中国智能高铁发展战略研究

王同军

（中国铁路总公司，北京  100844）

1 概述

当前新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，人工智能（AI）、大数据、云计算、物联网（IoT）、建筑信息模型（BIM）、北斗卫星导航（BDS）等新技术加速突破应用，人类社会快速进入智能时代。智能时代的到来对铁路的创新发展提出了新的更高要求，引起世界各国铁路运输企业和相关研究机构的高度关注。近期，德国、法国、英国、美国、日本等多个国家都制定了铁路数字化发展战略，旨在通过推进新兴技术和铁路业务的高效融合，达到优化运输服务质量、增强运输安全水平、提高运输组织效率、降低运输成本、提高经营效益等目的[1-2]。毋庸置疑，未来世界范围内高速铁路领域的竞争将在很大程度上取决于数字化和智能化水平。

中国高速铁路取得了快速发展，截至2018年底高

速铁路营业里程达到2.9万km以上，约占全球高速铁路营业里程的60%以上[3]。到2020年，中国高速铁路路网规模将达到3.0万km，覆盖80%以上的大城市，基本连接省会城市和其他50万人口以上大中城市，实现相邻大中城市间1.0～4.0 h交通圈，城市群内0.5～2.0 h交通圈[4]。中国高速铁路的快速发展离不开铁路信息化、智能化建设的持续推进。2017年，新时期铁路信息化总体规划发布，提出“智能铁路”的战略目标和建设“CR1623”标志性工程，即构建一体化信息集成平台，覆盖“战略决策、运输生产、经营开发、资源管理、建设管理、综合协同”六大企业级业务系统，“网络安全体系、信息化治理体系”两大体系，“客户服务、生产经营、开放共享”三大能力[5]。中国铁路总公司主数据中心建成并投入使用，一体化信息集成平台完成一期工程建设，铁路大数据和人工智能应用水平显著提高[6]。这标志着中国铁路信息化已经从自动化、数字化、网络化阶段走向智能化阶段。2017年，中国铁路总公司正式启动智能京张、智能京雄等重大工程建设，并提出建设智能高铁的发展目标。为实现这一战略目标，迫切需要明确智能高铁的内涵和总体构成，提出智能高铁蓝图设计，科学制定智能高铁近期、中期及远期发展战略，为中国智能高铁战略的有序实施提供指导。

2 智能高铁的内涵和总体组成

智能高铁是广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM等新技术，综合高效利用资源，实现高铁移动装备、固定基础设施及内外部环境信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代智能化高速铁路系统[7-8]。

智能高铁的总体组成可概括为“一核三翼”，即以1个智能高铁大脑平台为核心，包含智能建造、智能装备、智能运营3部分（见图1）。

智能高铁大脑平台是实现智能建造、智能装备、智能运营3个复杂系统互联互通、协同互动、有机统一的神经中枢，基于智能建造、智能装备、智能运营系统感知获取的数据，开展数据的汇聚、治理，建成智能高铁大数据资源湖，支持开展跨专业、跨行业的多维智能分析，为智能诊断、智能预测、智能决策等提供支持。

图1 智能高铁总体组成

智能建造以BIM+GIS技术为核心，综合应用物联网、云计算、移动互联网、大数据等新一代信息技术，与先进的工程建造技术相融合，通过自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，进行工程设计及仿真、数字化工厂、精密测控、自动化安装、动态监测等工程化应用，构建勘察、设计、施工、验收、安质、监督全寿命可追溯的闭环体系，实现建设过程中进度、质量、安全、投资的精细化和智能化管理，推动高速铁路建设从信息化、数字化走向智能化。

智能装备基于全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断、故障预测与健康管理（PHM）等技术，实现高铁移动装备及基础设施的自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复，实现动车组的自动及协同运行；实现新一代的智能化牵引供电和通信体系；实现线路、通信信号、牵引供电等基础设施全生命周期精细化管理及优化配置，保持基础设施的最佳使用状态。

智能运营采用泛在感知、智能监测、增强现实、智能视频、事故预测及智联网等技术，实现智能化出行服务、预测性运营维护、主动性安全防控和智能化经营管理。具体包括：在服务方面，为旅客提供购票、进站、候车、乘车、出站等全环节的自助化、精准化、个性化、智能化全过程出行服务；在运维方面，全面掌握基础设施及移动装备劣化机理及演变规律实现预测性维修；在安全方面，通过高铁固定设施、移动装备、运输过程及自然环境等的状态感知，实现设备故障、行车事故趋势预测预警，做到超前防范；在经营方面，准确把握市场需求，科学开展客运产品设计及优化，实现客票价格的动态化、售票组织的智能化、运输收益的最大化。

