軌道交通機電設備自動化技術與互聯網智慧融合的實踐與探索

李劍方

摘 要：由傳統城市軌道交通的運營思路所導致的旅客便利性、資源配置、綜合效率、經營壓力等問題亟待解決，以“城市軌道交通+互聯網”理念搭建起來的智慧交通體系將成為重要發展方向。文章結合東莞軌道交通適應國家戰略發展需求和高效運營需求，積極開展城市軌道交通機電設備自動化技術與互聯網智慧融合探索與實踐情況，展望智慧地鐵與智慧城市的有機融合，為軌道交通行業智慧化運營提供參考。

關鍵詞：城市軌道交通;機電設備自動化;智慧城市;物聯網

中圖分類號：TP18;U231.6 文獻標識碼：A

城市軌道交通機電設備自動化技術與互聯網智慧融合發展，能夠方便旅客出行、優化資源配置、提高綜合效率，也是培育交通發展新動能、提升發展水平的重要方面。近年來，我國在互聯網技術、產業與交通融合方面取得積極進展。特別是基于5G通信時代的到來，從互聯網到物聯網，從事物互聯、事物智能，再到智慧化的實現，城市軌道交通運營模式、維保模式、管理模式變革的時代已經到來。圍繞著安全可靠、高效節約、網絡化的城市軌道交通可持續發展目標，不斷演變、發展網絡化條件下的城市軌道交通智慧運營與設備系統的全生命周期管理尤為關鍵。如何通過融入物聯網、大數據、AI等自動化技術手段，在保障軌道交通系統安全可靠運營的同時提高效率和效益，已成為諸多同行廣泛關注和探索實踐的方向[1]。

1 城市軌道交通智慧化發展必要性

1.1 適應戰略發展需求

目前，在全球范圍內，“互聯網+城市”、“智慧城市”的建設如火如荼。國家發展改革委與交通運輸部（下稱兩部委）于2016年第一次就智能交通（ITS）發布總體框架和實施方案（《推進“互聯網+”便捷交通 促進智能交通發展的實施方案》），2017年兩部委又聯合簽署了《全面推進智能交通發展戰略合作協議》，要求緊密圍繞國家智能交通發展重大目標任務，完善智能交通發展頂層設計，協同推進智能交通發展戰略實施，推進智能交通創新能力建設和先進技術應用推廣[2]。2019年，國務院印發《粵港澳大灣區發展規劃綱要》，明確要求加快基礎設施互聯互通，建成智慧城市群。智慧城市所涵蓋的領域范圍遍及城市生活的方方面面，智慧交通是智慧城市的重要構成部分，發展城市軌道交通智慧系統符合國家發展戰略需要。

1.2 適應高效運營需求

城市軌道交通機電設備自動化系統主要包括車站環境與設備監控系統（BAS）、火災自動報警系統（FAS）、電力監控系統（PSCADA）、列車自動控制系統（ATC）、自動售檢票系統（AFC）、閉路電視系統（CCTV）、公共廣播、有線和無線通信系統等[3]。在傳統的城市軌道交通運營模式中，上述系統基本采用完全獨立方式，這種結構加重了全線通訊網絡的負擔，造成計算機硬件和軟件資源的嚴重浪費。受系統自動化和智能化程度的限制，軌道交通運營人力成本較大。由于未實現信息互聯，無法進行系統經營分析，限制了軌道交通運營效益的提升。

在智慧化軌道交通系統中，依靠大數據、云計算、物聯網、傳感器技術、人工智能等自動化與運營組織深度融合，形成跨專業、跨系統、跨功能、整合聯動的智慧平臺。承載智慧運行、智慧運維、智慧經營等運營生產經營管理的智慧系統，實現全自動運行（無人駕駛、無人車站、無人段場）和基于降低設備系統全生命周期管理的狀態目標，不斷提升軌道交通運行效率效益和服務質量，滿足運營高效運作及乘客便捷出行需求。

2 探索與實踐

2.1 運營智慧系統在2號線的應用

2號線采用傳統模式進行運作。列車運行采用基于無線通信的移動閉塞列車自動控制系統（ATC），由列車自動駕駛系統（ATO）實現自動駕駛，車站管理與調度管理方面采用列車自動監控系統（ATS）、綜合監控系統（ISCS）、自動售檢票系統（AFC）、CCTV系統、電力監控系統（PSCADA）等進行車站設備調度管理。2號線智慧運營系統的應用主要是在智慧運維（資產管理）及智慧車站（云支付、人臉識別）方面。

