智能高铁体系框架研究

何华武，朱亮，李平，郑金子

（1. 中国工程院，北京   100088；

2. 中国铁道科学研究院集团有限公司，北京   100081）

0 引言

近10年来，我国高速铁路实现了优质快速发展，2017年开始进入智能化引领阶段，全面启动智能京张高铁建设，“复兴号”动车组在京沪高铁实现时速350 km运营，为我国高速铁路智能创新拉开了序幕。智能高铁是庞大而复杂的系统工程，系统的研发具有时空性和阶段性特征，为保证智能高铁在全国范围内集成的兼容性、可控性、互操作性，需进行智能高铁顶层设计[1]。

智能高铁体系架构为智能高铁规划和建设提供了总体蓝图及规格说明，它决定系统组成，确定功能模块以及模块间进行通信和协同的协议与接口，为智能高铁系统的研发提供指导性文件。结合新形势下智能高铁的内涵及特征，设计智能高铁体系框架，在总体架构的指导下提出服务框架和逻辑框架，形成满足智能高铁功能需求的物理框架，并对智能高铁大脑的内涵和系统组成进行探讨。

1 智能系统顶层设计相关研究

在智能系统顶层设计方面，国内外的智能交通、智慧城市、智能铁路等行业纷纷开展了大量研究与实践，并取得了一定的借鉴成果。

智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS）体系框架的研究起步较早，美国是最早开发完整ITS体系结构的国家，1993年美国交通部启动ITS 体系结构开发计划，并于1996年完成第1版美国国家智能交通系统体系框架，其主要特点为内容全面、包罗万象[2-3]。此后，美国不断进行ITS体系框架的修订工作，并加强对体系框架的应用、推广以及与传统交通规划的结合，经过20余年的迭代更新，现已形成8.2版本。欧盟于1998年开始ITS体系框架的研究，并于1999年完成了逻辑框架和物理框架，此后陆续补充完善了其他部分内容，形成了欧盟整体的ITS体系框架，强调系统设计的战略性规划，核心是突出其在ITS规划和建设中的指导意义[4]。我国在“九五”期间推出“中国智能运输系统体系框架（第1版）”，为我国 ITS描绘了未来发展蓝图，并为我国ITS的规范建设提供了依据[5]。目前，我国ITS体系框架包含用户服务、逻辑框架、物理框架、应用系统4部分，其中用户服务包括9个服务领域、47项服务、179项子服务；逻辑框架包括10个功能领域、57项功能、101项子功能、406个过程、161 张数据流图；物理框架包括 10个系统、38个子系统、150个系统模块、51张物理框架流图；应用系统包括58个应用系统[6]。

近年来，很多国家和地区先后提出智慧城市的发展战略计划，美国、欧盟、俄罗斯等均出台相关政策，明确智慧城市的发展目标和建设重点。自2009年温家宝总理在北京科技大会的报告中提出“智慧中国”等概念开始[7]，智慧城市的研究和建设在我国全面展开。2018年6月，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会联合发布了国家标准《智慧城市顶层设计指南》，并于2019年1月1日正式开始实施。该指南规定了智慧城市顶层设计的总体要求、基本过程及需求分析、总体设计、架构设计、实施路径设计等，适用于智慧城市的顶层设计，也可指导信息化领域的顶层设计。

国内外对智能铁路体系框架也开展了大量研究工作。日本的CyberRail是起步较早的智能铁路系统，强调通过其强大的信息提供能力，实现铁路运输与其他运输方式的无接缝、无障碍衔接和运输。CyberRail将用户服务分为4个领域：面向需求的运输规划和调度、多式联运信息和个人导航、智能列车控制、通用信息平台。2000年，以国家铁路智能运输系统工程技术研究中心的成立为标志，我国全面启动智能铁路的研究工作。2002年，在借鉴ITS体系框架的研究思路基础上，设计并推出了中国铁路智能运输系统体系框架[8]。该框架由用户主体、服务主体、服务框架、逻辑框架、物理框架和技术经济评价等部分组成，各部分密切相关，共同构成了智能铁路的有机整体。

2 智能高铁体系框架构成

智能高铁绝不是先进智能技术与控制技术在高速铁路各专业独立应用的简单叠加，而是通过不同业务领域、面向高铁生命周期不同阶段信息系统的集成融合，从而形成功能更强、效率更高、稳定性更好的统一智能高铁系统。智能高铁系统的规划和建设需要一个较长的过程，同时它也必须是一个可持续发展的系统，因此构建系统时需对系统的服务对象、用户需求、功能定位、逻辑结构、物理部署等有较全面的考虑和规划，还要做到各子系统间、子系统与整体间的协调。

