智慧城軌前沿技術(shù)研究

張舵

（天津城市軌道咨詢有限公司 天津市 300450）

1 引言

建設(shè)智慧城軌是落實習(xí)近平總書記重要指示，相應(yīng)國家號召的需要，國家各級政府在大力引導(dǎo)軌道交通建設(shè)和發(fā)展。上海地鐵提出了上海智慧地鐵“1135X”架構(gòu)，從頂層規(guī)劃上明確了智慧建設(shè)、智慧運(yùn)維、智慧服務(wù)三大業(yè)務(wù)板塊。北京地鐵展開“一個智慧軌道交通中心”、“一批示范工程”、“一套標(biāo)準(zhǔn)體系”發(fā)展行動。廣州地鐵集團(tuán)將構(gòu)建軌道交通的產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟，打造縱向延展、橫向協(xié)作的軌道交通數(shù)字化產(chǎn)業(yè)集群，形成全智慧型軌道交通產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。天津軌道集團(tuán)也全面開展智慧城軌頂層設(shè)計規(guī)劃和示范項目建設(shè)，探索天津智慧城軌建設(shè)模式和發(fā)展方向。

在制定軌道交通發(fā)展規(guī)劃時，各國都在提升乘客服務(wù)質(zhì)量、增強(qiáng)軌道交通行業(yè)競爭力、實現(xiàn)綠色生態(tài)交通等方面提出了需求。在實現(xiàn)軌道交通智慧化方面，國外在多網(wǎng)融合及全自動運(yùn)行技術(shù)上實現(xiàn)較早、較為成熟，在其他智慧軌道發(fā)展進(jìn)程上相對緩慢，如圖1所示。

圖1

2 智慧城軌建設(shè)發(fā)展思路

2.1 充分發(fā)揮企業(yè)在項目建設(shè)、推進(jìn)中的主導(dǎo)作用

軌道建設(shè)運(yùn)營企業(yè)是智慧軌道發(fā)展的原動力和推動者，車輛、各設(shè)備系統(tǒng)、信息化供應(yīng)商是智慧軌道中的技術(shù)研發(fā)者，勘察設(shè)計企業(yè)是需求與技術(shù)的橋梁。企業(yè)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、共同努力，才能有效推進(jìn)智慧城軌的建設(shè)和發(fā)展。

2.2 以效率（Benefit）、效益（Efficiency）、安全（Safety）、服務(wù)（Service）為方向

從城市軌道交通的總體業(yè)務(wù)需求出發(fā)，深入分析業(yè)務(wù)需求，將軌道交通建設(shè)和運(yùn)營中遇到的痛點反饋、分析、梳理，將技術(shù)創(chuàng)新與業(yè)務(wù)提升相結(jié)合，以智能化服務(wù)于業(yè)務(wù)痛點和難點，面向?qū)崙?zhàn)落實應(yīng)用，建設(shè)安全可靠、運(yùn)維高效、經(jīng)濟(jì)適用、綠色發(fā)展的智慧城軌體系。

2.3 形成近遠(yuǎn)結(jié)合、先進(jìn)適用、持續(xù)發(fā)展的長效機(jī)制

智慧城軌的建設(shè)不是一蹴而就，隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營和技術(shù)發(fā)展，需要持續(xù)的技術(shù)、資金、人員投入。各個企業(yè)應(yīng)堅持立足當(dāng)前和謀劃長遠(yuǎn)相結(jié)合，圍繞主導(dǎo)業(yè)務(wù)，梳理基礎(chǔ)設(shè)施和資源，落實智慧城軌建設(shè)的關(guān)鍵領(lǐng)域，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢，既要重視技術(shù)的前瞻性、提升長遠(yuǎn)競爭力，又要項目落地，落實應(yīng)用示范和應(yīng)用推廣研究，促進(jìn)智慧城軌的可持續(xù)發(fā)展。

3 頂層設(shè)計

3.1 業(yè)務(wù)架構(gòu)

頂層設(shè)計要融合總體籌劃、分工協(xié)作和逐步推進(jìn)。結(jié)合頂層設(shè)計，確定目標(biāo)和方向；根據(jù)板塊分工，確立實施計劃；根據(jù)各板塊工作分工，執(zhí)行實施計劃，逐步推動落實各項業(yè)務(wù)。

3.2 功能架構(gòu)

功能架構(gòu)要結(jié)合地鐵的線網(wǎng)、線路和車站進(jìn)行系統(tǒng)性功能設(shè)計。線網(wǎng)級實現(xiàn)企業(yè)管理、建設(shè)管理、生活服務(wù)、線網(wǎng)的運(yùn)營組織管理；線路級實現(xiàn)線路工程建設(shè)的安全、投資、進(jìn)度管理等，線路的運(yùn)營、

