铁路数字化中台总体架构与应用模式研究

Overall Architecture and Application Mode of Railway Digital Middle Platform

摘要

中台作为企业数字化的重要组成，具有衔接前台与后台、匹配需求速差、打通数据链路、沉淀业务知识等价值。在阐述中台起源与发展、铁路业务特点、铁路信息化发展现状与问题的基础上，分析了建设铁路数字化中台的必要性，阐述了铁路数字化中台的建设目标与核心能力应聚焦促进部门间、专业间和系统间的互联互通与协同协作。研究基于中台理念，融合主流信息技术，结合铁路业务需求，提出铁路数字化中台总体架构，设计“四站、三中心、一平台”，可提供业务要素互联、专业知识沉淀、信息传输流通、数据资源开发、信息技术整合与自适应可组合等功能。最后提出铁路数字化中台建设策略和重点任务，以期推动中台落地实施并为促进铁路信息化建设与铁路数字化转型提供参考。

Abstract

As an important element of enterprise digitalization, the middle platform has the values of connecting the foreground and background, matching demand speed differentials, opening up data links, and precipitating business knowledge. On the basis of introducing the origin and development of the middle platform, the characteristics of railway business, and the current situations and problems of railway informatization, this study analyzed the necessity of building a railway digital middle platform and discussed that the construction goals and core capabilities of the platform should be focused on promoting interconnection and collaboration between departments, specialties, and systems. Based on the middle platform concept, the study integrated mainstream information technology and railway business needs, finally putting forward the overall architecture of the railway digital middle platform which could be concluded as the design of "four stations, three centers, and one platform". This architecture could provide functions such as business elements interconnection, professional knowledge precipitation, information transmission and circulation, data resource development, information technology integration, and adaptive combination. Finally, the construction strategy and key tasks of the railway digital middle platform were proposed to promote the implementation of the middle platform and provide a reference for promoting the informatization construction and digital transformation of railways.

Graphical abstract

关键词

铁路信息化 / 数字化转型 / 中台 / 总体架构 / 泛在互联 / 烟囱式 / 信息孤岛

Key words

Railway Informatization / Digital Transformation / Middle Platform / Overall Architecture / Ubiquitous Interconnection / Chimney Type / Information Island

当今世界，信息技术创新日新月异，数字化、网络化、智能化深入发展，对于企业提升效益效率、促进业务创新、提高竞争活力的作用日益凸显，数字化转型已经成为企业发展的强劲动力。在“数字中国”“互联网+”等国家战略部署背景下，企业数字化转型进入新阶段。作为企业数字化进程的关键组件，中台能够实现市场需求变化与企业供给能力的“速差匹配”，可促进企业前台与后台有机融合，已成为企业提质增效、创新赋能的新型基础设施。互联网企业、电子政务、智慧城市、金融、电力等行业企业率先开展了各自领域的中台建设，获得了巨大收益，有力地提升了运营管理效率与效益。中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)在《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》中提出，构建铁路业务中台和数据中台以推动落实建设铁路现代化信息基础设施的战略部署，铁路中台建设已提上日程。但是，中台不是信息设施设备的堆砌集成，也不是拿来主义的照抄照搬，而是需要与企业的业务特性和管理模式深度融合，经过持续打磨与优化，才能构建出可以真正为企业发展助力赋能的中台。为此，当前迫切需要明确铁路需要什么样的中台、怎样建设铁路中台、铁路如何应用中台等关键问题。

1　中台概述

1.1　中台的起源与发展

传统信息化建设模式中，企业通常根据业务线、产品线或者组织结构安排不同的项目组和开发团队，采用相对独立的架构体系，开发和运维各自领域的应用系统。采用这种方式建成的应用系统功能全面、数据详尽，但应用系统间彼此孤立，数据不分享、业务难衔接，形成了一个个“烟囱系统”和“数据孤岛”^[1]。日积月累，企业终将面对并着手解决这种建设方式所带来的弊端，例如系统集成代价高昂、重复建设投资浪费、数据知识难以共享、交互协作复杂困难等问题。

