凌景文

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 研究背景

2019年，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》[1]，要求大力發(fā)展智慧交通，推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合；推進數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，構(gòu)建泛在先進的交通信息基礎(chǔ)設(shè)施；構(gòu)建綜合交通大數(shù)據(jù)中心體系，深化交通公共服務(wù)和電子政務(wù)發(fā)展。

2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會（以下簡稱“中城協(xié)”）發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[2]，指出智慧城軌建設(shè)的重要性。實現(xiàn)智慧城軌建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)是“兩步走”的過程：2025年中國式智慧城軌特色基本形成，躋身世界先進智慧城軌國家行列；2035年進入世界先進智慧城軌國家前列，中國式智慧城軌乘勢領(lǐng)跑發(fā)展潮流。

我國軌道交通行業(yè)關(guān)于智慧地鐵的研究和實踐近年來進入快速發(fā)展的階段。上海[3]、廣州[4]、青島[5]、北京等地開展了全面和深入的研究工作。

2020年7月，長沙市人民政府下發(fā)《長沙市推進新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年（2020—2022年）行動計劃》[6]，提出到2022年，全市基本構(gòu)建高速、移動、泛在、安全的新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)全面融入城市生產(chǎn)生活。

長沙地鐵遠(yuǎn)景規(guī)劃14條普線與4條快線，線網(wǎng)總規(guī)模為 890 km ，打造“環(huán)+放射”、三橫一縱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。截至2021年，長沙地鐵運營線路6條，運營里程 161 km，如圖1所示。2020年日均客運量為121.15萬人次。2021年5月1日長沙地鐵創(chuàng)造了285.12萬人次的客運量記錄，客流強度達(dá)到1.99萬人次/km（不含磁?。?，在全國排名第一。隨著客運量的增加，智慧地鐵的建設(shè)及應(yīng)用也日趨重要。針對智慧地鐵的研究能有效推動地鐵向更高層次發(fā)展。

圖1 長沙地鐵運營線路示意圖

2 規(guī)劃目標(biāo)

長沙智慧地鐵規(guī)劃遵循“包容、可靠、超前、可持續(xù)發(fā)展”理念，打造切合長沙地鐵主營業(yè)務(wù)和集團企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略，接軌國家政策導(dǎo)向及行業(yè)技術(shù)動向，依托云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術(shù)，集數(shù)據(jù)感知、綜合管控、應(yīng)急響應(yīng)、人性化服務(wù)于一體，具備安全性、實用性、便捷性、經(jīng)濟性和可擴展性的智慧地鐵生態(tài)。長沙智慧地鐵按近、中、遠(yuǎn)3期實施。各階段的標(biāo)志與具體任務(wù)如下。

近期（2020年—2025年）：該階段以建成2號線西延2期、6號線1期（含線網(wǎng)指揮中心NCC）、7號線1期等一批示范性工程為標(biāo)志，完成長沙地鐵第3輪建設(shè)規(guī)劃所有線路有關(guān)智慧城軌應(yīng)用的項目實施和經(jīng)驗總結(jié)。主要目標(biāo)為建成城軌云與大數(shù)據(jù)中心、智慧車站典型示范車站，實現(xiàn)較為完整的智慧業(yè)務(wù)體系功能，形成成熟的具有長沙特色的智慧地鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)中城協(xié)2025年智慧城軌目標(biāo)。

中期（2025年—2035年）：該階段以建成2035年長沙地鐵線網(wǎng)為標(biāo)志，基本完成以長沙特色智慧地鐵為標(biāo)準(zhǔn)的長沙地鐵建設(shè)和運營，達(dá)到世界先進智慧城軌水平，實現(xiàn)中城協(xié)2035年智慧城軌目標(biāo)。

遠(yuǎn)期（2035年—2050年）：該階段智慧地鐵向更高層次迭代、演進，人工智能普遍應(yīng)用于智慧業(yè)務(wù)體系并趨于成熟，全面實現(xiàn)長沙地鐵的智慧建設(shè)、智慧運營、智慧企管、智慧經(jīng)營。

3 總體規(guī)劃

長沙地鐵總體上按照“構(gòu)筑1個平臺、搭建3層架構(gòu)、立足4大業(yè)務(wù)、圍繞8個體系”的要求編制長沙智慧地鐵建設(shè)藍(lán)圖，如圖2所示。

