洛陽智慧城軌的體系構建與全生命周期建設探討

賈連志 林道中

(1. 洛陽市軌道交通集團有限責任公司， 471023， 洛陽；2. 中鐵建電氣化局集團第一工程有限公司， 471013， 洛陽∥第一作者， 高級工程師)

近年來，在城市軌道交通(以下簡為“城軌”)產業內，構建“智慧城軌”已成為一個熱門話題。《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》從8個專業出發，給出了在統一標準體系下共同建設城軌云和大數據平臺的指導建議。北京、上海及廣州等已具有完善城軌網絡的城市，多通過對原有設施設備進行改造升級或加入新元素等方式來建設“智慧城軌”。而洛陽的城軌建設剛剛起步，尚未成網，完全可以利用后起優勢，在初期建設階段就參考發達城市，建設“智慧城軌”線網。

洛陽具有優越的地理位置、深厚的歷史底蘊、豐富的旅游資源，一直致力于打造文化旅游城市的名片，吸引了大量游客。由文獻[1]的統計結果，自2013年至2019年，洛陽市旅游人數從0.86億人次增長到1.42億人次， 2019年洛陽市旅游總收入達到1 321.02億元。根據運營方數據，洛陽地鐵1號線開通前期，受“牡丹花會”的帶動，日客運量達24.64萬人次。此外，第七次人口普查結果顯示，洛陽市城鎮人口比重上升了20.88%。就此可預見，居民出行需求也將隨之增長。快速增長的游客需求和居民出行需要，都凸顯了洛陽軌道交通較強的發展潛力。

其他城市發展已經表明，現有的城軌系統已經很難適應快速增長的客流、服務品質、服務響應時效性的需求，洛陽城軌亟待探索最大限度優化利用資源，發揮先進技術設施效能，打造面向乘客、面向服務的智慧城軌體系。本文探討了洛陽智慧城軌體系的構建，從智慧城軌的全生命周期建設出發，探討了設計建設期的智慧建造、建設運營期的資產管理，以及運營維護期的智能維護。

1 洛陽智慧城軌體系的構建

1.1 其他城市經驗

城軌建設經驗豐富的城市已嘗試構建智慧城軌體系。北京智慧城軌的體系主要從5個方面落實：智慧乘客服務、智能車輛及設備運行、智能車輛及設備維護、云平臺構建、行業標準規范體系建立[2]。上海用“SMART”來詮釋智慧城軌的特征，即狀態感知(state perception)、數據管控(data management)、自動診斷(automatic analysis)、業務閉環(route loop)、持續進化(tenacious evolution)，概括了智慧城軌從對象數字化到執行智能化、到最終實現決策與聯動智慧化的發展過程[3]。南京地鐵示范工程以都市圈城軌云、大數據平臺及5G(第5代移動通信技術)公專網傳輸網絡為基礎，圍繞乘客服務、運營管理和設備維護三大業務場景，重點突破跨市域乘客服務、多網融合智能調度、多專業綜合運維、普適性列車簡統及全生命周期管理等關鍵技術[4]。

1.2 洛陽智慧城軌體系的架構

綜合考慮洛陽市軌道交通集團有限責任公司架構(見圖1)、線路規劃及運營情況等，洛陽智慧城軌體系以洛陽市軌道交通集團綜合交通樞紐發展有限責任公司為總體出發點，同洛陽市軌道交通集團有限責任公司運營分公司協調，梳理建設與運營的關系。以線網運行和樞紐節點為重點構建線網運營調度指揮中心，充分考慮運營需要，對各線路的設計方案、設施設備及運營組織等進行統籌規劃，在運維過程中建立人員、機器、環境、管理四要素的管理體系，實現城軌的安全、綠色發展。

圖1 洛陽市軌道交通集團有限責任公司架構圖

如圖2所示，洛陽智慧城軌體系主要劃分為數據采集、數據存儲與計算、數據應用等3個層面。

圖2 洛陽智慧城軌體系的架構Fig.2 Architecture of Luoyang smart urban rail

1.2.1 數據采集

數據采集主要包括建設期的基礎數據和運行期的狀態數據采集。依托于建設期的動態數據采集儀、各類傳感器及無線模塊等智能化設備，利用數字孿生技術可以較為容易地獲得土建、車輛等基礎設施數據及車輛、設備運行數據，通過IC卡、手機支付端、進站閘機等采集乘客信息，此外，還可導入已有的物資管理數據、工作人員信息、公司組織架構、制度規范等，進而構建全方位數據采集系統。

數字孿生(digital twin)技術以數字化方式創建物理實體的虛擬模型，借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為，通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力[5]。該技術可解決BIM(建筑信息模型)+GIS(地理信息系統)方法中靜態建模、數據孤立、細節不到位等問題，充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術，提供更加實時、高效、智能的服務。

