智慧地鐵的架構參考模型及發(fā)展策略

尤 江 郭 鵬

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司,200070,上海 ∥ 第一作者，工程師)

隨著我國城市化進程的加快，城市軌道交通以其安全、快速、便捷、環(huán)保等優(yōu)勢得到了迅猛發(fā)展。截至2018年底，我國內地35個城市建成投運的城市軌道交通線路總長為5 766.6 km[1]。與城市軌道交通高速發(fā)展不相適應的是城市軌道交通運營管理存在服務手段落后、運輸效率不高、企業(yè)管理粗放等現(xiàn)象[2]。在第四次工業(yè)革命的背景下，在我國經(jīng)濟建設由高速增長轉向高質量發(fā)展的大環(huán)境中，如何利用信息通信和人工智能等新技術來實現(xiàn)城市軌道交通的創(chuàng)新發(fā)展，提高地鐵的運輸效能和服務水平，建設智慧地鐵，已成為當前城市軌道交通行業(yè)探索和實踐的熱點[3]。本文從智慧地鐵的概念出發(fā)，分析智慧地鐵的特征與內涵，結合城市軌道交通的行業(yè)特點構建智慧地鐵架構模型，進而探討智慧地鐵的演變路徑和發(fā)展戰(zhàn)略。

1 智慧地鐵的概念、特征及內涵

1.1 智慧地鐵的概念

“智慧”本意是指人辨析判斷和發(fā)明創(chuàng)造的能力，包括感知、理解、分析、判斷、決定等，對“物”而言是使其具備類似于人類的智謀和能力。城市軌道交通是一種相對獨立、封閉且自成體系的有軌交通系統(tǒng)，其按設計能力正常運行，在完成運輸乘客任務的同時，還提供安全、快捷、舒適的服務[4]。智慧地鐵不是一個新建的系統(tǒng)，而是通過引入或研發(fā)新技術，在建設、運營、維護、服務及資源開發(fā)等多個領域，結合業(yè)務特點與場景，對既有業(yè)務進行智慧化賦能，實現(xiàn)決策能力、執(zhí)行能力和服務質量的提升。就這個角度而言，“智慧地鐵”是指將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及人工智能等新一代信息技術同城市軌道交通建設、運營、維護、開發(fā)和服務等生產(chǎn)活動的環(huán)節(jié)融合，具有自主感知、分析診斷、自主決策、精準執(zhí)行和自我學習等功能的，更加安全、高效、便捷服務的乘客運輸系統(tǒng)與模式的總稱。

2010年IBM(國際商業(yè)機器公司)在“智慧地鐵”概念的基礎上，首先提出“智慧城市”的概念。此后陸續(xù)衍生出智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧社區(qū)、智慧建筑等[5]。2016年上海申通地鐵有限公司率先在我國行業(yè)內提出積極利用通信和移動互聯(lián)網(wǎng)技術，加快建設智慧地鐵[6]。

1.2 智慧地鐵的智能特征

智能是智慧地鐵智慧能力的體現(xiàn)，也是評估應用系統(tǒng)智能程度的標準。智慧地鐵的智能特征體現(xiàn)為自主感知、分析診斷、自主決策、精準執(zhí)行和自我學習等5種智慧能力，如圖1所示。

圖1 智慧地鐵的智能特性

1) 自主感知。在對地鐵管理資源進行數(shù)字化的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)、信息通訊等技術，形成可交換的人機界面，全面、主動反映業(yè)務運行狀況。

2) 分析診斷。規(guī)則化、程序化、軟件化管理活動，實時分析運行數(shù)據(jù)，對業(yè)務運行狀況進行分析、診斷、判別。

3) 自主決策。利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代技術手段，進行數(shù)據(jù)分析、建模，選擇最佳執(zhí)行策略。

4) 精準執(zhí)行。實現(xiàn)裝備之間、裝備與控制系統(tǒng)之間、業(yè)務系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間相互聯(lián)動，完成最佳策略的執(zhí)行落實。

