中国智能高速铁路2.0的内涵特征、体系架构与实施路径

王同军

（中国国家铁路集团有限公司，北京 100844）

全球科技创新和世界铁路智能化快速发展，智能技术与传统技术融合发展。以云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能（AI，Artificial Intelligence）、北斗卫星导航（简称：北斗）、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）等新技术与铁路业务深度融合，数字孪生、区块链、通用AI、隐私计算、出行即服务（MaaS，Mobility as a Service）、下一代通信等新技术迭代更新，创新成果不断涌现。在此背景下，还需进一步发挥智能技术在安全生产保障、效率效益提升、服务质量优化等方面的支撑作用，实现高速铁路（简称：高铁）全生命周期管理、全业务要素协同，达到面向智能高铁的综合效能优化系统性提升，支撑新时代铁路高质量发展，实现智能建造、智能装备等技术水平持续领跑世界高铁发展。基于此，本文从顶层架构设计、关键技术创新、基础平台建设、工程示范应用等方面梳理中国智能高铁发展成就，结合国家政策、国际铁路趋势、国内相关行业、新技术发展等方面剖析“十四五”时期智能高铁面临的新要求、新挑战，在此基础上提出智能高铁2.0的内涵和代际特征，从顶层设计角度研究、构建智能高铁体系架构2.0，指出具有前瞻性、引领性的智能高铁重点任务，并以研究开发、试验验证、场景示范、整线示范4个阶段实施路径，保障重点任务统筹推进。

1 中国智能高铁取得的主要成就

“十三五”时期，新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等新技术加速应用，国家《促进大数据发展行动纲要》《新一代人工智能发展规划》等对大数据、人工智能等技术在交通领域的应用提出明确要求。中国铁路已经建成世界上规模最大的高铁网，拥有海量的建设运营数据和丰富的实践应用场景，融合应用新技术系统开展了铁路数字化、智能化建设。依托京张（北京—张家口）高铁、京雄（北京—雄安）城际铁路等重大工程，通过深入开展智能高铁的理论和应用研究，在顶层架构设计、关键技术创新、基础平台建设、工程示范应用等方面取得重大突破[1-3]。

1.1 顶层设计方面

提出智能高铁的科学定义和“全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习、科学决策”的技术内涵，创新了“模数驱动、轴面协同”的复杂巨系统管理方法[4]，构建了技术、标准、数据三位一体的智能高铁体系架构，发布了中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）《智能高速铁路体系架构1.0》标准，并被国际铁路联盟（UIC，International Union of Railways）采纳，为世界智能高铁发展提供了中国方案。主持编制《线形工程中心线1.1》国际标准、IFC（Industry Foundation Classes）RAIL国际标准，建成中国铁路BIM标准体系。基于上述成果，我国成为世界智能铁路发展的重要引领者

1.2 关键技术创新方面

围绕智能建造、智能装备、智能运营开展成套技术创新。

1.2.1 智能建造领域

在智能建造领域，构建全专业、全线统一环境的协同设计平台，实现了多专业协同设计和数据无损传递；建成了智能双块式轨枕厂、智能板厂、智能梁场等，实现制造全工序自动化、全过程数据集成化；在路基智能填筑、桥梁装配式施工、盾构隧道全预制拼装、钻爆法隧道衬砌智能施工、无砟轨道智能铺设、接触网及四电智能施工、客站智能施工等方面取得突破，创新了成套智能化工装及工艺工法；研发了基于BIM+地理信息系统（GIS，Geographic Information System）的高铁工程管理平台，实现了面向设计、建设、运营全生命周期管理体系和模式的创新。

1.2.2 智能装备领域

在智能装备领域，研制了具备智能行车、智能运营维护（简称：运维）、智能服务等功能的智能动车组系统；首次实现350 km/h高速动车组自动驾驶；研发了智能一次设备、广域测控保护系统和辅助监控系统等组成的无人值守智能牵引变电所；构建了高铁地震预警系统，开展了灾害监测、综合视频等大数据分析应用。

1.2.3 智能运营领域

在智能运营领域，实现全面电子客票及刷脸进站、建成了智能客站系统，研发智能调度集中系统和面向运输全过程的智能综合调度系统，构建了基于BIM的综合维修生产管理系统，实现了基础设施设备全生命周期的BIM表达；建立了动车组故障预测与健康管理系统（PHM，Prognostics and Health Management），推动视情维修的实现。

