智慧城市背景下的智慧地鐵建設

徐會照

（青島市地鐵一號線有限公司，山東 青島 260001）

0 引言

隨著科技的發展和城市化進程的加快，城市建設面臨著交通擁堵、能耗過高、環境污染等問題。為應對這些挑戰，大規模的城市建設和發展已經全面展開，智慧城市成為新的發展方向。智慧城市主要是利用先進的信息通信技術，對城市的各個方面進行優化管理，以提高城市的可持續性和居民的生活質量。地鐵是重要的城市交通工具，在此背景下，實現地鐵智慧化和現代化建設成為關鍵。

1 智慧城市概述

智慧城市是一種基于信息技術和數字化手段，將城市管理、公共服務和市民生活緊密結合的城市發展模式。近年來，我國政府積極推動智慧城市建設，旨在提高城市治理水平、改善市民生活質量和推動經濟發展。當前，智慧城市發展迅速崛起，政府、企業和市民之間的合作關系越來越密切。我國智慧城市的發展目標分為三個階段：信息化、智能化和可持續發展。信息化階段主要是推動寬帶網絡、物聯網、大數據等信息基礎設施的建設和應用；智能化階段注重提高市民生活水平和城市治理水平，加強公共服務等領域的智能化建設；可持續發展階段致力于環境保護、可再生能源利用等，以實現綠色發展和生態文明建設。

2 智慧地鐵建設

目前，智慧地鐵建設已成為我國城市公共交通系統發展的主要方向，其目標是提高運輸效率、增強安全性和改善乘客體驗。智慧地鐵建設需要借助大數據、云計算、物聯網、人工智能等核心技術，實現對地鐵系統的全面優化升級。

第一，智能調度。通過實時數據分析和預測，智能調度系統可以根據乘客流量、列車運行狀況等因素動態調整列車發車間隔，提高運輸效率和運力。第二，乘客信息服務。利用大數據和人工智能等技術，為乘客提供實時的出行建議、換乘指導、到站預測等信息，以提高乘客的出行體驗。第三，安全監控。通過部署各類傳感器和攝像頭，實時監測地鐵車站、列車等設施的運行狀況和安全狀態，便于及時采取措施以進行預防和應急處理。第四，能源管理。利用物聯網和大數據技術，實現對地鐵系統能源的實時監測和優化調度，降低能耗，提高能源利用效率。第五，智能票務。采用移動支付、二維碼識別、刷臉支付等技術，簡化乘客購票、進出站等環節，提升乘客體驗。第六，無障礙服務。通過語音導航、盲文標識、無障礙設施等措施，確保殘疾人等特殊人群能夠方便地享受地鐵服務。

3 基于智慧城市的智慧地鐵建設意義

3.1 提高城市交通效率，緩解擁堵問題

智慧地鐵建設能夠有效提高城市公共交通系統的運行效率，緩解道路擁堵壓力。通過智能調度系統，地鐵運營方可以實時監控列車運行狀況，根據實際乘客流量動態調整列車發車間隔，調劑運力配置，提高綜合運力。此外，智能地鐵線路規劃和換乘指導等服務可以為乘客提供最佳出行方案，縮短換乘時間，提高出行效率。從宏觀層面看，智慧地鐵有助于引導市民選擇綠色、環保的公共交通方式，減少私家車出行，減少道路擁堵現象，提高城市交通效率。

3.2 滿足民眾多樣化出行需求，提高生活品質

智慧地鐵建設緊密貼合民眾的出行需求，通過提供個性化、便捷的服務，大幅度提高乘客的出行體驗。例如，通過實時列車位置信息、到站預測等功能，乘客可以提前規劃出行時間，避免在車站等待。智能票務系統，如移動支付、二維碼識別、刷臉支付等技術，為乘客提供便捷的購票、進出站等服務，節省時間，提高乘客滿意度。此外，針對老人、殘疾人等特殊人群，智慧地鐵能夠提供無障礙服務，如語音導航、盲文標識等，確保其能夠方便地使用地鐵服務。綜合來看，智慧地鐵能夠滿足民眾多樣化的出行需求，有效提高城市居民的生活品質[1]。

3.3 推動城市可持續發展，實現綠色出行

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設有助于推動城市的可持續發展，實現綠色出行。地鐵作為一種低碳、環保的公共交通方式，能夠有效降低城市交通對環境的負面影響。智慧地鐵通過精細化能源管理，可實現對能源消耗的實時監測和優化調度，降低能耗，提高能源利用效率。從長遠來看，智慧地鐵有助于引導市民養成綠色出行習慣，助力城市實現綠色、低碳、可持續發展目標。

