青島智慧地鐵的研究與思考

呂平

摘 要：目前，國內(nèi)許多城市正在利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與 5G 技術(shù)等實現(xiàn)地鐵智慧化。首先從國家政策、行業(yè)現(xiàn)狀等角度論述智慧地鐵發(fā)展的必要性，提出智慧地鐵的建設理念及目標;然后從智慧建設、智慧運營、智慧維保 3 個方面闡述智慧地鐵在青島軌道交通中的應用，并提出幾點設想和建議，以供有關(guān)部門和同行參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;城軌云;智慧化;智慧應用;研究

中圖分類號：U321.7

目前國內(nèi)許多城市正在利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能與5G等技術(shù)實現(xiàn)地鐵智慧化，服務于地鐵安全和高效運行，提高乘客滿意度，降低地鐵運營和維護成本。青島地鐵在轉(zhuǎn)型發(fā)展中積極推動智慧地鐵建設，主動適應地鐵工程建設規(guī)?；?、融資方式多樣化、線網(wǎng)布局網(wǎng)絡化、運輸制式多元化、運營方式智能化、支撐技術(shù)信息化等發(fā)展新態(tài)勢，實現(xiàn)資源整合、模式創(chuàng)新、效能優(yōu)化，以進一步提升服務水平，助力青島地鐵快速發(fā)展。

1 背景

1.1 國家政策

2006年2月中華人民共和國國務院（以下簡稱“國務院”）在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006 — 2020年》中首次提出“智能交通”作為全國性戰(zhàn)略目標。2017年2月國務院下發(fā)《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，其中明確指出“促進交通產(chǎn)業(yè)智能化變革，實現(xiàn)基礎(chǔ)設施和載運工具數(shù)字化、網(wǎng)絡化，運營運行智能化”。2019年9月中國共產(chǎn)黨中央委員會、國務院發(fā)布《交通強國建設綱要》，其中明確提出大力發(fā)展智慧交通。2019年9月，習近平總書記在大興機場開通時提出“要繼續(xù)大力發(fā)展軌道交通，構(gòu)建綜合、綠色、安全、智能的立體化現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)，始終保持國際最先進水平?！?/p>

1.2 行業(yè)現(xiàn)狀

目前，全國眾多城市已開展智慧地鐵的研究和實踐，其中以上海、廣州、深圳為代表，走在行業(yè)前列。杭州、西安、武漢、成都、合肥、呼和浩特等城市為適應地鐵的發(fā)展，也在積極開展智慧地鐵的研究與應用。行業(yè)普遍認為，開展全面智慧地鐵實踐的城市普遍具有以下特征：①項目概算相對滿足;②有一定的人才和技術(shù)儲備，信息化、自動化水平較高;③人力成本較高，需求較為強烈;④已開通運營多條線路，形成線網(wǎng)規(guī)模。這些特征也是智慧地鐵建設的條件。

2 建設理念及目標

目前業(yè)界對于智慧地鐵的定義尚無統(tǒng)一標準，比較普遍的認識是：智慧地鐵是使用數(shù)據(jù)驅(qū)動和軟件定義等方法，將新一代信息通信技術(shù)和地鐵運行技術(shù)深度融合，貫穿建設、運維、資源開發(fā)等地鐵運行管理活動的各個環(huán)節(jié)，具有自主感知、分析診斷、自主決策、精準執(zhí)行和自我學習等能力，可進一步提升地鐵安全、效率、效益和服務水平的新型生產(chǎn)方式。

智慧地鐵作為一個漸進的過程，是一個從對象數(shù)字化到執(zhí)行智能化，最終實現(xiàn)決策智慧化的過程。智慧地鐵并不是一個新建的系統(tǒng)，而是技術(shù)融合、創(chuàng)新發(fā)展，其目的是通過研發(fā)、引入其他領(lǐng)域的新技術(shù)，結(jié)合地鐵的業(yè)務特點與業(yè)務場景，對既有地鐵業(yè)務進行智慧化賦能的一個過程，最終實現(xiàn)各類業(yè)務服務質(zhì)量與執(zhí)行能力的提升。

2.1 不忘初心——智慧地鐵建設的核心目標

青島智慧地鐵的建設要始終圍繞“安全、服務、效率、效益”4個目標推進，對各項智慧應用的建設需求、各種新技術(shù)的采用、推進的實施路線等都要圍繞這4個目標進行客觀、科學的評估，不被其他因素所左右。

2.2 全面覆蓋——實現(xiàn)全生命周期智慧化

由于地鐵業(yè)務從建設到運維、服務具有延續(xù)性，各專業(yè)之間又相互緊密關(guān)聯(lián)，因此，一個好的智慧地鐵方案一定是從全生命周期、全業(yè)務領(lǐng)域進行設計，任何一個環(huán)節(jié)的缺失都將影響整個系統(tǒng)。青島智慧地鐵的建設，必須實現(xiàn)全生命周期和全業(yè)務領(lǐng)域覆蓋，具體包括智慧建設、智慧運行、智慧維保等業(yè)務領(lǐng)域。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動——實現(xiàn) 5 大智慧能力

