数字环铁试验基地的思考与设计

卢文龙， 王万齐， 王都， 冯云梅， 林峰

（1.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；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.中国铁道科学研究院集团有限公司 国家铁道试验中心，北京 100015）

0 引言

当前，我国铁路正处于关键的战略机遇期，基于国家新基建、大数据、5G 通信、人工智能等新一代信息技术深度融合铁路运输的背景，需要建设具有世界领先水平的全要素、全业务、全场景综合数字型试验基地——数字环铁试验基地（简称数字环铁），用于铁路行业探索基于数字底座的数字化赋能转型路线。同时，数字环铁也有助于深化数字技术、数据资源与铁路行业的交汇融合，推动智能铁路不断发展突破，驱动铁路行业高品质发展［1］。数字环铁将结合智能京张、智能京雄等重大工程实践，基于新型基础设施的建设背景，利用中国铁道科学研究院集团有限公司多年成果积累，开展新技术系统性研究，形成具有自主知识产权的成套理论、技术体系、产品体系，用于打造专业分工、协同发展的中国铁路轨道交通产业链，不仅为铁路行业的科学研究、技术开发、试验示范、检验检测、综合评价等提供系统集成创新环境，也为中国轨道交通持续引领世界提供重要技术支撑。数字环铁总体建设愿景示意见图1。

图1 数字环铁总体建设愿景示意图

1 数字化建设现状

环铁试验基地建于1956年，占地面积约181.55万m2（2 723.2 亩），试验线总长60.1 km，由外环铁路环行试验线、中环城轨环行试验线和内环铁路试车线组成。移动试验平台涵盖地铁、综合检测车、机车等各类车型，结合既有线路建立了国家级科技创新平台和40 个专业实验室，已初步构建起综合试验与专项试验结合、实车试验与仿真试验结合的综合试验平台体系。围绕环铁试验基地的功能布局、技术应用和运维管理方式，试验基地可在可控条件下模拟与正常运营线路相类似的条件（如线路横、纵断面状态），设置不同的曲线和坡道，设计采用不同材质的线路、不同类型的轨道结构等，并在一定网络条件下，围绕环境监测、车地监测、基础设施监测等开展相关监测检测，有一定运维管理能力，需要进一步提供设施运行管理、线路养护运维等相关服务［2］。随着“工业4.0”“交通强国”等战略及新技术的迭代更新，环铁试验基地被赋予了新的职能，将建设成为集铁路科技创新中心、文化展示中心、国际交流中心于一体的数字环铁。

2 需求分析

在信息技术高速发展的背景下，环铁试验基地在以下2个方面还不完全满足数字环铁需求：

（1）数据维度。环铁试验基地的基础设施与设备数据主要为二维数据，未应用BIM 模型等三维数据，且设备管理数据范围有限、精细度不足，缺乏监测数据信息。

（2）功能深入性。环铁试验基地的主要管理功能为资产和资料管理，对于试验管理主要依托试验计划管理信息系统进行，还应增加支撑试验数据和实验室数据管理、试验计划安排、试验线调度和环境数据共享等功能。

然而，数字环铁建设不仅是针对当前环铁试验基地的数字化管理，更应探索一套可在全路推广应用的数字化转型路径，以支持铁路建设、运维的全生命周期管理，以及智能化、数字化创新。因此，建设数字环铁的需求应包含以下几个方面：

（1）面向重点试验区域和过程，建立完善的数据管理体系。由于数字环铁的基础是数据，在数字环铁建设中，要围绕试验进行服务和管理，满足数据的可视化表达，以及试验、运营等多源业务数据的集成要求，加快完善环铁基础数据管理体系。

（2）针对试验基地核心业务，有效地管理试验计划、运行和资源配置。应对试验计划、流程管理、资源开展进行有效管理，保障环铁试验基地的试验项目有序开展，最大化发挥环铁试验基地功能优势。

（3）对试验运行环境进行安全监测，对试验运行有效调度。为了保证试验过程的安全可靠，试验基地既要保证安全运营，又要满足安全可控的试验环境搭建，需要对气象情况有效预报预警、对基础设施设备状态有效监控、对试验车辆状态有效管理。

（4）针对试验数据进行有效管理和深化应用。针对综合试验产生的大量试验数据，通过模式识别和人工智能进行数据挖掘，实现发现规律、预测故障和联合分析等。建立采集、归集、管理等全流程管理体系，全面提升分析和应用能力，为技术升级、产品能力验证等提供数据支撑。

