京张高铁智能化服务总体架构、关键技术与应用示范

王同军

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

我国已经建成了世界上最发达的铁路网和最先进的高速铁路（简称：高铁）网，截至2020 年底，全国铁路运营里程达14.6 万km，其中，高铁近3.8万km，超过世界高铁总里程的2/3，中国铁路为促进经济社会发展提供了重要支撑作用。当前，随着新一轮科技革命和产业革命的深入推进，云计算、大数据、人工智能、BIM 和5G 等前沿技术蓬勃发展，世界各国铁路都在积极拥抱新技术，推进铁路的数字化、智能化发展。欧盟制定了Shift2Rail 计划，法国国营铁路公司（SNCF）、德国联邦铁路公司（DB）、英国铁路公司、瑞士联邦铁路公司（SB）等发布了数字铁路智能铁路发展战略，列车自动驾驶、设备设施智能运维、MaaS 智能服务、安全风险智能识别、绿色节能等成为各国铁路竞相发展的前沿方向。为实现高铁持续领跑，我国率先开展了智能高铁体系架构和发展战略的研究，并依托北京—张家口高速铁路（简称：京张高铁）开展了智能建造、智能装备和智能运营服务的应用实践。智能京张高铁成为推动我国高铁技术新一轮创新的标志性工程，树立了中国铁路建设自主创新的典范和标杆[1-5]。

京张高铁是支撑北京2022 年冬奥会和冬残奥会（简称：冬奥会）成功举办的交通保障线，也是促进“京津冀一体化”发展的经济服务线，2015 年12月开工建设，2019 年12 月开通运营。新建正线全长173.964km，桥梁总长65.905 km，隧道总长48.780 km，桥隧比例为65.9%。全线设北京北、清河、沙河、昌平、八达岭长城、东花园北、怀来、下花园北、宣化北、张家口10 座车站，如图1 所示。京张高铁设计最高行车速度为350 km/h，建成后，张家口—北京的最短运行时间由3 h 7 min 压缩至47 min。

图1 京张高铁线路示意

北京冬奥会是全球首次三赛区联动、以高铁为主要运输方式的冬季奥运盛会，京张高铁作为本届冬奥会的交通基础设施，其智能化服务对于保障赛事顺利举办、彰显中国文化科技、打造中国高铁名片具有重要意义。俄罗斯、韩国等历届冬奥会承办国围绕赛事期间旅客出行服务保障进行积极探索，索契冬奥会通过建立交通模型实现了基于赛程信息的智能化交通调度服务，平昌冬奥会建立了奥运高铁交通系统信息综合查询平台。北京冬奥会期间，将面临“旅客需求多样、线路条件复杂、安全保障要求高”等更高要求，因此，研究面向冬奥出行的京张高铁智能化服务总体架构、关键技术，并开展示范应用具有重要意义。

1 京张高铁智能化服务总体需求

京张高铁智能化服务总体需求主要来源于服务、安全、文化展示3 大方面，如图2 所示。其中，冬奥会出行服务需求包含票务国际化、高清观赛、定制化奥运动车组服务等。运营安全保障需求包括异常行为识别、安全风险预警、站车应急处置等。人文冬奥需求包括列车涂装创意设计、车内导视符号系统、虚拟交互引导等。

图2 京张高铁智能化服务总体需求

1.1 旅客服务需求

1.1.1 票务国际化方面

我国铁路客票发售和预订系统（含12306 互联网售票系统）全渠道日均售票量已超过1 200 万张，年售票量超过30 亿张，是世界上最大的票务系统。系统支持二代身份证、护照等多达26 种有效证件购票，以及电子票、软纸票、磁介质票和中铁银通卡等多种介质乘车，实现了人脸检票、智能客服等一系列技术举措，可为旅客提供无纸化、自助化的票务体验。但当前铁路客票系统主要面向国内旅客，在国际化售票服务方面有待拓展、智能化服务方面有待提升，因此，加快推进我国铁路票务系统的国际化建设，满足冬奥会期间京张高铁国际旅客购票需求迫在眉睫。

