上海智慧地鐵的研究與實踐

劉純潔

（上海申通地鐵集團有限公司，201103，上海∥總工程師）

隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能等技術的飛速發展，人類迎來了第五次工業革命，同時也為智慧地鐵的發展插上了騰飛的翅膀。近年來，我國的城市軌道交通智慧化應用正處于不斷探索、創新的過程中，掃碼過閘、生物識別、移動互聯網等技術的應用在為乘客帶來了全新乘車體驗的同時，也提升了運營管理、維護管理的質量與效率。

上海地鐵在轉型發展中積極推動“智慧地鐵”的建設，主動適應城市軌道交通工程建設規模化、融資方式多樣化、線網布局網絡化、運輸制式多元化、運營方式智能化、支撐技術信息化等發展新態勢，實現資源整合、模式創新、效能優化，以進一步提升服務水平，助力上海城市軌道交通快速發展。

1 研究背景

1.1 科技創新強國

創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐。國家要求要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果的重大突破。因此，加強應用基礎研究，拓展實施國家重大科技項目，突出關鍵共性技術、前沿引領技術、現代工程技術、顛覆性技術的創新，可為建設科技強國、質量強國、航天強國、網絡強國、交通強國、數字強國、智慧社會提供有力支撐。

由此可見，實施科技創新是我國下一階段發展的重大戰略。軌道交通作為大城市交通的核心力量，為配合在國家層面大力推進并支持科技創新，可以通過智能化、智慧化的創新應用帶來新的發展。

1.2 智慧城市與智慧交通

智慧城市是“互聯網+”下的城市發展新趨勢。智慧交通是智慧城市的重要構成，在極大提高交通運輸效率、保障交通安全和改善交通環境的同時，更能提高資源的利用效率。國家中長期科學和技術發展規劃綱要對交通運輸智能化提出了以下要求：“以提供順暢、便捷的人性化交通運輸服務為核心，加強統籌規劃，發展交通系統信息化和智能化技術、安全高速的交通運輸技術，提高運網能力和運輸效率，實現交通信息共享和各種交通方式的有效銜接，提升交通運營管理的技術水平，發展綜合交通運輸。”

地鐵在城市交通中扮演著越來越重要的角色，地鐵的智慧化程度與服務水平將直接影響智慧交通的能力，為此，應從支撐智慧城市、智慧交通的層面，大力推動智慧地鐵的建設與創新。

1.3 上海城市軌道交通現狀

上海有著我國規模最大的城市軌道交通網絡。如圖1所示，截至2018年底，上海城市軌道交通全網絡運營線路總長達到705 km（含磁浮線29 km），車站數增至415座，換乘車站增至57座。2017年，上海城市軌道交通的線路運營長度已位居世界第一，全年客流量20.38億人次，位居世界第三。

隨著城市軌道交通線網的不斷擴展和延伸，客流的壓力也逐漸激增。上海城市軌道交通的公共交通出行占比從2000年的5%不斷增長到2018年底的63.4%（不計出租車的出行量）。目前，上海城市軌道交通網絡日均客流量已超過了1 000萬人次。2019年3月8日，單日最高客流量達到了1 329.4萬人次。軌道交通已經成為了上海市民、游客出行首選的公共交通工具。

近年來，全自動運行、掃碼過閘、基于建筑信息模型（BIM）的建設管理平臺，以及上海軌道交通網絡運營調度指揮大樓、上海軌道交通行業數據中心等項目的陸續建設與投用，為上海軌道交通超大規模網絡運營管理提供了新的途徑［1］。上海城市軌道交通需要抓緊智慧城市的發展機遇，在智慧城市、智慧交通的大框架下，發展好智慧地鐵，通過質量引領來保持行業先行優勢。

圖1 上海城市軌道交通運營里程、日均客流量及公共交通占比發展情況

2 智慧地鐵的定義

智慧地鐵已受到軌道交通業界的高度關注。業內在對智慧地鐵的不斷探索實踐中，逐步完善了對智慧地鐵的全面認知。智慧地鐵是以保障地鐵全局安全、提高運輸效率、改善經營效益和提升服務質量為目標，采用物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術，提升全息感知、實時分析、科學決策和精準執行的能力，打造業務智能聯動、配置智慧資源的地鐵運輸及服務系統。

