，其實現了智能建造、智能裝備和智能運營，開啟了世界智能鐵路的先河，為構建智能鐵路技術標準體系，初步形成智能鐵路應用格局奠定了基礎[15]。京張高鐵在智能建造方面形成了5類典型示范，包括參數化協同設計、BIM + GIS（地理信息系統）工程管理平臺、路橋隧軌智能施工、四電智能施工以及客站智能施工;在智能裝備方面形成6類典型示范，包括智能動車組、高速列車自動駕駛系統、智能牽引變電所、智能災害監測、一體化綜合視頻以及基于BIM的智能綜合檢測;在智能運營方面形成6類示范應用，包括工電供一體化運維故障預測與健康管理（PHM）系統、智能調度集中系統、智能票務、智能客站、北斗應用以及大數據中心[16]。國鐵集團提出打造“精品工程，智能京張”的戰略舉措，使京張高鐵集中國鐵路建設運營技術和管理水平之大成，全面展示我國智能鐵路創新發展的最新成果，成為中國高鐵從世界先進水平向世界領先水平邁進的標志性工程[17-18]。

3 智慧城軌整體設計方案

對于智慧城軌發展整體規劃設計，一些地區城軌業主企業已經形成并提出了自有方案。中城協發布的《發展綱要》中也對智慧城軌建設提出了“1-8-1-1”布局結構的整體發展藍圖，其包括了創建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統、智能列車運行、智能技術裝備、智能基礎設施、智能運維安全和智慧網絡管理八大體系，以及建立一個城軌云與大數據平臺和制定一套中國智慧城軌技術標準體系[12]?？梢哉f，《發展綱要》較為全面地確立了建設智慧城軌需要規劃建設的各大體系及相應的目標及重點任務，為今后我國發展智慧城軌把控住了總方向。但是，由于其屬于規劃類文件，所闡述內容尚不足以直接指導工程建設實施。在此，本文全面基于《發展綱要》建設思想、目標與內容，結合智能高鐵實踐經驗以及城軌從業經驗，從構建能力架構、功能架構與物理架構3方面，提出具有實操性的智慧城軌整體設計方案。

3.1 能力架構

智慧城軌建設應以形成全面智能化應用與服務能力為目標，以引領城軌領域智慧化發展為標桿，以新技術、新材料、新工藝為支撐，實現覆蓋城軌交通規劃、設計、建設、運營和維護全業務流程、全價值鏈條、全生態體系的智能化，加速推動城軌企業運營安全、服務水平、生產效率、經濟效益的全面提升，更好滿足市民幸福出行。在明確上述建設原則的基礎上，提出“1中心”“2支撐”“3應用”的“1-2-3”智慧城軌設計框架，如圖2所示。

（1）“1中心”。建設1個智慧城軌云腦平臺，全面部署“大、物、移、云、智”，綜合承載智慧業務與應用，圍繞云腦平臺形成全局數據信息的充分匯集、交互、融合與分析能力，進而實現全系統的自主采樣、學習與決策。

（2）“2支撐”。建設2個支撐體系，即智能建造技術體系與智能技術裝備體系。設施設備是開展運營工作的基本載體，智能裝備與建造技術體系的構建，可為智慧業務與應用場景提供應用基礎與數據信息源支撐。

（3）“3應用”。構建3類智能應用場景，即智能乘客服務、智能運營管控、智能運維保障?；谠颇X平臺及智能裝備與建造技術體系形成智能感知、智能分析、智能聯動能力，面向服務主體用戶需求，生成運營、服務、維保3大智慧場景，用數據驅動安全、效率、效益和服務的提升。

在“1中心”“2支撐”與“3應用”體系的基礎上，形成開展智能化運營業務的支撐能力、覆蓋主要運營業務智能化的應用能力及主動思維決策能力。通過構建上述各體系，總體形成面向乘客、運營、供應商、政府部門、協作單位、區域同行的服務能力。

3.2 功能架構

功能架構通過綜合考慮用戶業務應用需求與技術發展應用條件而制定形成，在需求分析的基礎上對“2支撐”與“3應用”體系作進一步細分，在18個服務方向形成若干智能化功能應用，整體功能架構如圖3所示。