1.1.2 客站服务方面

国外发达国家针对高速铁路客运车站智能化建设方面起步较早，通过相关信息系统建设，提供了数据集成共享、辅助决策、可视化展示等相关功能，如法国SNCF、德国DB、日本铁路公司（JR）均设立了旅客信息服务中心。我国铁路客运集中管控平台实现了对内数据统一存储、对外数据统一接口、计算资源统一调配、算法模型深度应用、运营状况总体研判、人员-作业-设备统一指挥、业务流程再造、数据集成展示等功能，已与京张高铁运营同步投入运用。为满足冬奥会旅客国际化、个性化、智慧化的站车服务需求，需进一步优化客运集中管控平台，提升京张高铁智能化旅客服务水平。

1.1.3 智能动车组服务方面

以欧盟、日本、韩国等为代表，大力发展5G、大数据及人工智能等新技术、新材料，与轨道交通装备相结合，形成了日本N700S 和ALFA-X、法国Avelia Horizon 下一代超高速列车和德国ICE4 等相关高速列车研发体系。复兴号动车组是基于我国国情、路情，实现自主化、标准化和系列化的成果，设计、软件开发及制造技术均达世界先进水平。针对北京冬奥会定制开发的需求，在复兴号基础上进行智能化、轻量化、适应性提升设计，以满足京张高铁沿线高寒、多山区桥隧等复杂环境下的困难工况，对实现奥运动车组提供温馨舒适、安全可靠的服务具有重要意义。

1.2 运营安全保障需求

法国、德国、日本、西班牙等国家建立了基础设施和移动装备安全检测监测、故障诊断系统，以及高铁沿线自然灾害安全预警系统，有效支撑各国高铁列车的安全运营。我国铁路研发了运输安全大数据应用、安全监督管理、高铁异物侵限监测、5T等系统，开展了安全风险预警、安全综合评估、事故故障分析、轨道缺陷图像分析等研究，逐步建立了基于人防、物防、技防三位一体的运输安全综合保障体系，但仍存在高铁运营安全数据共享度不高、异常图片和视频识别分析困难等问题，迫切需要从“结构化数据分析”转向“综合性数据分析”、从“基于经验的安全管理”转向“基于数据的安全管控”、从“事后分析”转向“事前预警”。

1.3 奥运文化融合需求

德国ICE、法国TGV、日本新干线等先后建立了引领时代设计美学的铁路配套视觉系统，由荷兰设计大师格尔登贝设计的荷兰铁路标识、车体、站台设施一体化视觉设计方案的影响较为广泛。我国高铁视觉设计已完成了建设的基础工作，高铁复兴号视觉识别系统于2017 年设计完成，但与高铁高端装备品牌化等要求尚有距离，在区间高铁文化建设、地域文化对应、重大活动视觉形象体验适配等方面仍待完善，在冬奥会主题的京张高铁视觉设计上，亟需在动态视觉符号提取、文化信息对应设计等方面进行探索。

2 京张高铁智能化服务总体架构

京张高铁智能化服务总体架构是从服务、安全、文化等方面对智能化提升进行的整体设计[6-8]，自下而上可划分为智能感知层、智能传输层、数据资源层、智能决策层和智能应用层，如图3 所示。

图3 京张高铁智能化服务总体架构

2.1 智能感知层

智能感知层的功能是识别京张高铁各类物理实体并采集动态实时信息，即通过传感网、物联网等多种手段，自动化获取高铁行车状态、设备健康状况、自然环境条件等信息，全方位了解整个高铁运输系统的运行情况。智能感知层的采集方式多样化及泛在化是其重要特征。信息采集设备主要包括传感网、物联网、全球定位系统/北斗卫星导航系统（GPS/BDS）、综合视频、红外监测等。

2.2 智能传输层

采集感知层的各种类型信息，通过多种网络技术进行汇集、整合，实现进一步的智能分析和运用。广泛互联、可靠传递是对智能传输层的基本要求，需要融合应用有线、无线网络与互联网。智能传输层采用的主要技术包括铁路信息网络的IPv4/IPv6 技术、Wi-Fi 网络、4G/5G 网络等。

2.3 数据资源层

数据驱动是智能高速铁路的重要特征[9-12]。数据资源层从下到上分为两个部分：（1）数据服务平台，提供基础数据管理、数据集成、数据共享、大数据存储与分析等能力；（2）数据资源，按战略决策、运输生产、经营开发、资源管理、建设管理、综合协同、社会数据进行分级分类，并对智能票务、智能旅服、智能动车组、运营安全等信息资源进行汇集、治理和存储。

