基于系统论的智能高铁建设运营管理创新与实践

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

1 引 言

系统是物质世界的一种存在方式，是由相互作用的多要素形成的具有一定功能并处于一定环境中的有机整体。随着20世纪90年代以来以信息技术为引领的各项高新技术广泛应用，传统系统工程的方法论和方法已无法满足解决系统间复杂交互关系的问题，因此诞生了“复杂系统”的概念，将系统交互问题纳入复杂系统概念框架内部。钱学森（1990）[1]、Eisner（1994）[2]、Maier（1996）[3]等学者对复杂系统的概念及研究方法论做了深入研究。可以说，复杂系统是一种更高阶的系统，在共同目标下，各子系统在独立运行的同时以网络化形式协同运转，推进系统整体发挥特定的宏观功能，即复杂系统功能[4]。

高铁是技术要素、经济要素、管理要素、社会要素等多种要素的集成，其建设运营管理工作中涉及勘察、设计、施工、验收、运营等项目全生命周期内多环节、多要素的严密把控和管理，在管理纵向界面上又同时涉及基础设施、移动装备、牵引供电、通信信号等多专业集成配置，各环节、各专业、各工序分别以系统方式交互运行，符合复杂系统特征，因此运用复杂系统论方法解构高铁建设运营管理具有较高的可操作性。

总体来看，现有研究为高铁复杂系统管理的研究奠定了理论基础，但当前仍缺乏对高铁复杂系统管理体系的具体分析。本文在分析高铁建设运营管理复杂系统发展现状的基础上，结合智能化、信息化技术发展趋势对高铁产生的巨大影响，构建智能高铁建设运营管理系统模型，为新时期高铁建设运营管理提供一套新的理论和实践思路。

2 高铁建设运营管理系统发展现状

从系统论的角度观察我国高铁系统发展历程，在我国高铁发展初期市场规模较小，建设运营管理系统要素较少，系统功能尚不复杂，但我国早期在高铁技术创新方面经过长期不懈的探索，积累了大量经验数据和人才储备[5]，因而管理效率较高；随着高速铁路飞速发展，系统要素和系统复杂性急剧攀升，系统功能水平大幅提高，但由于管理模式未发生彻底变革，难以对多要素及要素之间复杂关系进行有效管理，因此管理效率呈现出总体下降趋势。在变化形态上，受系统边界影响，系统功能增长速率渐趋平缓，但系统功能增长对系统集成管理要求进一步提高，超出了现有的管理能力，因而导致管理效率下降速率加剧。基于此，可构建基于要素的管理效率-系统功能曲线模型，如图1所示。图1中，管理效率曲线和系统功能曲线交汇于均衡点A，达到管理系统均衡；随着系统要素进一步增加，管理效率将难以有效支撑高速铁路的快速发展，亟须引入新的系统发展思路和管理手段以提高管理效率。

图1 基于系统要素的高铁管理效率-系统功能曲线

进入新时期，智能化技术取得突破性进展，各行业都开启了利用智能化高新技术改造传统产业的进程，铁路如何提升运输组织效率，准确地掌握用户需求，实现风险隐患的自动排查，提升设备的精细化管理，全面提高管理效率并降低管理成本，都是亟须解决的问题[6]。在此背景下，智能高铁的概念应运而生。

智能高铁是信息化、智能化技术与高速铁路各领域深度融合的新一代高速铁路系统，通过信息化、智能化技术赋予了高速铁路新的功能与特征，使其可以对全要素进行全面实时感知，不断适应环境、主动学习，实现各类数据的深度融合与广泛共享，并通过大量数据挖掘、分析和推理，提出科学合理的决策支持[7]。

高铁建设运营管理系统引入智能技术后，管理手段更加先进智能，颠覆了过去以专业管理为主的管理模式，通过信息流、数据流在全生命周期各环节无损传递，实现高铁建设运营整体式管控，推动管理工作方式和效率的本质跃迁，在高铁管理效率-系统功能曲线模型中，表现为将管理效率曲线外推（曲线I到曲线II）。当达到管理效率和系统功能新的均衡点A′时，系统管理效率均衡水平（A）得到有效提高。如图2所示。

