云物大智、区块链、CPS间的关系及在铁路领域研究综述

沈海燕，端嘉盈，王 浩，徐晓磊，赵婉妤

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

科技是国家强盛的根基，创新是民族发展的灵魂。习近平总书记在十九大报告中指出，要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。高速铁路是一个多专业协同、系统联动的庞大复杂体系，是新技术集成应用和铁路现代化的重要标志。以科技创新为源动力，加快智能高铁科研攻关，突破云物大智（云计算、物联网、大数据、人工智能）、区块链、信息物理系统等技术在各自领域遇到的困难与瓶颈，综合应用几种技术，形成交叉支撑、循环进化的良性迭代。大数据、物联网是人工智能的两个翅膀，与区块链将成为机器社会的3大基石。通过构建基于人工智能（AI）+大数据+信息物理系统（CPS）的智能高铁大脑，通过全链条统一规划设计、一体化组织实施, 全面互联互通，软硬件资源优化配置，实现跨系统多模态海量数据的汇聚、融合、共享、分析、决策，进一步提升铁路智能化水平，支撑“交通强国”建设，满足人民日益增长对美好生活的向往，使中国高铁持续领跑世界。

1 前沿新技术内涵及特征

1.1 物联网、CPS的内涵及特征

物联网是互联网的应用拓展，不仅是网络，也是业务和应用。传感器技术是连接物联网与万物的直接载体，是智能化识别、跟踪、定位、监管的“万物相连的互联网”。具有普通对象设备化、自治终端互联化、普适服务智能化3大特征。

CPS是一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，在物理空间与信息空间构建一套基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的闭环赋能体系，实现信息空间与物理空间中人、物、环境、机器、信息等关键要素相互映射和交互协同，是支撑工业化和信息化深度融合的一套综合体系和技术。CPS示意图如图1所示。

图1 CPS示意图

物联网、CPS的区别在于：物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，使所有物理对象互联互通，主要实现的是感知。CPS是开放的嵌入式系统加上网络和控制功能，通过3C（通信、控制、计算） 融合、自主适应物理环境变化，主要实现的是感控，因此对设备的计算能力远超过物联网，是有效解决生产、服务过程中复杂性和不确定性问题，保障系统内资源配置和运行按需响应、快速迭代、动态优化的下一代智能系统。

1.2 大数据、云计算的内涵及特征

大数据是指在一定时间范围内无法用常规软件工具捕捉、管理和处理的数据集合，需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产；提高数据的“加工能力”才能提升数据的“增值”。具有6 大特征：海量数据规模（Volume）、快速数据流转（Velocity）、多样数据类型（Variety）、可变数据状态（Variability）、复杂数据渠道（Complexity）以及价值密度低（Value）。

云计算是基于互联网的附加服务，可通过互联网提供动态易扩展的虚拟化资源，按使用量付费的服务模式；用户只需简单管理与交互，就可便捷共享网络、服务器、存储、应用软件、服务等资源。具有超大规模、通用化、虚拟化、按需服务、廉价、高可靠、高扩展以及潜在危险等特征。简单地说，就是把计算任务分开、计算结果合并，提高计算能力和效率，并在网上租售。

大数据和云计算的关系密不可分，大数据用单台计算机无法进行数据处理，须依托云计算对海量数据进行挖掘和处理。

1.3 人工智能

人工智能（AI）是研究如何模拟、延伸和扩展人类本身智能的理论、方法、技术及应用的新兴技术，即机器展现出的智能，分为弱人工智能和强人工智能，包括：机器人、自然语言处理、图像识别、语言识别、专家系统等。主要特征：人类设计，服务人类；本质为计算，数据为基础；能感知环境、产生反应；能与人交互、与人互补；有适应特性、有学习能力；能演化迭代、能连接扩展。

1.4 区块链

区块链是基于比特币底层技术的分布式账本，通过去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。从数据角度，区块链是一种由系统参与者共同维护，几乎不可能被更改的分布式存储、分布式记录的数据库。从技术角度，区块链是将多种技术整合，并按照时间顺序将数据区块连接而成的一种链式数据结构，是一种新的数据记录、存储和表达方式。具有开放共识、去中心化、公开透明、不可篡改、可追溯、不可伪造等特点。

2 新技术之间的关系

云物大智、区块链、CPS等新兴技术并非彼此孤立，而是相互关联、相辅相成、相互促进。

CPS是贯穿信息空间与物理空间的基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的一套综合技术体系。

状态感知是通过各种各样的传感器感知物质世界的运行状态，可以在物理环境感知的基础上实现人、机、物的互联互通与融合控制。精准执行是通过控制器、执行器等硬件实现对决策的反馈响应。状态感知和精准执行涉及物联网和区块链。

实时分析是通过工业软件实现数据、信息、知识的转化，科学决策是通过大数据平台实现异构系统数据的流动与知识的分享。实时分析和科学决策涉及云计算、大数据和人工智能。区块链与其他新一代信息技术互相渗透，共同促进。