上海地鐵經過多年的研究與實踐，總結提煉出用“SMART”來注釋智慧地鐵的基本特征。

（1）S——狀態感知（State perception）：通過應用智能傳感、視頻分析等智能感知技術，實現對軌道交通全生命周期內的各類設施設備、環境、客流、工作人員等對象的群體智能主動感知與發現。

（2）M——數據管控（Data management）：匯聚軌道交通內各類實時數據、靜態數據、業務執行數據等，對數據進行抽取、清洗、加載等處理，實現智慧地鐵的業務全數字化。

（3）A——自動診斷（Automatic analysis）：應用大數據智能分析與決策技術、多源異構數據融合、設備健康診斷等手段，對地鐵運行數據進行深度分析挖掘，為地鐵建設、運營、維保等提供科學決策依據。

（4）R——業務閉環（Route loop）：通過大數據智能分析診斷的結果，實現軌道交通各類事務性作業及管理的協同自動化、流程可視化、業務規范化。

（5）T——持續進化（Tenacious evolution）：先期利用專家系統等軟件實現自動診斷、智慧工單等功能；隨著數據、案例等的積累，通過人工智能技術開展自學習、自進化，持續提高智慧地鐵的智能化水平。

如圖2所示，智慧地鐵是一個漸進的過程，是一個從對象數字化到執行智能化、到最終實現決策與聯動智慧化的發展過程。智慧地鐵并不是一個新建的系統，而是通過研發、引入其他領域的新技術，結合地鐵的業務特點與業務場景，對既有地鐵業務進行智慧化賦能的過程，最終實現地鐵各類業務的服務質量與執行能力的提升。

圖2 上海智慧地鐵發展過程及其特征

3 智慧地鐵建設目標

為適應新時代的高質量發展要求，貼合上海建成全球卓越城市的發展需要，適應城市軌道交通超大規模網絡的建設運營要求，上海地鐵從超大規模網絡運營下的業務痛點與需求出發，以“安全、服務、效率、效益”4個維度作為智慧地鐵的建設目標。在我國科技創新的浪潮下，各類新技術與突破不斷地涌現，但智慧地鐵建設不應為了“智慧”而智慧，必須以“安全、服務、效率、效益”這4個維度指導各類智慧化應用試點及建設，并客觀地評估各類應用的建設需求。在此基礎上，融合信息化和自動化技術，構建智能感知、智能聯動的能力，用數據驅動地鐵業務的執行力提升，支撐上海地鐵網絡的可持續發展。

3.1 提高安全可靠度

地鐵運營的首要目標就是安全。地鐵運營應在確保列車準點運行的前提下，保障乘客乘車、列車及設施設備運行的安全。基于物聯網設備、視頻監控、移動應用、遠程監控等技術，實現施工現場的安全預警、文明施工、異常行為監控、安全檢查等；通過各類設備的狀態感知，利用大數據技術，提高列車、車站等關鍵運營設施設備的運行安全可靠度，實現設施設備從故障修向狀態修的轉變；對軌道交通運行環境實施監控，通過物聯網技術監控各類機房的實時環境，避免災害發生；針對高架車站實現局部災害天氣的實時預警與趨勢研判；對地鐵空間內的人員安全進行全局監視，對列車駕駛員等關鍵崗位人員工作狀態進行判別；通過視頻模型與人臉識別庫的搭建，對乘客異常行為進行全局監控與告警；實現突發事件的快速定位與處置、大客流的提前感知，保障廣大乘客的出行安全與地鐵運行安全。

3.2 提高服務水平

乘客是地鐵服務的主體。地鐵擁有龐大的地下空間，已不僅僅是乘客搭乘交通工具的場所，更是人們生活、娛樂等的場所。通過智慧地鐵的建設，可實現并提高基于出行鏈的不同人群的差異化、全方位出行體驗。通過智能探測技術，實現乘客的被動式無感安檢；通過智慧視覺的應用，以及乘客誠信票務體系的建立，乘客可快速進出費區；在乘客乘車前后，綜合人工智能、語音識別、大數據分析等的應用，乘客從被動式的信息接收轉變為主動式的智能問詢；利用車站Wi-Fi與無線互聯網的承載，基于乘客個人的用戶畫像，拓展出行全過程的導乘、導游、導吃、導讀、導購等體驗；通過客流、溫度、PM2.5等數據的全息感知與環控系統的自適應，實現車站、車廂環境的智能調節，提高乘客的舒適度體驗，切實提高服務水平。

