·工程7（2021）1665工程成就智能化统军王中国国家铁路集团有限公司，北京1008441. 介绍北京至张家口高速铁路（HSR）是服务于北京2022年冬奥会的重要交通设施。它的主线长174公里，最高设计速度为350公里/小时。这是世界上第一条基于智能铁路概念设计的高铁。北京至张家口高铁于2016年4月29日开工建设，并于2019年12月本文从智能化京张高铁的总体结构设计、智能化施工、智能化设备、智能化运营等方面介绍了智能化京张高铁的建设和运营实践2. 项目概况京张高铁正线共设北京北、清河、沙河、昌平、八达岭长城、东花园北、怀来、下花园10个车站北，宣化北，及张家口。此外，延庆支线沿线设置延庆站，崇礼铁路沿线设置太子城站，预留赵川南站。 如图 1、北京北为始发站和终到站，清河、张家口均为始发站和直通站。线路途经北京市核心区、八达岭长城风景区、官厅水库。京张高铁的建设克服了地质条件复杂、施工难度大、环保要求高等诸多困难。其他挑战包括旅客种类繁多、客流时段集中、旅行服务要求高为满足2022年冬奥会对京张高铁建设和运营的要求Fig. 1. 京张高铁线路图https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.10.0062095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engT. 王工程7（2021）1665京张高铁工程可分为施工区、设备区和运营区。高铁是一个由多个子系统和新技术组成的复杂巨系统。为应对铁路全生命周期技术复杂、接口多、协同难的挑战，提出了“顶层设计、平台优先、轴面协调、模型数据一体化”的建设理念关于智能化京张高铁系统及其管理以下成就已经作出：①以分层分类为原则，构建了②提出了“以高铁全寿命周期管理为主轴，以各要素为基本面，模型与数据一体化”的建设管理方法。在智能施工技术方面，取得了以下成果：①开发了基于BIM的协同设计平台，各专业领域、全线统一环境，实现了多学科协同设计和无损数据传输;②建成了双块式轨枕厂，实现了轨枕制造全过程自动化和全过程数据集成，为数字化制造提供支撑;③路基、桥梁、隧道、客运站智能施工技术取得突破;③开发了基于BIM +地理信息系统（GIS）的高铁工程管理平台在智能设备技术方面取得了以下成果：①开发了智能化电动车组系统，实现了列车智能驾驶、智能运维、智能服务和安全监控，②首次实现了时速350公里高速动车组列车③建成智能牵引供电系统，实现智能化运营维护;④建成智能安全监测与应急响应系统。在智能运营技术方面，取得了以下成果：①建立了覆盖全行程的智能票务和智能客运站系统;②开发了基于BIM + GIS集成的基础设施运维一体化系统;③建成了高铁智能集中调度系统本文从四个方面介绍了智能型京张高铁的主要创新3. 智能化京张高铁技术体系设计与管理理念3.1. 智能化京张高铁技术体系京张高铁技术体系是对智能高铁核心要素及其相互关系在系统层次上基于“进行顶层设计，平台优先”的设计理念，技术体系自上而下分为板块、领域、主体、创新、基础平台五个层次，如图所示。 二、智能建筑、智能设备、智能运营三大板块在三大板块框架下，有十大领域：调查和1666设计、工程建设、施工管理、移动设备、通信信号、牵引供电、检测监控、客运服务、运输组织、维护检修。10大领域涵盖18个课题，包括：空-空-地一体化工程测量;基于BIM的工程设计;桥隧路基轨道工程智能化施工;客运站工程智能化施工;通信、信号、电力、电气化工程智能化施工;基于BIM + GIS的施工管理;智能动车组;智能综合检测列车;智能信号;智能通信;智能牵引供电;智能巡检监控;智能客运;智能票务;智能综合调度;智能行车调度;轨信电一体化运维;智能动车组运维。框架下在这18个课题中，创新成果众多，包括空-空-地一体化智能测绘、BIM建筑、智能梁厂、客运站智能施工、基于BIM的虚拟施工、动车组智能监控、智能巡检设备、列车自动驾驶（ATO）、智能牵引变电所、自然灾害监测预警、智能车站和列车服务、电子票务、列车运行计划自动调整、智能运维决策等。