秦勇，张蜇
1.引言
铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程，是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。截止2020年7月底，中国铁路营业里程达14.14万公里，居世界第二；高速铁路运营里程3.6万公里，居世界第一；中国“四纵四横”的高速铁路骨干网已经全面建成。中国标准动车组“复兴号”实现时速350公里商业运营，树立了世界高铁建设运营的新标杆。随着我国“交通强国建设纲要”、“新基建”等国家战略的确定和实施，铁路将进一步得到快速发展。
安全是铁路运营的前提与保障，是铁路日常管理和技术创新的永恒主题。特别是随着世界范围内高速铁路技术的快速发展，列车的技术构成愈来愈复杂、运行工况强度愈来愈高，列车装备本身的服役性能变化愈来愈快；列车运行时与基础设施的耦合作用关系愈来愈密切，故障传播影响愈来愈强、范围愈来愈广，同时受自然环境、气候灾害的影响愈来愈大；铁路系统运营过程及各环节均面临着不确定性风险的巨大挑战，各种风险直接影响铁路运营的安全水平，甚至可能造成灾难性的后果。目前铁路运营风险主要受列车健康状态、基础设施服役状态、周边环境异常以及运行整体系统安全性的影响，如何准确掌握铁路列车关键设备的健康状态，全面获取基础设施与周边环境的异常变化，系统分析列车运行过程的整体风险，以及显著降低列车装备与运行系统的风险水平和有效管理运营过程各类风险，是目前研究的重点和铁路现场管理部门面临的最迫切问题，具有广泛而深远的研究意义。
传统的事件和事故驱动的被动安全管理与经验驱动的风险管控模式及技术已无法满足技术、装备、系统体系日益复杂和运营环境日益多变的现代铁路运营安全管理需求，迫切需要构建基于风险辨识与有效管理的铁路运营主动安全保障的模式、理论、技术和系统装备新体系，为铁路运营安全管理向主动安全保障与风险防控新模式转型提供理论和技术支撑。近年来，在物联网、传感器、大数据、人工智能、遥感遥测、机器人等先进技术的快速发展和赋能下，以全息化、立体化、智能化、一体化、预测性为主要特征的铁路系统安全状态获取、风险辨识、预测预警、在途安全保障、主动运维和高效应急处置已成为国内外重要研究方向，正在变革着世界范围内铁路运营安全保障与风险管理理论和技术体系。
2. 铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室建设必要性分析
党的“十九大”明确提出“交通强国”建设的发展战略，为新时代交通发展指明了方向。构建安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系成为建设的目标，特别是把安全放在构建现代化综合交通体系首位。“交通强国铁路先行”将铁路运营及其安全保障放在新时代现代化铁路体系构建的前提和首要位置，因此我们需要加强和提升铁路运营安全保障与风险防控的研究，为铁路可持续发展提供支撑。
列车是铁路运营的关键载体，具有设备组成复杂、速度高、交路长、频次高、冲击强、工况复杂、自然环境影响显著以及维修成本高、事故后果严重等特点，其服役健康状态深刻影响着铁路运营的安全状态，因此应重点研究列车关键部件及系统级的在线感知、故障诊断、预测预警与健康管理，揭示在强干扰、非线性、变工况影响因素下的列车关键部件健康演化规律，分析在多部件相互影响作用关系下的列车系统级设备风险可靠性变化规律，是非常迫切和重要的。
同时，我国铁路运营环境极其复杂, 跨越多个气候带且长大交路多，基础设施性能劣化、环境突发风险、异物侵限等多种因素大大增加了铁路安全运营的风险。目前，面向列车运行安全的基础设施和周边环境异常状态识别分析技术手段还较为落后，监测手段仍主要以人工为主、自动监测为辅的方式完成，仅具备局部、小范围的运行环境状态监测和风险分析能力，状态监测范围窄、监测手段少、集成度不高、智能分析弱，尚未形成大范围、立体化、多数据融合、智能化状态感知、动态运行风险分析和预警决策体系，难以满足中国铁路系统成网运行条件下对全局、运行过程中系统风险分析的需求。此外，西部稀疏路网，包括已开始建设的川藏铁路工程地质复杂，具有气候条件恶劣、自然灾害频发、现场作业条件恶劣等特点，现有的人工巡线和小范围监测分析的方式已经越来越难以为继。因此应重点研究基础设施及周边环境异常状态对列车运行风险的耦合作用，构建基于空天车地一体化的列车运行环境全方位风险感知体系，获取运行环境的大范围多模态监测数据，在实时数据融合和大数据分析的基础上对运行风险进行辨识，建立基于大数据与人工智能的铁路运行环境动态分析方法，对实现主动安全保障具有重要的意义。
