智能高速铁路概论 课件 第二章 智能高速铁路复杂巨系统管理方法

第二章智能高速铁路

复杂巨系统管理方法第二章智能高速铁路复杂巨系统管理方法目录/Contents01智能高速铁路定义、内涵及特征02智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法03智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术2024/5/10智能高速铁路概论21智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10智能高速铁路概论3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、5G等新一代信息技术，综合高效利用资源，实现高速铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代高速铁路系统。全面感知泛在互联融合处理主动学习科学决策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2.1.1

智能高速铁路定义与内涵1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10智能高速铁路概论42.1.1

智能高速铁路定义与内涵

智能高速铁路具有贯穿全生命周期的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习、科学决策等特征：全面感知通过构建具备多维感知、广泛覆盖的传感网、物联网等，实现对铁路基础设施、移动装备、外部环境、气候变化、旅客行为等多维要素进行全面透彻的信息感知，为高速铁路设计、施工和运营管理等提供信息支撑。泛在互联依托有线通信、无线通信、卫星通信等技术，实现高速铁路基础设施、移动装备、外部环境等多类信息间广泛、深度、安全的信息交互与共享，在此基础上实现路网、车站、列车、人员、环境等对象的全时全域连接，为数据融合处理提供基础。融合处理充分利用不同时间、空间的多源、异构数据资源，实现海量多模态数据的高效融合与智能处理，并与气象、地震以及其他交通方式等实现信息融合应用，并开展跨专业、跨行业的大数据分析，为综合决策提供科学依据。科学决策基于大数据分析、知识推理等方法，通过对全生命周期海量异构信息的挖掘提炼、计算分析、推理预测等形成最优的决策信息。为建设期提供进度优化、质量管控、安全预警等决策支持，为运营期提供精准预测、经营管理、调度指挥等决策支持。主动学习具有主动适应环境和不断根据数据、信息等进行动态学习演进的能力，可实时感知外部环境状态选择最优行为策略，不断自我迭代、完善、优化和更新。1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10智能高速铁路概论52.1.1

智能高速铁路定义与内涵智能高速铁路将实现更加安全可靠、更加经济高效、更加温馨舒适、更加方便快捷、更加节能环保的发展目标。更加安全可靠01更加经济高效02更加温馨舒适03更加方便快捷04更加节能环保05通过对高速铁路固定设施、移动装备、运输过程、外部环境、人员等的状态感知，实现各类风险隐患、事故故障等的预测、预警，构建主动感知和超前防范机制，整体提升高速铁路建设和运营安全保障能力。通过对高速铁路运输组织的智能优化，提高运输效率和效益；通过高速铁路设备设施全生命周期管理，实现“计划修”向“状态修”转变，降低养护维修成本；通过精益化经营管理提高高速铁路经营效益。通过在车站、动车组等采用舒适化人性化设计，为旅客提供全方位、全过程出行服务，满足旅客多样性和个性化服务要求，提升旅客出行体验。通过运输模式创新和业务流程再造，为旅客提供门到门的一站式出行服务，实现出行信息透明化、出行服务多样化、出行体验便捷化。优化动车组动力结构和列车运行控制方式，实现各环节用电在线监测、智能分析和节能控制，降低高速铁路能源消耗。优化建筑结构、设备性能，降低环境污染和噪声污染，促进高速铁路绿色发展和可持续发展。1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10智能高速铁路概论62.1.2智能高速铁路复杂巨系统特征简单系统大型系统简单巨系统复杂巨系统直接分析系统的各项功能从子系统间作用出发直接综合成全系统的运动演化功能，可采用计算机辅助计算。统计学方法耗散结构理论协同理论…..CPS系统动力学基于Agent的建模方法…..子系统数量少子系统间关系简单子系统数量较多子系统间关系简单子系统数量非常多子系统间关系较多子系统数量和种类非常多子系统的结构随着系统运动有变化子系统间通讯复杂且知识表示不同特点研究方法1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10智能高速铁路概论72.1.2智能高速铁路复杂巨系统特征