1.3 基础平台建设方面

2017年，发布了《铁路信息化总体规划》《铁路大数据应用实施方案》；2018年，建成行业首个基于云计算的主数据中心，实现了统建系统的云化部署和应用；构建了铁路数据服务平台、集成服务平台、北斗服务平台、地理信息平台等一体化信息集成平台，开创了“平台+应用”的铁路大数据应用模式，推进了大数据、北斗等新技术在铁路的综合应用。

1.4 工程示范应用方面

依托京张高铁、京雄城际等重大工程开展智能建造、智能装备、智能运营的体系化应用。已建成的世界上第一条设计时速为350 km的智能高铁——京张高铁，开启了世界智能铁路建设的新篇章，京张高铁BIM应用获得建筑智慧国际组织（BSI）2021年施工类大奖。京张高铁取得的创新成果全面应用到京雄城际铁路，以及其他相关领域。

2 十四五时期智能高铁面临的新形势

“十四五”时期，中国智能高铁的发展，在国家政策、国际铁路趋势、国内相关行业、新技术发展等方面，面临着一系列新要求、新挑战。

2.1 国家政策要求

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》《“十四五”数字经济发展规划》等陆续发布。在国家数字经济战略要求下，以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，加速开展铁路行业的数字化、智能化建设提出新的更高要求。

2.2 国际铁路形势

数字化、智能化发展成为世界多国铁路重要战略方向和发展趋势。欧洲联盟（简称：欧盟）、德国、法国、瑞士、英国、日本等世界铁路发达国家相继提出了数字化、智能化战略设计[5]。例如，欧盟委员会的Shift2Rail科研计划、欧洲一体化运输发展路线图，德国铁路股份公司（简称：德铁）的铁路数字化战略（铁路4.0），法国国营铁路公司（简称：法铁）的数字化法铁（DIGITAL SNCF），瑞士联邦铁路公司的SmartRail 4.0，JR东日本铁路公司的智能铁路战略[6-8]等。近期的世界铁路智能化技术创新与战略发展态势，如图1所示，各国铁路主要聚焦在第5代移动通信技术（5G，5th Generation Mobile Communication Technology）、数字孪生、自动驾驶、MaaS+智能服务、智能运维等领域的单项应用，尚缺少顶层架构设计和体系化的技术研发和应用。

图1 近期世界高铁智能化技术创新与战略规划

2.3 国内相关行业智能化发展

国内交通、能源、金融、城市等多个领域的智能化发展都在积极推进中，智慧民航[9]、智能交通[10]、智能电网[11]、智慧城市的架构设计、标准规划等相继发布，积极探索典型场景的示范应用，为智能高铁的发展提供了有益的参考和借鉴。

2.4 信息新技术的发展

数字孪生、区块链、可解释AI、隐私计算、下一代通信数字孪生、知识图谱、扩展现实、机器人流程自动化等为代表的信息新技术正在加速进入成熟期，为智能建造、智能装备、智能运营的技术创新提供了新的赋能手段。

综上所述，“十四五”时期深化落实国家数字经济战略要求，融合应用信息新技术，实现智能高铁持续领跑面临重大挑战。国铁集团近期陆续发布了《中国国家铁路集团有限公司“十四五”发展规划》《“十四五”铁路科技创新发展规划》《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》，明确指出，在智能高铁技术体系框架1.0的基础上，面向智能铁路2.0技术发展目标，着重围绕智能建造、智能装备、智能运营等应用场景持续深化关键技术创新，加大5G、大数据、物联网、AI等现代技术与铁路融合赋能攻关，深入开展赋能技术和智能系统的研发应用，完善智能铁路成套技术体系、数据体系和标准体系，塑造智能铁路技术发展领先新优势。

为此，明确智能高铁2.0的内涵和代际特征，提出智能高铁体系架构2.0，规划智能高铁2.0的重点任务，对于指导“十四五”期间智能高铁的高质量发展极为必要。

3 智能高铁2.0的内涵与代际特征

3.1 智能高铁2.0的内涵

遵循智能高铁的科学定义，智能高铁2.0的具体内涵是：在智能高铁1.0基础上，面向系统综合效能最优开展顶层体系的正向设计，基于“模数驱动、轴面协同”理念，实现全专业协同和跨行业综合，推动数据分析能力走向预测性分析应用。