云计算提供基础设施；物联网通过感知提供数据源；大数据提供基础资源，通过消化、吸收、再造、创造更大的价值；人工智能吸收了人类的知识（数据），通过不断深化学习，成为一个能指示和反应，并通过指令反向控制输出；CPS是把物理世界感知的信息反馈给大脑，通过发射弧给出控制指令；区块链将几项技术有机融合、综合应用，有效推动铁路智能化发展。新技术关系示意图如图2所示。

图2 云物大智、区块链、CPS关系示意图

2.1 云物大智的关联作用

云计算、大数据、AI相当于人的大脑，是物联网的神经中枢，将物联网海量计算节点和终端收集的海量数据存储于云平台，并给大数据提供数据源；同时，物联网为云计算提供广阔的应用空间，大数据技术为物联网数据分析提供支撑。

云计算为大数据提供技术基础，大数据为云计算提供用武之地。云计算为AI提供弹性计算能力，但取决定性作用的是算法；而AI的核心就是算法，即计算处理、分析、规划以及不断深度学习，而物联网侧重解决方案落地、传输和控制，两者相辅相成。AI最终的目的是能够科学决策、整体研判、智能调度、精准服务、智慧管控、协调联动。这几项技术的关联作用如图3所示。

图3 云物大智的关联作用示意图

2.2 区块链与云物大智、CPS的关联及支撑作用

区块链是基于比特币协议的分布式账本，即 P2P组网、非对称加密及数据库等多种技术的综合，也称“区块链+新技术”，这些新技术相互融合、交叉支撑，带来一种全新的经济和商业模式。区块链与云物大智、CPS的关联及作用示意图如图4所示。

图4 区块链与云物大智、CPS的关联及相互支撑作用

区块链与云计算、大数据的关联及支撑。区块链的研发与测试将耗费大量时间与资金，统计分析能力较弱；基于云计算的弹性伸缩服务和灵活高效的分析技术，能以较低的成本对区块链进行高可靠、快速部署，并提升区块链数据的价值和使用空间。区块链基于分布式透明账本和不可篡改等技术能突破大数据用户隐私难题。3项技术融合和支撑，能加速区块链向更多领域拓展，能有效保护个人信息安全。

AI、物联网和区块链的角色。区块链的共识是“多数人说了算”，而AI的深度学习也是“少数服从多数”的统计分析规律。区块链可通过激励和安全机制让更多的人贡献数据为AI做训练。AI是个体智能，基于持续学习和迭代能力解决单点决策。物联网解决单点个体信息传递和通信能力。区块链基于加密算法和智能合约，解决群体共识和社会契约，如图5所示。

图5 人工智能、物联网和区块链的角色

2.3 CPS与云计算、物联网、大数据的关联及支撑作用

信息物理融合不仅是一种理念、思想，也是一种技术、方法和目标。CPS 将不同层次、不同规模、不同环境的物理实体泛在互联。数据种类繁多、混杂，云计算、大数据对数据的存储、挖掘、分析、处理，解决了CPS 对海量数据处理的难题，使CPS更安全、有效,降低了复杂系统构建、操作成本。

21世纪信息产业发展，改变了人类环境；互联网技术改变了人类通信和管理信息的方式；信息技术使人类管理物理环境的方式改变。物联网让人类智慧地全方面感知生活；CPS在环境感知的基础上，实现人、机、物、信息的互联与深度融合。信息物理系统与物联网的自然衔接，使人类真正进入智能时代。物联网、CPS异同对比如图6所示。

3 新技术在铁路领域的应用研究

3.1 AI在铁路的应用研究

AI在铁路中的应用研究较早，诸多学者对此进行了较为深入的研究。王同军[1]在分析国外智能铁路发展历程的基础上，提出了智能铁路的总体框架，系统构成和技术支撑体系。邹朝辉等人[2]利用AI在深度学习图形图像识别处理上的独特优势，将AI应用于铁路货运安检、图像视频识别等。张宁等人[3]利用AI算法实现铁路车辆自动判别。他们提出用框架结构描述车型,并建立车型知识库，采用推理法判别车辆。刘铁等人[4]利用AI方法，通过神经网络的学习和训练，研究准确和快速地判断专用线接触网负荷电流是否超载。

图6 物联网与CPS异同对比图

（1）智能语音客服。传统电话服务作为重要服务入口，通过语音导航服务，可以将传统互动式语音应答菜单扁平化，为用户提供更加方便、快捷的业务办理手段；在快速解决客户问题的同时，有效提高沟通效率，降低人工电话量，节约成本。

（2）智能语音交互。用户在12306等移动端可以通过语音说出需求，即可导航到对应的操作节点上，从而提升人机交互能力。

（3）智能翻译。在查询机、服务机器人、人工窗口等加入多语种翻译功能，为旅客提供国际化的服务。

（4）智能语音终端。可以在查询机、服务机器人等终端引入语音识别交互技术，并综合利用生物认证、语音识别、语义理解等让服务更便捷，更自然。

（5）服务机器人。铁路客运领域主要以服务机器人为主，为旅客提供相应的服务，提升旅客出行体验，降低客运服务成本。目前，问询机器人已在广州南站、深圳北站、青岛北站、济南西站等多个车站进行了试点应用。