图2 智能高铁管理效率-系统功能曲线

3 智能高铁建设运营管理系统模型及最优化设计

3.1 智能高铁建设运营管理系统模型

智能高铁建设运营是一个多专业关联交叉的复杂系统，依托先进的智能技术与分析工具，推动横向时间维度上勘察、设计、施工、试验验收、运维等各环节数据共享和有效衔接，纵向推动高铁各专业系统、旅客服务、环境因素协调互动，体现为全生命周期理念管理之下“模数驱动、轴面协同”的系统模型架构。

“模数驱动”，强调运用BIM 等先进智能技术实现高铁设计、施工、运营全生命周期数据贯通，通过规范BIM 存储结构、语义定义、信息传递和开放式数据存储，实现模型数据一体化，为数据全过程无损传输、强化高铁建设运营管理系统内部要素信息交互、推动系统整体功能大幅提升提供基础[8]。

“轴面协同”，以高铁“全生命周期管理”为“轴”，强调运用贯穿于智能高铁全资产、全产业链和全生命周期的智能化技术，构建基于全生命周期的铁路建设运营管理新模式，通过不同业务领域、面向高铁全生命周期不同阶段信息系统的集成融合，推进不同阶段工作任务的无缝衔接；以“高铁全要素”为“面”，强调在全生命周期静态时间截面上，基于信息流的不同专业、高铁旅客、高铁环境等各要素的高效互动，通过建立匹配的组织结构，充分利用智能技术特点优势，有效协同不同专业、不同领域相关要素，推动资源合理规划配置，避免铁路建设运营各专业、各领域之间产生信息断层及信息孤岛。

基于“模数驱动、轴面协同”理念和运作流程，构建智能高铁建设运营管理系统模型，如图3所示。

图3 智能高铁建设运营管理系统

3.2 智能高铁建设运营管理系统最优化设计

智能高铁建设运营管理系统中，“模数驱动”是智能高铁系统管理的必要手段，“轴面协同”是理想化的系统运行机制。基于全生命周期管理理念，系统需要同时保证“面”的协同优化和“轴”的动态优化，因此系统最优化设计包括如下4 大重要因素。

（1）多专业协同。高铁系统涵盖移动装备、工务工程、通信信号、牵引供电、运输组织、设备运维、安全保障、客运服务等多个专业，各专业间既独立又统一。独立体现为各专业内部的运行机制具有较高的独立性；统一指所有专业组成统一整体，为实现系统整体最优目标而运转[9]。不同专业之间往往需要进行预留接口等交互操作，这就需要专业之间进行信息互通和协同操作，以BIM技术为基础的“模数驱动”，可以依据专业间的统一标准将模型进行集成[10]，通过施工模拟等功能辅助不同专业信息的高效流转和及时共享。

（2）满足外部需求。一是要满足服务用户需求，主要包括旅客、其他交通行业、合作伙伴等，其中旅客是智能高铁面对的最主要用户，智能高铁需要满足旅客从出行前到出站后的全过程智能出行服务需求；民航、公交、地铁等其他交通行业与高速铁路联合为旅客提供出行服务，因此智能高铁需满足与其他交通行业联合服务的信息共享、一体化开发需求；合作伙伴包括酒店、旅游、保险等行业，智能高铁需满足提供旅客出行精准个性化信息推送、进行相关信息资源共享等项服务。二是要满足业务用户需求，主要针对路内从事专业业务的主体，从工程建造、设备设施、运输组织、安全监管等方面满足相关专业用户需求，为专业用户提供智能化技术平台支撑。

（3）与外部环境互动。智能高铁列车采用新型节能材料，车体设计采用低阻力流线型头型和车体平顺化设计，有效降低空气阻力，进而持续减少运行能耗；采用先进制动系统和能源管理工具，大幅降低运行期间的环境污染，并创新应用自动驾驶技术，全面降低列车整体运行能耗，实现高铁系统与外部环境系统之间的良性互动[11]。

（4）全生命周期动态最优。通过“模数驱动”方式，实现高铁建设运营全生命周期各环节的数据存储、语义定义、信息传递等相互统一，使各环节间的截面系统通过数据无损传输实现无缝衔接，进而有效降低管理成本，实现管理效率大幅提高，推动智能高铁建设运营管理系统整体向更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保的目标可持续发展。