智慧地鐵相關(guān)智慧領(lǐng)域的應用應該具備智能特征，智能特征是應用系統(tǒng)智慧能力的體現(xiàn)，也是評估應用系統(tǒng)智能程度的標準。智能特征包括狀態(tài)感知、分析診斷、智能決策、精準執(zhí)行和自主學習5大類，通過這5大類智慧能力的集成，可構(gòu)建青島地鐵“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策”的業(yè)務閉環(huán)，從而實現(xiàn)各類業(yè)務的智慧聯(lián)動和資源的智慧配置。

2.4 云邊結(jié)合——構(gòu)建智慧地鐵整體模型

智慧地鐵模型建立在統(tǒng)一的標準規(guī)范和安全策略之上。目前，青島地鐵根據(jù)初步確定的模型“核心智慧+邊緣智能”進行模塊設計，以適應線網(wǎng)大數(shù)據(jù)中心的后期建設需求，如圖1所示。應用層作為智慧地鐵的外在體現(xiàn)，面向不同系統(tǒng)層級和業(yè)務領(lǐng)域構(gòu)建地鐵行業(yè)知識沉淀能力;數(shù)據(jù)處理層作為智慧核心，面向智慧建設、智慧運行和智慧維保3個領(lǐng)域，構(gòu)建核心業(yè)務分析及處理能力;基礎(chǔ)層作為智慧地鐵的承載平臺，包括云管平臺及各類計算、存儲和網(wǎng)絡資源，承載基礎(chǔ)層分析所需的核心數(shù)據(jù);邊緣智能層作為智慧地鐵的神經(jīng)末梢，一方面感知末端設施、設備、人員、乘客等不同對象的信息，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集能力;另一方面針對已具備智慧特征的自動化、信息化系統(tǒng)，構(gòu)建邊緣智慧能力。

2.5 任務目標

綜上所述，智慧地鐵的建設任務目標可以總結(jié)為：建設一個云平臺，創(chuàng)建智慧建設、智慧運行、智慧維保3類智慧應用，具備狀態(tài)感知、分析診斷、智能決策、精準執(zhí)行和自主學習5大智慧能力。以青島地鐵6號線為示范打造智慧地鐵，建成后青島智慧地鐵處于全國領(lǐng)先水平，在信息化與自動化融合的基礎(chǔ)上，構(gòu)建智能感知、智能聯(lián)動的能力，用數(shù)據(jù)驅(qū)動安全、效率、效益和服務的提升，打造智慧地鐵第一代1.0。

3 青島地鐵 6 號線項目研究與設想

地鐵6號線作為青島智慧地鐵示范線，適應行業(yè)發(fā)展，提出“智慧地鐵、城軌云”建設理念，包含智慧建設、智慧運行和智慧維保3類智慧應用，如圖2所示。6號線初步設計方案以建筑信息模型技術(shù)（BIM）為基礎(chǔ)，打造智慧工地安全管理平臺，范圍從土建施工到機電設備安裝，對項目施工過程進行全方位、可控化、數(shù)據(jù)化、可視化的實時監(jiān)管，并結(jié)合青島企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（EAM系統(tǒng)），推廣BIM正向設計，實現(xiàn)數(shù)字化驗交和支持后續(xù)運營維護。以云平臺為基礎(chǔ)，以智慧運行平臺、智慧維保平臺為核心，通過智能視頻分析、客流分析、設備狀態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等智能感知技術(shù)，細化與相關(guān)系統(tǒng)及設備的邏輯關(guān)系及聯(lián)動功能，實現(xiàn)車站相關(guān)運營場景的智能化運行、面向乘客的智慧化服務、面向運營維保智慧化維修。

3.1 智慧建設

面向建設全過程，6號線實現(xiàn)基于多元數(shù)據(jù)的地鐵線路前期規(guī)劃和設計、融合智慧視覺與遠程監(jiān)控的風險管控，以及基于BIM的全生命周期建設管理等。