3.3 提高生產效率

地鐵車站數量眾多，設施設備種類多樣，往往需要大量的人力、物力去支撐地鐵業務的開展。基于BIM技術的施工信息化管理，利用BIM的特點，結合工程籌劃、驗工計價等業務，可縮短施工周期，提高項目建設管理的效率；通過移動互聯網技術、物聯網技術、通信技術的結合，在車站、機房、基地等地實現各類智能化的巡檢、巡更工作；通過各類現場設備與客流的實時狀態感知，實現車站運作狀態可視化、運行自動化，提升地鐵業務的執行效率和效能；語音識別模塊與傳統自動購票機、智能問詢機器人的結合應用，可減少車站客服人員的配置；傳統車站工作區域的巡檢業務往往需要投入一定的人力與工作時間，通過移動應用的開發與智能終端的使用，可實現車站巡檢業務的全過程監控與數據采集；利用機器人技術，通過視頻分析、人工智能、機器人技術的結合，更可采用專用巡檢機器人的方式徹底取代工作人員，以提高生產作業效率。

3.4 提高經濟效益

城市軌道交通在大規模建設階段面臨巨額的投資壓力，在建成的城市軌道交通線路運營與維護階段，同樣面臨巨額的資金壓力。在設施設備管理方面，運用物聯網技術，實現設施設備的智能倉儲，減少人力成本的支出；利用互聯網+、大數據分析、人工智能等新興技術，提高設施設備全生命周期的可用性，減少設施設備的故障率，優化備品備件的使用周期；在運營效率方面，結合大數據分析與人工智能，優化司機排班與列車自動進出庫等作業；在車站、列車的運行過程中，環境控制系統采用智能變頻的方式來動態調節環境，可起到節能降耗的作用；利用大數據技術，建立完整的軌道交通建設、運營、維保等業務板塊的指標體系，通過數據分析有效控制成本與投資。

此外，在提升生產效率和乘客服務的同時，應充分考慮經濟效益，盡量保證“效率”、“服務”與“效益”之間的平衡。要客觀地評估哪些智慧化的應用可以提高經濟效益，哪些應用是需要去評估和衡量經濟效益的，否則將導致效益的負增長。

4 上海智慧地鐵架構

4.1 總體架構

智慧地鐵建設，應通過技術層面的智能技術應用和業務層面的聯動融合，共同推動上海地鐵整體管理能力的提升。智能技術應用，指人臉識別、圖像識別、語音識別、大數據分析、人工智能、機器人等各種智能技術在城市軌道交通各業務領域的應用，以提升業務執行的安全和質量。業務聯動融合，指實現數據驅動業務，一個業務的執行狀態或執行結果直接觸發其他業務的執行或執行方式，從而提升業務執行的效率和效益，典型場景如用于業務聯動的一鍵操作等。

上海地鐵以“管理規范、推進有序、成本可控、資源共享”的IT治理理念為指導，以統一的標準規范和安全策略為保障，構建“1個地鐵中樞集成平臺、1個地鐵云、3個智慧領域、4層架構、X類智慧設備”為架構的“1 軸”、“1 云”、“3 域”、“5 層”、“X 類”智慧地鐵框架，如圖3所示。