5) 自我學習。用機器學習、深度學習等手段，不斷訓練、應用和創(chuàng)造知識，實現(xiàn)自我提升。

1.3 智慧地鐵的內涵

智慧地鐵通過5種智慧能力的集成，構成了城市軌道交通“數(shù)據(jù)-信息-知識-決策-執(zhí)行”的閉環(huán)，實現(xiàn)了城市軌道交通系統(tǒng)的智能聯(lián)動和資源的智慧配置。根據(jù)智慧地鐵的智能特征，智慧地鐵應當具備敏于感知，精于分析，智于決策，準于執(zhí)行，善于學習等內涵。

1.3.1 敏于感知

對現(xiàn)狀的感知是各類智慧的共性內涵，也是智慧地鐵的基礎。智慧地鐵的敏于感知包含以下含義：

1) 感知的內容更加多樣——不僅能感知列車運行狀況及車站設備運行狀況等地鐵自身內部變化情況，還能感知客流出行需求及個性化服務要求等乘客需求變化情況，更能感知天氣及大型活動等外界條件的變化情況。

2) 感知的方式更加靈活——除了通過ATS(列車運行監(jiān)控)系統(tǒng)、ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))等原有自動控制系統(tǒng)獲取設備運行關鍵信息外，圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析等技術也將成為信息獲取的重要手段。

3) 感知過程組織更加靈活——可根據(jù)業(yè)務特性和數(shù)據(jù)采集需求來自動調整采集數(shù)據(jù)的內容和頻次，并能在一定程度上主動發(fā)現(xiàn)預警預告信息等有用的信息。

4) 數(shù)據(jù)質量更有保障——傳感器、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)分析挖掘等新技術的進步和應用，將在減輕工作強度的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)質量的大幅提升。

1.3.2 精于分析

分析是感知的延伸，也是決策的前提。精于分析指針對客流預測及設備故障判別等特定業(yè)務目標，對各類運行數(shù)據(jù)采用規(guī)則化、程序化的方法進行實時分析，進而提高業(yè)務場景判別能力。

精于分析主要有全面分析與精確分析兩層含義。全面分析指對業(yè)務全過程的分析，包括事前預測、事中判別、事后歸因等。事前預測指在計劃階段對運營相關主要需求(如客流預測等)的基本判斷。事中判別指在業(yè)務執(zhí)行過程中基于運行狀況對業(yè)務運行狀態(tài)(如大客流影響范圍、設備故障點預警等)的判別；事后歸因基于業(yè)務全過程記錄數(shù)據(jù)對業(yè)務規(guī)律的歸納、總結(如設備故障原因分析、運營事故歸因等)。精確分析指分析結果的可信度高和可靠性強，在實效、范圍、量級和趨勢等方面的分析精確程度能滿足業(yè)務管理的需要。

1.3.3 智于決策

決策指根據(jù)客觀的可能性，在信息和經(jīng)驗的基礎上，借助一定的工具、技巧和方法, 對影響目標實現(xiàn)的諸因素進行判斷選優(yōu)后, 對未來行動作出決定[7]。智慧地鐵的決策過程借助云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代技術手段，以感知數(shù)據(jù)為基礎，通過算法模型來選擇最佳執(zhí)行策略。

智于決策的目標是實現(xiàn)用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)決策。按決策的范圍，決策可分為戰(zhàn)略決策和業(yè)務決策。戰(zhàn)略決策是對企業(yè)發(fā)展方向、經(jīng)營方針、經(jīng)營目標等全局及長遠的重大問題等進行的決策。業(yè)務決策則是針對具體的業(yè)務，選擇最優(yōu)方案(如應急狀態(tài)下的預案選擇、特定條件下的列車運行調度策略和設備維修策略等)。