（6）自主无人系统。通过该系统，实现自动驾驶、列车联网、在途故障预警和安全状态自感知等功能。

3.2 区块链在铁路的应用研究

目前，区块链技术还处于早期研究阶段，没有统一技术标准，各种技术方案仍在发展和尝试。王成等人[5]讨论公有链和许可链中代表性平台的技术架构及各自发展趋势，提出铁路统一身份认证、信用管理、加密数字客票等应用的概念验证模型，以期为未来研究提供参考。周亮瑾等人[6]阐述区块链技术与共识机制、铁路客运私有链共识机制，并结合铁路客运业务环境和应用场景，研究铁路客运私有链共识机制关键技术。赵泽宇等人[7]提出区块链技术在铁路建设、运营养护、机车检修、货运物流、权益证明方面的应用前景，分析了区块链技术所能为铁路带来的经济和管理效益。

利用区块链公开透明、全网公式、安全可信、精准等特点，提高铁路自动化、智能化水平，提升铁路整体服务水平、旅客满意度以及社会经济效益，具有重要的显示意义。主要包括铁路客运链设计、统一身份认证、信用管理系统、加密数字客票、供应链管理、电子证据存证、财务管理、精准营销、大数据交易、数字身份、物联网等场景。

3.3 大数据在铁路的应用研究

大数据在铁路中的研究开展较早，铁路总公司、中国铁道科学研究院等相关单位的众多专家都进行了研究。在大数据体系架构方面，马小宁等人[8-10]进行了较为深入的研究，提出了铁路大数据应用的体系架构。宋超[11]给出了铁路客运大数据建设的思路。李擎等人[12]提出一种基于网格的铁路轨道状态大数据可视化模型，用于对轨道网格健康状态分布进行可视化展现。张亮等人[13-14]分别对大数据技术在铁路车务，公务中的应用进行了研究。郑金子等人[15]结合国外铁路大数据的应用现状，对我国铁路大数据的应用提出建议与展望。

3.4 云计算在铁路的应用研究

云计算技术有着广泛的应用前景，金锦辉等人[16]提出了铁路智能运输系统（RITS）云构想，以提高整个铁路智能交通系统的计算储存能力和数据安全性，减小系统扩建投资。樊子锐等人[17]针对目前铁路系统内部由于部门众多且彼此相互独立，数据共享不畅的问题，提出利用云计算技术实现信息共享。于正水[18]提出基于云计算的铁路信息系统数据中心架构，包括云基础架构虚拟化、云平台、云应用的资源整合。在电务方面，魏艳人等[19]提出了基于云计算技术的信号集中监测系统的总体结构及方案，实现信号设备的状态维修，可达到优化监测功能、信息资源共享，节省成本的目的。

3.5 物联网在铁路的应用研究

物联网作为新一代应用基础设施，对铁路创新发展意义重大。在宏观方面，史天运等人[20]提出铁路物联网的概念内涵和技术特征，并研究下一步铁路物联网的发展目标、总体框架、服务平台和智能应用。在具体应用方面，王都等[21]提出基于物联网的智能识别系统、智能分拣系统、智能回收系统、智能信息平台的思路，并提出智能化运输组织模式，为物联网技术融入铁路物流业务提供理论支持。周泽岩[22]根据物联网体系结构，设计基于物联网技术的铁路客票系统，以解决操作效率低下的问题，提高旅客通行效率。汪勤等人[23]基于物联网将设备维护状态信息、运行信息及数据采集与监视控制系统（SCADA）的实时监测信息作为模型输入，提出一种铁路供电设备故障处理方法，该方法无需复杂模型，具有显著实用性。

3.6 CPS在铁路的应用研究

目前，CPS尚未在铁路中有实际应用，仍在概念阶段。中国制造2025提出的基于CPS的智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式变革[24]。因此，要围绕控制系统、工业物联网、云服务和大数据等，加强信息物理系统的研发与应用。一些学者对CPS在铁路中的应用展开了初步研究。胡伊菁等人[25]将CPS概念引入到轨道交通，基于CPS和轨道检测技术的特点，提出了基于CPS环境下轨道检测系统架构模型，实现铁路轨道状态感知、可靠远程超声自动检测、实时通信传递以及有效安全控制。相信未来CPS将会与云物大智等技术相结合，服务于铁路行业。

4 结束语

本文介绍了云物大智、区块链、CPS新技术的内涵及特征，分析梳理了它们间的关系、角色、作用；将物联网和区块链比拟为人的感觉器官和执行器官，将云计算、大数据与AI比拟为人的大脑（中枢神经），形象阐述和勾画出了其中的关联作用。最后，详细论述了每种技术在铁路领域的研究情况，对云物大智、区块链、CPS等技术在铁路应用的深化研究、融合实践提供了参考依据和理论支撑，对突破这些新技术的综合应用、交叉支撑以及良性迭代具有积极推动作用。