上海城市軌道交通引領“十四五”智慧發展

文/張馨尹、張雷、張立東、張菁博、寧正、歐冬秀、宋鍵

1956年以來，上海地鐵歷經籌備研究、初期建設、快速成網、持續發展四個階段，地鐵網絡規模快速增長，客流量持續增加，已成為我國城市地鐵建設與發展的典范。目前，采用高鐵和城市軌道交通已無法滿足上海高密度人流量與發車的需求。例如，網絡客流量、公交占比、運營時間等指標在持續提升，列車運行間隔不斷減小。上海迫切需要應用城際軌道交通等智能基礎設施，推進交通智慧化“新基建”，協同城郊、中心城區乃至整個長三角的交通快速化與城市發展公交化。

上海地鐵仍面臨著一定的挑戰，存在著建設安全風險高度集聚，運營安全壓力持續較大，信息安全威脅零容忍等問題。以同濟大學、上海申通地鐵集團有限公司為代表的學術界、產業界矢志不渝地解決技術與業務痛點，秉承“管理規范、推進有序、成本可控、資源共享”智慧化治理理念，以統一的標準規范和安全策略為保障，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、維保等業務中實時掌控上海地鐵健康狀態，探索了一系列技術與工程創新的試點應用。目前，上海地鐵正在研究新一代機電系統集成云平臺的可信策略與零信任安全架構，期望滿足軌道交通信息化、智能化的應用需求，研究工控系統信息安全與功能安全融合的核心技術，滿足軌道交通工控系統信息安全等級保護要求。這也是上海智慧地鐵發展計劃中信息安全防護的核心研究內容。

響應《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》的建設重點，上海智慧城軌的發展將高屋建瓴地通過智能技術與全領域業務層面的聯動融合，推動地鐵管理、運營、治理能力的全方位升級。上海智慧城軌的發展圖譜總體呈現一個地鐵中樞軸（負責綜合業務狀態監視、綜合決策下達、跨業務綜合決策支持和指標評價）、一個地鐵云，三個智慧領域（實現智慧建設、智慧運維、智慧服務）、五層技術架構和N類智能設備。如圖1所示，在關鍵技術上，采用各種人工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。在業務發展上，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。上海智慧城軌通過持續的技術創新與工程實踐，以安全、智慧、綠色為目標，貫徹落實乘客服務、運輸組織、能源系統、列車運行、技術裝備、基礎設施、運維安全、網絡管理等方面的智慧發展，引領全國軌道交通行業的安全高質建設與發展。

圖1 城市軌道交通技術與業務圖譜

智能基礎設施

上海智慧城軌的建設充分利用了全生命周期管理的BIM（建筑信息建模）/CIM（城市信息建模）技術。BIM/CIM技術能夠提取城市與軌道交通建筑構件的幾何與屬性信息，根據信息數據及其模型對城軌系統做出合理的規劃，并通過互聯網與云平臺技術把機器、任務、結構有效結合，提升上海城軌部門的運維效率。通過搭建基于BIM/CIM的智能基礎設施運營管理平臺，建立以BIM/CIM模型為核心的智慧城軌基礎設施資產管理平臺，實現數字資產移交、建設和運營的深度融合。

運用BIM/CIM數據精化和輕量化，降低對硬件系統和云平臺的儲存壓力、與項目管理深度融合、拓展全建設運維過程的全員操作成本。在圖像視覺等人工智能技術的引入后，能夠提前解決城軌線網的各專業間管線碰撞。同時，通過BIM/CIM的工程量復核，能夠精準感知與控制原材料、建設、運營和治理成本，實現基于BIM/CIM技術的城市軌道交通全生命周期信息管理，優化設計方案和設計成果，控制施工進度，并在運維階段BIM/CIM應用提高運維管理水平。例如，上海地鐵以17號線為契機，將BIM/CIM融入物聯網、大數據、人工智能等相關技術，開展列車狀態信息智能運維系統的建設，實現列車大數據的智能采集與處理，形成一個具有自動演進功能的閉環檢修管理的工程應用模式。由此可見，以BIM/CIM為技術基座來支撐智慧基礎設施的各項關鍵技術，突破了城市軌道交通行業的發展瓶頸，率先實現上海城市軌道交通的智慧基礎設施技術的標準化建設與發展。

