信息技术和智能化技术已经成为当今社会经济发展的重要驱动力，智能化水平已经成为衡量国家整体实力的一项关键指标，对社会经济发展产生着重大影响。

在“交通强国，铁路先行”战略方针的指引下，中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）正着力建设国内智能铁路^[1]，以构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系。

智能铁路广泛应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能、北斗导航、BIM等新技术，通过对铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境信息的全面感知、泛在互联和融合处理，高效利用铁路所有移动装备、固定设施、人力资源，实现铁路建设与运营全过程的高度信息化、自动化、智能化，打造更加安全可靠、经济高效、温馨舒适、方便快捷、节能环保的新一代铁路运输系统^[2]。

当前，境外铁路项目已经成为实施中国铁路产业“走出去”战略和服务国家“一带一路”行动计划的重要途径。如何将智能铁路的概念推广到境外铁路项目、提高境外铁路建设水平是中国铁路当前亟需深入研究的一个现实问题。为此，根据相关国家境外铁路运营特点，结合智能铁路的发展趋势，研究适用于境外铁路项目的智能化系统方案。

1   国内铁路智能化现状

目前，国内铁路智能化主要在京张高速铁路（北京—张家口）、京沈客运专线（北京—沈阳）和京雄城际铁路（北京—雄安）等项目中试点实施。

1.1   京张高速铁路

作为我国首条智能化高速铁路，京张高速铁路首次采用北斗卫星导航系统，实现到点自动开车、区间自动运行、到站自动停车。此外，该铁路还采用了一证通行、刷脸进站等人性化、智能化的旅客服务新技术。

1.2   京沈客运专线

国铁集团在京沈客运专线的沈阳西—朝阳区段组织开展自主化智能铁路综合试验，涉及CTCS3+ATO列控系统、智能牵引供电系统、新型简统化接触网、智能CTC系统、BIM技术、北斗技术等28项科学试验，对高速铁路智能关键技术进行验证，以提升高速铁路技术装备的自主化水平，掌握高速铁路装备关键核心技术，进一步完善和优化高速铁路技术标准规范。

1.3   京雄城际铁路

京雄城际铁路是国铁集团为服务国家级新区而建设的“智能铁路、精品工程”，以打造首条全生命周期数字孪生铁路为目标，以元数据、BIM数据为核心，以BIM+GIS技术为基础数据载体，实现铁路设计施工方案的数据化和建设全过程的信息化管理，开创了铁路智能建造的新模式。

2   境外铁路项目的特点

（1）建造过程可视化展示需求较为强烈

与国内铁路项目相比，境外铁路项目所在国家普遍缺乏大规模铁路建设的经验，当地铁路项目的管理机构对铁路建设缺乏较为全面和深入的理解，因而对铁路建造过程的可视化展示抱有浓厚兴趣。铁路建造全过程的可视化展示将帮助当地铁路项目建设管理机构把握和管理项目的进展情况，有益于双方建立互信和保持良好的沟通。

（2）铁路运营安全保障技术水平相对滞后

除了日本、德国、瑞士等少数铁路技术发达国家以外，国外铁路电气化、信息化发展水平相对滞后，大多数境外铁路的安全监测主要依赖人工检查，较少应用自动化检测监测手段。因此，境外铁路运营相关方大多对铁路自动化检测监测技术的应用有着浓厚的兴趣。

（3）适于实施运维管理一体化

国铁集团当前所承接的大部分境外铁路项目是新建铁路，且多为所在国家的第一条铁路项目（尤其是高速铁路项目），或是独立运营的铁路项目。相对于国内铁路，境外铁路项目的运维管理不受垂直化专业分工的传统限制，更适于实施多专业运营维护一体化^[3]。

3   境外铁路项目智能化方案

结合国内铁路智能化建设经验和境外铁路项目特点，针对境外铁路在建造、安全监测和运维管理3个方面的要求，构建依托数据中心、涵盖建造智能化、装备智能化、运维智能化的境外铁路项目智能化方案^[4-5]，涉及数字化协同设计、数字化施工、铁路建设信息管理、通信信号、检测监测、养护维修、运输组织、智能管理、客运服务等主要内容，如图1所示。

图  1  境外铁路智能化方案构成

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3.1   建造智能化

建造智能化着眼于境外铁路项目从设计到施工交付的全过程的可视化、智能化管理与建造，涵盖数字化协同设计、数字化施工和铁路建设信息管理3个方面^[6]，主要包括11项智能化应用和服务，如图2所示。