4 智能高铁建设运营管理系统运行机理

在智能高铁建设运营管理系统模型框架下，需进一步研究模型内部要素之间的复杂关系，分析系统运行的技术基础，明确智能高铁建设运营管理系统内部运行机理。

4.1 管理效率升级：高铁系统与信息系统的双螺旋融合促进

智能高速铁路建设运营管理的时间截面系统是基于信息流的系统要素互动集成面，其内核在于通过信息化、智能化技术对高铁系统内部不同专业系统、外部需求系统、外部环境系统等各类要素的集成融合，推动系统资源配置的大幅优化和系统管理效率的有效提升。该截面系统是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，其本质是构建信息系统和高铁系统中人、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，通过基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行的微观闭环赋能过程，解决生产制造、应用服务过程中的复杂性和不确定性问题[12]。

在智能高铁建设运营管理系统中，高铁系统和信息系统要素之间一一对应并且相互通信，两大系统相互连接、相互映射、相互促进、深度融合，呈现出双螺旋融合促进的关系，如图4所示。一方面，高铁系统具备数据收集、计算和传输能力，将来自真实世界的感知信息发送到信息系统内部，通过信息系统的闭环赋能过程，输出科学决策结果，反馈到高铁系统中，对高铁系统进行必要的优化完善和对系统参数进行重新配置，实现高铁系统整体自感知、自诊断、自决策、自学习、自恢复等系统功能，从而大大提高了高铁系统的管理效率；另一方面，高铁系统全要素协同发展的要求，对系统管理效率提出更高要求，必须使每一个物理设备都需要具备计算、通信、精确控制、远程协调和自我管理等功能，因此对信息系统数据收集、计算、传输能力提出更高要求，反馈刺激相关技术创新研发力度不断加大，进而促进了信息系统功能的不断升级。

图4 高铁系统与信息系统的双螺旋融合促进

信息系统闭环赋能循环过程包括5个环节：①通过智能感知，获取铁路相关信息，全方位了解整个铁路运输系统的运行情况；②通过智能传输，对数据进行汇集、整合，以供进一步的智能分析及利用；③通过数据资源，对采集到的数据进行智能分析和处理；④通过智能决策，将数据转化为知识，辅助铁路业务经营决策；⑤通过智能应用，对铁路运输系统进行控制、改造、优化，有效提升运输组织效率，提高安全保障能力，推动业务模式创新。

4.2 技术基础协同：智能高铁建设运营管理系统支撑技术体系

智能高铁建设运营管理工作涵盖了建造、装备、运营多个业务领域，集成了大量检测、控制、管理等功能，需要对大量时间、空间、静态、动态信息进行处理，必须有强大的信息化技术体系作为底层支撑，保障智能高铁建设运营管理系统的有效运转[13]。立足高铁全生命周期建设运营管理思想，围绕智能高铁主要功能，可构建包含技术、数据、标准等3大维度的智能高铁建设运营管理系统支撑技术体系，如图5所示。

图5 智能高铁建设运营管理系统支撑技术体系

1）技术维

智能建造：围绕铁路工程建设中人、机、料、法、环等要素，以BIM+GIS技术为核心，促进物联网、云计算、移动互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与先进工程建造技术相融合，通过综合运用自动感知、智能诊断、协同互动、主动学习和智能决策等手段，提升工程设计及仿真、工厂化加工、精密测控、自动化安装、动态监测的信息化、数字化、智能化水平，实现高速铁路建设全方位、全专业、全天候的安全质量进度管控及高效智能的施工管理，为设计、施工、运维全生命周期管理提供数据支持。

智能装备：基于物联网、大数据、人工智能、新一代通信、北斗导航、全方位态势感知、自动驾驶、运行控制等技术，实现铁路移动装备及基础设施自感知、自学习、自诊断、自适应，实现动车组等移动装备的自动及协同运行。

智能运营：围绕高速铁路养护维修、运输组织和客运服务业务领域，综合运用云计算、物联网、大数据、人工智能、下一代通信、北斗导航等新一代信息技术，实时掌握人-环境-设备-信息全生产要素状态，构建数据融合、安全监测、健康管理、语音语义、智能视频、生产协同等模型，全面提升铁路设备维护维修、调度指挥、客运生产和管理、旅客服务的整体研判、协同指挥、科学决策、智能调度和管控水平，提高铁路安全生产效率，为旅客提供自助化、精准化、个性化、国际化的无障碍、全过程智能出行服务。

2）数据维

智能高铁数据维以高速铁路建设全生命周期为主线，将勘察、设计、施工、试验验收和运营维护等阶段产生的海量结构化、非结构化数据及相关外部数据，进行全业务、全类型的数据汇集和融合，形成一套多专业融合、多业务共享的规范数据资源，支撑各阶段多种智能应用场景。