（1）智能建造技術。以BIM、物聯網等先進技術為手段，以滿足工程項目的功能性需求和不同使用者的個性需求為目的，構建城軌項目建造和運行的智慧環境，通過技術創新和管理創新對工程項目全生命周期的全過程實施有效改進和管理。智能建造技術體系包含基于BIM的工程建設管理、橋隧路軌工程智能化施工、四電工程智能化施工、車站智能化建造以及綜合調試驗收5個智能化服務方向，可針對城軌交通軌道、橋梁、隧道、路基、車站、通信、信號、供電、風水電全專業相關基礎設施，在設計、建造、調試、驗收各階段進行智能化管理與實施[19-20]。

（2）智能技術裝備。以新技術、新材料、新工藝為支撐，裝備應用智能化、網絡化、集約化、人性化的新一代城軌交通車輛系統、能源系統、通信系統以及機電系統，實現列車全自動運行與互聯互通、能源使用綠色環保、信息通信能力強勁與靈活便捷、機電設備系統集中可視可控。智能技術裝備包含智能列車運行、智能綠色能源、智能通信平臺、智能機電系統4個智能化服務方向，可為我國城軌自主化技術裝備的創新研發應用提供廣闊舞臺。

（3）智能乘客服務。重視乘客出行體驗，鏈接生活要素，通過更人性化、智能化的服務手段，實現對乘客出行全鏈條服務需求的主動感知以及精準分析，并圍繞資訊、出行等關鍵服務內容進行智能整合、提升，全面提供主動、及時、舒適、便捷的乘客服務[21]。智能乘客服務體系包含票務服務、站務服務、乘務服務、客運組織4個智能化服務方向，可為乘客出行全場景提供智能化服務。

（4）智能運營管控。通過物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術手段，改善傳統運營形式下數據孤島、信息離散、平臺封閉、響應被動、決策失當等現狀問題，綜合增強運營管理的多態場景應用能力，滿足數字化、網絡化、智能化的運營品質要求，并與乘客服務的需求相協調，與區域一體化發展定位相適應，極大提升運營企業的效率效益[22]。智能運營管控體系包含調度指揮與車站管控2個智能化服務方向，可達到運輸組織精準靈活、調度指揮協同高效、車站管理全景管控的目標。

（5）智能運維保障。應用泛在數據和智能技術對運維管理、安全管理、資產管理業務進行賦能，以運營相關的人、財、物為主要管控對象，以狀態信息的全面感知、綜合分析、精準預測、科學決策為手段，實現設施設備精準維修維護、系統安全可控、資產靈活利用，全面提高安全服務水平和管理效率，降低勞動強度、技能要求和運維成本[23-24]。智能運維保障體系包含設施設備運行維護、安全保障、資產管理3個智能化服務方向。

3.3 物理架構

依據當前典型城市的城軌交通運營管理體制，按照云端系統與城軌交通現場子系統相結合的方式，設計智慧城軌體系的物理部署方案，形成云端的集中管控與終端操控、檢測監測相結合的智慧城軌體系物理架構，如圖4所示。

在云端部署智慧城軌云腦平臺以及智慧城軌5大體系的應用系統。智慧城軌云腦平臺作為智慧城軌的“操作系統”，為智慧城軌的有效、協同運轉提供通用數據、平臺和智能分析能力。根據功能框架，應用系統包括智能建造技術、智能技術裝備、智能乘客服務、智能運營管控、智能運維保障5大體系的18個服務系統。云端系統通過新一代城軌交通通信平臺、互聯網與智慧城軌用戶終端相連接，用戶終端主要包括內部管理終端和對外服務終端2類。城軌現場子系統具有高實時性的邊緣計算以及現場操控與處置等功能，可實現城軌業務現場數據的采集，通過新一代城軌交通通信平臺與云端系統相連接。

通過科學合理的智慧城軌軟硬件系統部署，并使之與前、后端交互關聯，使得系統全局實現數據信息順暢的傳輸傳遞、深度分析、綜合決策、智能應用，實現基于數據驅動的城軌交通業務及服務全面智能化與智慧化。

