濟(jì)南地鐵智慧車站建設(shè)方案及應(yīng)用實(shí)踐

孔祥蘇，安俊峰，李 美，左付超

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250102）

1 研究背景

2013年，濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司正式成立，同年濟(jì)南地鐵第一版線網(wǎng)規(guī)劃落地完成，并開(kāi)始建設(shè)。截至目前，濟(jì)南地鐵第一期建設(shè)規(guī)劃3條線路已全部建成通車，形成“H”型運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，第二期建設(shè)規(guī)劃線路也陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)。

濟(jì)南地鐵秉持“安全地鐵、綠色地鐵、智慧地鐵、品質(zhì)地鐵”的建設(shè)理念，積極探索智慧地鐵建設(shè)之路。其中，2號(hào)線是濟(jì)南地鐵第一輪建設(shè)規(guī)劃中串聯(lián)1號(hào)、3號(hào)線形成“H”型線網(wǎng)的關(guān)鍵線路，采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)、智能信息展示系統(tǒng)、智能間隙探測(cè)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，選取2號(hào)線八澗堡站作為濟(jì)南智慧地鐵示范站，采取物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等智慧元素，呈現(xiàn)出一系列具備科技感的智慧車站場(chǎng)景。

2 智慧車站建設(shè)

2.1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)

濟(jì)南地鐵順應(yīng)軌道交通行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，在1號(hào)、3 號(hào)線順利開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，換乘線路2號(hào)線采用國(guó)產(chǎn)全自主化知識(shí)產(chǎn)權(quán)、全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)，初期運(yùn)營(yíng)采用有人值守的列車自動(dòng)運(yùn)行（Driverless Train Operation，DTO），目前擁有GoA4級(jí)全功能。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO）總體架構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)線路相比，主要增加段場(chǎng)自動(dòng)化及聯(lián)動(dòng)控制等相關(guān)功能。

圖1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)總體架構(gòu)

為整體提高乘客滿意度和運(yùn)行安全相關(guān)系統(tǒng)的智能化水平，2號(hào)線車輛（圖2）使用雙機(jī)熱備（Local Control Unit，LCU）技術(shù)替代部分非關(guān)鍵繼電器；在車門、空調(diào)系統(tǒng)中集成健康管理功能；在走行部、受電弓等設(shè)備增加在線檢測(cè)功能，可實(shí)時(shí)對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行跟蹤診斷，實(shí)現(xiàn)車輛智能運(yùn)維。車輛利用通信和信號(hào)系統(tǒng)已有長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）和無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）無(wú)線傳輸通道實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)和大容量的車載數(shù)據(jù)落地傳輸。在地面搭建數(shù)據(jù)解析處理平臺(tái)，將相關(guān)車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一集成到地面平臺(tái)進(jìn)行集成分析展示。

圖2 濟(jì)南地鐵2號(hào)線車輛

在車輛段入段線搭建軌旁綜合檢測(cè)平臺(tái)（圖3），包括弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、輪對(duì)狀態(tài)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和全車360°圖像檢測(cè)三大子系統(tǒng)，車輛回庫(kù)后的檢修效率和檢修準(zhǔn)確性得到提高。車輛可在不停車的情況下完成輪對(duì)外形幾何尺寸檢測(cè)、受電弓關(guān)鍵參數(shù)（碳滑板磨耗、中心線偏移、接觸壓力）檢測(cè)、車輪踏面缺陷（擦傷、剝離、硌傷等缺陷）檢測(cè)、全車外觀可視關(guān)鍵部件異常（缺失、松脫、異物、移位等）自動(dòng)識(shí)別預(yù)警監(jiān)測(cè)。

圖3 濟(jì)南地鐵2號(hào)線軌旁綜合監(jiān)測(cè)平臺(tái)

2.2 智能信息展示系統(tǒng)

屏蔽門乘客信息系統(tǒng)（Passenger Information System，PIS）作為地鐵乘客信息系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可以讓乘客及時(shí)準(zhǔn)確了解到運(yùn)營(yíng)相關(guān)信息和公共媒體信息。濟(jì)南地鐵2號(hào)線八澗堡站設(shè)計(jì)的智能信息展示系統(tǒng)， 融合屏蔽門PIS系統(tǒng)，將車廂擁擠度、候車時(shí)間、公共媒體等信息通過(guò)設(shè)置在屏蔽門上方的高清顯示屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示（圖4），指導(dǎo)乘客選擇更加合適的車廂，提升乘客的出行體驗(yàn)。

圖4 屏蔽門高清顯示屏

智能信息展示系統(tǒng)采用條形屏+開(kāi)放式可插拔規(guī)范（Open Pluggable Specifi cation，OPS）云播放控制器組合技術(shù)，設(shè)備內(nèi)部所有部件均采用板載貼片式設(shè)計(jì)，集成度高，外觀輕便小巧，內(nèi)置多功能音視頻硬件加速器，采用OPS內(nèi)置供電方式，實(shí)際功耗不超過(guò)20 W，實(shí)現(xiàn)了低能耗高性能。條形屏最大分辨率4K，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)42寸液晶顯示屏（LCD）的1080P。系統(tǒng)按照PIS系統(tǒng)的功能需求，對(duì)屏蔽門高清顯示屏0.72 m2的可視面積進(jìn)行區(qū)域分割，使運(yùn)營(yíng)信息和廣告媒體信息同時(shí)播放，互不沖突，乘客可根據(jù)運(yùn)營(yíng)信息提示，自行前往空閑的車廂站臺(tái)乘車。

2.3 智能間隙探測(cè)系統(tǒng)