结合现阶段智能高铁发展的内外部环境与需求，基于新形势下智能高铁的内涵及特征，设计智能高铁体系框架。研究采用结构化分析方法的基本思想，按照需求分析、系统模型和物理模型3个阶段设计智能高铁体系框架的主要构成，描述智能高铁系统分析和构建的过程（见图1）。

由图1可知，智能高铁体系框架主要包含服务框架、功能框架、逻辑框架和物理框架4部分，此外，安全保障贯穿始终，为智能高铁的规划和建设提供安全保障基础。智能高铁体系框架中的服务框架对应于需求分析，功能框架和逻辑框架对应于系统模型，物理框架对应于物理模型。各部分的内涵如下：

图1 智能高铁体系框架构成

（1）服务框架明确智能高铁的用户主体和服务主体，铁路内、外部用户对智能高铁的需求，并完全从用户的角度出发提出智能高铁所应提供的服务；

（2）功能框架在需求分析的基础上，从系统的角度出发，定义智能高铁为满足用户服务所需提供的功能；

（3）逻辑框架描述智能高铁系统的内部结构，定义各功能间的输入、输出数据流和处理过程；

（4）物理框架是逻辑框架的具体实现，定义能实现智能高铁各类功能的物理子系统及其交互关系；

（5）安全保障为智能高铁的规划和建设提供信息安全、网络安全、物理安全、系统安全、应用安全、安全管理等保障能力。

3 智能高铁体系框架设计

3.1 服务框架与功能框架

服务框架的设计首先需明确智能高铁的用户主体和服务主体，以及智能高铁所应提供的服务，是进行智能高铁顶层设计的基础。

用户主体是智能高铁服务面对的主要用户，是在某个服务领域指定需求的主体，是进行需求分析、定义用户服务、用户子服务的前提与基础；服务主体是根据用户需求为用户提供智能高铁服务的主体。根据智能高铁的内涵，提出智能高铁的用户主体和服务主体。用户主体分为管理用户和服务用户2类，其中管理用户主要为中国铁路总公司的主要管理部门，包括客运部、调度部、机辆部、工电部、运输统筹监督局、物资管理部、建设管理部、安全监督管理局等；服务用户主要为旅客、合作伙伴、其他交通方式管理部门等。服务主体分为路内服务提供方和路外服务提供方，路内服务提供方主要为中国铁路总公司、铁路局集团公司的技术管理部门，包括营运管理部门、调度指挥部门、固定设施管理部门、移动设施管理部门、人财物管理部门、信息服务部门、紧急救援与安全管理部门等；路外服务提供方包括餐饮行业、酒店行业、交通行业等。

在明确用户主体和服务主体的基础上，根据用户需求分析，提出智能高铁服务框架，即“1个平台、3大领域、16个服务方向”的框架结构（见图2）。

在服务框架中，“1个平台”是指智能高铁大脑平台，为智能高铁各领域的智能应用提供基础平台、数据资源、智能决策支撑。基于智能高铁大脑平台延展出三大应用领域，分别是智能建造、智能装备和智能运营。在需求分析的基础上对各应用领域进一步细分，从而形成16个服务方向。

功能框架是在用户需求分析及服务框架给定的基础上，从系统角度描述智能高铁系统所需提供的为满足用户服务的功能。例如，基于BIM的工程建设管理是用户需要的服务，为实现该服务需对系统进行功能设计，根据铁路工程建设管理过程，提出4个主要系统功能，分别为勘察设计信息管理、建设数据的自动采集与互联、参建各方协同管理和辅助决策、建设质量的可追溯闭环管理。智能高铁的功能框架见图3。

图2 智能高铁服务框架

3.2 逻辑框架与物理框架

逻辑框架从系统内部对输入数据流、输出数据流及处理过程进行结构性组织，逻辑框架的构建不考虑管理体制和技术因素，具体的功能实现工作由物理框架完成。逻辑框架与系统实现相分离的设计方法使逻辑框架便于改进，具备相对较好的稳定性，支持广泛的不同系统的设计。

逻辑框架通常用层次数据流图（DFD）来描述。层次数据流图是一种描述分解的结构化过程的建模工具，能以直观的图形清晰地描述系统中数据的流动、数据的变化和系统所执行的处理等。层次数据流图通常由顶层、底层和若干中间层组成，顶层图说明系统的边界，即系统的输入输出数据流；底层图由一些不可再分解的处理构成；中间层描述某个处理的分解，同时其组成部分还要进一步分解。每一层数据流图通常由数据流、处理、实体、数据存储等元素构成。