2.1.1 智慧運維

2號線搭建以EAM（設備資產管理）系統為核心的軌道交通智慧運維平臺，實施全面資產一體化管理，管理框架體系如圖1所示。系統按照對公司資產全面、全生命周期管理要求，建立流程化、標準化的運營設備維修維護模式，實現對公司設備資產及維護業務的規范化管理。

智慧運維平臺通過構建統一的資產管理架構體系和資產編碼體系，初步建立一體化資產管理功能，即從資產采購、資產移交、資產運營、資產維護到資產報廢等各個環節的資產全生命周期管理，達到保障資產安全、優化資產配置、提高資產利用率的目的。

智慧運維平臺打通各信息系統孤島，建立設備維修維護管理、物資管理、資產管理、財務管理等內容的聯系，建立與基建、運營管理等系統之間的業務交互接口。實現各專業數據互聯互通和業務關聯，如圖2所示。以資產管理系統為核心，保持核心基礎數據和生產數據唯一性和延續性，作為資產管理、生產流程的主通道。通過工單主線串聯設備修程、維修作業、工時管理及物資管理。

在智慧運維平臺中，資產設備維護管理與資產一體化系統中的采購模塊、庫存模塊、施工管理系統、工程項目合同管理系統、財務管理系統（預算、成本）、以及運營統計分析系統進行有效集成。財務管理系統與人力資源系統、運營統計分析系統、采購管理模塊、票務系統、工程項目合同管理系統、庫存管理模塊、設備維修維護管理模塊、門戶系統之間存在交互設計。系統的集成將運營及財務等數據使用部門的管理要求前移至資產移交階段，為實施全面資產一體化管理建設奠定基礎。

2.1.2 智慧出行

為提高乘客出行的便利性，地鐵2號線進行了云支付方式及人臉識別系統試點改造。在全線15個車站各增設云購票機設備，并在AFC系統上增加TVM二維碼購票功能，與現有的自動售票機建立聯網，支持云購票及微信、支付寶、銀聯等移動付款方式掃碼購票。并計劃開展二維碼掃碼過閘功能升級，通過在現有閘機的拓展接口中加裝二維碼掃碼器，升級后乘客可使用APP中的二維碼掃碼過閘。同時，隨著人臉識別的廣泛應用，2號線車站正在進行人臉識別系統試點，并將應用于智慧安防系統。隨著人臉識別技術深入應用，以后也將可用于刷臉進站等功能。智慧出行系統改造后能夠有效減少設備現金管理環節，節省人力資源，并減少了乘客購票、驗票以及接受人工安檢的環節，有效提升乘客出行體驗。

2.2 1號線智慧運營探索

1號線作為東莞市軌道交通線網規劃的第二條線路，同時也是東莞市軌道交通第一條將實現全自動駕駛的線路，關系著東莞市軌道交通線網的發展及整體規劃。為響應城市軌道交通智慧運營發展趨勢，運營公司按照無人值守的車站設備全自動控制（UTO）目標，對1號線開展智慧運營方面的研究，主要包括智慧行車、智慧調度、智慧車站、智慧段場等幾個方面。

2.2.1 智慧行車

1號線智慧系統設計包括綜合監控系統（ISCS）、列車自動駕駛系統（ATO）、列車自動監控系統（ATS）、車輛信息管理系統（TCMS）、列車車載控制器（VOBC）等。即在原自動化系統數據采集與單一狀態判斷的基礎上擴展出數據融合、基于大系統下的云系統分析、指揮決策功能。系統實現對車輛的無人駕駛控制，并具有根據客流數據和線路特點智能編圖、靈活調節高峰平峰列車旅行速度、動態調整列車進出站牽引和制動以節約牽引能耗等特點，列車控制流程，如圖3所示。