運(yùn)維、客運(yùn)、物資、人員管理等；車站級實現(xiàn)各標(biāo)段、各工點的建設(shè)管理，車站級的站務(wù)、設(shè)備、服務(wù)等。功能架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2：功能架構(gòu)圖

4 智慧化關(guān)鍵技術(shù)探索

4.1 智慧車站

智慧車站的建設(shè)實施，應(yīng)遵循“安全可靠、需求導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)合理”的指導(dǎo)原則開展。智慧車站的建設(shè)實施，應(yīng)根據(jù)各線路的技術(shù)基礎(chǔ)、各車站的功能布局、客流特征等，采用差異化的實施方案。

結(jié)合全國地鐵行業(yè)對于智慧車站建設(shè)的經(jīng)驗，智慧車站建設(shè)可分為標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)項目（必選項）與特色建設(shè)項目（可選項）。其中，標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)項目為基礎(chǔ)通用功能建設(shè)，如智能客服、無感支付、全息感知、智能導(dǎo)向、一鍵開/關(guān)站、智能站務(wù)管理等；特色建設(shè)項目作為智慧車站試點建設(shè)的側(cè)重項目與特色項目，如智慧安防、客流監(jiān)測與預(yù)警、能源管理、電扶梯智能監(jiān)控與乘客異常行為分析等項目；根據(jù)功能需求和技術(shù)條件，實現(xiàn)智慧車站各應(yīng)用場景。

4.2 城軌云與大數(shù)據(jù)平臺

根據(jù)各地軌道交通線網(wǎng)的實際建設(shè)情況，按照物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，安全生產(chǎn)、內(nèi)部管理、外部服務(wù)三個網(wǎng)域分區(qū)協(xié)同治理的原則，分期分步建設(shè)。

4.2.1 既有線

對于已經(jīng)建成開通運(yùn)營、已完成信息化建設(shè)的線路，應(yīng)注重總結(jié)經(jīng)驗和教訓(xùn)，為后期信息化與智慧化建設(shè)留下組織過程資產(chǎn)，以便更好地開展后期建設(shè)工作。結(jié)合新系統(tǒng)的建設(shè)和系統(tǒng)更新改造，進(jìn)一步優(yōu)化既有系統(tǒng)的升級。

4.2.2 線網(wǎng)管理云

針對線網(wǎng)的運(yùn)營和管理，建立統(tǒng)一的線網(wǎng)管理云及大數(shù)據(jù)平臺。重點涵蓋安全生產(chǎn)、運(yùn)營管理、企業(yè)管控、資源管理等，實現(xiàn)智慧管理及智慧運(yùn)營業(yè)務(wù)功能，建立調(diào)度指揮、運(yùn)維管理、乘客服務(wù)、線網(wǎng)數(shù)據(jù)、資源管理、企業(yè)管理等智慧城軌應(yīng)用體系，建立軌道交通各專業(yè)、各部門之間高效信息共享、協(xié)同平臺。

采用統(tǒng)一云管模式集成專業(yè)運(yùn)維管理中心，各管理系統(tǒng)、專業(yè)運(yùn)維管理系統(tǒng)等不再單獨設(shè)立云管平臺，只按照系統(tǒng)業(yè)務(wù)量適當(dāng)補(bǔ)充線網(wǎng)管理云使用資源，力求達(dá)到充分利用資源、統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)的目標(biāo)，充分體現(xiàn)線網(wǎng)云管理平臺的管理能力。

4.2.3 線路工控云

建議采用單線或多線建設(shè)工控云模式，各設(shè)備廠商按照云架構(gòu)研發(fā)其工控管理系統(tǒng)，將車輛、通信、信號、綜合監(jiān)控、AFC 等線路專業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)一納管至線路云管平臺。通過線網(wǎng)數(shù)據(jù)共享平臺，將其狀態(tài)、告警、綜合預(yù)警模型等數(shù)據(jù)傳至線網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行線網(wǎng)數(shù)據(jù)分析，支持運(yùn)營決策。

4.2.4 行業(yè)產(chǎn)業(yè)云

發(fā)展橫向產(chǎn)業(yè)集群、聯(lián)通縱向產(chǎn)業(yè)鏈，通過整合“云”戰(zhàn)略，探索形成公共資源共享、產(chǎn)業(yè)循環(huán)完整、互相補(bǔ)充、部分替代的智慧城軌產(chǎn)業(yè)云體系建設(shè)新模式。

4.3 智慧建設(shè)

4.3.1 安全風(fēng)險監(jiān)控

通過數(shù)字化技術(shù)手段，對建設(shè)全過程進(jìn)行監(jiān)測和管控，并與施工過程相融合，提高在應(yīng)對應(yīng)急情況下的智慧能力，進(jìn)行直觀、動態(tài)、綜合、統(tǒng)一的建設(shè)管理監(jiān)控信息可視化展示，為監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急智慧提供“客觀、實時”的現(xiàn)場情況，為現(xiàn)場營造安全環(huán)境，為管理人員快速提供科學(xué)的決策依據(jù)。