1.3.4 準于執(zhí)行

城市軌道交通是由人、裝備、控制系統(tǒng)及業(yè)務系統(tǒng)組成的復雜系統(tǒng)。準于執(zhí)行是指通過工業(yè)化與信息化的融合，通過移動互聯(lián)等理念和方法，將常規(guī)業(yè)務與智慧地鐵所需特殊業(yè)務相結合，實現(xiàn)裝備之間、裝備與控制系統(tǒng)之間、控制系統(tǒng)與業(yè)務系統(tǒng)之間、業(yè)務系統(tǒng)與人之間相互聯(lián)動，從而減輕人工勞動、提升執(zhí)行準確度，完成最佳策略的執(zhí)行落實。準于執(zhí)行不是一味追求自動化，而是要根據(jù)業(yè)務的實際情況，平衡安全和效率之間的關系，設計科學、合理的業(yè)務聯(lián)動流程。

1.3.5 善于學習

自我學習是智慧地鐵的最高智慧特性。隨著數(shù)據(jù)、案例等的積累，智慧地鐵通過人工智能、機器學習等手段，不斷應用、積累和創(chuàng)造知識，實現(xiàn)學習能力的自我提升和自主進化，進而持續(xù)提高智慧地鐵的智慧水平。

2 智慧地鐵的架構參考模型

2.1 構建架構參考模型的必要性

目前，城市軌道交通行業(yè)存在各種各樣的智能設備、軟件工具、算法模型和不同層級的技術解決方案。這些設備、軟件和模型采用不同的技術手段和表現(xiàn)方式，在不同的層級解決不同的問題。這一狀況不僅不利于智慧產(chǎn)品、智慧能力的集成和共享，也給技術路線選擇和標準制訂帶來諸多困難。為了確保城市軌道交通系統(tǒng)能夠形成完備的智慧功能價值鏈，也為了明確各種智能應用、智慧能力的定位，有必要構建一個類似于OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))模型的參考模型[8]，以供所有智慧地鐵建設參與者共同參照使用。

通用的系統(tǒng)架構應該與具體標準、技術或其他實施細節(jié)無關，是由特定問題域中高度抽象化的概念、公理及關聯(lián)組成的最小集合。智慧地鐵架構參考模型基于對智慧地鐵共同的理解和認知，弱化執(zhí)行的差異，將不同的設計思路、技術路線及實施方式納入到同一個體系框架下，為智慧功能、智慧產(chǎn)品、智慧系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、功能開發(fā)、試驗驗證及相關標準規(guī)范制訂提供參考基礎。通俗地來講，智慧地鐵架構參考模型可以看做是智慧地鐵的藍圖。

2.2 架構參考模型的構建

參考美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(IIRA)[8]、德國工業(yè)4.0參考架構模型(RAMI 4.0)[9]、我國工業(yè)和信息部智能制造系統(tǒng)架構模型[10]，結合軌道交通的行業(yè)特點，本文提出智慧地鐵架構參考模型如圖2所示。

圖2 智慧地鐵架構參考模型

該架構參考模型從業(yè)務領域、系統(tǒng)層級及智能特征等3個維度描述智慧地鐵。

1) 業(yè)務領域。在業(yè)務領域維度，智慧地鐵包括智慧建設、智慧運維、智慧服務和智慧開發(fā)。業(yè)務領域實現(xiàn)了端到端集成，即圍繞城市軌道交通資產(chǎn)的全生命周期管理，在建設、運維及資源開發(fā)等各階段，實現(xiàn)了數(shù)字集成和信息整合，消除了信息孤島和流程斷點。

2) 系統(tǒng)層級。城市軌道交通的建設、運營和維保等主要業(yè)務板塊主要有三級管理模式和兩級管理模式。三級管理模式是一種分層管控的模式。其中，運營業(yè)務采用“網(wǎng)絡-線路-車站”模式，維保業(yè)務采用“網(wǎng)絡-系統(tǒng)-現(xiàn)場” 模式，建設業(yè)務采用“網(wǎng)絡-項目-現(xiàn)場” 模式。兩級管理模式淡化了線路、系統(tǒng)或項目的概念，將管控功能集成在網(wǎng)絡層面，并將整個網(wǎng)絡看作一個整體，是一種集中管控的模式。考慮到模型普遍性，智慧地鐵架構參考模型將系統(tǒng)層級分為現(xiàn)場級、站場級、線路專業(yè)級、企業(yè)公司級及行業(yè)協(xié)同級，可實現(xiàn)系統(tǒng)層級的縱向集成，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各層次間的順暢流動。