3.1.1 智慧工地

6號線綜合運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化、云計算等信息技術(shù)與項目管理過程、流程與標準深度融合，并集成既有各類項目管理系統(tǒng)與BIM管理平臺，建立項目管理“全過程、全覆蓋、全要素、全流程”的“智慧工地”信息化集成管理系統(tǒng)。固化項目管理計劃、變更、驗收等各類標準與流程，利用人臉識別、視頻監(jiān)控、自動化監(jiān)測等技術(shù)，實時采集現(xiàn)場信息，通過對項目建設各方的人、機、料、法、環(huán)以及關(guān)鍵部位等信息進行直觀、動態(tài)、綜合、統(tǒng)一的智能分析和數(shù)據(jù)交互、共享、提示、預報警。系統(tǒng)主要包括項目概覽，工程前期管理，勘察設計管理，進度管理，招標、合同與分包管理，人員管理，安全管理，質(zhì)量管理，應急管理，現(xiàn)場管理，機電設備及材料管理，調(diào)試管理等模塊，有助于工程建設各方在安全、質(zhì)量、計劃、進度等方面進行信息化、標準化、數(shù)字化、可追溯化管控，為各層級管理決策提供全面、可靠性依據(jù)，解決項目管理信息掌握不全、不真實，傳統(tǒng)人工統(tǒng)計量大，子系統(tǒng)間信息孤島等問題，規(guī)范各方管理行為，強化參建各方監(jiān)管，提高各層級工作效率。

3.1.2 BIM應用方案

6號線通過補充完善青島地鐵集團有限公司及青島市西海岸軌道交通有限公司既有標準體系，同時利用BIM技術(shù)實現(xiàn)基于信息化管理平臺的全生命期應用。在工程建設階段，完成模型創(chuàng)建、管線優(yōu)化、工程量統(tǒng)計等，同時為智慧工地提供標準模型與完整數(shù)據(jù)信息。在工程移交階段，完成竣工模型調(diào)整和工程資料整理，同時上傳項目管理信息化平臺，實現(xiàn)電子歸檔。在工程運維階段，實現(xiàn)BIM編碼與EAM編碼的結(jié)合，同時為智慧維保提供數(shù)據(jù)信息。BIM信息化管理平臺應用貫穿“設計、施工、運維”全過程，主要提供優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化服務，發(fā)揮BIM技術(shù)在協(xié)同設計、設計優(yōu)化、施工指導、項目管理、資產(chǎn)移交等關(guān)鍵性工作中的作用。

3.2 云平臺方案

云平臺整體架構(gòu)方案按照安全生產(chǎn)網(wǎng)、內(nèi)部管理網(wǎng)、外部服務網(wǎng)的原則進行構(gòu)建，承載智慧運行、智慧維保等相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)。按照業(yè)務性質(zhì)分別部署于不同的網(wǎng)絡，云平臺為承載的各個業(yè)務系統(tǒng)提供計算、存儲、網(wǎng)絡資源，同時建設大數(shù)據(jù)共享平臺，通過數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)格式的標準化，收集、整理、存儲各業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)條件。本次云平臺規(guī)模暫按6號線一期工程設置，預留二期工程接入及后期升級為線網(wǎng)級云平臺的條件，為保證6號線一期工程順利實施，本次建設云平臺主用中心（設置于黃島區(qū)域控制中心）和云平臺災備中心（設置于6號線抓馬山車輛段），并在各站、段設置站段云節(jié)點。

3.3 智慧運行

面向運營一體化，6號線實現(xiàn)自適應的行車調(diào)度、智能化的乘務排班、智慧車站運轉(zhuǎn)，以及與智慧城市其他領(lǐng)域間的聯(lián)動等;并圍繞乘客服務，引入智能問詢終端、交互屏、人臉識別、語音購票、圖像識別、體感等智能設備和技術(shù)實現(xiàn)乘客的自主服務。

3.3.1 智慧行車

智慧行車包含列車自主運行和全自動運行2個方面。6號線采用的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）為國家發(fā)展和改革委員會批復的示范應用項目，TACS以列車為主體和控制核心，實現(xiàn)列車自主進路、自主防護、自動駕駛、自主調(diào)整功能，最終實現(xiàn)列車的自主運行。TACS按照列車自動駕駛等級（GoA）3級有人值守的全自動運行（DTO）模式組織運營，車輛段將采用與正線相同的設備配置，如圖3所示。

3.3.2 智慧車站

6號線工程為了提高運營效率和方便乘客出行，對車站內(nèi)部客流、環(huán)境等進行全方位感知，并增設自助票務處理終端設備、語音購票功能、人臉識別過閘功能、車廂擁擠度顯示功能、智慧安檢功能、智能照明功能、智能空調(diào)電子導引功能和一鍵開關(guān)站功能等，如圖4所示。