4.3.2 綜合信息化管理

綜合信息化管理與先進(jìn)信息技術(shù)結(jié)合，將工程項目中的各主要業(yè)務(wù)與BIM 模塊進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以項目計劃進(jìn)度、安全質(zhì)量控制、流程及關(guān)鍵控制點為重點，實現(xiàn)對項目的全過程管理，同時引入AI人工智能技術(shù)，結(jié)合海量項目建設(shè)數(shù)據(jù)及周邊環(huán)境信息，提前感知項目風(fēng)險點和制約因素，為決策提供有效參考依據(jù)，徹底消除信息孤島，提高項目效率和效益。

4.3.3 基于BIM 技術(shù)的全壽命周期建設(shè)

以三維地理信息系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，以BIM 模型為核心，以城市軌道交通工程設(shè)計、建設(shè)、運(yùn)營全生命周期管理為目標(biāo)，建立開放創(chuàng)新的城市軌道交通工程信息化管理應(yīng)用平臺，服務(wù)于工程全生命周期。結(jié)合工程勘察設(shè)計、建設(shè)管理不同階段管理需求，開發(fā)相應(yīng)業(yè)務(wù)功能，滿足不同階段的管理需要，同時以工程BIM 模型為載體，實現(xiàn)設(shè)計階段（管線遷改、交通導(dǎo)改、車站場地現(xiàn)場仿真、車站方案比選、工程量計算核算各專業(yè)施工圖設(shè)計、管線綜合、裝修設(shè)計、設(shè)備協(xié)調(diào)布置及監(jiān)控攝像機(jī)盲區(qū)處理）、施工階段（管綜、孔洞、支吊架深化設(shè)計，施工模擬，利用BIM 開展安全管理、質(zhì)量管理、進(jìn)度管理、投資管控、資產(chǎn)管理等）、竣工交付和BIM運(yùn)營移交，實現(xiàn)勘察‐設(shè)計‐建設(shè)‐運(yùn)維全周期BIM 智慧建設(shè)。

4.4 智慧運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)

4.4.1 車輛運(yùn)維

車輛作為軌道交通運(yùn)行的核心構(gòu)件，其技術(shù)和信息集中度高，隨車輛智慧化技術(shù)的進(jìn)步，其信息感知和判斷分析具備應(yīng)用條件，但故障分析判斷的專家系統(tǒng)還需進(jìn)一步完善，通過數(shù)據(jù)積累和技術(shù)發(fā)展，逐步實現(xiàn)從預(yù)防修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。建議按照新建線路全面實施、既有線路分步改造的原則進(jìn)行建設(shè)。

4.4.2 供電運(yùn)維

供電智慧運(yùn)維技術(shù)主要包括：接觸網(wǎng)安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)、接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)、無人值守變電所和變電所環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。主要供電運(yùn)維實現(xiàn)：

（1）接觸網(wǎng)安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（6C）系統(tǒng)；

（2）變電所無人值守；

（3）變電所環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

4.4.3 通號運(yùn)維

通信、信號等弱電系統(tǒng)信息采集技術(shù)較為成熟，故障信息的分析判斷具備應(yīng)用條件，其智能運(yùn)維和管控具備應(yīng)用條件。平臺建設(shè)按照多點試點、示范線建設(shè)、全面建設(shè)三個階段：第一階段多點探索建立設(shè)備監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，明確信息采集內(nèi)容；第二階段示范線建設(shè)，選取合適項目開展通號智慧運(yùn)維管理系統(tǒng)建設(shè)和智能化運(yùn)維設(shè)備試驗；第三階段為全面建設(shè)，逐步實現(xiàn)線網(wǎng)智慧運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)。

4.4.4 工務(wù)運(yùn)維

工務(wù)智慧運(yùn)維平臺共包含三個層次建設(shè)，即智能感知層、數(shù)據(jù)中心層、智能應(yīng)用層，綜合考慮高速攝像、車載巡檢、銑刨車等技術(shù)和設(shè)備應(yīng)用。

5 結(jié)論

當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在深刻影響經(jīng)濟(jì)社會大局。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化越來越重要。利用最新科技成果推進(jìn)城市軌道交通信息化，發(fā)展智能化系統(tǒng)，建設(shè)智慧城市軌道交通，大力開創(chuàng)自主創(chuàng)新發(fā)展的新局面，是我國城市軌道交通行業(yè)面臨的主要任務(wù)。

在此背景下，本文對智慧城軌進(jìn)行了總體規(guī)劃，構(gòu)建了頂層設(shè)計和功能架構(gòu)，并對智能建筑的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本文的研究有助于了解城市軌道交通智能化建設(shè)的方向，為實現(xiàn)軌道交通信息化和智能化改造提供了新的研究思路，也為新理論，新技術(shù)的融合提供了探究依據(jù)。