智能列車運行

智能列車運行是衡量城市軌道交通智慧化的技術標桿。近年來，地鐵列車從完全依賴進口的初代直流傳動列車，過渡到第二代交流傳動列車；從第三代的國產節能綠色環保列車，進化到擁有自主設計的第四代標準化全自動駕駛智能列車。軌道交通全自動駕駛技術是基于全時段的軌道交通運營場景識別、系統功能及聯動控制。軌道交通信號系統采用高冗余設計，使得系統具有可推廣性、高可用性，主備系統均具備ATP（列車自動保護裝置）/ATO（列車自動運行系統）功能，且主備系統故障能夠不停車無縫切換至備用系統，如圖2所示。同時，需要具備高RAMS（可靠性、可用性、維修性及安全性）要求，即在多維獨立第三方評估、運營無感在線維護、多重冗余設計、智能高可用等方面具有較高技術要求。我國正在自主研發適用于互聯互通的全自動運行系統，上海地鐵列車也在不斷朝著人性化、智能化、標準化的方向發展。

圖2 智能列車技術發展路線圖

上海地鐵正在全面實現更高開行密度、更高自主化程度、更強應急處置能力、更高冗余度、更全面的安全完整性SIL（安全完整性等級）指標要求。例如，10號線是全國首條實現全自動駕駛的地鐵線路，上海地鐵正實現著再次升級全自動駕駛技術應用，包括自動喚醒、自動發車、列車自檢等一系列全自動無人駕駛功能，而運營質量表現均大幅優于人工駕駛列車。18號線是上海首批開通即具備最高等級（GOA4）全自動駕駛模式的運營線路。15號線同樣采用該最高等級，列車設有障礙物探測功能、脫軌檢測功能和弓網檢測系統等功能，使得列車的自我檢測能力全面提升。14號線也是如此。在智能列車運行方面，上海地鐵發布了《上海軌道交通全自動運行線路運營策劃》《上海軌道交通全自動運行運營場景及功能分配》兩份標準文件。同時，《核心機電系統（信號、車輛、綜合監控、通信、站臺門）用戶需求書范本》已編制完成，《上海軌道交通全自動運行技術規范》也正在編制中。這些技術成就和工程運營實踐，將成為我國乃至全世界的發展示范。

智能運維安全

為保證城市軌道交通的智能運維安全，應全面建設智能運維和安全保障體系，提升運維智能化和安全運行水平。一是建設車輛、能源、通信、信號智能運維系統并在全行業推廣，建立結合全自動運行系統的信號系統的智能運維體系，完成上海地鐵車輛智能運維系統行業示范；二是建設與智能調度體系協調聯動的運營保障系統；三是研發互聯互通的智能運維分析決策系統；四是構建城軌運營設備大數據監測安全評估系統；五是完善智能化巡檢系統；六是優化線網級的綜合協調與應急指揮系統；七是建立基于BIM/CIM為技術基座的綜合運維監管系統。

上海智慧地鐵中的智能運維安全旨在實現各專業的智慧運維，完成上海地鐵車輛智能運維系統行業示范。目前，已構建的車輛智能運維系統平臺實現了車輛的智慧運維，該平臺分為車輛運維多維數據采集系統、車輛智能運維專家系統、運維基礎數據管理系統和平臺服務互通系統四大子系統。其中，車輛運維多維數據采集系統是迭代系統，該系統包含車聯網系統、軌旁車輛智能綜合檢測系統和維修信息管理系統。車聯網系統可實現實時監控和故障遠程下載，軌旁車輛智能綜合檢測系統可覆蓋60%以上人工目視檢查作業，減少38.57%的人工檢查工時，準確率達90%以上。車輛智能運維專家系統為新建系統，主要包含車輛知識庫模塊、檢修作業支持模塊、列車服務評估模塊，可進行故障診斷和數據分析。運維基礎數據管理系統為已建系統，主要進行主數據的管理和車型協議解析。平臺服務互通系統應是“智慧化”的集中體現，上海地鐵正在利用全息感知、大數據分析、深度挖掘和智能診斷等技術，構建涵蓋集通信信號設施設備實時狀態感知、綜合監視、智能運維維修為一體的綜合性工業物聯網信息安全平臺。

例如，上海地鐵地面監控系統能完成15種車型，296列車的實時運行數據獲取，朱家角基地、金橋基地軌旁監測系統已完成建設，點巡檢系統覆蓋日檢作業，鷹眼系統完成5座基地建設，能夠實現車輛專業的全面智能運維。信號5S系統包含CBTC系統、通信信號機、道岔轉轍機、計軸系統、環境系統，通號智能運維系統實現了41%列控系統、3%行車輔助系統接入，智能模型2637個，形成“1個首頁+4中心”的功能板塊，能夠實現安全效率、維修模式、成本效益的顯著提升。