圖2 長沙智慧地鐵建設(shè)藍(lán)圖

（1）構(gòu)筑1個平臺。建設(shè)云計算與大數(shù)據(jù)平臺，為長沙智慧地鐵提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）的相關(guān)服務(wù)。

（2）搭建3層架構(gòu)。按照“感知層-平臺層-業(yè)務(wù)層”搭建長沙智慧地鐵整體框架。

（3）立足4大業(yè)務(wù)。服務(wù)于長沙智慧地鐵建設(shè)管理、運營維護管理、企業(yè)管理、經(jīng)營管理等4大區(qū)塊的管理需求

（4）圍繞8個體系。聚焦于智能車站管控客服、智能運輸組織、智能列車運行、智能運維系統(tǒng)、智能技術(shù)裝備、智能能源系統(tǒng)、智能基礎(chǔ)設(shè)施管理、智慧網(wǎng)絡(luò)管理，具體部署智慧應(yīng)用的落地實施。

接下來，本文將分別從城軌云與大數(shù)據(jù)平臺和上述8個體系的角度具體探討智慧地鐵的規(guī)劃及實施方案。

3.1 城軌云與大數(shù)據(jù)平臺

長沙市智慧地鐵應(yīng)用系統(tǒng)分為線網(wǎng)運營及應(yīng)急救援指揮中心（以下簡稱“線網(wǎng)指揮中心”）、線路運營控制中心、車站/場/段3級業(yè)務(wù)，中心云平臺、站/場/段云節(jié)點2級網(wǎng)絡(luò)。城軌云與大數(shù)據(jù)平臺為以上各應(yīng)用系統(tǒng)提供IaaS、PaaS、SaaS服務(wù)，平臺架構(gòu)如圖3所示。

圖3 城軌云與大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)

長沙市智慧地鐵與建設(shè)管理、運營維護管理、企業(yè)管理、經(jīng)營管理相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)均由城軌云與大數(shù)據(jù)平臺提供IaaS服務(wù)[7]。各應(yīng)用系統(tǒng)線網(wǎng)指揮中心/線路運營控制中心級服務(wù)器可通過云平臺虛擬化部署在云計算資源池中。車站級采用設(shè)置云節(jié)點設(shè)備的方案，即重要應(yīng)用系統(tǒng)在車站級部署硬件資源，作為車站降級處理使用。操作層采用瘦終端及云桌面。

云計算與大數(shù)據(jù)平臺可分系統(tǒng)、分階段地為各應(yīng)用系統(tǒng)提供SaaS服務(wù)，當(dāng)?shù)罔F企業(yè)數(shù)據(jù)中心階段性建設(shè)完成后可在PaaS層基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)。

3.2 智慧車站管控客服

智慧車站管控客服由綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）、乘客信息系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)和智能客服系統(tǒng)5部分組成。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行功能的擴展和迭代，并分別與融入了智慧地鐵應(yīng)用的AFC系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)以及智能客服系統(tǒng)接口，實現(xiàn)智慧車站運營管理、設(shè)備管理和乘客服務(wù)的數(shù)字化、自動化、智能化和系統(tǒng)集成。

3.3 智能運輸組織

長沙地鐵已開始建設(shè)線網(wǎng)運營指揮中心系統(tǒng)，設(shè)置在新建的杜花路第二控制中心（NCC）。線網(wǎng)運營指揮中心系統(tǒng)的功能主要定位為線網(wǎng)運營數(shù)據(jù)中心、線網(wǎng)行車調(diào)度指揮中心、線網(wǎng)電力調(diào)度管理中心、線網(wǎng)機電設(shè)備調(diào)度中心、線網(wǎng)運營消防與安防中心、線網(wǎng)運營信息發(fā)布中心、線網(wǎng)應(yīng)急處置中心、線網(wǎng)對外協(xié)同中心。構(gòu)建互聯(lián)互通及跨線運營基礎(chǔ)平臺，設(shè)置線網(wǎng)級行車調(diào)度系統(tǒng)和運行圖編制工具，對整個線網(wǎng)的運營進行實時監(jiān)督、計劃和組織，并對不同線路間的跨線運營進行協(xié)調(diào)。各單條線路內(nèi)的運營組織和信號控制由各線自動列車監(jiān)控系統(tǒng) （ATS 系統(tǒng)）自行完成。

