都市圈智能城际铁路发展理念与总体架构设计

李学峰，潘明亮，王卫东，李 平，白 丽

0 引言

在促进新型城镇化高质量健康发展的背景下，都市圈逐渐成为区域协调发展、带动经济发展的新增长极。2019年2月，国家发展和改革委员会发布《关于培育发展现代化都市圈的指导意见》，要求统筹推进都市圈“四网融合”建设，构建创新性服务、高水平互联、一体化协同的都市圈交通基础设施。2021 年3 月，《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》发布，要求以城际铁路为骨干，围绕辐射带动能力较强的中心城市构建高水平1 小时通勤圈，培育联通贯通、一体化多层级的现代化都市圈。

都市圈城际铁路是都市圈内外要素流动、区域互联互通的重要载体，是“四网融合”中沟通干线铁路和城市轨道交通的重要组成部分。在轨道交通“四网融合”、数字中国政策引领下，城际铁路逐渐呈现出数字化、智能化、绿色化发展趋势，国家政策从顶层设计层面指明了方向。2019年9月，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》，以通勤化、公交化、联程化为关键词指导构建都市圈智能城际铁路[1]；2021 年3 月，中共中央、国务院印发《国家综合立体交通网规划纲要》，明确指出城际铁路要与城市轨道交通衔接协调，实现设施互联、票制互通、安检互认、信息共享、支付兼容[2]；2020年8 月，中国国家铁路集团有限公司出台《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，提出构建智能化的技术装备、运输服务、安全管理、节能环保等体系[3]；2020 年8 月，交通运输部印发《推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》，明确给出了融合高效的智能铁路发展方向和建设内容[4]。

国内外都市圈智能城际铁路建设和发展现状存在一定的借鉴和总结意义。国内方面，李平等[5]以综合立体交通网互联互通为研究角度，提出了智能城际铁路业务应用架构、技术架构、数据架构；蔡昌俊等[6]围绕广州城际铁路运营，提出了公交化运营思路下的城际铁路智慧运管系统架构；邹明辉、阎志远等[7-8]研究了智能票务理念下的轨道交通运营模式和系统架构，并探索其在京张高速铁路中的智能化应用；马珍、葛辉凯、解亚龙等[9-11]分别从城际铁路智能检测监测、绿色低碳、智能建造方面实现了京雄城际铁路的智能化探索。国外方面，东京都市圈单程通勤里程在20 km 以上人口数约占总劳动者人口的42%，围绕绿色节能、安全高效、智能运维构建放射状轨道快线数量占比达71%，极大地带动了都市圈经济发展[12]；巴黎都市圈以多线换乘枢纽为中心，采用不同制式轨道交通共站方案，建设“数字化法铁”目标下的放射状轨道快线数量占比达47%，着力提升服务水平。综上所述，建设都市圈智能城际铁路，既可以满足广大人民的美好出行需求，也可以达成通过技术创新抢占世界一流智能城际新高地的战略需要，更契合中国式现代化建设要求[13-15]。

在此，以都市圈智能城际铁路为研究对象，通过智能城际铁路总体设计与功能实现，以数字化、信息化、智能化手段探索都市圈智能城际铁路建设、运营、运维新模式。

1 智能城际铁路概述

智能城际铁路的内涵可从“智能”和“城际铁路”2个部分诠释。

长期以来，学界对于“智能”的定义进行了广泛而深入的探讨。《中国大百科全书》中认为，“智能”应具备感知能力、记忆和思维能力、学习能力和自适应能力、行为决策能力[13]。“智能”为城际铁路赋能。