4 基于智慧城市的智慧地鐵建設措施

4.1 建設智能交通指揮系統

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設是一個復雜且具有挑戰性的工程。其中關鍵的一步是建設智能交通指揮系統，利用最新的信息技術、通信技術以及交通管理技術，實現交通運輸系統的智能化、網絡化和信息化。以下是智能交通指揮系統建設的關鍵步驟：

4.1.1 設計高精度的地鐵線路規劃系統

利用GIS（地理信息系統）技術，結合深度學習和大數據分析，創建智能的地鐵線路規劃系統。例如，可以使用600mm 精度的高分辨率衛星圖像數據，結合城市建筑物道路信息，計算出最佳的地鐵線路規劃方案。在規劃過程中，系統會考慮城市人口分布、交通需求、地質條件和環保要求等多種因素。

4.1.2 構建實時地鐵運行監控系統

利用傳感器、無線通信技術和云計算，打造出實時地鐵運行監控系統。例如，在每列地鐵上安裝用于檢測速度、位置、環境條件等信息的傳感器，如基于MEMS 技術的3 軸加速度計，其精度可達到±0.01g，且尺寸小，如LIS3DH 模型的尺寸僅為3×3×1（mm）。此外，可以在地鐵線路上安裝RFID（無線頻率識別）標簽，配合車載RFID 讀取器（如Alien Technology 的Higgs-3 型號，工作頻率為860～960MHz）實現對地鐵位置實時的跟蹤[2]。

4.1.3 建立智能地鐵運行調度系統

通過AI 和機器學習技術，建立智能地鐵運行調度系統。系統能夠根據地鐵的實時運行情況、乘客需求情況等，自動計算出最優運行和調度方案。例如，通過分析地鐵運行數據，預測在接下來的一小時內每個站臺的乘客流量情況，然后根據預測結果，自動調整地鐵運行頻率和速度，最大限度地提高運輸效率和乘客滿意度。

4.2 自動售檢票與無人駕駛地鐵列車

4.2.1 自動售檢票機

結合智慧城市建設背景，在智慧地鐵建設中需應用自動售檢票技術打造自動售檢票機，為乘客提供更加便捷的購票和進出站體驗，同時有效提高運營效率和安全性。第一，自動售票機應具備高效的用戶交互能力和數據處理能力，利用人工智能技術，通過觸摸屏、語音交互等方式，為乘客提供便捷的購票服務。第二，自動檢票閘機應具備高精度的票卡識別能力和乘客檢測能力。例如，使用NXP 的MIFARE 系列RFID 讀 取 器 芯 片（如MFRC522，工 作 頻 率 為13.56MHz），配合RFID 票卡，實現快速的票卡識別。同時，檢票閘機可以安裝高精度的紅外傳感器和攝像頭，用于檢測和記錄乘客的進出站情況。當前，采用的“一卡通”手機掃碼進站—上車—乘車—下車—掃碼出站的方式即為一個很好的解決方案。

4.2.2 無人駕駛地鐵列車技術

無人駕駛列車的自動化運行控制系統需能根據預設的運行計劃，自動控制列車的起停、速度調整、門的開閉等。例如，可以使用基于ARM Cortex-M7 核心的微控制器（如STM32F767，工作頻率達到216 MHz），實現高效的運行控制[3]。無人駕駛列車還需裝備一系列的傳感器，用于監測列車的運行狀態和環境情況。例如，可以使用基于MEMS 技術的六軸慣性測量單元（如Bosch Sensortec 的BMI088，精度可達到±0.01g），監測列車的運動狀態；使用激光雷達或者攝像頭，監測列車前方的障礙物和站臺情況。此外，無人駕駛列車還需具備穩定的通信能力，方便實時與調度中心和其他列車進行信息交換。例如，可以使用基于4G/5G 通信技術的車載通信模塊（如Quectel 的AG550Q，支持5G NR/LTE-FDD/LTE-TDD/HSPA+通信），實現高速的無線通信。

4.3 智能能源管理與節能措施

4.3.1 智能能源管理

智能能源管理系統應包括以下幾個部分：

第一，能源監控設備。在地鐵車輛和設施上安裝電能表和其他能源監測設備，實時采集能源消耗數據。比如，使用如Schneider Electric 的PM8000 系列電能表（精度達到±0.2%），實現高精度的電能監測。