（5）基于新技术的支撑，可视化展示试验基地，为决策提供支持。结合环行试验场地业务应用需求，利用物联网、大数据、GIS、BIM、5G 等先进信息技术，对环行试验场地、试验过程等相关信息进行管理，支持数字大屏、PC 端、移动端等多种终端访问，提升平台的便捷性和易用性，作为领导决策的应用和数据支撑［3］。

（6）提供接口支撑不同业务场景拓展，增强不同专业、不同业务场景下的信息关联性，实现高内聚、低耦合。如试验管理、运营维护等专业场景，改善传统需单独选择系统进行展示、分析的系统设置，提升应用系统的完整性。

3 内涵框架

数字环铁的内涵框架包括基础、能力和目标3个层面［4］，数字环铁内涵框架示意见图2。

图2 数字环铁内涵框架示意图

（1）基础层面。通过标识、感知和联接，收集环铁试验基地相关“人、机、物、事”等的状态信息和业务数据，汇集至一体化服务平台（简称平台），通过平台的数据处理能力，实现数据与业务的融合，进而支撑数字环铁对于数据的挖掘与应用。全域标识、精准感知和泛在联接作为建设数字环铁试验基地的基础。

（2）能力层面。基于平台面向全业务、全要素、全场景的数据服务能力，结合业务开展实时分析和决策，支撑环铁试验基地智能运行，并逐步沉淀知识，不断适应、优化、调整基地运行模式，使试验基地持续优化创新。智能运行、持续优化是数字环铁试验基地成为有机生命体所具备的能力。

（3）目标层面。基于知识沉淀，数字环铁试验基地可提供各项智慧服务，最终实现绿色高效、智慧赋能、业务增值的目标，从而打造交通运输行业内智慧铁路试验标杆。

3.1 组成结构

数字环铁通过对试验基地数据的全域标识、对试验状态与环境状态的精准感知、对试验信息的有序分析、对模型的可视化表达，建设基于先进技术的一体化服务平台及上层应用，从而提升试验基地的综合试验能力，实现环铁试验基地的模拟、监控、诊断、预测和控制，为智能铁路技术装备的试验验证和成果转化搭建环境，为全面提升高速铁路智力资源、信息资源配置效率和运转状态提供参考与支撑［5］。

数字环铁的组成主要包括数字化感知、智能传输、数字能力和智能应用4 部分内容，其组成结构示意见图3。

图3 数字环铁组成结构示意图

（1）数字化感知。指应用各类传感器和物联网技术，构成感知边缘侧网络，采集环铁试验基地基础设施、周边环境、试验数据等，从而实现试验基地内资源与状态的可视化。数字化感知是环铁试验基地运行状态可控、业务可管的基础。

（2）智能传输。指采用有线、无线等多种方式，将数据在环铁试验基地内各信息系统、实验室之间进行传递。智能传输是数字环铁试验基地建设的前提，也是数据汇集、融合应用的基础。通过智能传输体系的建立，打破数据和业务孤岛，打通各实验室应用系统，实现数据互通与融合应用，为数字环铁试验基地奠定基础。

（3）数字能力。在环铁试验基地全业务、全场景、全要素数据基础上，建设用于支撑结构化和非结构化数据存储、治理、计算等过程的基础能力，通过内置不同的数据存储策略、数据治理策略、数据挖掘算法、智能计算等，支撑各项智能应用所需的数据处理能力，保证数据分析准确率与效率。

（4）智能应用。从项目管理、运维管理、调度指挥、分析决策、安全监控、科研创新等方面建设数字环铁智能应用，基于上述数字能力描述中所收集的用于数据治理的结构化和非结构化数据，研发智能算法，并针对试验基地各专业、各实验室定制不同的智能应用，全面提升环铁试验基地智能化水平。

3.2 核心能力

从内涵、特征和总体架构分析，数字环铁应具备8项核心能力（见图4）。首先，物联感知模块通过采集环铁的“脉搏”数据，反映基地内外部运行状态；通过数字可视呈现模块构建环铁语义信息模型，实现现实与数字世界的精准映射；数据一体化集成模块可汇聚数据资源、建立统一数据平台，促进数据资源高效开发利用；通过模拟仿真推演模块构建试验数据分析算法模型，前置推演运行效果；结合虚实融合互动模块，从数字空间观看实体空间情况和控制实体空间设施，通过实体空间设备随时进入数字环铁空间；最后，基于上述成果，通过科创扩展模块发挥一体化平台属性，支撑能力扩展和应用持续创新［6］。