智能城际铁路可以借鉴国内外智能交通系统的概念。美国智能交通系统定义为：由一系列以有线和无线为基础的信息、控制和电子技术构成。将这些技术集成到交通系统基础设施和车内，帮助监视和管理交通流、减少拥挤，为出行者提供可选路线、保障安全、节约时间和费用。中国智能交通系统的定义为：在较完善的交通基础设施之上，在先进的信息、通信、计算机、自动控制和系统集成等技术前提下，通过先进的交通信息采集与融合技术、交通对象交互以及智能化交通控制与管理等专有技术，加强运载工具、载体和用户之间的联系，提高交通系统运行效率，减少交通事故，降低环境污染，从而建立高效、便捷、安全、环保、舒适的综合交通运输体系。

综上所述，智能交通系统应具有信息的采集、存储、传输、处理、表达和基于信息的决策制定及决策执行能力，这种能力的高低也就决定了一个智能交通系统智能水平的高低。

综合既有研究，基于智能的特征和城际铁路的内外部需求，研究得出智能城际铁路的定义如下：智能城际铁路(Intelligent Inter-City Railway，I2CR)是全生命周期一体化管理模式下，广泛应用新一代信息技术，整合、提升形成新型能力赋能城际铁路内外部资源，整体实现移动设备、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的新一代城际铁路系统。

2 总体设计理念

都市圈智能城际铁路总体设计理念，是在都市圈建设、“四网融合”、综合交通一体化发展的引领下，以云脑为核心引擎，以数据为关键生产要素，以业务为智能化场景，以检测监测、安全控制、云边协同、人机交互、5G 通信、北斗、建筑信息模型(BIM)等数字技术赋能城际铁路内外部资源为前提，体现在主动智能、个性友好的全方位服务和共建共赢、动态平衡的生态圈共享目标之中。统筹、总结为数字化赋能-生态圈共建-全方位服务的都市圈智能城际铁路总体设计理念，包含筑牢安全为本、运营高效协同、优化成本控制、重塑旅客体验、构建环境友好5个方面内容。

（1）筑牢安全为本。以运营安全为根本，构建主动安全防控新模式，树立动态、综合的防护维度。通过多专业、立体化、全方位的智能检测监测和分析评估手段，涵盖全生命周期的设备设施运维管理、智能动车组健康管理、环境和灾难感知与预警、综合智能应急指挥调度等，形成智能城际铁路安全防护可控、标准规范成形的智能化设计理念。

（2）运营高效协同。以运营效率为关键，助力运输组织效率全面提升，树立在线协同、高效决策的效率提升维度。涵盖全生命周期业务领域，通过精准运输组织、智能综合调度、新型列控技术、智能综合运维等手段，实现智能城际铁路效率提升保障应用的全覆盖，形成智能城际铁路精准运输组织、高效协同运营的智能化设计理念。

（3）优化成本控制。以运营成本为目标，基于全生命周期的管理方法，树立资源整合、持续优化的成本控制维度。通过资源数据统计、节能诊断、能源绩效、节能控制策略等技术手段，涵盖持续优化的节能控制应用体系、绩效指标创新体系等管理体系，形成降本增效优化、持续节支降耗的智能化设计理念。

（4）重塑旅客体验。以旅客体验为中心，融合“互联网+”的新业态组织模式，树立以人为本、价值融合的旅客服务维度。涵盖智能城际铁路在票制互通、安检互信、无感通行、无缝换乘等体验的多方面智慧化，形成高水平旅客服务、一体化立体交通、智慧化价值延伸的智能化设计理念。

（5）构建环境友好。以环境友好为保障，统筹沿线生态管理效能，树立丰富业态、共建生态的环境治理维度。借助智能城际数字化优势向低碳环保持续赋能，研究车辆轻量化、振动监测、噪声管控、人-机-环境交互等技术应用，形成绿色低碳、智能共建、可持续共赢生态圈的智能化设计理念。

