面向京张高铁的智能化服务总体应用框架设计

刘 军，马小宁，李 平，阎志远，李国华

（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）

北京2022年冬奥会和冬残奥会（简称：冬奥会）是推动我国奥林匹克运动深入发展、展示中国高速铁路综合水平[1-3]的重要机遇。北京—张家口高速铁路（简称：京张高铁）是目前我国数字化、信息化、智能化水平最高的铁路[4-6]，也是北京冬奥会的重要交通基础设施之一，将为北京、延庆、张家口3地赛区提供一流的高品质、高安全性、高科技含量的冬奥会交通服务。为顺利召开北京冬奥会、打造中国高铁运营示范线、彰显中国文化和推进铁路大数据应用建设[7-8]，由中国铁道科学研究院集团有限公司牵头，组织多家单位开展了“京张高铁智能化服务关键技术与示范”项目的研究。

针对多国政要、运动员、媒体、观众在冬奥会期间的出行需求，面对乘客需求多元、语言体系多样、安全要素复杂等条件下的京张高铁智能化服务相关问题，本文介绍该项目的研究目标和研究内容，阐述项目的体系架构，从数据层、平台层和应用层等方面，联合攻关面向冬奥会的京张高铁智能票务、智能站车旅服、复兴号奥运智能动车组、隧道与地下车站智能分析和控制、运营安全保障等关键技术，对提升京张高铁智能化水平、保障京张高铁运营安全具有重要意义。

1 研究目标和研究内容

1.1 研究目标

围绕北京冬奥会国际化、多元化、定制化出行需求和特点，研究京张高铁智能化服务系列关键技术问题，研发面向冬奥会的多语言售票软件系统、基于5G技术的列车多媒体冬奥会信息服务系统、融合冬奥会特色的车站智能服务系统，提出动车组冬奥会定制化、智能化提升方案，研制确保冬奥会出行安全、集成多专业数据集的大数据平台，开发基于BIM的京张高铁隧道与地下车站全生命周期平台，设计蕴含冬奥会主题与中国文化的标志识别元素，为北京冬奥会智能出行、智慧观赛等提供一流的高铁运输保障。

1.2 研究内容

1.2.1 面向冬奥会的京张高铁智能票务关键技术

围绕跨区域冬奥会场景下的京张高铁多模态票务服务关键技术问题，研究基于京张高铁冬奥会出行链识别的票制和服务协同技术，构建京张高铁冬奥会国际化售票服务保障技术体系，攻克京张高铁多元票制验/检票服务和双语智能票务技术，研制中英文自动售票机和多语言售票应用软件（App）原型系统，开展智能票务应用示范。

1.2.2 面向冬奥会的京张高铁智能站车旅服技术

围绕面向冬奥会的站车一体化协同旅客服务（简称：旅服）关键技术问题，搭建全面融合应用5G技术的京张高铁旅服信息支撑平台，构建基于5G技术的列车多媒体冬奥会信息服务系统，研究京张高铁旅客全行程智慧信息服务技术，提出站车应急处置方案自动生成模型与任务下发机制，攻克高铁人员异常行为感知与预警技术，研发站台门中央控制系统，开展智能站车旅服应用示范。

1.2.3 复兴号奥运智能动车组改造关键技术

围绕面向冬奥会需求的复杂困难线路工况下动车组安全运行关键技术问题，研究动车组车载旅服系统装车改造、车体轻量化设计、司机登车门布置和冬奥会服务设施优化等技术，开展高寒防冰雪及低阻力耦合技术、长大坡道困难工况下运行技术的研究，满足在困难工况下可靠启动及安全停放的要求，开展京张奥运智能动车组应用示范。

1.2.4 基于时空大数据分析的京张高铁运营安全保障关键技术

围绕复杂环境的高铁运营安全影响因素识别和分析关键技术问题，开展高铁运营安全风险预警基础理论研究，揭示复杂时空多因素耦合条件下“站—车—线”安全协同的机理，构建基于大数据的京张高铁运营安全保障体系，研究基于深度学习的周界入侵、外部环境安全分析、轨道—接触网的安全关联分析、运营安全综合预警、全要素时空可视化等关键技术，研发京张高铁安全大数据平台，开展京张高铁运营安全大数据应用示范。