2.2.2 智慧調度

智慧系統為行車組織提供運行場景全局化、專業聯動一體化、應急處置智能化的調度系統。智慧調度系統從單一調度指揮向聯合聯動轉變，從關注行車向關注客流實時狀態轉變，從被動發現向主動預警轉變。系統基于運營歷史數據設立突發客流和故障事件的條件判定機制，實時采集現場數據與模型預測，能夠可靠識別出突發客流與故障事件，并通過智能推算得出決策方案以供調度快速選擇與執行;整合多源實時客流預警系統和設備運行預警系統，通過實時AFC閘機出入站人數、列車承重、車站人流量熱力圖等數據的采集，實時監測客流情況。通過車站各設備系統關鍵數字狀態量和模擬量的采集，整合關聯系統參數的相關性，智能判定系統異常參數可造成的設備故障及影響。對于關鍵性問題可靠預警，提高調度對行車及車站運行狀態管理的效率。

智慧調度系統具有“運行場景深度學習技術”，以提高系統可用性。通過對全自動場景的深度學習，形成最優解決方案。控制中心調度人員利用監控設備自動監控，即時了解列車及設備的運行狀況，關鍵系統之間建立聯動關系，確保行車穩定。

2.2.3 智慧車站

1號線車站按照無人值守全自動控制目標進行設計，車站配置站務人員對車站設備及乘客進行管理，同時兼顧故障處理、車站級控制指揮、協助應急處理及疏散職責。在車站服務中，原來司機及站務員、售票員、安檢員等工作人員的工作（包括運營前檢查、開關站、屏蔽門控制、售票服務、安全檢查等），均由智慧系統來完成（如ISCS系統根據ATS提供的時刻表，在規定的時間內按照規定的流程對車站實行自動開站作業，并自動喚醒車站的相關機電設備）。在智慧系統控制失敗時，站務人員可通過車站綜合監控工作站及IBP盤、現場操作等方式進行人工處置。在開通初期，終點站清客由站務員來核實，后續逐步過渡到由乘客調度通過視頻監控確定是否清客完成。在1號線智慧系統中，人臉識別技術也將應用在安全檢查、售檢票、客流統計等服務中。

2.2.4 基于SPKS的智慧段場

1號線智慧段場實現列車出入段場、調車、洗車等作業自動控制，車輛段及停車場設置有人區和無人區，無人區使用信號系統的區域封鎖開關（SPKS）進行防護，SPKS與信號系統聯動，負責每個區域內庫門打開和鎖閉的狀態信息，確保無人區列車運行及作業安全。調度管理與作業執行可自動銜接，實時監控生產指標及預警，調度人員可通過系統，為每一運營服務行程確定列車，建立列車與時刻表的對應關系。供電、消防、安防門禁、廣播、CCTV與車場作業實現聯動，系統可自動識別作業沖突，實現作業過程自動記錄和統計報表的自動生成等。

3 發展展望

在5G、AI、物聯網及機電設備自動化技術創新的助力下，未來的城市軌道交通將向“智慧化、人性化”發展。東莞地鐵運營智慧系統未來發展展望可分為兩個階段：第一階段為智慧地鐵階段，以地鐵運營為核心，加強自動化和信息化前端技術應用，以業務融合為抓手，不斷完善地鐵運營智慧體系，提升運營效率和效益。第二階段為智慧城市階段，智慧地鐵融入智慧城市系統，以提升市民服務為中心，進一步加大與道路公交、城際軌道等協調聯動，依托智慧城市大數據系統，深入融合，實現地鐵運營與城市管理聯動;以數據驅動為核心，實現與智慧城市業務間協作聯動;以數據應用為突破，最終實現運營能效的提升。

4 結語

綜上所述，文章介紹了城市軌道交通智慧化發展需求，以及東莞地鐵在軌道交通建設運營中對機電設備自動化技術與互聯網智慧融合的實踐和探索研究情況。城市軌道交通運營智慧系統是一個涉及多個學科和專業的系統工程，需要進行頂層設計，在軌道交通線網規劃之初即需做好統籌規劃，建立基礎平臺。同時，需要大力推動“政產學研用”協同創新，結合市民體驗、用戶需求、技術升級，不斷進行系統的升級和更新迭代，以達到系統的功能、智能、建設成本的綜合最優。及時推動和促進城市軌道交通自動化升級換代技術的推廣應用，必將對高質量的城市軌道交通運營起到積極作用

參考文獻

[1] 張龍.“城市軌道交通+互聯網”助推智慧交通發展[J].裝備制造，2016（12）：88-90.

[2] 陳韻舟.關于城市軌道交通智慧化的探討[J].科技創新與應用，2018（20）：24.

[3] 周長杰，馬曉.城市軌道交通智慧化的研究[J].智能城市，2018，4（15）：12-13.