另外，在铁路运营风险防控方面，目前需重点防控设备设施的不良服役状态和故障等突发事件影响下的铁路非正常运行风险，降低铁路设备发生故障的风险和突发事件后铁路系统不正常运行的风险。目前我国铁路设备设施特别是列车系统还普遍采用“故障修”和“计划修”的方式，容易产生各类过修或欠修的问题，导致运维效率低、维修维护成本高，进而产生列车运用状态不良，限制了移动装备和基础设施正常能力的发挥，迫切需要向状态修和预测性维修模式转化。针对突发事件下的列车运行过程，仅考虑安全紧急控制和晚点管控的方式已无法快速和有效的实现低风险的应急调度指挥。因此，应重点研究结合预防性维修、机会维修及失效维修策略在内的列车多部件维修优化方法，基于突发事件风险分析的列车群应急动态调度优化，是非常迫切和必要的。
铁路行业面临的安全难题如图1所示，随着铁路运营技术、装备、系统体系日益复杂和运营环境日益多变，铁路运营安全保障与风险防控也向系统化、体系化的方向发展，传统的事件和事故驱动的被动安全管理与经验驱动的风险管控模式及技术已无法满足安全保障需求，迫切需要构建基于风险辨识与有效管理的铁路运营主动安全保障的模式、理论、技术和系统装备新体系。新的模式和体系贯通铁路运营主动安全与风险防控理论、技术、装备和应用创新全链条，涉及到的基础理论、前沿技术、先进装备和运营模式非常丰富，需要一个理论实践相结合、产业链上下游贯通的重点实验室开展组织化、体系化的研究。但是，现有的国内外本领域的工程中心或者重点实验室尚未形成如此完善的组织结构，难以完成全新的铁路运营主动安全保障与风险防控新模式的设计与研究。因此，迫切需要构建铁路运营主动安全保障与风险防控实验室，着力解决铁路运营系统主动安全保障及风险防控领域的关键核心问题，在现有的风险辨识-分析-管控理论基础上，探索提出适用于我国铁路特点、具有普适性的铁路运行风险实时感知、风险预测分析和智能管控优化的一体化理论方法和技术手段，提升预防和控制列车运行风险的能力，为实现铁路系统主动安全保障提供坚实的理论基础和关键技术支撑，从而对保持我国在该领域的科技创新领先水平，具有重要的社会经济意义和工程价值。
因此，迫切需要建立铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室，在列车装备诊断预警与健康管理、列车运行过程风险评估和路网运营风险管控等研究方向进行原始创新和集成创新，实现关键核心技术自主可控，引领全球该领域理论与技术发展；建设国际一流的铁路主动安全保障研究实验平台，提供先进、完善的实验测试环境；形成产学研用一体化协同创新机制和创新生态，培养建立该领域国际一流的研究团队；建立具有行业凝聚力和影响力的一流国际学术交流机制，扩大国内外学术和技术影响力。通过以上“3个创新+3个一流”的建设目标实现，为建立和保持我国在该领域的技术领先地位提供创新能力和成果支撑。
图1：铁路行业面临的安全难题
3. 铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室运行管理机制
3.1实验室组织架构
实验室面向铁路行业安全应用基础理论和关键技术研究，以北京交通大学为依托单位，联合同济大学、中车四方、中车长客、京沪高铁以及北京希电等行业优势高校和企业，形成理论实践相结合、产业链上下游贯通的联合体，如图2所示。
图2：实验室联合体架构
实验室实行依托单位领导下、学术委员会监督下的主任负责制。实验室组织架构如图3所示。实验室设置3个研究方向，每个方向设方向带头人2名，均为本领域领军人才，主持研究方向的科学研究、人才培养和国际合作交流等工作，并对实验室管理具有建议权和监督权。
图3：实验室组织架构
3.2实验室内部规章制度建设
实验室在遵守国家和申报单位相关规章制度的前提下，根据实验室发展目标和发展需求，坚持“开放、流动、联合、竞争”的运行和管理原则，不断探索国家重点实验室的管理机制体制，在实验室科学研究、国际合作交流、人才培养、人员管理、实验室安全等方面，建立完善的实验室内部规章制度体系。实验室管理做到了有章可依，按章办事，保证了实验室管理工作的科学化、民主化、制度化、规范化。
3.3实验室合作研究机制
实验室对接铁路运营安全发展的重大需求，充分发挥重点实验室在基础理论和关键技术研究、人才和队伍建设的职责和优势作用，不断完善产学研合作机制，积极对接产业界，与企业形成多层次、深度、长期合作研究机制。企业参与实验室从研究方向确立、科学问题凝练、关键技术攻关、先进系统和装备研发、成果应用推广的全过程中。建立“联合开发、优势互补、风险共担、利益共享”的良性的共生体制。
4.铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室运行成效