1.2.5 面向全生命周期的京张高铁隧道与地下车站智能展示和控制技术

围绕京张高铁深埋站隧复杂空间虚拟交互导引和融合展示这一关键技术问题，研究基于BIM的全生命周期京张高铁数字资产构建技术；攻克冬奥会设施设备平赛感知协调、地下空间疏散模拟及虚拟交互导引技术；构建面向冬奥会观赛不同应用场景下的模型流式传输、批量加载与显示优化框架，研究基于3D GIS、BIM与虚拟现实/增强现实/混合现实（VR/AR/MR）的多源数据、多技术、多终端融合展示技术；研发基于BIM的京张高铁隧道与地下车站全生命周期平台，开展京张高铁隧道与地下车站控制应用示范。

1.2.6 面向冬奥会的京张高铁配套视觉全方案设计技术

围绕冬奥会主题生成的京张高铁视觉传达与展示设计这一关键技术，针对人文冬奥与中国文化展示需求，建立检索与应用展示，融合展示京张高铁文化、中国文化、科技成就；研究设计美学与京张高铁文化的对应机制，结合冬奥会特征建设京张高铁专属标志识别系统和京张高铁导视符号系统；提出契合冬奥会整体视觉形象设计标准的京张高铁车站空间、列车涂装与列车空间整体创意设计技术方案，开展京张高铁视觉应用示范。

2 总体架构

京张高铁智能化服务是一个复杂、综合的系统工程，主要涉及智能票务、智能旅服、智能动车组、智能安全、智能BIM和人文冬奥等，京张高铁智能化服务总体应用框架主要包括数据层、平台层和应用层。如图1所示。

图1 京张高铁智能化服务总体架构

2.1 数据层

京张高铁智能化服务数据包括12306互联网售票系统（简称：12306）购票数据、站车旅服数据、动车组基本信息和运维数据、铁路沿线安全数据、车站和隧道BIM及控制信息、京张文化元素等。

2.2 平台层

提供数据集成、数据清洗、数据存储、数据分析、数据共享、数据可视化等一站式数据管控平台，通过汇集和融合京张高铁票务、旅服、动车、安全、BIM等数据，形成票务主题域、旅服主题域、动车主题域、安全主题域、BIM主题域、综合主题域，以支撑智能化服务的不同应用。

2.3 应用层

2.3.1 智能票务

主要包括基于京张高铁冬奥会全行程出行链识别的票制协同研究、双语场景下的京张高铁购票体验与交互协作优化研究、京张高铁全时区国际化售票需求与服务能力匹配研究、面向冬奥会的京张高铁票务运营保障技术研究、基于冬奥会旅客出行服务数据模型的售票隐私保护技术研究、基于深度学习的冬奥会旅客验/检票人像识别技术研究、基于深度学习的多语言智能票务客服技术研究和面向冬奥会的京张高铁智能票务应用示范。

2.3.2 智能旅服

主要包括智能站车旅服环境演化与生产要素协同机理、面向冬奥会的客运集中管控平台适配提升、面向冬奥会的站车一体化旅服系统、京张高铁旅客全行程智慧信息服务技术、京张高铁人员异常行为感知与预警技术、京张高铁站车应急处置智能决策与协同联动机制，以及站台门智能协同联动与自适应控制技术。

2.3.3 智能动车组

主要包括动车组顶层指标及整车试验验证技术、冬奥会定制化服务设施及轻量化技术、高寒防冰雪及低阻力技术、长大坡道困难工况下运行技术、长大坡道困难工况下制动技术、基于故障预测与健康管理的智能运维技术。

2.3.4 智能安全

主要包括京张高铁运营安全风险预警理论、基于深度学习的京张高铁周界入侵图像智能分析技术、基于深度学习的京张高铁外部环境遥感影像智能分析技术、基于动态时空检测数据的轨道—接触网安全状态智能诊断技术、基于设备—人员画像技术的“人—车—物—环—管”多因素安全综合预警分析技术、京张高铁全域运营安全要素时空模态表达与安全态势关联分析技术，以及京张高铁运营安全数据采集、存储、共享和分析技术及应用示范。

2.3.5 智能BIM

主要包括面向全生命周期的高铁站隧信息模型一致性表达与构建关键技术研究、面向冬奥会的站内流动性设施设备空间位置感知识别和动态融合关键技术研究、大型复杂地下车站多元动态人群疏散模拟演练关键技术研究、隧道及地下车站复杂空间虚拟交互导引关键技术研究、基于BIM+GIS+VR/AR/MR的智能展示关键技术研究、基于BIM的京张高铁隧道与地下车站全生命周期平台研发及应用示范。