3) 智能特征。智能地鐵的智能特征為自主感知、分析診斷、自主決策、精準執(zhí)行和自我學習。

2.3 架構參考模型的作用

智慧地鐵架構參考模型，從微觀層面來看，可以為智慧地鐵實踐提供構建、開發(fā)、集成和運行的框架；從中觀層面來看，可以為建設運營企業(yè)實施智慧地鐵提供技術路線指導；從宏觀層面來看，可以為智慧地鐵建設頂層設計提供參考，推動智慧地鐵標準制定。

借助該架構參考模型，可以清楚定位目標系統(tǒng)所處的位置和其他部分的關系。如圖3所示，智慧地鐵車站運維業(yè)務系統(tǒng)的現(xiàn)場級和站場級部分，實現(xiàn)了自主感知、分析診斷、自主決策和精準執(zhí)行的4種智慧特征能力，應當具備以下功能：

1) 全面感知設備狀態(tài)信息，根據(jù)運營工況智能聯(lián)動各系統(tǒng)的運行狀態(tài)；

2) 精準識別客流和運能，智能提升客流和運能之間的匹配度；

3) 智能組織車站客運管理工作，并建立高效、智能的通信溝通機制。

圖3 智慧地鐵架構參考模型中車站運維業(yè)務系統(tǒng)的現(xiàn)場級和站場級部分

借助該模型進行智慧產(chǎn)品和智慧系統(tǒng)設計可帶來以下好處：

1) 減低設計復雜度。參照該模型可以明確目標產(chǎn)品的自身定位以及與其他產(chǎn)品、系統(tǒng)間的相互關系，高層不需要知道低層的實現(xiàn)方法，把大問題分割成多個小問題，減低設計復雜度。

2) 減少研發(fā)工作量。設計者在設計新產(chǎn)品時，僅需關心自己新增的功能，通過復用已有產(chǎn)品的功能減少研發(fā)工作量。

3) 實現(xiàn)功能靈活配置。參照該架構參考模型進行分層、模塊化設計，不同系統(tǒng)間通過接口實現(xiàn)。如某一功能發(fā)生變化，則僅需改變接口，而不會影響其他模塊，從而實現(xiàn)功能的靈活設計。

3 智慧地鐵的發(fā)展

3.1 智慧地鐵的發(fā)展階段

智慧地鐵的發(fā)展是智能特性的5種能力在深度和廣度上不斷增強的過程,也是智能化程度和業(yè)務集成程度不斷提高的過程。根據(jù)智慧特征的實現(xiàn)內容和實現(xiàn)程度的不同，將智慧地鐵的發(fā)展劃分為基礎階段、智慧地鐵1.0階段和智慧地鐵2.0階段， 如圖4所示。

圖4 智慧地鐵的發(fā)展階段

3.1.1 基礎階段

在基礎階段主要實現(xiàn)工業(yè)智能，即通過觸感器獲取狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行判斷，進而做出相應的決策，實施相關的操作。該階段的整個閉環(huán)在局部完成，不需要全面系統(tǒng)地進行綜合分析。

基礎階段的智慧特征主要實現(xiàn)內容為：①在狀態(tài)感知方面，實現(xiàn)對關鍵設備、人員的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集；②在事后分析方面，對這些數(shù)據(jù)主要進行事后分析，并將分析結果用于計劃、評估等；③在立即執(zhí)行方面，通過設備控制或工單派發(fā)方式完成相關操作。

3.1.2 智慧地鐵1.0階段

在智慧地鐵1.0階段實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的綜合分析和輔助決策。但這些分析和決策主要依賴于預設的模型，較少采用人工智能的技術。