最后是一个基础平台，即为智能京张高铁所有系统和子系统提供通用计算、存储、数据、算法等服务的基础平台，这一技术体系已成为通用框架指南-加快我国智能高铁建设它处于世界铁路技术的最前沿3.2. 轴面协调、模型数据一体化的智能化智能化京张高铁是一个覆盖高铁全生命周期的为此，提出了“以全寿命周期管理为主轴，以各要素为基本面，轴面协调，模型数据一体化”的运营管理理念，以实现高铁全寿命周期的最佳综合效益，如图所示。3.第三章。智能型京张高铁的全寿命周期包括设计、施工、运营等阶段全要素协调是指项目不同部分生命周期多个要素的整体协调和综合优化。例如，在设计阶段，应综合考虑路基、桥梁、轨道、隧道、工程经济、地质、通信、信号等因素。在施工阶段，要统筹考虑投资、安全、质量、进度、环保等因素。在运营阶段，应综合考虑线路养护、通信信号、客流、运输、车辆、安全等因素。模型和数据的集成为轴面协调的实现提供了支持。通过对涉及多个领域的多粒度BIM模型的集成和应用（例如，轨道、桥梁、车站、通信、信号、供电）和规划设计、工程建设、调度指挥、运营服务、安全监控等海量大数据，所有业务要素都可以图二、智能化京 张高 铁技术体系框架。OCS：接触网系统; IoT：物联网T. 王工程7（2021）16651667T. 王工程7（2021）16651668图三. “轴面协调、模型数据一体化”的管理理念.在高铁的整个生命周期内协调运行，使智能化的4. 智能建筑技术在京张高铁建设过程中实现了施工数据的自动采集和信息互联，支持了施工各方的协同管理和决策优化。4.1. 基于BIM的多领域协同设计平台智能化京张高铁的设计是一项庞大、复杂、系统的它需要设计团队中不同专业领域之间的密切合作。目前，所有铁路区域在设计过程中使用二维（2D）图纸，并表示最终设计结果。此类图纸存在设计表达和理解不清晰、区域间沟通不畅等缺陷。BIM技术实现了全生命周期的数字化、可视化、多维化、协同化、仿真化包括设计、建造、营运及保养。为此，构建了一个基于BIM的多学科协同设计平台，用于京张高铁全线BIM设计以及三站三隧详细设计。同时，BIM协同设计软件适用于多个领域，包括测绘、轨道、桥梁、隧道、路基、接触网系统等。tem（OCS）和信令--已独立开发，提高了设计效率和设计模式。BIM模型有效优化设计方案，在复杂节点设计中实现多学科可视化协同，突破了传统的二维图纸结构设计方式的限制。解决了地图投影的演变、数据格式的融合与转换、数据源的组织与管理、显示策略的开发等技术问题。实现了快速参数化设计、工程量计算、跨专业拟合、设计成果一体化管理、各铁路部门间信息完整传递等功能（图4（a））。基于BIM的协同设计平台使协调联络时间减少了8%，材料成本降低了3%。4.2. 双块式轨枕智能工厂实现数字化制造物联网、自动化、智能图像识别等技术的应用，使智能双块轨枕厂实现了整个制造过程的自动化和智能化。该工厂拥有一条智能双块式轨枕生产线，并利用工业机器人和大数据技术，将工人数量减少了50%。通过引入基于工业互联网的生产管理信息系统，工厂对所有生产要素进行集中在线管理，将数据收集效率提高了20%。得益于激光测量和机器视觉深度学习，双块式轨枕工厂能够实现智能检查和测试，并将其提高了五倍检测精度提高15倍，T. 王工程7（2021）16651669从而实现双块式轨枕的数字化制造。4.3. 路基、桥梁、隧道、客运站等基础设施4.3.1. 智能化路基填筑为了提高路基压实质量例行检测后取样的针对性和完整性，开发了基于北斗卫星定位的无人压实、自动路线规划、不足区域自动复压实现了填料输送的自动控制、填料质量的自动识别和路基压实质量的实时检测实现了推土机、摊铺机、挖掘机的自动指导和协同工作，实现了振动压实的与传统施工工艺相比，该方法提高了路基填筑质量、压实度和均匀度，提高了检测效率，改善了路基质量。4.3.2. 官厅水库特大桥官厅水库特大桥全长9.08公里，由简支曲线弦杆钢桁梁组成，开口数为8，跨度为110米。该桥位于官厅水库水源保护区内为了最大限度地保护水体，提出了一种新的施工方法，即在岸边组装钢梁，然后增量发射。研制了一种基于焊接机器人的龙门式自动焊接系统，实现了多个加劲肋的同时焊接。采用智能化多点同步顶推和自动监测技术，开创了大跨度多孔钢梁顶推的新局面。