（1）“1軸”：建設1個地鐵中樞系統，提升地鐵行業知識沉淀能力，全方位、多維度地綜合展示智慧地鐵的全貌。

（2）“1云”：建設1朵地鐵云，包括海量存儲和計算平臺、數據資源平臺、IT服務平臺等。

（3）“3域”：在應用層建設3個智慧領域，從智慧建設、智慧運營、智慧維保3個方面提升業務執行能力。

（4）“5層”：建設5層智慧地鐵技術架構體系，包括采集層、存儲層、分析層、應用層、中樞層。

（5）“X類”：X類智能設備，如巡檢設備、值班設備、售票設備、客服機器人等。

4.2 建設思路與方法

智慧地鐵的建設應以智慧化目標為需求導向。智慧化的應用從地鐵傳統的“業務驅動”，通過海量數據的綜合分析、研判從而轉變為“數據驅動”。因此，智慧地鐵的建設思路應以“數據”為核心，通過兩化融合、云邊協同的方式，構建智慧地鐵技術架構的5層信息化體系，分別為采集層、存儲層、分析層、應用層、中樞層。

（1）采集層：通過構建數字化、自動化技術體系，完善業務數據，夯實數據基礎，提升對設備、人、環境、系統等的感知能力，更準確、及時地認知業務。數據采集層應充分考慮邊緣基礎設施的數據安全性、數據實時性、響應性與網絡通信的可靠性。

（2）存儲層：通過大數據綜合分析與人工智能算法，建立具備海量數據存儲與處理能力的智慧地鐵云。在建設過程中，應在前期設計時考慮構建一個安全、高效的信息化網絡架構［2］、軟硬件基礎架構、統一標準的運行環境，以提高隨業務迭代更新而隨之變化的橫向擴展能力。

（3）分析層：基于智慧地鐵海量數據，建立科學的大數據體系，搭建智慧地鐵大數據分析平臺。同時引入先進的人工智能、機器自學習的通用服務模塊，通過業務的自我進化，實現管理提升。數據分析層的建立應模塊化、模型化和軟件化，構成數據-信息-知識-決策的閉環，完善數據驅動能力，形成綜合研判、多業務智慧聯動。

（4）應用層：立足于城市軌道交通現有業務架構和應用架構，通過各業務應用體系的功能完善和智慧賦能，建立一系列新的智慧化應用，提升業務執行和服務的能力。智慧化應用的建設，仍然要以智慧地鐵的目標出發，充分研究業務能力的提升與可達到的智慧化水平，并應在相應的試點后進行分析與后評估。

（5）中樞層：服務于智慧地鐵的監管與決策，可提供各業務板塊直觀的狀態監視、信息綜合展示、運行狀態評估、分析結果與科學的輔助決策信息，最終達到業務狀態數字化、行業經驗模型化。中樞層應具備完整且完善的業務狀態評價體系，并可提供相應的決策信息，形成完整的智慧地鐵業務閉環。

圖3 上海智慧地鐵技術架構

5 上海智慧地鐵應用實踐

上海地鐵在最近幾年中，先后采用了物聯網、大數據、移動互聯網、人工智能等技術，在地鐵的建設、運營、維保等業務中，探索了一系列的創新試點應用，因而對智慧地鐵有了更深層次的理解，并形成了一套適合上海城市軌道交通的智慧地鐵體系。上海智慧地鐵由智慧建設、智慧運營與智慧維保3大應用板塊構成。

5.1 智慧建設

（1）基于BIM的全生命周期建設管理平臺：以城市軌道交通BIM為核心，結合建設管理的業務需求，利用BIM的特點，實現從方案設計、設計協同、工程校驗、工程籌劃優化、現場實時信息管理、動態投資控制、設備信息查詢、維護保養等全生命周期的建設管理。

（2）融合智慧視覺與遠程監控的風險管控：建立全球眼系統，通過視覺智慧的圖像分析手段，實時掌握施工現場的情況，對施工人員進行有效的管控，并針對人員的異常行為進行安全預警；基于建設項目的遠程監控及狀態感知，研究建設風險和質量管控體系，對施工現場的安全防護、工程質量進行實時的監視與分析［3］；基于移動應用的文明施工平臺，對施工現場的設備、人員、材料等對象進行現場作業的安全檢查、質量管理、考評管理，以進一步提高施工現場的安全管控能力、監督管理力度和工程建設效率。

（3）基于多元數據的設計規劃：利用手機信令數據、城市外部數據等，結合長三角一體化建設和上海城市總體規劃，在建設項目前期，利用大數據分析技術綜合多元數據，對車站的設置類型、設計方案、換乘設計、客流量估算等進行設計與預測，并指導工程的前期設計與規劃。