图  2  境外铁路项目建造智能化

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3.1.1   数字化协同设计

基于统一数字化平台，通过铁路工程BIM协同设计，在严格遵循工程设计流程的基础上，提高设计图纸和文件质量，减少工程设计差错，为建设阶段的数字化施工和信息化管理以及运营阶段的智能化运维提供标准化基础数据。

3.1.2   数字化施工

基于高带宽的移动数据传输手段，并利用BIM和GIS等技术，实现基于现场及设备的3D模型可视化施工方案设计、施工管理和施工问题回溯，利用诸如桥梁预制和桩基施工信息管理、梁场全过程质量管控等自动化技术，实现铁路施工过程可视化和数字化。

3.1.3   铁路建设信息管理

基于航测遥感技术、3D建模技术、虚拟现实技术、3D GIS数据集成等技术，实现工程进度、投资、质量、安全等信息融合，在3D GIS平台中实现技术交底、虚拟施工、施工进度等管理与展示，提高铁路工程建设管理的信息化水平。

3.2   铁路装备智能化

依托大数据分析、北斗定位等技术，利用各类能智能化和信息化监测检测设备来保证铁路沿线的运营安全^[7]，主要包括基础设施动态检测监测、列车运行控制、智能牵引供电、智能通信监测、能源管理、综合检测与监测6类铁路装备，涉及19项智能化措施和服务，如图3所示。

图  3  铁路装备智能化

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3.2.1   列车运行控制系统

根据列车的运行条件和线路实际情况，对列车运行速度和制动方式等进行监督、控制和调整，实现列车自动防护功能，包括防止列车没有行车许可运行，防止列车超速运行，防止列车溜逸，以及防滑、防空转功能。

3.2.2   智能牵引供电系统

通过接触网简化、接触网6C系统和智能变电所等手段，采用一体化构型、力学监测、非接触式探测、新型通信和信息化采样等技术，实现接触网结构主体设计和施工流程的简化、接触网张力、振动等关键参数的实时监控，以及牵引系统所亭的智能化监测和信息的实时共享。

3.2.3   智能通信监测系统

主要包含铁塔监测、漏缆监测、光缆监测、电源环境监控、视频监控和综合网络管理等，通过设备在线监测、在线故障定位及5G传输等技术，实现各种检测数据的快速收集、反馈及响应，提升对铁路沿线通信设备的智能化监测。

3.2.4   基础设施动态监测设备

基于多类型传感器探测技术，通过测量机器人、北斗系统、高精度位移计等手段对轨道、轮轨力、接触网、通信、信号等基础设施进行动态检测，能够实时检测、精确定位，提高铁路基础设施检测效率，指导现场养护维修，确保列车运营安全。

3.2.5   能源管理

利用智能电力抄表及能耗监控等手段，实现对水、电、热、气等能耗状况的实时监测、数据长期保存及趋势分析，通过大数据运算分析，提供异常能耗报告和改进建议；可对机电设备自动节能控制的动作条件建模分析，使其实现智能控制；提供能耗汇总和趋势分析报告，支持节能管理部门改进管理。

3.2.6   综合检测与监测

基于航空、无人机等多源数据获取和数据处理技术，通过卫星、无人机、现场气象监测设备、地震监测设备、异物及周界监测设备等多种监测方式，实现建筑物结构、沿线环境和各类自然灾害的实时监测与检测，确保铁路运营安全。

3.3   运维智能化

依托北斗定位、5G传输、大数据分析等技术，对多专业运维工作进行统一管理，实现各铁路项目的集成化运维，主要包括智能运营调度、设备设施运维一体化、智能车站、智能票务，如图4所示。

图  4  运维智能化

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3.3.1   智能运营调度

设置CTC、供电调度（PSCADA）和运输调度管理系统（TDMS）等^[8]，具备计划编制、运行管理、车辆管理、供电管理、客运调度等功能，实现调度统一指挥，实现运力资源的高效利用。

3.3.2   设备设施运维一体化

设置维修管理信息系统，集中存储铁路设备设施运维相关信息，实现运维信息共享，对铁路设备设施及其检查、维修作业进行一体化管理^[9-10]，为经济、有效的设备设施养护维修提供技术支撑，保障铁路安全、稳定、高效运行。

3.3.3   智能车站

设置旅客服务、客运管理、客设管理、应急指挥等应用系统，采用二级应用部署架构；中心级部署中心级智能车站中心大脑，提供全路车站运营信息查询、状态展示及辅助决策等功能，并从多维度形成分析报告，支撑车站的智能化应用；供所辖车站的运营信息查询、状态展示及辅助决策等功能。

