面向综合立体交通网的智能城际铁路总体架构研究

李平，史天运，马小宁，杨东盛，张晓栋

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.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）

0 引言

2019年9月，中共中央、国务院印发的《交通强国建设纲要》指出“推进干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通的融合发展”。2021年2月，中共中央、国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》指出“推动干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路融合建设，并做好与城市轨道交通衔接协调，构建运营管理和服务‘一张网’，实现设施互联、票制互通、安检互认、信息共享、支付兼容”。2021年3月，《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》指出“推进城市群都市圈交通一体化，加强城际铁路、市域（郊）铁路发展”“推动市内市外交通有效衔接和轨道交通‘四网融合’，提高都市圈基础设施连接性贯通性”。在此背景下，城际铁路作为城市对外联系的重要通道，对于城市群间的交通互联互通和都市圈交通一体化发展具有重要意义。

城际铁路作为连接干线铁路和城市轨道交通的重要通道，与上下游轨道交通做好衔接极为必要。近年来，随着云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等新技术的发展，全球轨道交通进入智能化发展新阶段［1］，我国智能高速铁路、智慧地铁等取得快速发展。中国国家铁路集团有限公司于2020年9月印发“技术-数据-标准”三位一体的《智能高速铁路体系架构1.0》，提出涵盖智能建造、智能装备、智能运营以及基础平台四大组成部分的智能高铁建设与运营的顶层设计（见图1）［2］，并依托京张高铁、京雄城际铁路等开展智能高铁的应用示范，形成以BIM建造技术、智能动车组、列车自动驾驶、电子客票、智能客站、智能运维等为代表的关键技术创新，建成世界上首条智能铁路——京张高铁。2020年3月，中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通智慧城轨建设纲要》［3］，提出智慧城轨建设“1-8-1-1”蓝图设计（见图2），即“铺画一张智慧城轨发展蓝图；创建智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全、智慧网络管理等八大体系；建立一个城轨云与大数据平台；制定一套中国智慧城轨技术标准体系”。

图1 智能高铁体系架构

图2 智慧城轨建设“1-8-1-1”蓝图

根据国外典型城市群轨道交通发展经验，日本东京湾区80%～90%通勤客运依赖轨道交通，并实现整个湾区交通一体化［4］；美国旧金山湾区形成的“环湾+放射状”轨道网结构，极大地带动了区域协同化发展［5］。因此，通过信息新技术驱动轨道交通智能化，有利于达到更高品质的个性化出行服务、更好的安全保障能力、更优的交通运输效率、更少的环境污染，成为城际轨道交通发展的必然趋势，开展智能化总体设计对于推动轨道交通四网高质量融合具有极其重要的意义［6-10］。

1 智能城际铁路概述

1.1 定义

智能城际铁路（Intelligent Inter-City Railway，I2CR）广泛应用5G、云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、BIM等新一代信息技术，综合高效利用城际铁路内外部资源，面向全生命周期一体化管理，实现移动设备、固定设施、外部环境及其他交通方式间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策。

1.2 内涵与目标

智能城际铁路的内涵可简称为“三全四化”，即以AI、BIM、云计算、大数据、5G、区块链、数字孪生等新技术在城际铁路的全面深度应用为标志，通过覆盖规划、设计、建设、运营、维护的“全业务流程、全价值链条、全生态体系”的智能化，实现“乘客出行安全便捷化、运营管理高效无人化、设备设施数字智能化、全方位绿色人性化”（见图3）。

图3 智能城际铁路的内涵

智能城际铁路是信息化、智能化技术与城际铁路各领域深度融合的新一代城际铁路系统，在城际铁路的传统特征基础上，信息化、智能化技术又赋予其新的功能与特征，使其能够对铁路各系统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；通过对大量数据的挖掘、分析、推理，提出科学合理的决策支持。智能城际铁路具有“以人为本、运行安全、降本增效、节能环保、技术创新”等特征，可实现“更加安全可靠、更加温馨舒适、更加节能环保、更加经济高效、更加方便快捷”的发展目标（见图4）。