这种方法确保了准确性、安全性、提高了施工效率、更好的焊接和更好的施工质量（图1）。 4（b））。4.3.3. 基于BIM的八达岭长城站新八达岭隧道智能施工京张高铁八达岭隧道全长12 km，是世界上最大、最深的高铁八达岭长城站所在地，其施工采用暗挖法，隧道结构极为复杂，为叠层隧道群。借助BIM模型，可实现叠式车站进出通道、圆形救援廊道、平行双管、三维多分支竖井的设计优化和可视化技术交底。通过这种方式，缩短了不同接口的时间，现场施工效率提高了20%以上。基于BIM模型，融合物联网和大数据技术，对邻近建筑物和结构物的风险进行实时预测和预报。为盾构掘进全过程智能化、可视化的动态监控管理提供支持，有效减轻施工对周边区域的影响（图4（c））。基于高速激光扫描的隧道断面质量管理系统，实现了超欠挖、净空、空洞体积的高精度自动检测。4.3.4. 客运站在大型客运站建设中，运用BIM技术开展建构筑物三维精细化绿色设计，包括客运站装饰、钢结构、机电管线、客户服务机房等。建立基于BIM + IoT的客运站施工管理系统，实现原材料溯源、深基坑监控、高模板监控、检验批、塔吊防撞、钢结构焊接等三维可视化控制;开发基于BIM的施工组织优化仿真系统，支持细节化管理和现场安全质量控制（图4（d））。通过智能建筑技术，非常规水源利用率达到22. 14%，可回收建材比例达到15. 30%。见图4。京张高铁智能化建设。(a)基于BIM的协同设计平台;（b）官厅水库特大桥同步顶推;（c）新八达岭隧道基于BIM的智能施工;（d）清河站智能施工T. 王工程7（2021）16651670-4.4. 基于BIM + GIS的高铁工程管理平台京张高铁建设因此，用常规的管理手段难以满足京张高铁建设的优质、高效、快速为顺利完成本项目的建设，采用信息化智能化手段，将传统的线下管理模式搬到线上，同时将标准化管理作为有效途径，开发了以BIM + GIS技术为核心，以施工项目为它的载体。该平台从空间、数据、管理和应用四个维度划分为综合管理、过程控制和现场管理三个部分。它涉及六个应用程序：综合管理、进度管理、材料管理、质量管理、安全管理、投资控制。该平台打破了BIM + GIS多维度数据融合技术和轻量化建模技术发展的限制，实现了对进度、质量、安全的可视化、组件级集成控制，提高了施工数据多角度、多维度、多尺度综合分析和管理的能力。该平台投入使用以来，安全事故大大减少。该平台具有突出的示范作用和社会经济效益。5. 智能装备科技5.1. 智能动车组系统智能动车组系统集成了智能复合传感器、车地信息实时传输、大数据挖掘与分析、自动控制、智能信息处理、故障预测、健康管理等技术，实现智能感知、诊断、（图5（a））。作为复兴号中国标准动车组系列的成员，服务于京张高铁的智能动车组列车分为标准列车和奥运列车。基于复兴号车型打造的标准列车配备了额外的智能模块和京张高铁特有的专用功能智能模块实现列车智能运行、智能运维（多达2718个监测点）、智能服务、安全监测（新增168个走行部振动监测点）。奥运模块包括奥运主题绘画、奥运专用布局、体育器材存放区和奥运赛事直播。京张高铁的专用功能京张高铁智能动车组列车动车组比其他高铁列车更环保：耗水量减少10%;噪音降低1-2分贝;高达75%的内饰材料可回收; 50%的内饰材料可降解。通过应用，它们的能耗降低了7%空气动力学优化、阻力减小、轻质材料（每列列车的重量减少了约7吨），以及列车重量、阻力和功率的多维调整，以及其他修改。 环境感知和调节的智能技术转化为更好的乘坐舒适性。5.2. 350 km· h-1高速动车组列车的自动化运行ATO技术是智能化在中国CTCS-3型列车控制系统的基础上，加入ATO相关设备，实现ATO功能。精确定位应答器图五、京张高铁智能化设备。（a）智能动车组列车;（b）350km/h自动运行。●●●T. 王工程7（2021）16651671·安装在车站的轨道上，使列车能够准确地停在标志处。列车可实现自动发车、区间自动运行、自动停车、自动开门，并可实现车门与屏蔽门联动。