3 总体蓝图设计

都市圈智能城际铁路的总体蓝图设计，是在数字化赋能-生态圈共享-全方位服务的总体设计理念引领下，以云脑平台数字底座为核心引擎和设计主线、采用融合5G 的基础通信综合传输接入技术统筹提出的。都市圈智能城际铁路建设的总体蓝图为：以引领城际铁路发展为目标，以新技术、新材料、新工艺为支撑，以智能化全面应用为标杆，以智慧服务为中心，实现覆盖城际铁路建设、运营和维护全业务流程、全价值链条、全生态体系的智能化，在旅客服务品质、运输组织效率、安全保证能力、精益管理效益4个方面实现全面提升。

（1）旅客服务品质全面提升。统筹开展智能城际动车组设计，研究适应一票通行和便捷化换乘、无感进出站和个性化车站服务、5G+LBS(位置服务)站车富媒体等全方位智能客运和票务清分需求的一体化方案，打造具备世界领先水平的智能城际动车组和旅客服务体系。

（2）运输组织效率全面提升。提出面向“四网融合”和互联互通的新型城际铁路列控系统方案，构建城际铁路网协同运行的智能综合调度系统，满足列车安全运行控制、自动驾驶和快速折返等运营需求，实现基于实时客流预测的精准运输组织。

（3）安全保障能力全面提升。研究构建多专业、立体化、全方位的智能检测监测和分析评估总体方案，实现智能城际动车组全生命周期健康管理，满足高水平城际运营安全保障体系需求。

（4）精益管理效益全面提升。统筹设计基础设施工电供综合一体化智能运维、动车组智能运维等精细化运维方案，基于BIM技术和信息化技术支撑工程建设全过程管理，逐步构建“状态修+预测修”运维体系，具备故障预警及紧急报警功能，实现智能城际铁路基础设施和城际动车组智能运维，打造云脑平台支撑、都市圈主导运营的城际铁路网高效运行和智能决策。

智能城际铁路总体蓝图如图1所示。

图1 智能城际铁路总体蓝图Fig.1 Blueprint for intelligent intercity railway

4 总体框架设计

都市圈智能城际铁路总体框架设计，在数字化赋能-生态圈共享-全方位服务的总体设计理念和总体蓝图设计引领下，参考国内外智能轨道交通系统建设成功经验教训，充分考虑都市圈城际铁路间的互联互通、城际铁路与城市轨道交通的融合及运营管理与维护的方便性和经济性，将“以人为本”的理念落到都市圈智能城际铁路系统制式选型，以及建设、运营、运维全过程。采用分类分层设计的原则，围绕1 个“云脑”平台基础底座支撑的数字核心，按照城际铁路专业划分设计形成6 个业务分类大板块，根据研究领域划分形成18 个细分业务领域，在每个业务领域下设计梳理X个智能化应用项点，通过融合5G 的基础通信架构，综合实现全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策的都市圈智能城际铁路，可概括为“1-6-18-X”。智能城际铁路总体框架如图2所示。

图2 智能城际铁路总体框架Fig.2 Overall framework for intelligent intercity railway

（1）“1”是一个平台，即为都市圈智能城际铁路提供支撑和服务的云脑平台，提供基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)等。以云引擎为核心驱动大数据中心，构建融合5G 的基础通信实现长期演进(LTE)专网、5G 公网、关键任务服务(MCX)、车载宽带综合传输平台和地面统一接入平台等智能应用，重点围绕主数据服务、BIM数据服务、北斗数据服务、大数据分析服务、人工智能服务、决策支持服务进行业务能力输出，配套相关统建基础信息服务组件和专业性共性信息服务组件，统一形成基础支撑能力。

（2）“6”是六大板块，即指智能施工、智能调度与列控、智能列车、智能客运、智能检测监测、智能运维。

（3）“18”是在六大板块框架下的十八大业务领域。

①智能施工板块下的关键环节智能施工领域。

②智能列控与调度板块下的智能调度、智能列控、5G通信、有线通信领域。

③智能列车板块下的整车设计、振动噪声管控、列车智能监控、列车智能服务领域。

④智能客运板块下的智能城际票务、智能城际客站、智能运输组织领域。

⑤智能检测监测板块下的基础设施检测监测、移动设备检测监测、灾害监测、环境监测领域。

⑥智能运维板块下的工电供综合智能运维、动车组智能运维领域。

（4）“X”指在六大板块框架下，研发的相关业务领域智能化应用系统。

①智能施工板块下的关键环节智能施工领域中，包含岩溶检测监测及处理系统、地基处理桩基施工质量监测系统等，此外还包含大体积混凝土、高稳定自密实混凝土等制备与施工相关监测。