数据维主要内容包括：在工程建设阶段铁路工程管理平台积累的勘察设计数据、工程施工和建设管理数据；在试验和联调联试阶段，试验数据系统积累的车载设备、通信信号设备、工务设施、供电设备等试验和联调联试数据；在高速铁路运营维护阶段，客运组织、调度指挥、客票系统以及车站大脑等信息系统全面收集并积累的运营数据，工电供及动车的运用管理和运维系统收集积累的设备状态监测和设施设备维修数据，等等。此外，还包括航空、城轨、公共交通、气象、互联网、公共服务等与工程建设、联调联试、运营维护等全过程管理相关的外部数据的收集积累。

3）标准维

智能高铁标准体系架构是实现高速铁路智能化技术创新和建设标准化、规范化的重要基础，用于指导智能高铁标准体系的建设和维护，确保各项工作统一规范、无缝衔接。按照国家和铁路行业标准化方针和政策，运用标准化原理，根据智能高铁建设对标准的需求，形成智能高铁标准维。标准维由平台及支撑技术标准、智能高铁应用标准、通用基础与管理标准3大类目组成。

平台及支撑技术标准：包含AI平台标准、网络安全标准、数据中心标准、支撑技术标准4个类别。其中，AI平台标准由数据资源标准、地理信息服务标准、大数据分析标准、人工智能标准、AI平台标准等5部分组成；网络安全标准由网络安全管理标准、网络安全等级保护测评标准、网络安全风险评估标准等3部分组成；数据中心标准由硬件资源标准、系统软件标准等2部分组成；支撑技术标准由北斗卫星导航应用标准、物联网标准等组成。

智能高铁应用标准：包含智能建造标准、智能装备标准、智能运营标准3类。其中，智能建造标准由勘察设计标准、工程施工标准、建设管理标准3部分组成；智能装备标准由移动装备标准、通信信号标准、牵引供电标准、检测监测标准4部分组成；智能运营标准由客运服务标准、运输组织标准、养护维修标准3部分组成。

通用基础与管理标准：包含通用基础标准、管理与服务标准2类，其中通用基础标准由定义、术语、编制通则等3部分组成；管理与服务标准由技术研发与管理标准、智能化水平评价标准等2部分组成。

4）三维体系内部作用机理

三维体系各维度支撑技术体系间存在互相影响的关系[14]，其中：智能高速铁路技术体系是智能高速铁路体系架构的核心，定义了智能建造、智能装备、智能运营等3大板块的技术构成，为数据体系框架、标准体系框架的制定提供指导；智能高速铁路数据体系针对技术体系框架中定义的智能建造、智能装备、智能运营等3大板块，创新应用产生的数据及其他相关的内外部数据，以数据全生命周期管理为主线，定义了数据汇集、存储分析和应用展示等服务，为技术体系框架提供数据驱动，为标准体系框架提供反馈；智能高速铁路标准体系为技术体系框架和数据体系框架的落地应用提供数据、技术、管理等方面的标准支撑，定义了通用基础与管理标准、智能高速铁路应用标准、平台及支撑技术标准等组成内容。

5 推进智能高铁建设运营管理系统优化的措施建议

立足当前我国智能高铁发展现状，基于智能高铁建设运营管理系统最优化设计及系统运行内部机理，下一步智能高铁建设运营实践中必须全面深化全生命周期管理理念，深入分析外部环境需求，强化智能技术创新力度，推进全要素信息动态协同，并进一步夯实系统发展的支撑保障，从而推动智能高铁建设运营管理系统优化完善。

（1）深化全生命周期管理理念。智能高速铁路建设运营全生命周期管理理念的普及应用，为高铁系统提供更加可靠的全过程信息和数据支持，优化系统内部的数据存储格式，在优化智能高铁截面系统协同功能的同时，不断地提高动态系统整体管理效率，推动行业整体高质量发展。因此，应积极探索建立基于全生命周期的建设管理模式，将规划、建设、运营有机融合起来，并贯穿于项目立项、设计、实施、运维的全过程，实现建设标准和功能的统一。