2.4 智能决策层

2.5 智能应用层

面向冬奥会期间，围绕京张高铁旅客智能出行、高铁运营安全、服务人文冬奥3 个方面，开展国际化售票服务、智能站车服务、智能动车组、地下站隧虚拟交互导引和融合展示服务、运营安全大数据、文化视觉展示等示范。

2.5.1 旅客智能出行

基于多模态协同、站车协同等理论，在购票、候车、乘车3 个方面开展智能票务、智能站车旅客服务、隧道与地下车站智能展示和复兴号奥运动车组改造等关键技术研究。

2.5.2 高铁运营安全

基于高铁运营安全风险预警理论，研究高铁周界入侵图像智能分析和高铁外部环境遥感影像智能分析等技术，开发基于深度学习的京张高铁图像智能识别系统。

2.5.3 服务人文冬奥

基于美学与文化对应机制等理论，研究基于冬奥会主题生成的京张高铁视觉传达与展示设计技术，开发专属标志识别系统和视觉导视符号系统，制定站车空间整体创意设计。

3 京张高铁智能化服务关键科学问题和技术

以北京冬奥会科学办赛顶层要求为指导，围绕为冬奥会旅客提供便捷、舒适、安全的京张高铁智能出行服务这一目标，从旅客智能出行、高铁运营安全、服务人文冬奥3 个方面，需解决1 个关键科学问题，6 项关键技术问题[13]，如图4 所示。

由于财政困难，投入资金仍有限，有的设施蔬菜园区水、电、路等基础设施配套不完备，过去修建的部分日光温室标准不高，设施老化破损，维修资金短缺，一些日光温室冬季甚至不能生产蔬菜。乡、村技术服务体系不健全，缺少技术服务人才，培训农民难度大，技术服务工作跟不上，一些适合本地种植的主栽品种的引进筛选、更新换代工作滞后，制约了蔬菜产业的发展。

图4 京张高铁智能化服务关键技术

3.1 京张高铁智能化服务关键科学问题

面向冬奥会的京张高铁多元化需求、多模态服务、多维度安全协同机理是本研究的关键科学问题。冬奥会期间，京张高铁具有客流成分复杂、运营服务标准高、运营安全要求高等赛时运营特征，深入分析赛时人群对便捷、舒适、安全的出行需求，探索高效、绿色、可靠的智能化服务模式，揭示京张高铁旅客多元化需求与多模态服务匹配、站车旅客服务环境演化和生产要素协同、复杂时空多因素耦合条件下“站-车-线”安全协同的机理，为构建京张高铁智能化服务关键技术和示范提供理论与方法支撑。

3.2 京张高铁智能化服务关键技术

3.2.1 跨区域冬奥会场景下的京张高铁多模态票务服务

针对跨区域赛事人群多元出行需求，亟待解决双语场景下的京张高铁购票体验与交互协作优化技术和全时区国际化售票需求与服务能力匹配技术；针对冬奥会京张高铁精准高效的验检票需求，需研究多元票制旅客信息实时共享与识别技术，构建多模态、多肤色、多模型融合的国际旅客人像识别技术体系，突破智能化多元票制验检票服务技术，研究双语智能票务客服技术，提升票务智能化水平。

3.2.2 面向冬奥会的站车一体化协同旅客服务

针对京张高铁站车旅客服务智能化水平需进一步提升的现状，亟待解决基于5G 技术的列车多媒体奥运会信息服务、旅客全行程智慧信息服务等关键技术，提高面向冬奥会的车地一体化旅客服务水平；针对冬奥会期间人员结构复杂、异常突发事件预测难等情况，亟待解决站车应急处置智能决策与协同联动、人员异常行为智能感知和预警、站台门智能协同联动与自适应控制等关键技术，提升旅客出行安全保障能力。

3.2.3 面向冬奥会需求的复杂困难线路工况下的动车组安全运行

针对冬奥会对动车组的特殊需求，亟待解决滑雪器材存放、残疾人乘车等定制化服务技术；针对京张线路多隧道、高海拔差及大温差等复杂困难工况下环境时变特征，亟待解决低温适应性、长大坡运行、车辆减阻、轻量化设计等关键技术；京张线路的复杂性增加了应急处理难度，亟需提高保障效率和运维技术，降低维修时间和成本。