城軌大數據與云控平臺

上海智慧城軌建設需建設自主可控、功能完備、技術領先、安全可靠、可持續發展的城軌大數據與云控平臺。這有助于加強城軌的網絡安全，擴大城軌的智能創新應用，以及實現對城軌業務應用的統一部署承載和資源動態分配。上海申通地鐵集團成立的大數據中心在全國范圍內率先搭建了城市軌道交通綜合云平臺，推出了以高速存儲、高端網絡、高密服務器以及下一代防火墻等為核心的城軌云解決方案。

目前，地鐵站臺站廳實時客流量監控、地鐵站內換乘客流量分析、地鐵精準清分清算、地鐵進出站客流量監控等大數據分析平臺已被廣泛應用。城市軌道交通的云控平臺，應需要滿足虛擬化、彈性計算、高等級安全等要求，承載安全生產網、內部管理網、外部服務網中的各種業務，為客戶提供安全、可靠、智能的云平臺，如圖3所示。云控平臺也需要協調各控制中心及各運營主體，實現信息集中、協調指揮、應急處理、信息共享及應急發布，為上海城市軌道交通線網的統一運營協調與管理提供支持，為軌道交通線網提供應急處理措施。

智慧運輸組織與乘客服務

為實現上海城市軌道交通運能運量精準匹配、線網運輸互聯互通、乘客出行快捷便利的智能化運輸組織要求，應構建網絡化智能運輸組織體系和線網運營調度指揮中心。一是建造集調度指揮和應急響應為一體的線網運營調度（應急）指揮中心。上海軌道交通網絡運營調度指揮中心作為上海軌道交通全線網運營的指揮中樞，具備路網整體監控、集中調度、運營協調、應急指揮和輔助決策的功能，能夠精準滿足運量，高效組織管理網絡化運輸。二是深化研究綜合交通協同調度，以及市區城軌、市域快軌、城際鐵路“三網”運輸功能定位及與鐵路、民航、公交等多種運輸方式之間的協調銜接。虹橋綜合交通樞紐的建成實現了鐵路、航空、公路、城市軌道等多種交通方式之間的有效銜接與轉換，實現了對外交通與市內交通、區域交通與市域交通、市域交通與城區交通等的有機銜接與高效轉換，奠定了“長三角一體化”的基礎。

圖3 軌道交通云控平臺關鍵技術部署

為提升上海市軌道交通乘客智能化服務水平，應創建完整、可靠的指揮乘客服務體系。一是提升票務服務的智能化水平。上海地鐵完善了自動售檢票系統，引入生物特征識別人臉檢票、掌紋檢票、語音購票等新型智能購票方式，增加乘客進站、出站方式，實現手機掃碼過閘的全覆蓋，促進長三角公共交通二維碼的互聯互通，有效提高乘客售檢票和乘車智能化水平。二是提供智慧出行咨詢服務。上海地鐵利用語音識別、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，提高站內乘客服務質量。三是研發智慧客流管理系統。上海地鐵“一網統管”平臺通過視頻分析、數據融合測算出一輛列車上的實時客流密度，并主動聯系地鐵工作人員，通過智慧客流引導系統，預判大客流，進行精準限流，實現客流智慧管理。四是研發智慧車站系統。上海地鐵建設設備智能運轉與人員精準管控的地鐵網絡節點平臺，運用綜合監控系統功能，實現無人駕駛各場景下設備綜合聯動等智能化目標，建設軌道交通運營保障智慧平臺，采用三維可視智能管理平臺監控全場景時空融合環境，全方位打造信息化、智能化、安全化的智慧車站。

總結與展望

隨著我國軌道交通技術及其裝備的自主化開發、建設與運營，中國正在領跑國際市場。有消息稱，截至2020年底，上海地鐵運營規模、車輛保有量雙雙居世界第一。因此，實時高效的列車通信技術，多源大數據挖掘分析及處理，以及多信息智能融合的軌道交通各子系統深度集成與全自動全生命周期運營是未來我國軌道交通智慧化發展的內在需求與必然趨勢。

上海城市軌道交通如何引領“十四五”智慧發展？上海城市軌道交通應宏觀地著眼于完善長三角區域的綜合交通協調發展體系，率先建立長三角區域的交通樞紐分工合作模式，充分配置長三角一體化帶來的城市與交通資源要素，為長三角軌道交通一體化發展提供技術、建設、運維和治理的高質量保障。