为破解以上难题，阿里巴巴集团控股有限公司在2015年率先提出了中台概念并获得巨大的成功，之后各大互联网企业纷纷发布中台战略，其他企业公司也纷纷效仿跟进，到2018年中台概念被推向了高潮。起初，各企业重点关注数据中台、技术中台和业务中台，之后随着技术进步，有的企业又提出了AI中台、算法中台、研发中台、组织中台、营销中台、供应链中台等。中台已由一类技术产品或基础设施，逐渐上升为企业的运营理念或经营策略^[2]。

1.2　中台的作用与价值

互联网企业倡导中台，重点是解决市场细分后，如何减少IT基础设施和应用系统的重复建设与重复投资^[3]，如何将分散在不同领域的客户、商铺与成千上万的产品建立紧密联系^[4]，以及如何整合上下游产业链、打造具有高度灵敏性和适应性的企业生态^[5-6]等问题。制造业企业建设中台，旨在打通市场营销、产品设计、原料采购、工艺路线、运输供给、库存仓储、经营管理等各环节，支撑企业能够随时响应市场需求，应对不确定性，保持鲜活的竞争力^[7]。金融业企业积极实践中台，目标是打破“数据孤岛”，开采业务中蕴含的“数字石油”，沉淀可复用的核心数字资产，降低运营成本，提升内部运作效率，形成智能化创新产品及解决方案，在激烈的金融市场中打造差异化竞争优势^[8-9]。军事领域通过建设中台，着力解决数据标准化、信息安全以及数据在各层级间融合互通与协同协作等问题^[10]。电网企业期望通过构建中台，对内可提供决策分析和精益管理，对外可开放共享和拓展业务，全面提升电网企业产业链价值^[11]。

中台之所以获得快速接受和普遍认可，源于中台能够为企业提供打通前台与后台、匹配前后业务速差、打通数据全链路、沉淀通用共性业务等价值与作用。中台作用与价值示意图如图1所示。

中台对企业的赋能效果非常明显，但要想构建符合企业要求、能够切实发挥效益的中台，必须依据企业自身的特点，制定适配的架构策略，采取科学的实施方案，才能少走弯路、避免失败。

2　铁路业务特点与信息化发展现状

2.1　铁路业务特点

铁路实行三级管理体制(国铁集团、铁路局集团公司和运输站段)，并设置运输、客运、货运、调度等专业管理部门，在国铁集团统一领导下开展铁路生产运营工作。从客户提出运输需求，到最终完成运输任务，铁路各部门按照既定的规章制度体系与协作沟通机制共同完成运输经营任务，每项任务被分解为若干步骤，每一步均有严格的前置条件、操作流程以及统计考核等规定，融合形成庞大、复杂、严谨的一体化生产经营机制与专业化运营管理模式。

2.2　铁路信息化发展现状

铁路业务特点决定了铁路信息化的发展方向。经过多年建设发展，铁路首座现代化数据中心建成投产，战略决策、经营开发、运输生产、资源管理、建设管理、综合协同6大业务领域应用系统基本建成，实现对铁路主要业务场景的全覆盖，有效提升了铁路运营、服务与管理水平。但是“孤岛”和“烟囱”问题依然存在。为此，部分铁路业务部门利用平台化技术建设本专业领域的平台级系统，以提高信息共享与交互协作能力。例如，客运部门基于中台框架提升了京张高速铁路(北京北—张家口)客运集中管控平台智能化水平^[12]；货运部门建立了一体化技术平台实现铁路与港口、公路和船舶信息对接^[13]；调度部门采用“大平台+微服务”新模式支撑智能综合调度^[14]；工务部门通过建设高速铁路灾害监测大数据分析系统为相关专业提供灾害监测数据服务^[15]。以上平台和系统基本实现了专业部门内部或局部领域信息互联互通，但仍无法满足铁路整体信息互联互通需求。为此，借鉴其他行业与企业经验，有必要加快建设国铁集团级铁路数字化中台。

3　铁路数字化中台总体技术方案

3.1　规划定位

国铁集团《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》优化了铁路集成服务平台总体架构，增加了业务中台和技术中台，分别提供共性业务类服务和通用技术类服务。铁路集成服务平台总体架构如图2所示。