3.2.4 面向复杂环境的高铁运营安全影响因素识别和分析

针对京张高铁运营安全“数据类型多样、外部环境复杂、决策信息单一”问题，亟需解决高铁运营数据采集、存储和分析，“风险-隐患-事故故障”的安全链和基于深度学习的铁路异物入侵识别等技术问题；针对京张高铁安全“影响因素不定、耦合关系复杂”的问题，亟需解决基础设施“轨道-接触网”安全关联分析、“人-车-物-环-管”因素识别等关键技术问题。

3.2.5 京张高铁深埋站隧复杂空间虚拟交互导引和融合展示

针对站内客服设施设备的空间位置时变特征，亟需解决基于影像与三维点云的客服设施设备模型重建、识别匹配与动态更新关键技术；针对深埋地下复杂空间定位及路径规划较为困难的问题，亟需研究稀疏重建与视觉特征匹配结合的大范围实时定位方法；针对站隧不同业务场景快速切换、融合展示等需求，亟需研究大规模数据混合轻量化展示技术。

3.2.6 基于冬奥会主题生成的京张高铁视觉传达与展示设计技术

针对京张高铁视觉形象信息来源多元化特征，需解决从京张高铁文化和冬奥会设计中提炼视觉元素关键技术；针对设计美学与文化对应机制的复杂性，解决精准整合诸多复杂因素的文化生成关键技术；在结构化、规范化并探寻基本形式美感的基础上，亟待将冬季运动的速度动感与京张高铁文化特色有机融合，解决冬奥会主题京张高铁一体化视觉创意设计等关键技术。

4 京张高铁智能化服务典型示范设计

围绕旅客智能出行、高铁运营安全、服务人文冬奥3 个方面，按照需求分析、理论技术研究、平台研发和应用示范4 个步骤，开展京张高铁智能化服务典型示范设计。

深入分析冬奥会办赛期间国内外旅客多元出行需求和特征，开展基础理论和关键技术研究，构建各部分研究的理论和技术框架体系，开发京张高铁智能票务应用、客运集中管控平台、基于BIM 的隧道与地下车站全生命周期平台、安全大数据平台[14]，构建京张高铁文化检索与展示应用。在冬奥会期间，开展国际化售票服务、智能站车服务、智能动车组、安全大数据应用[15]、地下站隧虚拟交互导引和融合展示服务、京张高铁文化视觉展示示范等，如图5 所示。

图5 京张高铁智能化服务典型示范设计

4.1 国际化售票服务示范

融入包括冬奥会文化元素、京张历史文化、一站一景等元素完成3 套奥运特色纸质车票和电子客票样式设计，并设计以长城主题的冬奥会纪念票。研发了中、英双语服务的自动售票服务机，提供英文版售票、退票、改签及英文版计次-定期票发售等功能。研发多语言版售票应用软件App，与英文版网站业务功能和服务保持一致，增加语言包快速集成功能，具备后期扩展更多国家语言条件。支持VISA、MasterCard、JCB、Diners 等国际卡，实现售票服务的国际化和智能化提升。

4.2 智能站车服务示范

构建基于中台框架的旅客服务与生产管控平台V 2.0 总体架构，研究基于三维热力图的可视化应急场景处置展示技术，研发轻量级中英文语音播报、引导揭示服务单元，搭建铁路局集团公司级管控平台原型系统，将智能调度数据接入管控平台，实现中英文语音交互、引导揭示切换、站内导航和车次状态查询等智能信息服务，提升冬奥会旅客高铁出行体验和服务水平。研究京张高铁智能动车组5G 通信技术，研发了基于 5G 通信的列车多媒体奥运信息服务系统，为实现高清转播、智慧观赛等提供技术支撑。研发了站台门中央控制系统，研究站台门智能协同联动与自适应控制技术，实现站台门开、闭门时间范围内可调可控。