目前，实验室团队在列车在途服役状态全息化智能感知、诊断和预警理论及关键技术方面，创建了基于安全域的列车关键部件智能故障诊断方法，解决了低信噪比信号增强、多元特征提取、复杂工况高精度故障诊断难题。攻克了列车关键设备隐患挖掘与基于状态的预测性维修决策优化技术。主要研制的系统装备部署于750列CRH380系列高速列车，广州/北京等地铁列车；出口马来西亚、南非、塞尔维亚等国的动车组与电力机车，典型隐患评估准确率达92%，使用寿命延长10%，运维成本降低25%。成果如图4所示。
图4列车在途服役状态全息化智能感知、诊断和预警理论及关键技术
在轨道交通系统全局安全行为管控一体化方法体系方面，创建提出了基于空天（无人机/卫星）车地一体化网络的铁路运行环境监测技术，提出了铁路突发事件影响分析与风险评估预测方法，构建了基于深度学习的乘客行为感知技术；形成了轨道交通系统安全监控大数据中心技术架构，搭建了面向全国铁路的铁路应急指挥决策支撑平台，北京广州等超大城市的轨道交通网应急处置指挥平台。该成果如图5所示。
图5轨道交通系统全局安全行为管控一体化方法体系
5.铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室发展规划
本实验室坚持需求牵引、问题聚焦的原则，主要围绕列车服役安全、列车运行安全以及风险管控三大技术挑战，解决三大科学问题，一是高速列车复杂工况下关键部件服役状态非线性、快速变化规律；二是复杂环境影响下铁路系统运行风险成因、相互作用关系及影响演化规律；三是突发事件成因与影响传播机理和应急处置资源配置与调控机制。
5.1列车服役状态全息化智能感知诊断与健康管理
在列车服役状态全息化智能感知诊断与健康管理方面，未来主要聚焦监控对象非平稳随机信号的盲源分析、特征选取与高维处理方法，获取对象服役状态的全过程有效信息表达，研究基于谱相关、熵相关的周期平稳随机监测数据的故障信号重建和早期微弱故障智能诊断方法，研究基于自适应随机过程预测与机器学习的设备性能退化预测预警分析方法，研究基于3D图像与深度学习的关键部件磨损与异常智能检测方法，研究提出高速列车系统健康指数及其预测分析算法，研究基于复杂耦合网络的高速列车系统多态网络可靠性模型及实时可靠性计算方法，研究基于模型与数据驱动的列车系统健康态势综合评估与预警方法。
5.2空天车地一体化列车运行环境风险感知与动态分析
在空天车地一体化列车运行环境风险感知与动态分析方面，未来研究聚焦于基于空天车地一体化的高铁工供电基础设施完好性检测技术，研究铁路沿线工供电基础设施全天候立体感知数据融合方法，研究基于深度学习的基础设施小目标缺陷智能识别模型，研究基础设施安全风险态势分析及预测预警方法，研究建立不同运行环境致灾要素作用下铁路运行动态风险分析评估模型，研究基于复杂网络理论的环境灾害作用下铁路系统风险生成和传播分析模型，研究基于“端-边-云”的铁路运行环境状态协同计算、跨尺度融合风险评估和协同决策方法。
5.3 大规模路网的铁路运行风险智能管控
在面向大规模路网的铁路运行风险智能管控方面，实验室将研究基于状态的列车单部件预测性维修方法，研究基于状态与相关性的多部件预防性机会维修集成策略优化模型，研究提出多部件在线维修优化快速求解算法，研究基于虚拟现实与数字孪生的维修决策支持技术，研究突发事件下列车运行风险影响分析模型，研究基于列车运行风险预测的突发事件下列车安全指挥调度模型，研究考虑突发情况的弹性列车群运行计划生成优化方法，研究大规模应急情况下区域路网列车群协同调度优化方法。
通过以上研究，实验室在未来五年将提出列车关键旋转部件服役状态高精准感知与诊断、列车系统健康评估与寿命预测、基于空车地一体化的铁路基础设施服役状态与周边环境检测、铁路路网安全脆弱性评估、考虑相关性的列车多部件预测性维修以及突发事件下列车应急调度动态优化等理论模型；在此基础上突破相关核心关键技术，研制形成列车关键部件早期故障诊断与全过程健康管理、空车地一体化的列车运行环境智能巡检、列车多部件预测性维修决策支持、突发事件影响下路网列车群运行风险评估与应急指挥调度等系统，构建出铁路运营主动安全保障与风险防控理论与技术体系装备。
6.结论
通过铁路运营主动安全保障与风险防控重点实验室的建设，将为我国铁路运营主动安全保障与风险防控提供理论、技术支撑体系和平台，在铁路运营风险的全息获取、辨识诊断、预测预警、在途安全保障、主动运维和高效应急处置等关键研究方向取得标志性原创成果，为新型铁路主动安全保障管理模式的建立和转换提供支撑。将为该领域建立一支稳定的产学研用协同、多学科交融、创新链完整的研发队伍，在铁路主动安全保障领域产生了广泛而重要的影响，培养大批优秀科研人员和工程技术人才，为保持我国在该领域的持续创新和国际领先奠定了以人才为核心的创新能力基础。将融入并支撑建立该领域的全球科技创新网络，掌握全球科技竞争先机，抢占全球铁路科技创新战略制高点，提高该领域我国铁路科技创新的全球化水平和国际影响力。