智慧城軌為智慧城市的一部分。在交通管理部門的協調下，智慧城軌的數據可與地面公共交通數據實現共享互通，便于乘客正常換乘銜接或應急接駁等服務。

1.2.2 數據存儲與計算

數據的存儲與計算采用區塊鏈技術來實現去中心化和加密處理。在區塊鏈中，數字孿生的數據唯一且可追溯，其既能實時更新設備狀態及工作人員動向，實現數據的共享性、真實性和即時性，也能保證閉環管控，避免遺漏。

數據存儲計算采取深度學習和人工智能技術，結合專家知識庫，對行業累積數據與本土數據進行學習訓練。云計算提高了數據計算效率。5G保證了通信數據的準確性。

1.2.3 數據應用

數據應用包含建設管理、資產管理、運營組織、設備維修、乘客服務及環境管理等。數據采集后通過云計算，可基本實現智慧城軌相關數據的整理。數據應用可實現多種功能：可用于模擬演示建設施工、車輛運行及大客流狀態等，以發掘存在的風險隱患，便于及時管控；可進行智慧資產管理，增強資產保值增值能力；可基于多元客流數據、列車載運能力、列車運行狀態及城市交通出行特征，合理地安排調度，優化子系統參數配置，進而提高運行效率；面對突發事件，可根據采集到的數據來判斷事件的嚴重程度，進一步實現分級管控措施；可通過調整智能化設備、及時調配人員來處置突發事件，減少信息傳送和分析決策的時間，減少突發事件對運營的影響；通過對全系統設備的管控，可為乘客提供更加豐富準確的信息，增強與乘客的互動，提升服務質量；基于能耗和噪聲振動等狀態監測數據，可在車型改造、車輛運行、車站管理等方面提出優化策略，從而降低能源消耗和污染排放，降噪減振，給乘客良好的乘車體驗，保護城市風貌。

2 洛陽智慧城軌的全生命周期建設

城軌的全生命周期一般包含概念、系統定義與應用條件、風險分析與評估、系統要求、系統架構和要求分配、設計和應用、制造、安裝、系統確認、系統驗收、操作、維護、性能監測、退役等階段。

在傳統地鐵項目中，前期設計建設階段和后期運營維護階段多有所割裂，且設計建設階段的投入尤受重視。然而，根據深圳市地鐵集團有限公司2017年的分析，城市軌道交通30年運營全費用約為建設費用的3.3～3.7倍[6]。可見，要打造智慧城軌，其全生命周期的建設都應引起重視。簡單來說，智慧城軌的全生命周期建設主要包括設計建設階段的智慧建造、建設運營階段的智慧資產管理及運營維護階段的智能運維。

2.1 智慧建造

智慧建造是將新一代信息通信技術與先進設計施工技術深度融合，并貫穿工程活動各環節，具有自感知、自學習、自決策、自適應等功能的新型建造方式。當前，智慧建造較多采用BIM+GIS和數字孿生等技術。

智慧建造理念立足于全生命周期，要求運營主管單位在工程前期就要考慮后期的運營規劃。在工程可行性研究階段，由運營主管單位牽頭，在設計單位開展設計工作的同時，編制以實現智慧城軌目標為主線、詳細且規范的運營規劃系列文件。這些文件的內容可包括(并不限于)運營規劃與目標、運營服務大綱、系統功能要求、運營模式、維修策略及運營管理等[7]。將建設期和運維期串聯起來之后，洛陽市軌道交通集團有限責任公司更能科學高效地統籌土建基礎工程的建設、機車車輛的制造、設備的采購安裝及站點的銜接分配。

洛陽地鐵建設主要存在地勢不平、淺層文物較多等問題，需做好文物保護，并兼顧經濟性和可持續發展性。對此，洛陽智慧城軌建設的智慧建造應包括：在規劃期和建設期，應利用先進的探測設備，不斷補充完善建設環境資料，為土建工程展開提供詳細的數據支撐；對工程質量進行多元數據記錄，采用實時預警的質量整改方案；對機電設備及機車車輛進行數字建模，采用物聯網技術并利用5G進行數據交互，建立大數據平臺。

通過智慧建設，洛陽智慧城軌可從這些數據中挖掘建設階段存在的風險隱患，通過自主學習的方式尋求最優解決方案，以指導相關工作的展開，還可將這些數據作為竣工驗收的有力參考。在建設過程中通過數字孿生積累的大量數據將對指導運營工作有重要意義：若之后出現工程問題，則可更加高效地追責整改，降低溝通成本，地鐵運營質量也得到有效提高。

此外，洛陽地鐵車輛的制造方可在智慧建設中學習全自動運行列車的范例，對車載設備進行智能化升級，在設計建造階段采用先進的數據采集技術，并為列車保留升級改造空間，為日后線網的互聯互通打下堅實基礎。