3.4 智慧維保

6號線智慧維保緊緊圍繞青島地鐵“安全第一、服務至上、效率優(yōu)先、效益提升”4個核心，以智慧維保平臺為基礎(chǔ)，以云平臺為載體，以車輛、通信、TACS、自動售檢票系統(tǒng)（AFC）、機電、供電、軌道等專業(yè)的智慧維保為支撐，如圖5所示。通過智慧化在線監(jiān)測手段，實現(xiàn)設備狀態(tài)實時監(jiān)測的功能，各項數(shù)據(jù)由各專業(yè)專家診斷系統(tǒng)進行分析，分析結(jié)果匯總至智慧維保系統(tǒng)平臺，由平臺對接收的數(shù)據(jù)進行集中管控，通過信息推送系統(tǒng)與智能工單系統(tǒng)將故障信息與工單發(fā)送給相關(guān)責任人，統(tǒng)籌安排各系統(tǒng)專業(yè)的設備、生產(chǎn)以及資產(chǎn)管理等通用運維管理內(nèi)容;結(jié)合各專業(yè)系統(tǒng)設備健康狀況，通過智能化手段生成巡檢計劃，推送并提醒相關(guān)人員，由系統(tǒng)進行檢查維護，人員管理系統(tǒng)對運維人員進行個人能效分析;同時，由智能調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)與行、電、環(huán)調(diào)的數(shù)據(jù)交互，并具備在緊急情況下相關(guān)應急預案、方案、指引類文件的調(diào)閱及執(zhí)行能力。最終建立一種以流程為導向，以業(yè)務為中心，注重服務意識的地鐵運維管理模式，旨在提高系統(tǒng)維護效率、降低運維成本、完善資料檔案管理、提高系統(tǒng)監(jiān)測檢測維護的水平，這可為運維人員提供具有針對性、科學性的故障解決方案，為決策者提供可依據(jù)的、最優(yōu)的決策方案，整體提高6號線的運維效率。

4 智慧地鐵相關(guān)建議

結(jié)合行業(yè)調(diào)研情況和青島地鐵應用探索情況，充分總結(jié)、深度剖析存在的問題，現(xiàn)提出以下幾點相關(guān)建議。

4.1 統(tǒng)籌推進方面

建議集團統(tǒng)一牽頭成立線網(wǎng)級智慧地鐵領(lǐng)導組，高位協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌實施、專業(yè)推進、保障高效，從業(yè)務需求出發(fā)，開展技術(shù)方案整體研究，形成統(tǒng)一的建設標準和驗收對接標準，用于后續(xù)建設工作。

4.2 實施策略方面

建議智慧地鐵建設內(nèi)容采用成熟先上、實驗驗證的方法：①針對行業(yè)及自身試驗成熟，在安全、生產(chǎn)、服務、經(jīng)濟等方面已取得應用效果的項目，可直接納入建設需求，推廣使用;②針對技術(shù)相對成熟、應用效果目前行業(yè)內(nèi)正在驗證或總結(jié)的項目，可進行小規(guī)模試點建設，依效果確定是否推廣;③針對行業(yè)新技術(shù)、新設備，暫未開展驗證但具有應用前景的項目，可以以科研的方式，與廠家合作在運營線路或在建線路進行安裝試驗，依效果確定是否擴大驗證或納入建設需求;④引入行業(yè)有經(jīng)驗的咨詢公司，配合設計單位，共同把握智慧地鐵的建設方向和技術(shù)路線，規(guī)避可能的技術(shù)風險。

4.3 資金來源方面

建議分階段、多渠道爭取資金支持，把新建線路的智能運維建設資金納入工程建設概算;同時由科研牽頭部門對接國家、省市科研主管單位積極申請政府課題立項，爭取智能運維科研課題經(jīng)費支持;針對運營線路，低成本、小規(guī)模的改造可通過科研方式開展，高成本、大規(guī)模的改造結(jié)合技改、大修等申請專項補貼經(jīng)費。

5 結(jié)束語

智慧地鐵可以提高運營管理人員的業(yè)務執(zhí)行效率與質(zhì)量，有效地控制成本，為乘客提供最優(yōu)出行規(guī)劃、便捷的出行體驗。同時，智慧地鐵是一項系統(tǒng)工程，需要頂層設計、統(tǒng)籌規(guī)劃、平臺先行;智慧地鐵帶來的是全系統(tǒng)、全專業(yè)的理念，將促進內(nèi)外部生態(tài)的不斷優(yōu)化;智慧地鐵是一個共同夢想，需要需求驅(qū)動、用戶主導、廠家落地、共建生態(tài)。

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收稿日期 2019-12-26

責任編輯 黨選麗

Research and thinking on Qingdao smart subway

Lv Ping

Abstract： At present， many cities in China are making use of cloud computing， Internet of Things， big data， artificial intelligence AI and 5G technology to realize metro intelligence. First of all， this paper discusses the necessity of smart metro development from the perspective of national policy and industry status， and puts forward the construction concept and goal of smart metro， then it expounds the application of smart metro in Qingdao rail transit from the three aspects of smart construction， smart operation and smart maintenance， and puts forward some ideas and suggestions for the reference of relevant departments and metro operators.

Keywords： subway， urban rail cloud， intelligent， intelligent application， research