②智能列控与调度板块下，智能调度领域包含综合智能调度管理、应急指挥及调度集中系统等；智能列控包含中国列车运行控制系统(CTCS)与基于通信的列车控制系统(CBTC)融合技术的城际铁路列控系统、C3+ATO 列控系统、C2+ATO 列控系统、动车段/所全自动运行调度与控制系统等；5G通信领域包含5G专网通信、调度通信、5G公网等系统；有线通信领域包含传输网、数据网、网络安全、IP规划等系统。

③智能列车板块下，整车设计领域包含列车网络控制、车辆电气控制、牵引、制动及供风、车内环境健康管理、车内压力智能调节、车载紧急救援、智能列控车载等系统，此外还包含采用阻尼式低噪音车轮转向架相关监测；振动噪声管控领域包含振动噪声监控与分析系统，此外还包含减震方案设计、轮轨噪音方案设计、一般及减振地段无砟轨道统型设计相关监测；列车智能监控领域包含车载安全监控、车载健康管理、列车综合无线通信、车载信息无线传输等系统；列车智能服务领域包含基于5G列车智能综合服务、车窗信息智能发布等系统。

④智能客运板块下，智能城际票务领域包含票务和清分系统；智能城际客站领域包含站台安全防护和服务与生产管控平台；智能运输组织领域包含基于机器视觉的客流监测与管理、基于实时客流监测的运行图智能编制、城际快运物流等系统。

⑤智能检测监测板块下，基础设施检测监测领域包含综合检测车/巡检车、工务设施综合检测监测、供变电设施及接触网检测监测、站房钢结构健康监测、道岔涡流探伤监测、钢轨自动焊缝探伤监测、钢轨腐蚀防护及实时监测、车载式轮轨与弓网检测等系统；移动设备检测监测领域包含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；灾害监测领域包含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；环境监测领域包含周界入侵报警、机房电源及环境集中监控、振动监测控制、智能一体化视频等系统。

⑥智能运维板块下，工电供综合智能运维领域包含综合维修生产管理信息系统、基础设施故障诊断与健康管理系统、基础设施智能预测运维平台、房建运维管理系统等；动车组智能运维领域包含智能动车段/所相关系统、动车组故障预测与健康管理系统等。

5 智能功能实现

基于都市圈智能城际铁路“1-6-18-X”架构，遵循数字化赋能-生态圈共建-全方位服务的设计理念，围绕旅客服务品质、运输组织效率、安全保证能力、精益管理效益全面提升的总体蓝图，在云计算、大数据、5G、区块链、BIM、数字孪生等新一代信息技术和核心业务需求双向驱动下进一步深化智能化技术应用，通过智能城际铁路制式选型和专项方案研究，对外形成互联互通、公交化出行、全方位防护、预测修运维、可持续发展等智能化功能输出点。

（1）互联互通。在数据信息互联互通方面，主要通过多制式跨网交易清分、综合智能调度架构，打通数据壁垒，实现票制互通、安检互信、服务一体等；在运输组织互联互通方面，主要实现跨线过轨运输组织、多制式轨道交通网络协同运营调度与应急指挥等；在设备制式互联互通方面，通过融合CTCS与CBTC的智能列控系统、标准化与简统化的动车组制式、基于5G的调度通信等，实现互联互通。