4.3 智能动车组示范

实现司机登车门布置、无障碍轮椅停放和滑雪器材存放等优化配置，实现列车重量较CR400BF 动车组减少7 t，满足动车组-40℃～40℃的高寒防冰雪运用要求，气动阻力较CR400BF 动车组降低3.5%，实现30‰大坡道困难工况下动车组的安全起停，实现动车组状态修到预见修的提升。目前，完成复兴号京张智能动车组配置顶层指标和总体技术条件编制，智能动车组智能监控屏统型方案设计。完成无障碍轮椅和滑雪器材及登乘门的方案设计。完成了走行部故障预测的技术方案及技术路线设计，以及奥运配置动车组5162 车的研制。

4.4 安全大数据应用示范

完成京张高铁运营安全大数据平台研发，具有安全电子地图、安全风险分析、安全隐患分析、交通事故分析、工务安全分析、供电安全分析、北斗监测分析、周界入侵分析和外部环境分析等功能，集成铁路内外部20 个专业数据集，完成7 项安全大数据主题分析应用、11 项时空大数据可视化展示，建成周界和异物异常图像标注库及识别准确率优于90%的京张高铁图像智能识别系统，开展面向铁路局集团公司和运输站段的典型应用示范，大幅度提升京张高铁运营安全综合预警能力。

4.5 地下站隧虚拟交互导引和融合展示服务示范

完成京张高铁无碴轨道、接触网、轨旁设备、安全门、车站等关键设施的三维建筑信息模型创建，基于BIM、GIS、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等多种可视化技术，实现隧道及地下车站的智能导航、应急救援及面向冬奥会的多主题展示等功能，充分展现京张高铁创新成果，提升大埋深、地下站隧一体化旅客安全服务保障与面向冬奥会多主题智能展示体验能力。目前，已完成无砟轨道、接触网、轨旁设备、安全门等三维信息模型的创建，为多类型应用提供基础场景支撑；同时，结合VR 技术，实现八达岭长城站历史文化、建设特色、功能空间分布等多主题综合展示；并为多火灾场景应急情况下的沉浸式疏散模拟体验起到良好的指导作用。基于AR 与图像识别技术，实现面向旅客的站内虚拟交互导引，使地下立体空间的导航规划得到创新发展。

4.6 京张高铁文化视觉展示示范

基于文化生成机制技术问题的研究，确立“三类五项”京张高铁文化分类体系，甄选编辑数据库的文化元素词条，搭建了展示系统平台。在文化转译理论和创意呈现策略研究基础上，研发完成1 套体现人文冬奥与中国元素的视觉全方案设计。（1）创建“京张高铁专属标志及其制作准则”等一整套视觉识别设计系统；（2）按照“冰雪飞扬”主题完成车站空间导视系统符号库设计；（3）创作完成 “冰雪飞扬、缤纷奥运”主题的站内外空间视觉创意设计；（4）完成“九重冬韵”主题的3 套列车涂装设计和车厢内饰设计。整套全方案设计在太子城站开展实施应用示范。此外，针对冬奥会京张高铁文化展示目标，完成“复兴号列车”“冬奥文化融合一站一景”“京张铁路历史文化”等京张客票设计主题方案3 套。

5 结束语

京张高铁智能化服务是依托面向北京冬奥会科技保障，重点围绕为冬奥会旅客提供便捷、舒适、安全的京张高铁智能出行服务，攻克京张高铁智能票务、站车旅客服务、复兴号奥运动车组、运营安全保障、隧道与地下车站智能展示和控制等关键技术，提出面向冬奥会的京张高铁配套视觉全方案设计，开展京张高铁智能化服务应用示范，为将北京冬奥会办成一届精彩、非凡、卓越的奥运盛会提供科技支撑。项目的系列成果，不仅为冬奥会旅客提供便捷、舒适、安全的京张高铁智能出行服务，在关键技术、设计方案、系统平台及应用示范等方面形成一批高水平、标志性成果，将建立我国高铁智能化服务示范，为新一轮高铁产业增长提供技术动力，国际化服务将提升中国高铁海外市场竞争力，同时带动相关领域的技术和经济发展，进一步提高中国高铁在全球的品牌地位，助力“一带一路”倡议的实施，同时，以服务冬奥会科学办赛为契机，引领低碳、环保、绿色的高铁出行趋势，有利于促进环境可持续发展。