站臺(tái)門系統(tǒng)作為防止乘客有意或無(wú)意進(jìn)入到軌行區(qū)而發(fā)生危險(xiǎn)的重要屏障，探測(cè)其與列車門之間的間隙是地鐵站臺(tái)門系統(tǒng)中探測(cè)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)間隙探測(cè)方式包括物理?yè)醢濉⑷斯げt望燈帶、光電對(duì)射探測(cè)等。傳統(tǒng)間隙探測(cè)方式主要存在以下缺點(diǎn)：物理?yè)醢逡姿蓜?dòng)易侵限，僅能探測(cè)距地面500 mm內(nèi)較大物體，無(wú)全區(qū)域探測(cè)能力；人工瞭望燈帶主要依靠人為判別，有主觀性、易疲勞，不適用于全自動(dòng)駕駛線路和曲線站臺(tái)，無(wú)法聯(lián)動(dòng)其他系統(tǒng)；光電對(duì)射探測(cè)不適用于曲線站臺(tái)，受強(qiáng)光、振動(dòng)、粉塵鐵屑干擾易誤報(bào)，無(wú)報(bào)警門定位功能。

鑒于傳統(tǒng)間隙探測(cè)方式存在以上各類問(wèn)題，濟(jì)南地鐵2號(hào)線八澗堡站設(shè)計(jì)了智能間隙探測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)防區(qū)內(nèi)報(bào)警物檢測(cè)、遮擋和污染報(bào)警、環(huán)境記憶、報(bào)警門定位、多門并發(fā)、故障檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢、隔離/旁路、站臺(tái)門系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等各項(xiàng)功能。系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用激光雷達(dá)、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，將站臺(tái)門和列車門之間的間隙安全防護(hù)能力提升，實(shí)現(xiàn)間隙夾人夾物智能檢測(cè)；通過(guò)采用司機(jī)關(guān)門信息監(jiān)視屏與信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等方式預(yù)防意外事故的發(fā)生，避免因誤報(bào)對(duì)行車效率產(chǎn)生影響，從而提高地鐵運(yùn)行效率和安全性。

智能間隙探測(cè)系統(tǒng)采用基于飛行時(shí)間測(cè)距（Time of Flight Ranging，ToF）的激光探測(cè)器對(duì)列車門和站臺(tái)門狹縫之間特定平面上的異物進(jìn)行檢測(cè)。間隙探測(cè)雷達(dá)通過(guò)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)邊界形成防區(qū)，激光束根據(jù)防區(qū)內(nèi)有無(wú)異物而改變往返時(shí)間，從而檢測(cè)到異物并進(jìn)行定位。前端邊緣計(jì)算對(duì)探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以節(jié)省后端算力。前端雷達(dá)通過(guò)冗余的控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線將判斷結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳輸至機(jī)房控制主機(jī)，主機(jī)控制顯示器可呈現(xiàn)結(jié)果和展示設(shè)備狀態(tài)。間隙探測(cè)雷達(dá)內(nèi)置無(wú)線通訊模塊，采用905 nm的激光光線（為不可見(jiàn)光），通過(guò)手持平板連接間隙探測(cè)雷達(dá)熱點(diǎn)可以使用專用APP進(jìn)行探測(cè)距離、報(bào)警靈敏度、雷達(dá)開(kāi)角等參數(shù)設(shè)置。智能間隙探測(cè)裝置如圖5所示。

圖5 智能間隙探測(cè)裝置圖

3 應(yīng)用實(shí)踐

濟(jì)南地鐵2號(hào)線于2021年3月26日正式初期運(yùn)營(yíng)，以DTO模式開(kāi)通，全天采用蓋板關(guān)閉、司機(jī)室值守方式。截至目前，2號(hào)線總體運(yùn)行情況有序平穩(wěn)，累計(jì)開(kāi)行列車逾10萬(wàn)列次，行駛里程超336萬(wàn)km，列車兌現(xiàn)率達(dá)到99.99%，列車正點(diǎn)率達(dá)到99.93%。

智能信息展示系統(tǒng)使用云控制器，方便乘客及時(shí)了解等候時(shí)間、車廂內(nèi)擁擠度等信息，指導(dǎo)乘客選擇合適車廂，提升出行體驗(yàn)，同時(shí)也為后期運(yùn)維管理工作帶來(lái)便利，滿足車站智能化需求。

智能間隙探測(cè)系統(tǒng)與地鐵幾大核心系統(tǒng)（車輛、信號(hào)、綜合監(jiān)控、站臺(tái)門等）的信息交互較為順暢，能夠很好的輔助全自動(dòng)駕駛列車安全運(yùn)行，提升了地鐵運(yùn)營(yíng)的安全、效率及智能化水平，為列車全自動(dòng)運(yùn)行提供了更加安全的保障。

濟(jì)南地鐵2號(hào)線至今已運(yùn)行1年多，智慧車站八澗堡站通過(guò)應(yīng)用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)、智能信息展示系統(tǒng)以及智能間隙探測(cè)系統(tǒng)，既保證了車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行和準(zhǔn)點(diǎn)率，同時(shí)帶給乘客科技感、智慧化的乘車體驗(yàn)，全站智慧化應(yīng)用效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

智慧城軌建設(shè)是城市軌道交通未來(lái)的發(fā)展方向，是建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)和智慧城市的重要組成部分。隨著2號(hào)線智慧車站八澗堡站的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，濟(jì)南智慧地鐵建設(shè)具備良好開(kāi)端，也為其他城市智慧車站建設(shè)提供參考。濟(jì)南地鐵將繼續(xù)探索智慧地鐵建設(shè)之路，為形成中國(guó)式智慧城軌特色，實(shí)現(xiàn)智慧城軌建設(shè)戰(zhàn)略目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。