图4 数字环铁核心能力示意图

3.3 总体架构

数字环铁是在智能铁路总体架构布局基础上，由新型基础设施、智能运行中枢、智慧应用体系等三大横向层，以及城市安全防线和标准规范两大纵向层构成。数字环铁总体架构示意见图5。由图可知，数字环铁总体架构自下向上分为感知层、网络层、平台层和应用层。

图5 数字环铁总体架构示意图

（1）感知层。各类前端感知设备，主要包括室内外试验检测数据采集传感器、灾害及异物监测传感器、基础设施监测传感器等设备。

（2）网络层。主要包括5G 公网、数据网、光传输、蓝牙、NFC等支撑数据传输的先进技术。

（3）平台层。主要提供大数据、智能计算、BIM、地理信息和北斗等服务。

（4）应用层。通过分期建设完成，一期建设包括综合展示、综合试验、综合监测、资产管理等；二期建设主要基于平台的数字应用内容，接入包括数字工务、数字标定库、数字北斗检测认证实验室、数字5G实验室、轮轨数字实验室等。

4 一体化服务平台

平台可提供数据服务及应用支撑，保障各应用场景的功能实现，具备可视化展示及对外信息发布功能，支撑不同应用场景产生的数据资产的统一存储、维护。平台在大数据、智能计算、北斗时空信息和地理地质服务等技术基础上，增加了环铁信息模型，使其不仅具备时空大数据平台功能，而且成为数字空间刻画环铁细节、呈现环铁体征、推演未来趋势的综合信息载体。同时，平台赋能于业务应用，促进各应用功能、数据量和实时性的增强［7］。

平台可支撑全要素、全业务、全场景数据的汇聚，主要由大数据服务、智能计算服务、BIM服务、地理信息服务和北斗高精度服务等组成，为数字环铁提供基础平台服务、全域数据服务，以及业务系统所需的大数据、人工智能、BIM、GIS、北斗定位等服务。平台功能架构示意见图6。

图6 平台功能架构示意图

4.1 大数据服务

主要提供数据集成、数据治理和数据资产等功能，利用平台封装接口形成分布式数据整合模式，支持从数据源到平台存储的配置开发、过程监控，开展数据治理保障数据准确、可用，构建数字环铁数据资源的全景视图；实现环铁试验基地试验业务、试验环境、运维管理、安全保障等相关数据资源的基础数据管理、数据集成、数据共享、数据存储与分析、统一认证授权等功能。

4.2 智能计算服务

根据数字环铁的实际需求，通过整合多种解决方案，打造全栈式人工智能服务平台，让持续高效的人工智能服务深入试验基地的运行和管理。智能计算服务包括图像视频智能分析、自然语言理解、结构化数据挖掘，主要提供高级统计算法、关联建模、机器学习、深度学习、自然语言处理、图像视频分析等前沿算法，将数据挖掘模块各功能组件在操作空间中自由搭配，根据业务需求形成具体的智能挖掘实例，为环铁试验基地基础设施及业务系统的全面综合管理提供精确指导。

4.3 BIM服务

主要支撑环铁试验基地管理过程中的BIM 模型应用，保障BIM 模型的建立、分析、交付、管理等工作的开展。提供模型轻量化、BIM 图形引擎等基础服务，同时融合BIM 模型、设计数据、周边环境等数据，利用智能计算服务提供方案辅助试验管理、试验模拟、资产运维等服务。利用能力开放模块提供虚实映射接口、数据接口、模型接口和计算接口，不断拓展业务连接范畴，构建一体化的数字环铁业务生态圈［8］。

4.4 地理信息服务

按照统一基准、统一规范、统一编码、统一建设的要求，实现多源异构空间数据的存储与管理，保证数据的有效性；同时，结合环铁各业务信息系统和用户对铁路空间信息数据和服务的实际需求，系统对外发布环铁试验基地统一、标准的空间信息数据和服务，覆盖从数据汇集、处理、制作、管理、分析的全流程。基于统一时空基准的地理信息数据，提供以地理空间分析及人工智能理论结合为基础的智能空间分析服务，实现环铁试验基地的虚拟世界及相关信息与物理世界进行叠加与实时交互映射，使“人-车-物-环境”要素共融、虚实互映，为模拟、监控、诊断、预测提供智能地理信息基础。