2.2 智慧資產管理

根據《洛陽市城市軌道交通第一期建設規劃》，洛陽地鐵1號線和2號線一期工程，總長41.3 km，總投資達310億元。對于如此重型的資產行業，洛陽智慧城軌建設應積極挖掘資產潛力，提升資產管理水平，增強資產保值增值能力。

由我國城軌建設經驗可知：地鐵資產具有資產種類多、區域分布廣、管理周期長及資金總量大的特點；城軌資產管理不僅要面對資產全壽命周期管理過程復雜、資產價值管理和實物管理難以協調、資產管理程序相對嚴格等難題，還存在資產信息不完整、初始臺賬不規范、資產與實物沒有實現關聯，以及資產變更更新不及時等問題。

洛陽市軌道交通集團有限責任公司可基于《國際資產管理標準》，從資產全壽命周期管理和安全效能成本管理的理念出發，結合自身實際資產規模，構建智慧資產管理系統。

在建設階段，依托資產臺賬，利用數字孿生技術，將車站、線路、網絡，以及各專業的基礎設施設備等實物資產，轉為虛擬化、數字化表達，并對各類資產的全壽命周期信息進行采集、展示及統計。這就需要明確設備資產管理范圍、制定設備模型建模標準和設備編碼體系，并進行相關調試驗證，以確保設備資產信息可從智慧資產管理系統中導出[8]。

除了在建設階段可將資產數字化，在后續的運營階段也可實時獲取與修正數字化資產。借助自動監測、數據智能采集、物聯網和云平臺技術，智慧資產管理系統匯總收集、分類清洗和轉換分析不同種類資產的屬性信息和狀態位置，并對資產進行數字孿生，可實時精確獲取各類資產的所有信息。通過工業自動化和信息化融合技術，將云平臺和邊緣智能前后端結合，資產管理系統可實現對資產管理現狀的自主感知和分析診斷，進而實現各種業務場景的展現、模式的識別，甚至實現方案執行的軟件化。最終建立集精準感知、深度分析、智慧決策、高效實施和自主學習于一體的智慧資產管理系統，實現各類資產管理業務的互聯互通[9]。

2.3 智能運維

目前，我國城市軌道交通運營規模快速發展，服務品質要求日益提升，服務時效要求愈加嚴格。

而現有的運維服務模式無法滿足相關需求。洛陽智慧城軌建設需要構建集運營、檢修、維護于一體的智慧運維云平臺。洛陽市智慧城軌智能運維云平臺框架圖如圖3所示。

圖3 智能運維云平臺框架圖Fig.3 Framework diagram of intelligent operation and maintenance cloud platform

智慧運維云平臺的建設內容包括：建立與智能調度相協調的運營保障系統，實現對車輛、通信、信號、供電、機電等專業系統設施的實時智能監控；建設列車控制管理系統，實現對列車運行速度，載荷情況，位置信息，以及客室溫度、濕度及照度等狀態的遠程監控[10]；構建互聯互通的多線路融合網絡，利用無線射頻識別技術、藍牙、局域網等將全網絡設施設備互相聯通；通過視頻圖像采集設備和各類傳感器智能感知設施設備狀態，借助5G傳輸實時統計設備故障率，并作系統性分析[11]；將設備設施的全壽命周期數據整理上傳至云平臺，為日后的智能檢修維護奠定數據基礎。

此外，需建立設備健康狀態管理平臺，利用在線狀態監測和遠程故障診斷技術，建立各類設備的劣化模型，進行劣化趨勢分析，摸索設備劣化規律，并智能生成最優的維修計劃和方案。使維修工作從傳統的“故障修”、“計劃修”轉變為“預測修”和“狀態修”。重點關注影響運營安全和效率的各系統關鍵設施設備，提高其實時狀態監測與故障診斷的可靠性，根據故障發生頻率和影響嚴重程度建立風險矩陣，逐步完善各關鍵設備或子系統維修策略，從而解決規模化運營帶來的大量關鍵設施設備檢修維護工作[12]。

最終建設成集狀態監測與評估、特征提取與分析、故障預測與診斷、最優維修模式與策略的智能運維云平臺。該云平臺用于集成各系統設施設備數據、列車運行數據、運營調度數據和故障檢修數據等，并對這些數據進行數據清洗、分類整理、轉換融合、深度分析，從而打破各線路、各系統的數據壁壘，實現了從數據層到分析層到應用層再到展示層的閉環跟蹤環節。

3 結語

各地的智慧城軌建設之路仍在探索之中。本文基于各地相關的經驗，梳理了洛陽智慧城軌體系的構建內容，并探討了洛陽智慧城軌的全生命周期建設要點。洛陽智慧城軌建設應遵循綜合、綠色、安全、人性化、自主化、智慧化的策略，在宏觀上把握洛陽智慧城軌發展方向，在微觀上因地制宜、協調發展，加強行業內交流，學習相關經驗。