第二，數據收集和傳輸設備。使用基于4G/5G 通信技術的數據傳輸設備，將采集到的能源數據實時傳輸至數據中心[4]。

第三，數據分析和優化系統。利用大數據和人工智能技術，對收集到的能源數據進行分析和優化。

4.3.2 節能管理措施

第一，優化運行策略。例如，地鐵可以根據乘客流量的變化，動態調整運行頻率和速度，以減少能源消耗。此外，地鐵在非高峰時段，可以采用節能模式運行，如減少空調的運行，降低照明的亮度等。

第二，使用高效的設備和材料。例如，地鐵車輛可以使用高效的電機和變頻器，以降低能源消耗。車輛的設計也應考慮到能源效率，如使用輕質材料、優化空氣動力學設計等。地鐵站點和設施也可以使用LED 照明、太陽能供電等節能技術。

第三，能源回收利用。在地鐵運行過程中，可以通過能源回收技術，將部分能源回收利用。例如，當地鐵列車制動時，可以通過能源回收系統，將制動能量轉換為電能存儲起來，供其他設備使用[5]。

4.4 乘客出行信息服務平臺

4.4.1 構建實時動態信息發布系統

憑借傳感器網絡、無線通信和云計算技術，可基于智慧城市背景，建設出實時動態信息發布系統。這個系統可以實時采集地鐵運行數據，包括列車的運行狀態、位置、速度等，并將這些信息發布到乘客出行信息服務平臺上。例如，列車可以裝配具有GPS 定位功能的通信模塊，如Telit 的LE910C1-NF 模塊（支持LTE Cat 1 和EGPRS 通信），用以獲取列車的實時位置信息。

4.4.2 建立智能行程規劃和推薦系統

通過人工智能和大數據分析技術，構建出智慧地鐵行程規劃和推薦系統。這個系統可以根據乘客的出行需求和實時的地鐵運行情況，為乘客提供最優的出行路線和時間建議。例如，系統可以預測在接下來的一小時內，每個站臺的乘客流量情況，然后根據預測結果，為乘客推薦最佳的出行時間和路線。

4.4.3 發展多渠道的信息服務模式

為了讓更多的乘客能方便地獲取出行信息，需發展多渠道的信息服務模式。例如，除了在地鐵站內設置信息顯示屏和自助查詢機外，還可以開發手機APP和網頁，通過網絡為乘客提供信息服務。例如，可以在華為、小米等主流手機平臺上發布乘客出行信息服務APP，使乘客能夠在手機上隨時查看地鐵運行情況和獲取出行建議。

4.4.4 引入個性化的信息服務

通過用戶行為分析和個性化推薦技術，在此合理運用大數據分析技術以及云計算技術，為每個乘客提供個性化的出行信息服務。例如，服務平臺可以根據乘客的出行習慣和喜好，提供個性化的出行建議和服務，如定制的行程提醒、個性化的站點推薦等。

4.5 實施安全監測與緊急應對系統

智慧地鐵建設必須注重安全監測與緊急應對系統的建設，以確保地鐵運行的安全與穩定，及時應對可能出現的各種緊急情況。以下是在智慧城市背景下實施安全監測與緊急應對系統的一些關鍵措施：

4.5.1 安全監測系統

對于地鐵運行的實時監控至關重要，可以實時了解地鐵的運行狀態和安全狀況。例如，在智慧地鐵建設過程中，可安裝各種傳感器和監控設備，如溫度傳感器、振動傳感器、攝像頭等，用于監測地鐵的運行狀態和車輛設備的工作狀態。

4.5.2 數據分析和預警系統

通過AI 和大數據技術，對收集到的監測數據進行實時分析和預警。例如，系統可以識別異常的溫度或振動信號，預警設備可能出現的故障。此外，AI 技術也可以用于分析攝像頭采集到的圖像，識別可能的安全風險，如車廂內的異常行為、站臺的擁擠情況等。

4.5.3 緊急應對系統

當預警系統發出警報時，緊急應對系統需要能夠快速地作出響應，以最小化可能造成的損失。例如，當預警系統發現設備可能出現故障時，緊急應對系統可以立即通知維修人員進行檢修；當發現車廂或站臺內有異常情況時，緊急應對系統可以立即啟動應急預案，如緊急制動、疏散乘客等。此外，緊急應對系統還需要有與警方、消防等應急部門的聯動機制，以便在發生重大安全事件時，能夠及時得到支援。

5 結語

綜上所述，智慧地鐵是智慧城市的重要組成部分，通過科技的力量，可有效提升城市地鐵運行效率，降低能源消耗，提供更優質的乘客服務及更強大的安全保障。然而，智慧地鐵的建設并非一蹴而就，需要不斷探索、嘗試和優化。同時，需要政策的引導和支持，以及社會各方的積極參與，逐步將智慧地鐵打造為城市新名片。