3 基于信息物理融合系统的智能高铁蓝图

信息物理融合系统（CPS）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，构建物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。其本质是构建一套信息（Cyber）空间与物理（Physical）空间之间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，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化[9]。近年来CPS得到发达国家的高度重视，纷纷列入重点研究方向。德国工业4.0、美国工业互联网、中国制造2025的两化深度融合战略，其共同点和核心愿景均是CPS信息物理系统。

由智能高铁的内涵和总体构成可以看出，未来的智能高铁蓝图是一个基于智能数据分析的信息空间和物理空间高度融合的复杂系统，即典型的CPS系统。其中，C是信息高铁网，P是物理高铁网，智能高铁则是2个空间的深度融合。物理高铁网是由动车组、线路、桥梁、通信、供电等多个可见的物理实体构成的真实世界。信息高铁网是由物理实体对应的精确数字模型、基于数据的知识发现体系、自感知自认知自决策的能力输出体系组成的不可见的数字世界。2个空间相互连接、相互映射、相互操作、深度融合，通过信息高铁空间对数据和知识的综合利用指导物理高铁空间的具体活动，最终形成一个相互迭代的闭环系统，可以有效地提高物理高铁空间中实体的服务质量。基于CPS的智能高铁蓝图见图2。

图2 基于CPS的智能高铁蓝图

物理高铁网中的实体收集来自真实世界的感知信息，并通过通信技术将它们发送到信息高铁网中的数字模型。由知识发现体系处理这些数据并将结果通过能力输出体系反馈到物理高铁网中。具体的反馈内容包括发送控制命令对物理高铁网进行必要的优化完善或对系统参数进行重新配置。实现基于CPS的智能高铁蓝图的三大关键属性分别是通信、计算、控制。物理高铁网中的实体和信息高铁网中的数字模型一一对应并相互通信。实体具备数据收集、计算和数据传输能力，实时将物理高铁网中获取的信息传送给信息高铁网中的数字模型，通过将低成本计算放在物理高铁网中和将高成本计算放在信息高铁网中形成混合计算，实现智能高铁整体计算能力的高效利用。通过改造数字模型，可以使物理实体更智能地理解问题和处理问题。最终达到全面感知所有物理实体的状态，实现实体和实体间、实体和模型间、模型和模型间的泛在互联，使每一个物理设备都具有计算、通信、精确控制、远程协调和自我管理等功能。通过信息空间和物理空间的融合处理，使智能高铁整体系统具备主动学习和科学决策能力，实现高速铁路的全生命周期一体化和智能化管理。

4 中国智能高铁发展战略

基于CPS的智能高铁蓝图不可能一蹴而就，需要分阶段分步骤予以实施。因此智能高铁战略设计是一个长期性、系统性、综合性、前瞻性的系统工程，涉及外部政策、环境、人口、经济、气候、城市、综合交通、先进技术以及内部需求、应用场景、发展机遇等多个相互关联的要素。传统的SWOT模型、PEST分析、波士顿矩阵分析、波特钻石理论模型、波特五力分析模型、波特价值链分析模型、SCP分析模型等战略规划方法都存在各自的局限性，难以满足智能高铁战略设计的需要。因此从战略分析的宏观性、全面性与关联性出发，构建面向智能高铁战略规划的六维关联分析方法（见图3）。

图3 面向智能高铁战略规划的六维关联分析方法

六维关联分析方法首先从市场需求、竞争对手、交叉领域、生产要素、政策、机遇等6个维度对影响因素及其相关关系进行全面分析；然后从智能高铁战略前景和战略可实施性2个维度出发，将智能高铁战略的阶段任务分为高、中、低3个等级；最后整体上从战略的分析、目标、规划、实施、反馈等5个层次实现迭代优化。其中，市场需求是智能高铁规划与发展的核心，对政策的制定、交叉领域的发展、竞争对手的发展、生产要素的完备起到关键性的决定作用；竞争对手的发展战略设计在一定程度上影响智能高铁战略规划的目标与任务内容，并反馈至市场需求、交叉领域与生产要素；生产要素是智能高铁战略规划的客观条件，决定智能高铁未来的发展规模；交叉领域将从侧面对智能高铁战略的规划产生影响。

在市场需求方面，2025年5G将覆盖全球100余个国家，2035年中国将基本建成交通强国，2050年全球城镇化率将超80%，出行质量有待提高，居民出行需求转变，环境污染日益严重，交通效率需求增加，产业结构发生变化，人口老龄化水平加剧，居民可支配收入提高等，对高速铁路的安全、效率、服务等方面提出更高要求。