智能運輸組織可輔助決策。線網(wǎng)級行車調(diào)度系統(tǒng)可搭載運輸組織輔助決策功能，通過智能車輛和智慧綜合監(jiān)控系統(tǒng)等途徑獲取車輛客流密度數(shù)據(jù)；車站站廳、站臺及出入口客流量數(shù)據(jù)等信息可用于自動判斷線路運力與客流匹配程度。當(dāng)預(yù)測到突發(fā)大客流的情況時，系統(tǒng)可自動提出調(diào)整策略和優(yōu)化建議，生成一條或多條行車運行線路，供調(diào)度員選擇，輔助調(diào)度員進行臨時加車、減車、跳停、交路調(diào)整等操作。

3.4 智能列車運行

長沙市智慧地鐵將逐步采用全自動運行。國內(nèi)全自動運行線路開通的經(jīng)驗也在不斷積累，可以提供豐富的技術(shù)參照。全自動運行的關(guān)鍵技術(shù)，如列車控制技術(shù)、監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)動技術(shù)、故障處理技術(shù)、乘客監(jiān)督和管理技術(shù)、信息顯示和診斷輔助等在國內(nèi)均已有成功應(yīng)用的案例，并在不斷完善之中。信號、車輛、綜合監(jiān)控、通信等系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)情況均具備實現(xiàn)全自動運行的條件；因此，長沙市地鐵建設(shè)全自動運行系統(tǒng)的條件已經(jīng)具備，時機已經(jīng)成熟，可針對相關(guān)線路開展全自動運行應(yīng)用。

智能列車運行還可實現(xiàn)車輛段、停車場自動化管理，構(gòu)建車輛段調(diào)度指揮中心（DCC）綜合顯示系統(tǒng)、無人區(qū)安全防護系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、車輛維保管理系統(tǒng)和車輛運用管理系統(tǒng)。

3.5 智能運維系統(tǒng)

智能運維主要目標(biāo)是實現(xiàn)地鐵關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的故障自診斷、遠(yuǎn)程集中監(jiān)測、檢修維護支持、專家系統(tǒng)綜合決策、故障預(yù)測、健康管理等功能。智能運維系統(tǒng)由各專業(yè)系統(tǒng)智能運維系統(tǒng)組成，應(yīng)從線網(wǎng)級進行規(guī)劃，按照線網(wǎng)級的車站設(shè)備智能運維系統(tǒng)、車輛智能運維系統(tǒng)、信號智能運維系統(tǒng)、供電智能運維系統(tǒng)、軌道智能運維系統(tǒng)和隧道智能運維系統(tǒng)分別建設(shè)實施，在此基礎(chǔ)上進一步建設(shè)智慧地鐵綜合運維平臺。

3.6 智能技術(shù)裝備

實現(xiàn)智能車輛的重點體現(xiàn)在車輛標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)型化，以及車輛綜合信息承載網(wǎng)、車輛信息及控制集成平臺、車輛運行健康管理系統(tǒng)、客室智能調(diào)控系統(tǒng)、司機行為分析及狀態(tài)分析、客流密度檢測系統(tǒng)、軌行區(qū)（軌道、限界）障礙物檢測裝置、虛擬連掛編組技術(shù)等方面。

實現(xiàn)智能通信的重點體現(xiàn)在傳輸技術(shù)的智能化，具體表現(xiàn)為基于5G傳輸?shù)能囌局悄馨矙z，以及基于5G網(wǎng)絡(luò)的車輛段/停車場大容量車載視頻轉(zhuǎn)儲、車站室內(nèi)定位及導(dǎo)航、列車運行數(shù)據(jù)和高清視頻傳輸?shù)葓鼍皯?yīng)用。

3.7 智能能源系統(tǒng)