根据集成服务平台总体架构，两大中台以及大数据与人工智能平台等专业平台的服务目标与服务内容各不相同，但总体目标均是为业务应用系统提供通用技术支持。为此，通过取长补短、优势互补，整合优化各中台与专业平台的服务与功能，将有助于进一步提升中台与专业平台的技术支撑能力。铁路数字化中台是对国铁集团《“十四五”铁路网络安全和信息化规划》的进一步细化，定位为通过融合各中台与专业平台服务与功能，为业务应用系统提供要素互联、知识沉淀、信息传输等通用技术服务。铁路数字化中台规划定位如图3所示。

3.2　建设目标

铁路数字化中台聚焦部门间、专业间和系统间的协同协作以及企业全局的分析决策、统筹优化等应用场景，以连接生产要素、打通数据链路、推动信息流通、衔接作业流程为目标，融合业务需求与中台理念，整合软件架构、应用开发、大数据、人工智能、移动、5G、北斗等信息技术，沉淀业务知识经验，创新技术产品服务，为铁路应用系统间纵向贯通、横向连接、内外协作提供解决方案与通用技术底座，推动构建敏捷高效且平稳有序的前台、中台与后台运行机制，助力铁路数字化转型。

3.3　核心能力

根据规划定位和建设目标，铁路数字化中台需要打造6项核心能力。

（1）业务要素互联。业务协同协作的前提是全要素互联互通，需要从业务、数据和技术3个层面入手。业务层面，面向业务需求剖析要素结构，梳理逻辑关系，优化衔接流程，破解业务壁垒；数据层面，面向业务协作建立数据共享模型，破解数据孤岛难题；技术层面，充分利用云资源，纵向延伸至铁路站段与沿线，实现云边端一体化，助力铁路生产要素万物互联。

（2）专业知识沉淀。铁路各级各类应用系统在各自的业务领域积累了大量的模型、算法与服务，通过提炼和沉淀这些内容，并按照业务场景、应用任务、岗位用户等需求，提供适配的知识服务，将极大地提升铁路业务整体效率与质量。

（3）信息传输流通。在万物互联的基础上，构建虚拟信息传输流通机制，提供信息订阅、传输、分发、筛选、追踪等服务，及时、准确、完整地将信息传输到信息需求方，让信息持续不断地流动起来，以充分发挥信息的时效性和共享性，提高信息的价值与作用。

（4）数据资源开发。根据业务协同协作、打通数据链路等要求，融合大数据、人工智能、机器学习、多维存储等技术以及建模、算法、可视化等方法，提供按需选用、随用随取的数据开发环境，降低技术门槛、提高开发效率。

（5）信息技术整合。采用靠前服务和一事一方案理念，整合多种软件架构与开发技术，主动适配前后台技术要求，选取最佳技术路线，最小化技术侵入，提升服务支持水平。

（6）自适应可组合。部分铁路内部部门已建立了类中台系统，在本业务领域内基本实现协同协作。铁路数字化中台不是要替代这些类中台系统，而是通过制定接口协议，连接组合这些类中台系统，复用既有成果，形成合力，共同推进跨部门、跨专业协同协作。

3.4　总体架构

按照铁路数字化中台的建设目标与六大核心能力要求，基于中国铁路主数据中心与国铁云，提出了铁路数字化中台“四站、三中心、一平台”的总体架构。铁路数字化中台总体架构如图4所示。

“四站”负责提供中台核心能力所需的各种技术服务。应用开发服务站和数据开发服务站分别提供常用开发技术、工具、项目管理与运行测试环境；业务知识服务站是铁路数字化中台的大脑，提供业务知识分析、转化、建模等服务；组合适配服务站通过连接既有业务应用系统、类中台系统和路外系统，扩展互联互通范围，提升交互协作能力，成为业务衔接的纽带和桥梁。