京张高铁创造了350 km h - 1动车组列车首次自动化运行的世界纪录，优化了高速列车的运动建模和速度控制，提高了将智能控制算法与列车控制策略相结合，优化了ATO列车控制算法，提高了高铁列车控制的舒适性实践证明，高速动车组列车自动运行安全可靠，能够降低牵引能耗，减轻司机5.3. 智能牵引供电系统目前，高铁牵引供电系统是独立的。牵引变电所与所之间实时通信和信息交换少，难以为牵引变电所提供全天候可靠的供电。京张高铁的所有方案。发展京张高铁智能牵引供电系统的核心是智能牵引变电所、分区所、自耦变压器所等智能供电设施。利用数字化和互联网技术消除牵引变电所和/或所之间的信息封锁，从而实现系统集成和多业务数据共享。为提高牵引供电系统的可靠性和运行维护能力，提出了广域测控保护、故障自愈、故障报警和告警机制的改造以及健康评估系统。此外，还建成了全息感知、多维融合、可重构自愈、智能运维的智能牵引变电所，实现了全站无人化运行。 广域保护延时由100 ms缩短到20ms，变电站一、二次设备达到100%光纤隔离水平。5.4. 智能安全监测与应急响应系统在安全和应急方面，京张高铁沿线灾害监测设施多（风、雨、雪、地震等），预警分析能力极强，应急联动覆盖范围广。基于这些特点，我们建立了全过程智能安全监控和应急响应系统，具有全时安全数据汇总、风险预测、实时风险预警、应急响应及时联动等功能。该系统可实现基于大数据的灾害时空分布分析、风险智能预警和综合判断、列车与地面安全监控信息的实时传输。与灾害监测、行车指挥、综合视频等系统互联，协调铁路与地方相关部门的应急响应，提高安全预警和应急响应的及时性和协调性6. 智能运营与服务技术6.1. 智能出行服务建立了基于旅客服务记录（PSR）的电子客票、高并发条件下的电子客票检票、线上线下一体化的人脸识别、基于站车无线交互系统的车载查验等重要服务的全程旅行票务服务系统一票通技术实现突破，加快北京冬奥会票务国际化进程，为旅客提供无纸化、自助化、一体化的出行服务。智能客运站系统已建成，管理所有业务和生产要素，提供一体化的生产组织、高效的应急响应、全生命周期的设备管理和精确的安全控制。为旅客提供出行提醒、人脸识别进站、检票与身份证件认证一体化、广播引导、电子导航、智能咨询台服务、自助退票、自助制证、远程售票等自助智能服务技术支持方面，如客流信息共享、换乘查询、综合交通枢纽站旅游信息等。6.2. 智能基础设施运维系统基于BIM和GIS技术集成，实现了从施工阶段到运营阶段的无损交付，以及轨道养护、通信信号、供电等基础设施数据的全生命周期管理。数据采集和处理已被标准化，用于轨道维护、通信和信号以及供电。移动巡检、固定监测、静态巡检系统的数据接入和处理能力也得到提升。建立了集轨道维修、通信信号、供电等多领域为一体的检测检测-状态分析-生产计划体系，为一体化运营维护提供支撑。该系统的应用提高了高铁检修窗口的利用效率，降低了基础设施的运行维护成本（图1）。 6（b））。6.3. 智能交通集中控制系统调度集中系统作为高速铁路运输指挥的神经中枢，担负着无论是在中国还是在国外，发展这样的系统已经基于人工智能、大数据等新兴技术，高铁智能调度集中系统基于调度集中（CTC）3.0软硬件平台开发，具有列车运行计划自动调整、安全控制等关键功能，列车路线和命令以及ATO。该系统总体上提高了京张高铁的列车调度指挥能力、行车安全保障能力和智能化水平T. 王工程7（2021）16651672图六、京张高铁智能化运营。（一）智慧出行服务;（二）智能综合运维系统。7. 结论京张高铁开通运营两年来，在智能施工、智能设备、智能运营等方面的技术创新，通过了高铁实战检验，受到旅客和社会各界的广泛好评。智能化京张高铁在建设过程中始终采用了施工前验证的方法。在京张高铁通车前在该试验段，对高速动车组自动运行系统、高速铁路智能集中调度系统、C3列车自主控制、新一代铁路移动通信等28项关键智能技术进行了综合试验。这样，所有的验证了智能高铁创新技术的功能和性能参数随着川藏铁路、中国铁路CR450、走出去等项目的不断推进，以及引用[1] 王涛，何宏，田宏. 智能高速铁路系统结构与标准体系第1卷。北京：中国铁道出版社; 2020. 中文.[2] 王涛.中国智能高速铁路体系结构的研究与应用。 中国铁路学会杂志2019;41（11）：1-9. 中文.