4.5 北斗高精度服务

依托中国国家铁路集团有限公司铁路北斗应用服务平台，面向环铁业务应用建设北斗应用服务平台。针对各类业务应用，提供高精度位置服务、短报文通信服务、授时服务和其他定制化服务等，通过构建环铁试验基地标准化的北斗综合时空服务体系，为促进数字环铁提供支持。该平台也将面向相关应用系统提供定制化的时空信息服务支撑。主要功能包括北斗高精度位置服务网、高精度位置服务、通信服务、授时服务、在网设备管理、服务管理和定制化服务等。

5 应用系统

数字环铁应用系统基于试验管理和基地运维管理2个角度进行统筹设计，涵盖环铁试验基地日常生产、运营各个方面，主要包括综合展示、综合试验、综合维修和综合监测4部分内容，该系统总体框架示意见图7。

图7 数字环铁应用系统总体框架示意图

（1）综合展示。主要基于环铁试验线、实验室等的设计图纸、基础设施设备台账、基础地理数据、影像数据、DEM 数据、DOM 数据、全景照片构建三维实体模型和三维地形模型等信息，搭建环铁试验基地电子沙盘，实现多源异构数据的高效组合和一体化集成。提供全景浏览、数据查询、属性编辑、模拟仿真、专题数据库和交互处理等服务，支撑室内和环上试验管理、资产查询、列车追踪和虚拟驾驶等功能应用（见图8）。

图8 综合展示界面

（2）综合试验。从试验管理、试验调度和试验数据分析3 个方面构建：①试验管理。通过对试验计划、试验资源的合理安排、调配，实现各试验单位之间科学协作。②试验调度。根据试验开展情况，通过编制运输计划，合理配置和利用资源，满足环铁试验基地各项试验需求，实现基地生产作业精准化和调度指挥智能化。③试验数据分析。提供对各类试验数据进行收集管理、分析应用和共享服务，具备试验现场数据实时汇集管理、试验基础信息管理、数据专项分析等功能，为长期积累各类试验过程数据、对历史试验数据综合对比分析挖掘、试验项目立项分析等提供支撑。数字轮轨试验界面见图9。

图9 数字轮轨试验界面

（3）综合维修。以工务、电务、供电设备资产管理为核心，安全生产为主线，对基础设施维修生产流程进行再造，在综合利用动静态检测、检查、监测数据的基础上，实现从检测检查、数据分析、生产调度、现场作业到质量评价的生产信息化闭环管理。涵盖设备资产管理、移动检测数据管理、固定监测数据管理、现场检查管理、数据分析管理、生产调度管理、物资工机具管理、综合统计分析和智能运维可视化等功能。

（4）综合监测。具有环境监测与视频监控两部分功能，环境监测用以防止因自然灾害、异物侵限、非法入侵、破坏偷盗基础设施等突发事件造成损失，包括风雨、雪深监测、异物侵限监测和周界入侵监测等；视频监控采集试验基地现场视频，并对视频内容进行分析，实现对监控数据的深入挖掘应用，并为综合试验、综合维修等其他业务应用提供在线监测相关服务。

6 展望

数字环铁试验基地通过技术创新建设高质量试验环境，提升环铁试验基地整体试验能力、试验业务能力，提供更加高效便捷的协同能力，打破时空限制，重新定义试验基地的运行方式，提供绿色可持续的试验环境，优化资源配置，推动试验基地持续优化。数字环铁立足环线整车检验验证的拓展功能，对基础理论和前瞻技术研发、科学调整技术标准、完善“走出去”试验体系、成为签约实验室开展国外实验室互认等具有重要意义，将进一步发挥环铁试验基地在行业科技创新支撑中的重要作用。通过数字环铁一体化服务平台建设，以及一期、二期应用系统的分阶段建设，使环铁试验基地平滑、渐进式过渡成为新时代信息化的试验基地，用于支撑铁路行业未来的新技术探索和成果转化。基于一体化服务平台的可拓展性，未来将对“数字环铁试验基地”开展进一步分析设计，借鉴新兴技术发展应用的成功经验，设计国际先进的数字化试验基地，为智能铁路技术装备的试验验证和成果转化搭建环境，为全面提升高速铁路智能资源、信息资源配置效率和运转状态提供参考与支撑，最终实现智能铁路的内生发展动力。