在竞争对手方面，德国、法国、英国、美国、日本等多个国家都制定了铁路数字化发展战略。法国于2015年提出了数字化法铁战略，德国于2016年发布了铁路数字化（铁路4.0）战略，英国于2018年公布了数字铁路战略等，分别将BIM技术应用、基础设施建设自动化、电子行程服务、门到门旅客运输、列车自动驾驶、3D打印、基础设施预测性维修、智能绿色动车组等列为关键任务。这就要求中国智能高铁战略规划内容需要站在全球的角度上进行全局统筹。

在交叉领域方面，美国、日本、英国、澳大利亚的人工智能技术发展迅猛，新一代信息通信技术将在多个领域发力应用。道路交通、民航、城市、电网的智能化水平不断升级，先进材料和新型能源发展迅速，为智能高铁的战略实施奠定了技术基础。

在生产要素方面，人工智能和新技术正在缔造一种新的“劳动力”，提高了智能高铁相关领域的生产力。中国已建成“四纵四横”高铁网络，到2035年，“八纵八横”的雄伟蓝图将基本成型，路网规模化发展迅速。国家对高速铁路建设的投资持续扩大。

在政策与机遇方面，国家出台了科技强国战略、交通强国战略、“一带一路”倡议、“走出去”战略、创新型国家战略等，为智能高铁的发展提供了政策保障。此外，新一代技术飞速发展、城镇化步伐加快、国家富强民族复兴等带来的时代机遇千载难逢。

综上所述，智能高铁战略设计极其必要而又现实可行。中国智能高铁应瞄准世界铁路发展前沿，集成应用相关领域最新技术成果，全面打造智能建造、智能装备、智能运营和大脑平台。

智能高铁的发展离不开人工智能、大数据、云计算等信息新技术的支撑，以及智能交通、智慧民航、智能电网等交叉领域提供的实践参考。以时间为横坐标，以战略发展水平为纵坐标，对人工智能、新一代信息技术、信息通信、智慧城市、智能交通、智慧民航、智能电网、新型能源、先进材料等九大交叉领域的发展趋势进行分析（见图4）。

图4 智能高铁交叉领域的发展规划

由图4可知，在交叉领域发展趋势平面中出现了3个聚集点，分别为2020年前后、2025年前后和2035年前后，每个聚集点表明不同的交叉领域将在该时间段出现较为显著的突破。各聚集点之间形成了3个较为连续、完整的发展阶段区间，以此为依据划分战略时域，从智能建造、智能装备、智能运营、大脑平台等4个方面制定发展战略路线图（见图5），进而实现智能高铁的战略目标。

图5 智能高铁2035发展战略路线图

（1）智能高铁创新示范阶段：2018—2020年。研究提出智能高铁顶层设计和技术标准体系，围绕智能京张、智能京雄等开展创新实践，攻克智能建造、智能装备、智能运营领域的核心关键技术，大数据资源湖建成，智能高铁创新应用格局初步形成。

（2）智能高铁加速突破阶段：2021—2025年。突破基于BIM的全生命周期体系、自学习及自适应的谱系化智能动车组、全面感知的列车自动驾驶、融合多种交通方式的全程畅行、复杂路网综合协同指挥的智能调度、旅客智能出行服务体系、大脑平台智能决策等重大智能高铁理论与技术，全面形成智能高铁设计、建造到运营全产业链成套技术。

（3）智能高铁全面提升阶段：2026—2035年。广泛应用智能建造技术，研制自修复型智能动车组，探索全自动无人驾驶，突破极端复杂情况下高铁智能容错理论与技术，构建基于量子、区块链等新技术的智能安全体系。基于旅客、高铁车站、列车等的全连接，实现云计算、边缘计算融合，建成基于CPS的智能高铁大脑平台，并在立体感知、自主决策、主动学习中全面发挥作用。基于上述技术实现智能高铁全面自主控制。

5 结束语

智能高铁已成为全球铁路的前沿发展方向，抓住新一轮科技产业革命带来的难得机遇，加快制定中国智能高铁发展战略对持续保持中国高铁的全球领跑地位具有重要意义。分析全球铁路数字化、智能化发展趋势及我国高速铁路建设现状、信息化成就和面临的挑战，提出智能高铁的内涵，给出智能高铁的4个组成部分，即大脑平台、智能建造、智能装备和智能运营。在此基础上开展基于信息物理融合系统的智能高铁蓝图设计，提出六维关联分析方法并应用于智能高铁战略规划，明确中国智能高铁于2018—2035年在创新示范、加速突破、全面提升3个阶段的发展目标，为中国智能高铁的战略实施以及城市轨道交通等其他领域的智能化实践提供参考。