智慧軌道交通總體框架及信息技術標準架構的研究

王雨桐

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

近年來，智慧城市的概念已經在我國逐步展開，其目的是通過運用現代科學技術建立集城市規劃、建設和管理為一體的新型城市管理模式。智慧城市的基本理念就是“以人為本”和“可持續創新”，即在服務于人的同時具備可持續發展與創新的能力，包括基礎設施的規劃、建設、管理、運行等多個方面。最先正式提出智慧城市概念的IBM 公司經過研究認為，城市是由關系到城市主要功能的不同類型的網絡、基礎設施和環境6 個核心系統組成：組織（人）、業務/政務、交通、通信、水和能源。各系統之間相互合作，相互連接。而城市本身則是由這些系統所組成的宏觀系統。其中，交通系統作為城市運作的重要載體，對智慧的要求甚至出現的更早[1]。

“交通”一詞的概念，最早可追溯至《易經》，“天地交而萬物通”意為往來通達。現代漢語中“交通”作為各種運輸和郵電通信的總稱，在國民經濟中屬于第三產業，是現代工業社會的基礎之一。這其中，軌道交通因其普遍具有速度快、運量大、班次密、運費低、安全舒適、準點率高、全天候和節能環保等優點，在交通系統中一直占有不可忽視的地位。這也使軌道交通更需要適應新興技術給人們的生活帶來的轉變。

2 智慧軌道交通的概念分析

如今，人工智能、大數據、云計算、5G 通信、物聯網、北斗時空定位等新興技術的出現和逐步成熟推動著各行業的智能化發展，也為智能化進一步向智慧化發展奠定了基礎。而由智能化進化為智慧化的重點就在于“分析判斷”和“發明創造”。也就是說，智能化系統只是在完成人類賦予的任務，而智慧化系統在完成任務的同時，還可以“學習”“分析”“總結”“判斷”“融合”，進而“表達”“創新”和“進化”。

以往的軌道交通系統都是“人”適應“軌道交通系統”。人們的選擇總是被軌道交通系統所限制。人們需要被迫去適應系統本身。比如，一位乘客在站內想從距離目的地最近的出口出站，即使站內有標識指向，但對該乘客的目的地表述不夠清晰，乘客無法直觀判斷哪一個出口距離目的地最近。結果只能是乘客自己摸索出站后到達目的地。一位維護人員在某個設備故障后，需要在極短的時間內對該設備進行維修或更換。但他對該設備的故障原因并不清楚，無法一次性確認具體是需要簡單維修還是徹底更換。假如在他確認需要更換該設備后，物資儲備是否充足，或是備品備件具體的存放地點在哪里，他可能也并不清楚。而這些問題都將加大維護人員投入的工作量，影響軌道交通系統的正常運營。而新型智慧軌道交通系統則應是讓“軌道交通系統”適應“人”（見圖1）。乘客想知道的問題，都可以在第一時間獲取最直觀最準確的答案。維護人員可以在第一時間知道故障原因甚至提前預判，在問題發生前就解決隱患。對資產的清點以及備品備件的管理也可一目了然，無須耗費更多的時間去搜索查詢。

圖1 軌道交通智慧化

所以，智慧軌道交通的特點體現在“智慧”二字。它意味著軌道交通系統可以像人一樣思考。就好比一個貼心的伙伴，人們需要的一切他都可以提供，人們心里所想他都可以洞悉。它可以隨時隨地在人們需要的地點提供需要的服務，無論是乘客還是運維人員。一切以“人”的需求出發，利用先進的智慧技術，使軌道交通具有自主學習、自主研判、自主進化的能力。