3.2 智能高铁2.0的代际特征

与智能高铁1.0相比，智能高铁2.0的主要代际特征体现在“体系正向设计、全专业协同、跨行业综合、预测性分析”4个方面，如表1所示。

表1 智能高铁2.0的代际特征

3.2.1 顶层设计走向正向设计

智能高铁1.0是依托京张高铁、京雄城际工程，取得了智能建造、智能装备、智能运营系列成果，同步优化形成了智能高铁体系架构1.0。智能高铁2.0则是在智能高铁1.0基础上，以综合效能最优为目标开展体系架构的正向设计，再指导成渝中线（重庆—成都）高铁、CR450科技创新等工程应用。

3.2.2 体系协同走向全专业协同

智能高铁1.0实现了智能建造、智能装备、智能运营3大领域内部的跨专业协同。智能高铁2.0将遵循“模数驱动、轴面协同”的理念，实现设计、建造、运营全生命周期不同时段的全专业全要素的协同。

3.2.3 应用范围走向跨行业综合

智能高铁1.0主要面向高铁建造、装备和运营等实现智能化应用。智能高铁2.0将贯彻国家综合立体交通网规划纲要的目标要求，初步实现与地质、环境、气象、供应链、以及与航空、水运、道路等其他交通方式的综合。

3.2.4 数据分析走向预测性应用

智能高铁1.0依托部署在主数据中心的数据服务平台，实现了多专业的数据汇集、治理，并开展了基于阈值的研判报警等方面的应用。智能高铁2.0将在全域数据汇集的基础上提升数据分析的能力，面向全生命周期全业务要素协同开展预测性关联性分析应用。

4 智能高铁体系架构2.0

智能高铁体系架构包括技术体系、数据体系和标准体系3个组成部分，在整体设计原则中兼顾了稳定性和未来的可扩展性。基于上述考虑，智能高铁体系架构2.0在架构层级设置上保持稳定不变，结合智能建造、智能装备、智能运营等领域技术升级需求带来的N项创新和基础平台进行了扩展和优化。

4.1 智能高铁技术体系框架2.0

智能高铁技术体系框架2.0是从技术层面，面向大系统全生命周期整体效能最优目标，遵循“模数驱动+轴面协同”管理理念，对智能建造、智能装备、智能运营、基础平台的核心要素、关联关系等进行整体设计。基于分类分层设计原则，自顶而下划分为3大板块、10大领域、18个方向、N项创新、1个平台。智能高铁技术体系框架2.0，如图2所示，其中，黄色填充的方框为智能高铁2.0的重点攻关任务相关内容。

图2 智能高铁技术体系框架2.0

4.1.1 智能建造板块

在智能建造板块，推进空天地一体的铁路工程智能勘察设计，深化少人化梁场/板（枕）厂、钻爆法隧道智能施工、路基智能填筑、轨道板/枕自动精调等技术，开展基于数字孪生的智能建造，实现工程建设进度动态管控、质量安全风险管控、施工组织优化、竣工交付及运维体系转化等功能。

4.1.2 智能装备板块

在智能装备板块，研发CR450智能动车组、高铁GoA3级自动驾驶技术、基于空天车地一体的高铁运营安全防护技术等。其中，CR450智能动车组基于400 km/h的高速动车组技术平台，实现时间敏感性以太网控制、动车组自适应智能运行、基于PHM的预测性维修、基于虚拟列车的动车组关键系统仿真等；高速列车自动驾驶方面，实现正线铁路的GoA3级自动驾驶，以及面向动车段/所的遥控驾驶、自动调车等；检测监测方面，实现基于空天车地多源信息感知、传输与分析的高铁运营安全防护。

4.1.3 智能运营板块

在智能运营板块，开展面向综合立体交通网和多种交通方式深度融合的MaaS+全行程智能服务，实现面向区域路网的智能综合调度和车地一体化联合运维。其中，MaaS+全行程智能服务实现全程畅行规划、车站数字化接驳引导、车上旅客智能交互、铁空公水联运、国际铁路票务等一体化出行服务；面向区域铁路网的智能综合调度实现面向区域铁路网运输组织全过程的各业务环节数据共享、高铁综合计划智能编制、高铁列车“一日一图”实现、高铁调度命令数字化编制、高铁列车运行计划自动调整等功能；车地一体化联合运维实现面向动车组和基础设施状态感知数据融合的故障智能识别及健康评估，以及车辆和工务协同作业为目标的主动维修决策支持。