图4 智能城际铁路的目标

1.3 需求分析

智能城际铁路的需求主要包括以下5个方面：

（1）绿色环保、节能高效。对于城际铁路的建设，除了考虑智能技术装备的提升，还面临智慧能源管理、资源共享共建、生态产业链打造等问题，需要加强整个综合交通运输体系的效率提升、安全运转、节支降耗要求。

（2）智能驱动、业务创新。城际铁路在建设、运营、维护、管理、服务等多个范畴，均面临智能化技术装备、智能化系统、智慧化服务场景的创新应用，运营的智能监测、决策管理、分析挖掘，客运全过程服务，内外部单位共享互通，以及全过程、全生命周期数据管理互联等问题。

（3）云数引领、数据赋能。在多网综合交通、多线建设运营中，需要解决资源灵活分配、统筹管理、传统架构陈旧、安全管控薄弱、运维体系庞大等问题，同时需要思考多网、多线、多专业、多场景的数据如何在业务流转、业务重构、业务塑造中进行价值提升，借助云平台服务能力和唾手可得的数据资源，推动全链条城际铁路运营各环节的改进提升。

（4）区域融合、生态互联。在规划设计中，应统筹考虑都市圈轨道交通网络布局，除了在线路走向、技术装备、基础设施建设、站城一体化等方面进行多网共享，还面临区域性运营管理模式、运输服务方式、运输组织管理、综合交通衔接、信息互联互通等问题。同时，应兼顾新型都市圈、大型枢纽中心等生态体系的构建和共享价值的再生，实现综合性一体化的生态互联。

（5）乘客出行、个性服务。新一代信息技术发展促进了乘客服务体系的提升，通过智慧屏、智能感知、智慧数据、多媒体生态等应用，共同打造更加舒适、健康、便捷的交通出行方式。在城际铁路建设中，应满足以乘客为中心的智慧化、个性化服务需求。

2 总体架构设计

基于复杂系统理论和企业架构构建方法，以需求为驱动，从业务应用、数据、技术3个维度进行智能城际铁路的总体架构设计。

2.1 业务应用架构

智能城际铁路的业务应用架构是基于分类分层设计思想，按照“颗粒度一致、高内聚、低耦合、可灵活扩充”等设计原则，自上而下划分为平台、板块、领域、应用4个层面，包括1个云脑平台、6个智能板块、16个创新领域、N个应用系统（1-6-16-N）。智能城际铁路业务应用架构见图5。

图5 智能城际铁路业务应用架构

（1）1个云脑平台：为智能城际铁路提供支撑和服务。

（2）6个智能板块：包括智能建造、智能列车、智能调度与列控、智能检测监测、智能运维、智能服务等。

（3）16个创新领域：包括基础设施智能施工、BIM工程管理、整车设计、智能监控、智能服务、智能调度、智能列控、固定设施监测、移动设备监测、灾害监测、环境监测、固定设施智能运维、动车组智能运维、智能票务、智能客站、智能运输组织等。