智能高速铁路是技术要素、经济要素、管理要素、社会要素等多种要素的集成，涉及设计、施工、运营等全生命周期内多环节、多要素的协同控制和管理，各环节、各要素、各工序分别以系统方式交互运行。智能高速铁路复杂系统特征复杂性高风险性用户需求复杂、技术复杂、研制过程复杂、试验验证复杂高技术风险：系统可靠性和安全性要求高高管理风险：研制周期长、涉及单位多多层次性研制周期长，子系统数量巨大管理层级涵盖总部、路局、站段、车间等多个层级工作链条长，参与人员多包含“人、车、路、网、环”多要素，涉及多个专业，网络结构和要素关系极为复杂非线性系统的整体行为或特性不等于其内部元素或子系统的行为或特性的线性叠加涌现性各组成子系统经过一定时间的相互作用之后，在整体上演化出单个系统中不存在的若干功能和特性内外部多学科、多专业协作广泛1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/102.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法

复杂巨系统相关理论的研究伴随着复杂性科学的发展而同步发展。复杂性科学的发展大致可分为三个阶段。第一阶段第二阶段第三阶段贝塔朗菲创立一般系统论开始，期间产生了一般系统论、控制论和人工智能20世纪40年代产生了耗散结构理论、协同学、超循环理论、灾变理论、混沌理论、分形理论和细胞自动机理论等20世纪60至70年代的研究演化阶段复杂性科学研究不再分门别类地进行，而是打破了以前的学科界限进行综合研究，并将研究复杂系统的学科称为复杂性科学20世纪80年代1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/10

中国最早重视复杂性科学研究的是钱学森先生，他提出了开放复杂巨系统（OCGS）理论，开创了中国复杂性研究之先河。智能高速铁路概论92.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法复杂巨系统的研究主要围绕一般性质和共性行为规律、系统动力学建模与系统仿真、面向具体应用的复杂巨系统等三个层面开展。目前形成的主要理论和方法包括系统论、控制论和信息论等传统基础理论，以及数据驱动方法、模型驱动方法等新兴理论和方法。1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/102.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法（1）传统的基础理论——系统论、控制论和信息论

系统是一个有机整体，不是各要素的机械组合或简单相加，系统通过整体作用支配和控制各个要素；系统中各要素不是孤立存在的；系统是不断动态发展和变化的，内部各要素之间、要素与整体之间、系统与环境之间都存在着动态的相互作用和联系。美国科学家贝塔朗菲系统论于1937年由美国科学家贝塔朗菲提出美国数学家和电气工程学家维纳控制反馈原理与反馈方法、可能性空间与可控原理、目的行为相似原理与功能模拟、输入输出原理与黑箱方法。控制论提供了对复杂的管理对象进行系统集成化调节与控制的工具。控制论打破了自然科学与社会科学、工程技术与生物技术的界限，并在20世纪60年代后广泛用于管理科学。

控制论于20世纪40年代由美国数学家和电气工程学家维纳提出信息论之父香农信息论是控制论的基础，通过信息技术手段对系统中人流、物流、财流、能量流和信息流等进行系统管理。信息论的主要思想包括三个观点，一是以信息为基础，把系统有目的的运动抽象为一个信息变换过程；二是直接从整体出发，用联系、转化的观点综合研究系统的信息过程；三是对抽象出来的信息做定性与定量分析。信息论与现代网络及计算机技术，为系统集成控制提供了重要手段。信息论于20世纪40年代由美国学者香农提出1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/102.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法（2）新兴的理论方法——数据驱动方法、模型驱动方法

数据驱动是基于启发式规则，通过对数据的知识发现寻找和建立内部特征之间的关系，将发现的定理或定律运用到业务活动中，实现业务效能的正向反馈。数据驱动包括数据驱动思想和数据驱动方法。数据驱动思想指利用受控系统的在线和离线数据，实现系统的基于数据的预报、评价、调度、监控、诊断、决策和优化等功能。数据驱动方法以采集的过程数据为基础，通过各种数据处理与分析方法（如多元统计方法、聚类分析、频谱分析、小波分析等）挖掘出数据中隐含的信息，从而指导操作生产。数据驱动方法1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/102.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法（2）新兴的理论方法——数据驱动方法、模型驱动方法

模型驱动（MDA）方法是指使用模型来进行系统理解、设计、约束、开发、执行、维护和修改的过程。基于模型的控制是用相对精确的数学表达式对受控目标的物理工作特性进行描述，通过对受控目标的数学描述便于对其进行相应的算法控制。受控目标模型的建立可以通过参数辨识法或根据受控目标所具有的相关物理参数结合目标的物理定理推导出来。基于模型驱动的研究流程图1智能高速铁路定义、内涵及特征第2章2024/5/102.1.3复杂巨系统的相关管理理论方法（2）新兴的理论方法——数据驱动方法、模型驱动方法