5.2 智慧運營

（1）乘客自主服務：利用語音識別、圖像識別、體感等技術，引入客服機器人、交互屏等智能設備，為乘客提供如車站概況、站內設施、便民服務、路線推薦、站內導航等信息的問詢和查閱服務；增加乘客進站、出站手段，推行手機掃碼過閘的全覆蓋，推廣長三角公共交通二維碼互聯互通；完善自動售檢票系統，引入生物特征識別、語音購票等新型智能購票方式。

（2）智慧車站運轉：基于車站人員管理、設施設備管理、客運管理等三大業務板塊，利用Wi-Fi嗅探、大數據分析、語音識別、二維碼、視頻識別等技術，實現自動開關站、車站無人巡檢、客流狀態自動感知、預案自動觸發與執行、運營信息主動推送等一系列智慧化應用，以進一步提升上海地鐵運營管理的安全等級和反應能力。智慧車站將形成上海地鐵的車站運行模式的新標準，并進一步推廣至全網絡所有車站。

（3）自適應行車調度：根據客流高峰與低谷的預測，結合車輛運輸、運載能力，及時、動態地調整運力，提高運營管理效率；推進客運和行車的聯動，實現運營組織的高效協作；推廣地鐵全自動運行模式，提升行車安全性。

（4）乘務軟件排班：優化乘務組織與列車司機狀態評價；基于行車實時調整的值乘任務與調度優化方法，優化乘務任務匹配方案；優化乘務輪轉，智能化編制乘務計劃；通過智慧視覺分析的方式，實時判斷司機、客服人員的工作狀態，保障運營安全與服務水平。

（5）智慧城市聯動：建立與上海“智慧城市”的數據共享和實時互通，形成與公安、消防、水務、供電、通信等部門的聯動，實現公共資源的合理配置，保證重大突發情況下可作出快速和妥善的響應。

5.3 智慧維保

（1）車輛在線管控：利用視頻分析技術，對出入庫車輛的狀態進行識別與監視；通過先進的通信技術，實時監視車輛運行狀態，及時提供報警信息以及遠程處置支持；對車輛歷史數據進行跟蹤和挖掘，為實現狀態修提供支持；配合移動巡檢系統及鷹眼系統，實現人工檢查環節的電子化。

（2）供電網絡遙控：通過物聯網、網絡通信技術，實現對網絡電力運行狀況的實施監視與遙控；利用視頻分析技術，對電力設施、電力用房等關鍵部位進行實時監視與預警，保障全網行車安全。

（3）工務車載巡檢：通過在軌檢車、探傷車等專用車輛上增加車載傳感器、物聯網設備，采用視頻分析、大數據分析等手段，實現軌道、隧道狀態的持續跟蹤與預測，對故障進行快速定位與處置。

（4）通號實時精準監控：開展通信系統指令和業務傳輸狀態、各場景下通信業務的實時監控，并精準故障定位；對信息系統，在深度整合傳統維護監測系統和基于通信的列車控制（CBTC）維護支持系統的基礎上，全面實現信號設備的狀態采集、獲取和存儲，構建信號系統設備維護數據信息中心，為故障智能診斷、預警分析、維修維護策略提供準確、全面的數據支撐。

（5）基地智能運轉：面向基地的“維修、安全、物流、環境、生活”等主要業務體系，以自動化、信息化專業為切入點，通過物聯網、通信、信息化平臺的開發，實現車輛基地的全局監控、智能化運轉。

6 結語

智慧地鐵可以為乘客提供最優出行規劃、智能票務服務、交互式信息查詢以及商業生活接口等全新、便捷的出行體驗，同時可為地鐵運營實現客流預警、行車調度、故障維修、安全保障等綜合運維管理提供智時代技術支撐。通過建設智慧地鐵，運營管理者可以大大提高軌道交通業務執行效率與質量，同時可有效地控制成本，為乘客出行提供個性化的便利與服務。今后，融合多種新興技術、發揮多方優勢的城市軌道交通的智能化發展，將能更好地提升城市軌道交通的社會效益與經濟效益，支撐智慧城市建設。