在系统功能框架的基础上，按照由顶至下、逐层细化的思路设计智能高铁系统的逻辑框架。在顶层逻辑框架中，由1个数据存储单元、16个处理单元和相应的数据流组成，其中存储单元为智能高铁大脑平台，处理单元即为服务框架中给出的16个服务方向（见图4）。

图4 智能高铁顶层逻辑框架

物理框架是对逻辑框架定义的各类过程及数据流进行整合，形成若干个具有一定功能、满足智能高铁需求的物理子系统。物理子系统的确定既要考虑功能需求，也要考虑非功能需求，包括管理体制、市场等方面的因素。功能需求通过逻辑框架确定的过程和数据流来体现，决定智能高铁物理实体必须完成的功能，非功能要求则影响智能高铁功能在物理实体上的分配方式。

在逻辑框架的基础上，依据现行的铁路运营管理体制，按照云端系统与铁路现场子系统相结合的方式设计智能高铁系统物理部署方案，形成云端的集中管控与终端操控、检测监测相结合的系统部署（见图5）。

在云端部署智能高铁大脑平台以及智能高铁三大领域的应用系统。智能高铁大脑平台作为智能高铁的“操作系统”，为智能高铁的有效、协同运转提供通用的数据、平台和智能计算能力。根据逻辑框架，应用系统包括智能建造、智能装备和智能运营领域的15个应用系统。云端系统通过新一代铁路通信网、互联网与智能高铁用户终端相连接，用户终端主要包括内部管理终端和对外服务终端2类，其中内部管理终端面向中国铁路总公司管理人员、铁路局集团公司管理人员以及其他铁路内部管理人员；对外服务终端面向旅客、供应商、合作伙伴、其他交通方式管理人员等外部用户。

铁路现场子系统主要实现铁路现场数据的采集、具有高实时性要求的边缘计算以及现场操控等功能，通过新一代铁路通信网与云端系统相连接。铁路现场子系统主要为需在铁路现场进行操作控制的系统，包括智能动车组系统、车载列控系统、牵引供电系统、智能建造系统等；此外，还包括具有数据采集、数据分析、数据上传能力的智能终端，如视频监控、激光测量、红外监测及其他检测监测设备。

3.3 智能高铁大脑平台

图5 智能高铁总体物理框架

我国智能高铁将按照“一平台、多应用”的模式规划和建设，智能高铁大脑即为智能高铁的统一基础平台，为智能高铁提供平台、数据、计算能力，在智能高铁大脑平台的基础上扩展建设各专业领域的应用系统。基于互联网、铁路物联网、信息物理系统和新一代铁路无线通信系统，构建铁路智联网作为信息感知端，感知到的数据传入智能高铁大脑进行统一治理、加工、计算，最终为智能建造、智能装备、智能运营等领域的智能应用提供决策支持。智能高铁大脑平台的系统构成主要包括3部分，即基础服务平台、大数据资源湖、智能计算技术（见图6）。

（1）基础服务平台为智能高铁提供平台和技术支撑能力，主要包括大数据平台、GIS平台、BIM平台、AI平台、北斗平台等。

（2）大数据资源湖是智能高铁智慧产生的源泉，一切智慧及决策皆来源于数据。通过对采集到的铁路内外部相关数据进行智能分析和处理，可分析、识别出隐含的有意义的信息，从而获取对事物状态及发展趋势更深刻的认识，为决策判断提供科学依据。大数据资源湖基于铁路智联网全面整合智能高铁战略决策、运输生产、经营开发、资源管理、建设管理、综合协同、社会数据等领域的信息资源。

（3）智能计算技术集成智能高铁所需的人工智能技术，将数据资源层的各类数据转化为知识，并快速准确地提供报表、仪表盘、3D等可视化方式进行全局展示，辅助智能高铁业务经营决策。智能计算技术主要包括深度学习、文本分析、图像分析、知识图谱等通用人工智能技术，此外还包括人员画像、设备画像等行业专用技术。

4 结束语

经过十几年的发展建设，我国已成为拥有世界上最发达的高铁网的国家，形成了全面拥有自主知识产权的成套技术装备和技术体系。在“交通强国”战略的指引下，在智能技术快速发展的推动下，我国高铁快速发展的同时，正稳步迈进智能化发展的新阶段。智能高铁是一项复杂而庞大的信息物理系统工程，需要做好顶层设计和整体规划，通过对智能高铁体系框架的研究和探索，提出智能高铁的发展蓝图和实施战略，为我国智能高铁的有序建设提供战略支撑。

图6 智能高铁大脑平台总体架构