（4）N个应用系统：

①基础设施智能施工：包括桥梁智能施工、隧道智能施工、路基智能施工、轨道智能施工等系统。

②BIM工程管理：包括BIM+GIS工程管理、监理多端协同作业、数字化设计竣工交付等平台。

③整车设计：包括城际动车组整车与品牌设计、列车网络控制、车辆电气控制、牵引等系统。

④智能监控：城际动车组车载安全监控、城际动车组车载信息无线传输、城际列车综合无线通信、城际动车组车载健康管理等系统。

⑤智能服务：基于5G列车智能综合服务、车窗信息智能发布等系统。

⑥智能调度：智能综合调度管理、智能调度应急指挥、智能调度集中等系统。

⑦智能列控：CTCS&CBTC融合技术的城际铁路列控、C3+ATO列控、C2+ATO列控、动车段/所全自动运行调度与控制等系统。

⑧固定设施监测：基础设施综合检测车/巡检车、工务设施综合检测监测、供变电设施及接触网监测、站房钢结构健康监测等系统。

⑨移动设备监测：动车组地对车运行安全监控、动车组运行安全管理分析等系统。

⑩灾害监测：自然灾害及异物侵限监测、地震监测预警、滑坡及泥石流监测等系统。

⑪环境监测：周界入侵报警、机房电源及环境集中监控、振动监测控制、智能一体化视频监测等系统。

⑫固定设施智能运维：综合维修生产管理信息、基础设施故障诊断与健康管理、基础设施智能预测运维等系统。

⑬动车组智能运维：智能动车段/所、动车组故障预测与健康管理等系统。

⑭智能票务：智能城际票务、智能城际清分等系统。

⑮智能客站：城际站台安全防护、（智能客站）服务与生产管控平台等系统。

⑯智能运输组织：基于机器视觉的客流预测与管理、基于实时客流预测的运行图智能编制、城际快运等应用系统。

2.2 数据架构

智能城际铁路的数据架构自下而上可分为数据汇集层、存储分析层、创新应用层（见图6）：

图6 智能城际铁路数据架构

（1）数据汇集层。用于汇集来自智能建造、智能检测监测、智能列车、智能调度与列控、智能运维、智能服务等6个智能板块的数据，以及其他交通方式、气象、互联网、公共服务等外部相关数据，实现全业务、全类型的智能城际铁路数据汇集。

（2）存储分析层。基于智能城际铁路云脑平台，对数据进行标准化、规范化处理，按不同主题建立全生命周期数据组织与存储结构，形成一套多专业融合、跨业务、跨部门共享的规范数据资源。

（3）创新应用层。采用“平台+应用”模式，在云数据中心基础上，提供物联网服务、主数据服务、BIM+GIS服务、大数据分析服务、人工智能服务、决策支持服务等大数据典型应用，支撑各专业智能化的实现。

2.3 技术架构

遵循业界领先的“平台+应用”技术架构设计理念，搭建智能城际铁路技术架构，通过基于统一的云脑平台，为智能列车、智能调度、智能列控、智能检测监测、智能运维、智能客站、智能票务清分等赋能（见图7）。在智能城际铁路的技术架构中，云脑平台是中枢大脑，为各板块的智能化应用提供统一的IaaS、PaaS等服务；并基于数据驱动理念，为管理部门提供智能决策分析。

图7 智能城际铁路技术架构

云脑平台由基础网络、云数据中心、数据湖、支撑服务4个部分组成：

（1）基础网络。为整个信息基础设施提供底层的网络承载，包括各种专网、实时控制网络以及基于5G的专用物联网。

（2）云数据中心。基于先进的软件定义、云计算等技术，将计算、存储、安全等物理资源虚拟化为资源池，实现资源的按需供给、动态调配，并通过IaaS、PaaS、SaaS形式对外提供服务。

（3）数据湖。基于数据温度、分级分域等技术，构建分区、分域、分级管理的，且适应四网融合要求的数据资源中心，实现跨专业、跨行业数据共享，为上层智能化应用提供数据支撑。

（4）支撑服务。云脑平台提供的大数据计算、智能分析、决策支持等核心能力，包括物联网服务、主数据服务、地理信息服务、大数据服务、人工智能服务、决策支持服务等。

各专业系统数据都应按要求汇集至智能城际铁路云脑平台，经规范化、标准化处理，形成智能城际铁路数据湖；另外，各系统间的数据交换共享都基于云脑平台开展，各系统基于标准接口统一从云脑平台获取所需数据。智能城际铁路数据接口示意见图8。

图8 智能城际铁路数据接口示意图

3 结束语

从综合立体交通网中城际铁路的智能化发展需求出发，提出智能城际铁路的定义、内涵及目标蓝图，基于对城际轨道交通智能化需求的分析，提出可概括为“1-6-16-X”的智能城际铁路业务应用架构，设计涵盖数据采集、存储、应用等全流程的数据架构，建立基于“平台+应用”模式的技术架构。

未来，随着云计算、大数据、人工智能、5G等新一代信息技术的创新突破和融合发展，依托云脑平台数字底座，逐步实现需求辨识驱动的列车运行计划编制、多网融合的智能列控、联程化票务与清分、综合调度列控一体化等，促进轨道交通四网的高质量融合，为构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系提供有力支撑。