智能能源系統(tǒng)涵蓋智能供電和通風(fēng)空調(diào)2大系統(tǒng)。

智慧地鐵智能供電系統(tǒng)主要包括新型檢測系統(tǒng)及裝置（如接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)、接觸網(wǎng)剛性懸掛機器人系統(tǒng)、變電所機器人巡檢系統(tǒng)、場段智能單導(dǎo)系統(tǒng)等）、牽引供電智能輔助管理系統(tǒng)、故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)（PHM）、變電所綜合自動化系統(tǒng)、智能直流照明配電系統(tǒng)等。建設(shè)目標(biāo)是打造全壽命周期節(jié)能控制系統(tǒng)，相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)示意圖如圖4所示。

圖4 智能供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)路線圖

智能通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制系統(tǒng)為核心。風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)車站運營模式、車站環(huán)境控制要求、傳感器及流量計等輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合節(jié)能控制優(yōu)化策略和算法，實現(xiàn)對車站空調(diào)水系統(tǒng)、通風(fēng)大系統(tǒng)的智能、節(jié)能運行控制。風(fēng)水聯(lián)動節(jié)能控制系統(tǒng)將風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)納入同一控制系統(tǒng)中進行統(tǒng)籌考慮，使制冷站的供冷能力與末端冷量需求相匹配，充分挖掘通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

3.8 智能基礎(chǔ)設(shè)施管理

智能基礎(chǔ)設(shè)施管理包括構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施建筑信息模型（BIM）智能管理系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施 BIM 智能運維系統(tǒng)2 大系統(tǒng)[8]。

基礎(chǔ)設(shè)施BIM智能管理系統(tǒng)主要目標(biāo)是實現(xiàn)基于BIM的智慧設(shè)計[9]、基于BIM的智慧建造[10]、BIM + GIS（地理信息系統(tǒng)）（案例如圖5所示）、BIM +進度管理、BIM +成本中心、BIM +物聯(lián)網(wǎng)、BIM +遠(yuǎn)程監(jiān)控和BIM +三維建造智慧驗收等應(yīng)用場景，總體架構(gòu)如圖6所示。

圖5 BIM+GIS在長沙地鐵2號線西延二期的應(yīng)用

圖6 智能基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)圖

基礎(chǔ)設(shè)施 BIM 智能運維系統(tǒng)主要目標(biāo)是實現(xiàn)在 BIM 模型基礎(chǔ)上對人、機、物（土建結(jié)構(gòu)）進行大數(shù)據(jù)采集，通過移動互聯(lián)，進行實現(xiàn)智慧運維。

3.9 智能網(wǎng)絡(luò)管理

長沙智慧地鐵智慧網(wǎng)絡(luò)管理主要按照智能建設(shè)網(wǎng)絡(luò)管理、智能企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理和智能資源開發(fā)管理進行規(guī)劃。

長沙軌道集團為加強在“工程建設(shè)、運營管理、經(jīng)營管理、企業(yè)管理”方面的信息化建設(shè)，已于 2018 年開始建設(shè)“長沙市軌道交通信息管理系統(tǒng)”，構(gòu)筑長沙軌道集團信息化體系架構(gòu)，提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、運維服務(wù)和安全服務(wù)。

信息化體系建設(shè)實體架構(gòu)[11]由“四橫三縱”組成?！八臋M”為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺服務(wù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層；“三縱”為能力主體、云管理體系、云保障體系。長沙軌道集團在工程建設(shè)、運營管理、經(jīng)營管理、企業(yè)管理等方面進行統(tǒng)籌規(guī)劃，以達(dá)成合理建設(shè)、高效工作、精準(zhǔn)管理、科學(xué)決策的目標(biāo)，最終實現(xiàn)信息化建設(shè)全面涵蓋企業(yè)業(yè)務(wù)，有效支撐企業(yè)一體化管理。

4 結(jié)語

智慧地鐵建設(shè)可以改善乘客出行體驗，提高地鐵科技感，同時可為地鐵運營提供更為智能的車站客服管控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)和運輸組織決策系統(tǒng)，實現(xiàn)列車智能運行，提升運維系統(tǒng)的智能化程度，融入更多的智能技術(shù)裝備，提高節(jié)能效率，提升網(wǎng)絡(luò)安全管理效果和整體智慧水平。智慧地鐵的建設(shè)還能實現(xiàn)較為完整的智慧業(yè)務(wù)體系功能，打造長沙特色的智慧地鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，更好地指導(dǎo)智慧地鐵的建設(shè)，實現(xiàn)智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，支持智慧城市的建設(shè)。