2.3.6 人文冬奥

主要包括基于中国文化内涵的京张高铁文化数据库关键技术、京张高铁视觉识别系统和导视系统关键技术、京张高铁车站空间与车厢空间视觉设计技术、京张高铁视觉展示示范。

3 创新点

3.1 智能票务方面

提出适应冬奥会场景的多元票制，建立京张高铁冬奥会旅客票务模型，攻克双语场景下的京张高铁购票体验与交互协作优化、全时区国际化售票需求与服务能力匹配系列技术，解决基于深度学习的冬奥会旅客验/检票人像识别和双语智能票务客服等技术难题，实现跨区域赛事人群多元出行需求与高铁多模态票务协同，提升票务国际化和智能化水平。

3.2 智能旅服方面

揭示面向冬奥会的旅客站车服务环境演化和生产要素协同机理，研究基于5G技术的列车多媒体服务关键技术，构建旅服与生产管控体系架构，攻克人群异常行为智能识别技术，创建站车应急处置方案自动生成模型，实现京张高铁车站运营环境中生产要素随时间和空间变化趋势的预测推演，从而更好地保障旅客出行安全，提高旅客出行质量。

3.3 智能动车组方面

构建动车组奥运服务定制化设施与困难线路适应性的顶层技术架构，攻克困难复杂多变线路条件下的冰雪与阻力耦合设计优化、多输入条件运行模拟评估及健康管理等关键技术，实现冬奥会动车组服务、运行、测试、维保等一体化的定制优化，解决京张高铁沿线特定运行工况下的定制化服务和运行安全评估问题。

3.4 智能运营安全方面

针对京张高铁“安全要求高、安全因素多”复杂运营环境，研究复杂时空多因素耦合条件下“站—车—线”安全协同的机理，构建京张高铁运营安全保障技术体系，攻克基于多源信息融合的京张高铁周界入侵、外部环境安全遥感影像等识别技术，以及轨道—接触网安全状态智能诊断技术和“人—车—物—环—管”安全综合分析技术，实现京张高铁运营安全数据汇集、跨专业安全大数据分析和精准安全管控，保障冬奥会期间京张高铁运营安全。

3.5 智能BIM方面

提出基于BIM的全生命周期京张高铁信息模型一致性表达与数字资产构建技术体系，攻克基于机器视觉冬奥会设施设备平赛感知协调、地下空间疏散模拟及虚用拟交互导引技术，以及应用BIM、GIS、VR/AR/MR的多主题融合展示技术，丰富冬奥会旅客虚拟交互体验。

3.6 冬奥文化展示方面

探索设计美学与高铁文化、冬奥会文化、地方文化的融合机理，建立蕴涵京张高铁文化和冬奥会特色的多层级文化元素设计库。构建面向冬奥会的京张高铁配套视觉设计体系，提出便于旅客和工作人员寻路的流线导视符号系统，制定面向冬奥会的京张高铁专属标志识别系统，提出融合冬奥会元素及京张文化的高铁车站、车厢空间及不同使用场景的视觉设计方案。

4 成果应用

京张高铁智能化服务项目的一系列成果可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了一批高水平、标志性成果。将开展智能票务、智能旅服、智能动车组、智能安全、智能BIM和人文冬奥等方面的应用示范，不仅为北京冬奥会智能出行、智慧观赛等提供一流的高铁交通保障，还可促进冬奥会交通产业向科技引领、产业创新和绿色节能方向发展，为铁路运输行业发展提供持久动力。

该项目将开展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，提升中国高铁海外市场竞争力，带动相关领域的技术和经济发展。同时，也将满足北京冬奥会国际化出行需求，支撑京张高铁全方位运营安全，提升公众的高铁出行、奥运文化体验，全方位展示中国高铁建造、装备、运营智能化水平和科技成就，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。

5 结束语

本文介绍了京张高铁智能化服务关键技术及示范项目的研究目标、研究内容和总体架构，分析了面向冬奥会的京张高铁智能票务关键技术、京张高铁智能站车旅服技术、复兴号奥运智能动车组改造关键技术、面向全生命周期的京张高铁隧道与地下车站智能展示和控制技术、基于时空大数据的京张高铁运营安全大数据关键技术、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，提练了面向智能出行、运营安全、人文冬奥等方面的创新点。

京张高铁智能化服务有利于支撑北京冬奥会顺利召开、提升客运服务水平、保障铁路运输安全、彰显中国文化。京张高铁智能化建设工程获得了大批原创的、具有自主知识产权的科技成果，已成为中国铁路信息化建设的标杆工程。