3 智慧軌道交通的總體框架體系

軌道交通的業務需求，總共可分為三大場景：乘客出行、運行管控、設備運維，如圖2 所示。

為應對各種狀況，首先，需要全面掌握所有信息。這就對系統的前端感知能力有較高的要求，這也是智慧軌道交通系統需要將全息感知平臺的構建作為基礎的原因。只有需要的信息都是已知的情況下才能做出最快速、最準確的應對。但建立一個高效的全息感知平臺，也需要多種技術的相互配合。如前文所述，這么多的基礎數據收集起來，如何使用又是一個重要的問題[2]。高效率地利用收集到的信息，不僅可以節省調取的時間，還可以減少前端傳感設備的布置成本。從最少的數據中提取出最多的信息，少不了軟件算法的技術支持。再通過人工智能、圖像處理和大數據的迭代更新，將所需要的基礎數據進行精簡，確保所有收集的數據都是可用的、有用的，才能不讓大量無效重復的數據占據計算和存儲資源，建立完備的數據體系。此外，數字化的全息感知平臺還可以為后續建設和運營提供數據支持。運用數字孿生等先進技術，可以在平臺的仿真界面完成一些現階段只能在現場才能完成的工作，例如，現場踏勘、更新維修設備調試等。設計人員可以在仿真界面獲取全部所需的臺賬信息，甚至包括隱蔽工程內容；設備維護人員可以在仿真界面不影響現實行車的前提下調試設備，減少夜間天窗期計劃申請，節約后續投資成本的同時也將可遇風險降到最低。而且全息感知平臺的建立也便于管理。只需要給相應人員一個對應權限的ID 賬號，就可輕松管理相關項目人員信息，如圖2 所示。

圖2 軌道交通三大業務場景

智慧軌道交通需要構建一個基于全息感知平臺的總體框架體系。通過對軌道交通內部信息和外部信息的全面收集，完成全息感知平臺的構建。通過平臺內部對收集到的信息進行分類、整理、迭代、更新、存儲，為智慧建設和智慧運營提供基礎的技術支持和便利的業務服務，如圖3 所示。

圖3 智慧軌道交通總體框架體系

4 智慧軌道交通信息技術標準架構

構建智慧軌道交通總體框架的重點在于海量數據的交互和互通。數據的調用需要快速、高效、準確，所以，需要統一的數據格式和網絡協議。數據間的傳輸也需要高速率、高帶寬、高可靠性的傳輸通道。全息感知平臺也需要快速計算和海量存儲的載體，保障足夠的算力和存儲空間。還需要對前端采集設備收集上來的信息進行分類整理和初期的處理，為支持各項業務提供保障。同時提供多項業務，還需要為海量數據在線交互提供可靠的途徑，滿足多端口同時訪問的需求。智慧軌道交通還須保障頂層的管理體系，做到態勢全感知、指令快準達、決策有保障。

基于以上研究，本文總結出了一項基于全息感知技術的城市軌道交通信息技術標準架構，如圖4 所示。

圖4 智慧軌道交通信息技術標準架構

第一層為設備感知層，利用底層設備建立全息感知平臺，全面采集底層數據，定期更新，統一格式。

第二層為基礎承載網層，是信息交互的主要通道，包括有線承載網和無線承載網，建立信息傳遞高速路。

第三層為云平臺層，為智慧軌道交通系統提供計算和存儲的能力。

第四層為數據中心層，利用云平臺的計算能力，高效率地進行各類數據的分析與整理，以及初期的算法處理。

第五層為業務層，為對外交互的主要接口界面。針對不同的人員提供不同的業務，大致可分為4 類業務：智慧客服為乘客提供指引、購票、安檢、宣傳、疏導等業務；智能運行為運行人員提供客流分析、行車組織、全貌監測、設備監控等業務；智能維護為運維人員提供資產關聯、計劃申請、工單派發、過程監控、人員管理等業務；智慧建設為相關人員提供項目需求對比、資源管理、過程管控、交付管理等業務。

頂層為智慧軌道交通的智慧大腦層，具備態勢感知、調度指揮、輔助決策的能力。通過大數據分析和人工智能技術為后續軌道交通系統的規劃建設、運營調度、資產維護、安全保障提供具體的輔助參考信息[3]。為各種情況提供最直接的應對策略和解決方案。

智慧軌道交通的建設是一個綜合運用新思想、新理念，逐步對軌道交通完成數字化轉型的過程。通過對需求的分析，建立具有自組織能力、判斷能力、創新能力、持續進化能力的新型軌道交通位移服務系統。為人們提供“所想即所得”的服務。

5 結語

在交通強國建設綱要的指導下，軌道交通智慧化已經成為行業發展的重點，軌道交通與其他行業之間的融合互聯也必不可少。運用多網融合方案實現多制式、多層次的立體化交通必將成為未來交通系統的基本模式。為此，軌道交通必將完成一體化、數字化、平臺化的發展目標，建立經濟舒適、快速高效、持續發展的新型智慧軌道交通系統。