在车站配置必要的接口和边缘计算服务器，提供作业—人员—设备一体化协同的客运管理、调度指挥、生产作业、设备运维功能，对旅客服务设备提供后台数据和服务支撑。

3.3.4   智能票务

智能票务系统可通过互联网、电子支付及非接触式身份识别等手段，铁路旅客提供智能化、电子化、网络化的购票、检票。

智能票务系统一般采用中心级和车站级二级架构。中心级部署核心业务中央系统和前端业务系统，主要完成业务组织与维护、席位统筹管理、统计分析、系统监控等功能，完成各种业务功能的后台处理；车站仅设置业务终端，完成售票、退票、补票、检票等相关业务的办理及财务结账等功能。

4   系统架构

4.1   总体架构

综合考虑境外铁路项目对建设过程可视化管理、铁路运营安全检测监测和集成化运维的需求，按照分层设计的思想，提出如图5所示的适用于境外铁路的智能化系统总体架构，包括感知层、基础平台层、数据资源层和应用层。

图  5  境外铁路项目智能化系统架构

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（1）感知层：主要为建造智能化、装备智能化、运营智能化的整体过程提供各类数据探测服务；通过各类传感设备采集地震监测数据、风雨及异物侵限监测数据、基础设施综合检测数据、电务设备监测数据等，将这些数据传输给数据中心的数据服务平台。

（2）基础平台层：包括基础设施云平台、数据服务平台和AI平台，统一为各业务系统提供大数据、地理信息、主数据、AI算法及基础设施云服务等，为建造智能化、装备智能化、运营智能化提供数据及管理平台服务。

（3）数据资源层：面向工程建造、移动装备、基础设施运维、运营服务等业务领域，构建结构化数据集和非结构化数据集，为建造智能化、装备智能化、运营智能化提供各类数据的汇总、清洗及分析服务。

（4）应用层：为各类建造、管理、运维人员提供建造智能化、装备智能化、运营智能化的实际应用，主要包括BIM设计交付、动车组管理信息系统、综合检测监测系统、智能票务系统、智能车站系统、运输调度系统、工电供运维一体化系统等应用。

4.2   数据架构

境外铁路智能化系统的数据架构主要包括工程建设数据、移动装备数据和运输生产数据3个方面，采用各种数据分析方法，为建造智能化、装备智能化、运营智能化提供数据支持。

为充分发挥大数据、云平台和人工智能等技术的优势，建设系统数据中心，集中存储数据；按照数据标准和数据模型，对上传至数据中心的各类数据进行清洗和融合。数据中心对结构化和非结构化分类存储，利用数据仓库软件对不同类型数据进行管理。

大数据云平台将利用深度学习和数据挖掘等技术手段，通过数据分析，获取旅客行为、维修养护、工程建造等方面的潜在问题，为铁路运营管理人员提供有针对性的定制化服务，如图6所示。

图  6  境外铁路项目智能化系统数据架构

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4.3   数据中心设计框架

数据中心为各业务系统的统一部署提供共用资源，将传统架构下中心级、车站级资源云化，使系统层级扁平化，简化数据业务处理流程，实现资源有效利用，支持系统运维集中化管理。

利用服务器虚拟化、存储虚拟化和云计算管理等技术，构建易于管理、动态高效、灵活扩展、稳定可靠、按需使用的云计算模式的数据中心，满足资源虚拟化、弹性计算、高等级安全、跨地理位置分布、数据一致性等要求，为各业务系统智能联动、大数据分析等应用提供基础平台支撑。

数据中心在基于云计算平台架构开展设计，分为IaaS层、PaaS层和SaaS层：

（1）IaaS层提供基础资源保障，包括计算资源、存储资源与网络资源，提供虚拟化管理平台，对虚拟化资源池集中化统一管理；

（2）PaaS层实现资源动态调配、微服务开发框架，部署关系型数据库、中间件，融合大数据平台、AI服务平台、时空信息服务平台等，为云平台体系架构提供灵活的资源调度；

（3）SaaS层为铁路系统及外部互联单位提供软件订阅以及其它增值服务，方便铁路相关各方进行日常的运营管理及维护。

5   结束语

概述国内铁路智能化现状，分析境外铁路项目的境外铁路建设与运营维护管理的要求和特点，提出涵盖建造智能化、装备智能化、运营智能化的境外铁路项目智能化系统方案，在规划层面突破以往分子系统独立设计的限制，设置数据中心，为各类业务系统的统一部署提供共用资源，将传统架构下中心级、车站级资源云化，使系统层级扁平化，简化数据业务处理流程，实现资源有效利用，支持系统运维集中化管理，可为境外铁路项目的建设和运维提供参考。