4.1.4 基础平台方面

在基础平台方面，构建模型数据一体化的基础平台，开展模型和数据的汇集、治理和标准化等，提供具有统一存储结构、语义定义、信息传递的模数聚合服务，提供自主式数据分析和通专结合模型算法构建，支持实现模数一体的存储、传递和应用等。

4.2 智能高铁标准体系框架2.0

智能高铁标准体系框架2.0在标准体系框架1.0基础上，基于技术体系框架的更新而同步优化，如图3所示。其中，智能建造类目增加空天地一体的铁路工程智能勘察标准、数字孪生工程管理标准等，智能装备类目补充CR450智能动车组标准、GoA3级自动驾驶标准、空天车地的高铁运营安全防护标准等，智能运营类目升级MaaS+全行程智能服务标准、面向区域铁路网的智能综合调度标准等，基础平台类目增加模数一体化平台标准等。

图3 智能高铁标准体系框架2.0

4.3 智能高铁数据体系框架2.0

智能高铁数据体系框架2.0是面向轴面协同目标，按照“模型与数据融合驱动”的理念进行了升级优化，自底向上分为数据汇集层、存储分析层和智能应用层，如图4所示。其中，黄色方框是增加的表征模型和机理模型等构成的模型湖、融合数据服务平台、人工智能平台和数字孪生平台等构成的模数一体化平台。智能应用层实现全生命周期全专业的轴面协同应用，以及跨行业的分析应用。

图4 智能高铁数据体系框架2.0

5 智能高铁2.0的重点攻关任务及技术实施路径

5.1 智能高铁2.0的重点攻关任务

为实现智能高铁2.0的“正向设计、全专业协同、跨专业综合、预测性分析”等代际特征，综合应用场景需求和技术可行性分析，“十四五”期间智能高铁2.0在持续深化提升智能高铁1.0取得的创新应用成果基础上，还应面向高铁持续领跑要求，围绕智能建造、智能装备、智能运营等开展创新攻关，重点攻关任务，如表2所示。

表2 智能高铁2.0的重点攻关任务

5.2 技术实施路径

依据中国智能高铁1.0的创新实践经验，智能高铁2.0重点攻关任务将采取研究开发、试验验证、场景示范、整线示范的4阶段实施路径进行推进，如图5所示。

图5 智能高铁2.0重点攻关任务的实施路径

第1阶段，基于各创新主体，围绕10项重点攻关任务完成总体方案设计、系统功能研发测试等；

第2阶段，基于国家铁道试验中心环境，开展典型系统功能、性能的测试；

第3阶段，选取运营线路，在确保线路运行安全的前提下面向典型场景开展运营测试；

第4阶段，选取新建线路，开展成体系的技术验证和应用示范。

6 结束语

文章总结中国智能高铁在顶层架构设计、关键技术创新、基础平台建设、工程示范应用等方面取得的主要成就，分析“十四五”时期中国智能高铁面临的内/外部形势和要求，从技术体系、数据体系、标准体系等维度构建了智能高铁体系架构2.0，规划建造、装备、运营等领域智能化重点攻关任务及其实施路径。

预计到2025年末，中国智能高铁2.0将在智能建造、智能装备、智能运营方面取得领跑型技术突破。智能建造领域，走向空天地一体的工程智能勘察、桥隧路轨体系化智能施工和工程数字孪生，实现基础设施全生命周期正向传递和反向迭代优化；智能装备领域，CR450智能动车组更高速、更智能，高铁自动驾驶走向GoA3级，高铁运营安全防护走向多源信息感知、传输与融合分析，确保高铁更加安全可靠、更加经济高效；智能运营领域，实现面向综合交通深度融合的MaaS+全行程智能服务、面向区域路网的智能综合调度、动车组轮轨一体化智能维修等，实现高铁出行更加方便快捷、温馨舒适和节能环保。随着模数一体化平台的建设，智能高铁将全面实现全专业轴面协同，并初步实现跨行业综合。此外，中国铁路将积极推进智能高铁成套标准的国际化，实现“十四五”期间持续领跑世界高铁发展，不断为其他国家提供中国智能高铁方案。