（2）公交化出行。在智能列控与智能列车方面，结合移动闭塞、自动折返、全自动驾驶等满足快速启停、快速乘降、客流密度大、行车间隔短的公交化出行特点；在智能调度方面，提升数据汇集响应速度、整合精简调度机构及岗位层级，适应公交化运营特点；在智能运输组织方面，通过智能运行图编制技术，结合灵活编组、长短交路开行、快慢车开行、互联互通跨线列车开行等运营模式实现公交化出行；在智能票务方面，综合利用云计算、互联网+、AI基础计算等技术，实现互联网应用、车站票务卡务等多元化票制及支付手段，适应公交化出行需求；在智能旅客服务方面，实现无感进出站、快速安检、站内导航、PIS显示等功能，适应公交化出行需求。

（3）全方位防护。通过构建空天地一体化的智能检测监测体系，综合利用物联网、云计算、5G通信、巡检机器人、无线传感等技术实现无人(少人)化值守赋能。通过综合检测车、工电供、站房、道岔、钢轨、弓网、动车组检测设备，实现基础设施、移动设备等关键部位的事故预测预警、故障诊断及处置等功能；通过极端自然灾害预报预警、重大突发事件预报预警，实现自然灾害及异物侵限、地震、泥石流及滑坡实时监测、预报预警功能，重大突发事件的智能视频分析、周界入侵报警、火灾自动预报警、水位检测与警示、应急联动预报预警等功能；通过岩溶、地基处理桩基施工等基于物联网的监测平台，实现岩溶稳定性评估预测、桩基隐蔽工程质量管控等功能。

（4）预测修运维。构建智能城际铁路综合智能运维平台，通过设备数据实时回传、AI 智能、数字孪生、BIM技术，构建基于路桥轨隧、工电供设备、动车组的全生命周期状态诊断与健康管理，掌握设备全生命周期劣化机理和演变规律。向“预测修”“状态修”的设备设施智能化运维转变，实现工电供综合设备设施的综合维修生产管理、工电供故障预测与健康管理、工电供智能决策运维、房建运维管理、动车组全生命周期运维管理、智能优化排程、生产物流协同、运行故障应急处置等功能。

（5）可持续发展。研究绿色节能客站、动车组节能策略、车辆节能降耗运行等，通过资源数据统计管理、设备管理、节能诊断、能源绩效等手段实现持续优化的节能控制应用体系；采用车辆轻量化设计，运用振动噪声监控及分析技术，结合标准化轨道结构、标准化车轮及摩擦调节技术方案，实现振动噪声实时监控、减震降噪方案设计等功能；研究大体积混凝土、高稳定自密实混凝土制备及施工，构建混凝土智能温控系统，实现高抗裂、易保温、易养护、高稳定、低损耗、低造价的成套施工及管控体系。

6 结束语

在交通强国、轨道交通“四网融合”、数字中国大力发展背景下，落实国家政策对都市圈智能城际铁路的建设发展要求，研究提出智能城际铁路的内涵，从总体设计理念、总体蓝图设计、总体框架设计和智能功能实现等方面，构建了覆盖都市圈智能城际铁路建设、运营和维护全业务流程、全价值链条、全生态体系的解决方案。以都市圈智能城际铁路云脑平台基础底座为主线，以融合5G 的基础通信架构为特征，提出了“数字化赋能-生态圈共建-全方位服务”的设计理念和4 个“全面提升”的总体蓝图，构建了“1-6-18-X”的总体框架，描述了5 个方面的智能功能实现。在都市圈智能城际铁路生态互联的跨制式、跨层级、跨区域互联互通智慧解决方案方面实现技术创新发展和示范效益作用，可为我国都市圈智能城际铁路建设和运营提供支撑。未来，随着新技术标杆在智能城际铁路的进一步深化探索和应用，重点在区域联程精准服务、多层级综合调度指挥、“云脑”底座与互操作、全息互联自主列控、协同体系示范验证等关键技术方面实现突破，为都市圈大客流、多层级的复杂轨道交通协同发展提供技术指导。