（2）深化外部环境及需求分析。由于智能高铁创新应用尚处于探索完善阶段，各地发展需求及环境影响因素各不相同，信息化技术发展进程也呈现地域不平衡现象，智能化发展应用水平参差不齐，不同专业领域开展的程度也不一致。因此，在高铁建设运营管理系统中引入智能技术，必须采取因地制宜、因时制宜的原则，全面深化发展需求研究工作，并全面兼顾环境风险影响因素[15]。一是我国高速铁路环境条件和运营场景复杂多样，外部安全风险日益增多，应妥善利用积累多年的自然灾害、异物侵限等海量大数据，深入研究风险-隐患-故障-事故机理，降低高速铁路外部环境风险；二是新时期高速铁路旅客出行需求已发生深刻变化，出行目的更加多样、区域化特征更加突出、个性化需求和延伸需求更加丰富，必须深度开展旅客需求分析，从旅客个性化要求出发，推进大数据、物联网、人工智能等新技术与高速铁路深度融合发展，推进大数据、物联网、人工智能等新技术与高速铁路深度融合发展，为旅客购票、进站、候车、乘车、换乘、出站等出行全流程提供自助化、个性化、定制化的出行服务与延伸服务，更好地满足新时代人们日益增长的美好旅行生活需要。

（3）强化智能技术创新力度。智能高铁建设运营管理系统是新一代信息系统与高铁系统的深度融合，必须以创新作为先导手段，保证系统协调运转。因此，一是加大科技研发创新力度，加快推进新技术、新材料应用，推动管理模式创新，借助大数据、云计算、人工智能、物联网、5G、卫星通信、区块链等先进信息科学技术发展契机，加强高铁系统管理新思路创新应用[16]，不断完善智能高铁建设运营管理系统功能；二是坚持自主创新，推进新产品、新装备的应用推广，为智能高铁建设运营管理系统技术进一步落实落地奠定基础；三是秉持企业主导、政产学研用一体化发展思路，构建行业相关力量协同创新的局面，推进智能高铁高质量发展[17]。

（4）推进全要素信息动态协同融合。智能高铁是基于数据信息的多维协同管理、多专业关联交叉的复杂系统，其中，数据共享为智能高铁时间截面上全要素协同运转提供了先决条件，信息技术则为智能高铁全生命周期数据无损传输和共享提供了可能，因此必须促进信息数据融合共享，才能有效推动基于全生命周期的智能高铁全要素动态信息协同融合。具体包括如下几方面：一是在时间静态截面上，推动系统内部各专业数据融合，提高静态系统管理效率；二是在与外部需求主体的交互上，需基于旅客需求分析推动运输组织、运维保障等业务模块信息数据共享，并基于民航、市政、公路等其他用户需求开展信息数据共享，共同支撑具有新时代特色的综合立体交通系统构建；三是在全生命周期过程中，需进一步加强信息流在勘察设计、建设施工、验收、运维等建设运营所有环节有效传递。

（5）夯实支撑保障。为推动智能高铁的健康有序发展，应进一步加强顶层设计，争取更多政府主管部门支持鼓励措施，落实资金、人才等资源保障。一是加强顶层设计，研究完善推动智能高铁发展的有关规划，明确未来智能高铁系统发展的方向、路径和全局方案，为智能高铁建设运营系统管理提供遵循；二是争取更多政府支持及鼓励力度，为高铁智能化、智慧化技术研发及应用营造更好的政策环境，并通过大力推广示范工程，促进智能高铁核心关键技术创新攻关；三是夯实资源资金基础，加大金融财税支持，创新财税政策支持方式，拓宽智能高铁建设投融资渠道，探索引入社会力量激发智能高铁运营管理活力，落实智能高铁工程建设、更新改造及科技研发的资金；四是加强人才培养与激励，聚焦智能高铁复合专业特性，加强创新领军人才和产业技能人才培养，加大对高层次急需紧缺人才、骨干专业技术人才的引进力度，积极吸引科技人才向企业流动，为智能高铁发展提供智力支撑。

6 结 语

经过10余年的发展，我国已基本形成较为成熟的高速铁路建设管理系统，但由于系统要素快速扩张，导致管理难度显著提高，亟须结合未来高铁发展趋势，引入更加先进的系统发展思路和管理手段。通过构建智能高铁建设运营管理系统，能够为新时期高铁系统化、规范化管理提供一条新的理论与实践思路。目前，智能高铁建设运营管理系统的构想已在京张、京雄等智能高铁线路的建设运营全过程得到有效验证和实践，未来将成为引领铁路可持续发展的重要支撑。