智能高速铁路系统是复杂系统工程技术、基础理论、业务知识及协同决策等的集合，需综合采用定性定量相结合、模型驱动和数据驱动相结合的综合集成方法。单击此处添加副标题内容先通过历史经验、数据、知识等构建多场景业务模型，对高铁建设运行的规律和机理进行表征和辨识，再结合各场景的实际数据对模型进行量化分析，由此构建智能高铁复杂巨系统的管理方法。第二章智能高速铁路复杂巨系统管理方法目录/Contents01智能高速铁路定义、内涵及特征02智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法03智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术2024/5/10智能高速铁路概论142智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法第2章2.2.1“模数驱动、轴面协同”的系统模型架构时间维度上，需实现设计、施工、运营等各环节数据共享和有效衔接；业务维度上，需实现高铁不同阶段涉及的各业务要素、外部环境等的综合协调。2智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法第2章2024/5/102.2.1“模数驱动、轴面协同”的系统模型架构模数驱动：融合表征模型、机理模型和动静态数据等实现模数一体，并以模数一体为核心，驱动实现智能高铁设计、施工、运营等全生命周期的正向无损传递和反向迭代优化。轴面协同：以全生命周期为主轴，通过不同业务领域、高铁全生命周期不同阶段信息系统的集成融合，推进不同阶段工作任务的无缝衔接；以“高铁全要素”为“面”，基于信息流支撑不同专业、外部环境等各类要素的高效互动，有效协同不同专业、不同领域相关要素，推动资源合理规划配置和有序协同。2智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法第2章2024/5/102.2.2“模数驱动、轴面协同”的系统最优化设计智能高速铁路系统需要同时保证“面”的协同优化和“轴”的动态优化，系统最优化设计应包括以下因素：3241多专业协同全生命周期动态最优需求为中心与外部环境互动高铁系统涵盖多个专业，专业之间进行信息互通和协同操作满足服务用户需求；满足业务用户需求列车采用新型节能材料；采用先进制动系统和能源管理工具；应用列车自动驾驶技术通过数据无损传输实现无缝衔接，进而有效降低管理成本，实现管理效率大幅提高2智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法第2章2024/5/102.2.3“模数驱动、轴面协同”的系统运行机制模型数据一体化驱动模型数据一体化驱动（1）模型数据一体化驱动（2）全生命周期协同正向无损传递反向迭代优化（3）全要素协同管理设计到施工设计、施工到运营施工对设计的反馈优化运营对设计的反馈优化运营对施工的反馈优化设计阶段全要素协同施工阶段全要素协同运营阶段全要素协同系统运行机制以全生命周期协同和不同时间截面的全要素协同管理作为优化目标，以模型数据一体化作为驱动要素。第二章智能高速铁路复杂巨系统管理方法目录/Contents01智能高速铁路定义、内涵及特征02智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法03智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术2024/5/10智能高速铁路概论192智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”管理方法第2章2024/5/102.2.3“模数驱动、轴面协同”的系统运行机制模型数据一体化驱动模型数据一体化驱动“模数驱动、轴面协同”的系统运行机制示例3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵

模数一体化即基于BIM、GIS、IoT、主数据、大数据、AI等技术与铁路基础设施全生命管理相结合，面向轴面协同目标，实现同一业务对象的表征模型、机理模型和动静态信息的编织和聚合。模数一体化的核心是实现模型与数据的标准一体化、存储一体化、应用一体化和传递一体化，关键是实现同一实体的表征模型、机理模型和海量数据的有机融合。3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵

表征模型指基于BIM、3D建模等技术构建的铁路站场、轨道、路基、隧道、桥梁等各类业务实体的可视化信息模型。几何信息非几何信息主要指一些外形描述、长宽高等具体信息以及几何关系信息，通过这些描述来确定模型的基本形态。主要由特性层、级别层和类别层等构成。表征模型一、模数一体化概念模型3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2.3.1模数一体化概念模型及内涵模型空间结构单元构件铁路站场模型铁路枢纽、铁路车站、铁路站台铁路信号设备构件、调速设备构件、标志标牌构件、安全设备构件、机械设备构件、站台墙构件、平过道构件等铁路轨道模型轨道、轨道段钢轨、扣件、轨枕、轨道板、道床板、隔离层、弹性垫层、调整层、底座、道岔、道砟层、钢轨伸缩调节器等铁路路基模型路基本体、边坡防护、支挡结构、地基处理、过渡段路基支挡结构单元、路基填筑体、边坡防护构件单元、地基加固桩构件单元、原地基加固、过渡段构件单元等铁路隧道数据模型隧道、隧道组成超前支护、初期支护、系统锚杆、系统钢架、初支喷混、衬砌结构、洞门结构、仰拱填充、防水层、找平层、结构保护层、临时支护、护拱等铁路桥梁数据模型桥梁、桥梁结构组成桥梁构件、加劲肋、桥梁板件、梁段、锯齿块、支承垫石、桥墩节段、桥台节段、索塔段、斜拉索、主缆、支座、伸缩装置、防护墙、框构结构、翼墙、涵洞节段、帽石、盖梁、预埋件基础、避车台等3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵

机理模型指表达业务实体或实体间作用机理的分析模型。机理模型的描述包含模型名称、模型分类、模型功能、模型原理、模型归属、模型输入参数、数据模型和算法、模型输出参数、模型版本、运行环境、模型应用效果等。指涉及因素多、开放且不确定性的复杂模型，需基于大数据范式构建多要素高动态的相关性、预测性分析模型等，例如轮轨动力学模型、弓网耦合分析模型、空气动力学模型、开放环境下荷载分析模型等确定性模型指铁路基础设施和移动装备建造制造和运营过程中的原理、定理、定律等不确定性模型机理模型一、模数一体化概念模型3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵动静态数据主要包括空天地一体化工程勘察数据、基于BIM工程设计数据等12智能综合检测车、基础设施检测监测、自然灾害监测与预警、周界入侵智能监测、环境智能监测等数据；以及智能客运、智能票务、智能综合调度、智能行车调度、工电供一体化运维、动车组智能运维等数据3主要包括桥梁、隧道、路基、轨道、客站、四电等工程的智能化施工数据，以及基于BIM+GIS的工程建设管理数据等设计阶段产生的数据施工阶段产生的数据运营阶段产生的数据一、模数一体化概念模型3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵二、模数一体化内涵标准一体化应以模型的关联关系、空间关系和组合关系为前提，构建与模型流相应的信息结构和数据流向等，融合IFC、IFD、IDM、主数据、元数据等数据标准，实现模数一体的本体、语义和传递的标准化。标准一体化示例

标准一体化

存储一体化

应用一体化

传递一体化3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵存储一体化是在模型和数据标准一体化基础上，开展模型和数据的质量治理，并采用模型和数据编织技术、实体主数据关联技术等，实现高铁数字孪生模型、机理模型与海量动静态大数据融合。二、模数一体化内涵标准一体化

存储一体化

传递一体化存储一体化示例

标准一体化

存储一体化

应用一体化

传递一体化3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵应用一体化是面向智能高铁整体效能最优，基于模型和数据一体化实现不同阶段全要素的整体协同应用。

标准一体化

存储一体化

应用一体化

传递一体化二、模数一体化内涵3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.1模数一体化概念模型及内涵传递一体化是面向高铁设计、施工、运营全生命周期，以模型和数据集成为基础，形成闭环的数字化传递模式。在标准一体化和存储一体化基础上，实现基于模型和数据的跨阶段正向无损传递、高效协同，以及反向的迭代反馈优化。

标准一体化

存储一体化

应用一体化传递一体化二、模数一体化内涵3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.2模数一体化平台架构模数一体化平台实现单体、构件、系统、体系等不同颗粒度实体的模数映射与聚合3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.2模数一体化平台架构数据汇聚层模数存储层、模数聚合层、轴面协同应用层模数聚合层3智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.3模数一体化关键技术123模数一体的信息抽取与封装技术数据转化与协同互控技术数据关联与编织技术1233智能高速铁路“模数驱动、轴面协同”关键技术第2章2024/5/102.3.3模数一体化关键技术模数一体的信息抽取与封装技术1在明确铁路基础设施建设过程中业务流程及执行