“三中心”包括信息流通中心、数据加工中心和业务调度中心。信息流通中心突破树形层层传递模式，形成扁平化直连互通模式，按照信息特性与规则，及时、准确、完整、安全地将信息从提供方送达接收方；数据加工中心根据业务特点，基于“四站”提供的技术服务与业务知识，开展数据校核、补强、标签标注、图谱分析等工作，提高共享数据质量；业务调度中心为业务协同协作提供服务目录、服务编排、服务网关、流程策略配置服务，并提供运行监控、资源调度与过程审计等管理服务。

“一平台”整合“四站”和“三中心”服务，面向业务应用系统，提供跨部门、跨专业服务查询、流程定制、用户权限、状态监控等服务，并提供中台门户、应用示范等功能。

4　铁路数字化中台的应用模式与建设策略

4.1　应用模式

铁路数字化中台为业务系统提供3种应用模式。

（1）委托模式。业务系统无须自建专业平台或中台，可基于“四站”构建符合业务需要的服务，并将服务的部署、运行、维护与监控以及应用系统间的服务接口与数据交互全部交由铁路数字化中台负责，业务开发人员可专注于业务服务的构建与优化，减少对技术研发与运行维护等方面的资源投入。

（2）租户模式。铁路数字化中台基于技术中台构建，可以租户方式为业务系统提供所需的运行环境与技术服务。业务系统可利用这些资源以自定义的方式构建业务平台或服务平台，不用关心底层资源的建设、运维与安全等复杂工作。该模式具有较高的灵活性、自主性和适应性。

（3）协同模式。组织适配服务站具有服务协议与数据格式自适应转换、服务链路贯通与运行监控、服务鉴权授权与访问控制等功能，无需服务供需双方对接适配，即可实现服务连接与数据共享。此外，组合适配服务站还具备服务路由编排、服务调度管理等功能，支持自定义多服务组合衔接功能。基于组合适配服务站，铁路数字化中台可将各应用系统、专业平台与中台有机融合，在尽可能减少技术侵入的同时，最大程度地实现系统连接、要素互联与服务共享。

4.2　建设策略

铁路数字化中台是“一把手工程”，应遵循顶层规划与指导，采用自底向上逐层设计、研发、实施的建设策略，重点开展以下3项任务。

（1）破解“部门级”思维。“部门级”思维的根源在于部门间专业知识垄断与信息权力保护，牵涉到数据资产确权确责、数据使用、信息安全等问题。为更好地支持铁路数字化中台建设，应建立健全全局协作共享、创新容错机制，明确各协同业务的牵头部门与配合单位，落实主体责任，强化奖惩措施，为提升跨部门业务协作积极性、发挥数字中台技术优势奠定基础。

（2）构建“泛在互联”网络。泛在互联的本质是业务数字化，表现为业务要素全领域、全方位、全链条、多视角的互联互通，实现的前提是四通八达的物理网络和内容清晰的知识网络。为此，应充分利用物联网、5G、北斗等新兴技术，扩大数据采集范围，提高传输效率，促进万物互联。

（3）提高数据“鲜度和丰度”。基于已积累的海量数据，铁路应扩展数据维度，建立容错补强机制，提高数据的准确性、完整性和及时性，为跨部门业务的顺畅流转与有机衔接提供数据支撑。

为保证以上任务顺利推进，还应加强相关标准规范与人才队伍建设。

5　结束语

铁路数字化中台基于铁路全局视角与业务特点，综合中台设计理念与应用实践，整合多种信息技术，提出“四站、三中心、一平台”的总体架构，构建具有业务要素互联、专业知识沉淀、信息传输流通、数据资源开发、信息技术整合与自适应可组合六大能力的铁路中台，提供委托、租户和协同3种应用模式，以期打通流程断点与信息壁垒，为铁路跨部门、跨专业互联互通与交互协作提供技术支撑。铁路数字化中台的建设并非一蹴而就，也不是一劳永逸，需要持续跟进铁路业务发展要求与信息技术演进，不断优化架构、细化功能、提升能力。鉴于建设工作刚刚起步，铁路数字化中台还需要在更多复杂的业务场景中探索验证、优化完善，才能真正为铁路数字化转型提供有力支撑。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(K2022G018)