4 智慧城軌體系建設與發展建議

為全面輔助智慧城軌技術體系的創新發展與落地實施，本文從頂層設計、創新驅動、融合管理、標準建設等角度提出以下建議。

（1）堅持創新驅動。加大力度研發新技術、新產品、新模式，先機掌握關鍵核心技術及知識產權;通過充分融合應用大數據、云計算、人工智能、物聯網、5G、衛星通信、區塊鏈等先進信息科學技術，推動智慧城軌交通體系的建設;堅持創新引領，驅動新技術、新裝備、新模式的落地應用，為行業推廣奠定基礎;著重秉持業主單位主導和引領創新、裝備企業驅動創新、行業同行協同創新的原則，業界同仁凝心聚力、同舟共濟，同繪智慧城軌藍圖，共筑交通強國夢。

（2）加強頂層設計。智慧城軌體系性極強，并且其相關技術應用具有前瞻性、顛覆性，因此，發展智慧城軌應統籌規劃、注重頂層設計，指明發展方向、把控實施路徑，以最終形成設計科學、技術先進、投資節省、效益可觀的全局方案，保障智慧城軌建設順利落地實施。

（3）實施因地制宜。由于全國各地城軌交通建設起步時期不同，所處階段不同，特別是對“智慧城軌”的認識程度深淺有別，致使各地城軌業主單位的信息化進程參差不齊，智能化應用程度和水平差異較大，不同業務領域開展的程度也不一致。因此，發展智慧城軌應因地制宜，在智能運維技術上分階段、分類別實施，堅持成熟技術“先行先上”，不成熟技術后續逐步實現應用;依據當地城軌運營特點，以實際運營業務及服務需求為主導開展智慧城軌設計與建設。

（4）促進融合共享。信息共享是提高信息資源利用率、充分發揮其效益的重要手段，數據共享是大數據潛在價值挖掘和利用的重要基礎，因此發展智能城軌應促進信息和數據的融合共享。統籌工務、車輛、供電、通號等各專業信息和數據的融合共享;推動乘客服務、運輸組織、運維保障等各業務模塊的信息和數據共享;加強管理、規劃、設計、建設、供貨、運營、維保等全行業的信息和數據共享;推進與交通、政務、市政、公安等其他行業的信息和數據共享，全面支撐城市軌道交通的智能化發展。

（5）推動標準化建設。推動智慧城軌標準化建設，符合“規范研究先行，標準指導建設”的理念和原則。圍繞智慧城軌體系，針對關鍵領域，形成從頂層管理、監督評估、運行應用、平臺建設、數據融合到底層感知的系列化標準，彌補在關鍵環節、核心技術裝備等方面規范缺失問題，指導智慧城軌建設項目的有序、高質量開展;進一步升級城軌交通智能系統的標準化、規范化，持續推動創新智慧城軌體系建設，強化智能系統安全。

（6）落實支撐保障。為推動智慧城軌體系的健康有序發展，應落實支撐保障。政府主管部門應進一步加大智慧城軌發展的支持及鼓勵力度，支持智能化、智慧化技術研發及工程應用;大力推廣示范工程，為城軌企業提供發展智慧城軌的機會，促進對智能產品和系統關鍵核心技術的攻關和創新;落實智慧城軌工程建設、更新改造及科技研發的資金，進一步引入市場化機制，擴充籌融資渠道，并做好智慧城軌專業人才培養和人才引進。

5 結語

建設智慧城軌是實現交通強國戰略的突破口，是智慧城市建設的先導工程，是行業高質量發展的重要抓手，對于國家、城市以及行業發展極為重要。同時，智慧城軌建設是一個龐大的系統性工程，覆蓋面廣、建設體量大、技術難度高、實施周期長，不能畢其功于一役。因此，需要全行業凝心聚力，統籌謀劃全局，圍繞工作主線持續奮斗、久久為功，為全面建成智慧城軌貢獻力量。

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收稿日期 2020-08-03

責任編輯 朱開明