智慧地鐵1.0階段的智慧特征主要實現(xiàn)內容為：①在多維感知方面，通過視頻、傳感器及設備接口等實現(xiàn)對人員、設施設備、事件、場所及環(huán)境等全方位數(shù)據(jù)的采集；②在實時分析方面，對采集的海量數(shù)據(jù)進行實時分析；③在協(xié)同決策方面，利用實時分析的結果來輔助決策，進而決定下一步的操作；④在聯(lián)動執(zhí)行方面，建立不同業(yè)務之間的聯(lián)動關系。

3.1.3 智慧地鐵2.0階段

智慧地鐵2.0階段的智慧特征為實現(xiàn)自主感知、分析診斷、自主決策、精準執(zhí)行和自我學習。其在智慧地鐵1.0階段基礎上，融合了知識圖譜、深度學習等人工智能技術，提升了綜合研判和自主學習能力，具備高度智能，能不斷應用、積累和創(chuàng)造知識，實現(xiàn)業(yè)務的自我改善和持續(xù)提升。

3.2 智慧地鐵的發(fā)展策略

智慧地鐵采用軟件定義的方法通過軟件來描述和操控硬件和設備，采用數(shù)據(jù)驅動的方法來持續(xù)改善提升業(yè)務運作。智慧地鐵的發(fā)展策略可概括為：數(shù)字化、一體化、軟件化、平臺化、智慧化。具體發(fā)展策略內容如圖5所示。

圖5 智慧地鐵的發(fā)展策略

3.2.1 數(shù)字化

數(shù)字化是實現(xiàn)智慧地鐵的基礎。通過建立城市軌道交通的數(shù)字孿生體，智慧地鐵能全面、實時、準確地獲取業(yè)務和管理對象的數(shù)據(jù)。

數(shù)字化建設的主要內容是采用BIM(建筑信息模型)技術及GIS(地理信息系統(tǒng))技術等，實現(xiàn)線路、車站、隧道及橋梁等實物資產(chǎn)的數(shù)字化。關鍵技術難點為模型統(tǒng)一化、輕量化和移交數(shù)字資產(chǎn)標準等。

3.2.2 一體化

一體化指智慧地鐵通過“二化融合”和“云邊結合”，實現(xiàn)對業(yè)務運行現(xiàn)狀的感知和智能分析?！岸诤稀敝腹I(yè)自動化和信息化的融合，“云邊結合”指云平臺和邊緣智能前后端的相結合。

一體化建設的核心內容是：增強終端設備智能化程度，進而實現(xiàn)自控系統(tǒng)和信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享；采用物聯(lián)網(wǎng)技術來增強終端感知能力，進而實現(xiàn)客流狀態(tài)感知、設備狀態(tài)感知和環(huán)境狀態(tài)感知。

3.2.3 軟件化

智慧地鐵軟件化即通過相關軟件的模型、算法、應用及服務來“賦值、賦能、賦智”，使原有的設備和系統(tǒng)具備新的功能、變得更加智能，實現(xiàn)新的價值。

智慧地鐵軟件化建設主要內容為業(yè)務場景與業(yè)務模式識別軟件化，以及業(yè)務執(zhí)行軟件化。此類典型軟件包括大客流識別軟件、預案識別軟件、調度管理軟件及任務管理執(zhí)行軟件等。

3.2.4 平臺化

平臺化指建設智慧地鐵的集成平臺，通過多業(yè)務的綜合研判、多業(yè)務聯(lián)動及微服務集成，實現(xiàn)業(yè)務間的互聯(lián)、互通、互控。

平臺化過程就是業(yè)務和數(shù)據(jù)的集中過程，包括相同、相近業(yè)務的聚合，數(shù)據(jù)的共享、互通，以及應用的微化?；A數(shù)字化平臺、運行狀態(tài)綜合監(jiān)控平臺、調度及應急指揮平臺可提供松耦合微服務。

4 結語

智慧地鐵建設涉及城市軌道交通設計、生產(chǎn)、制造、運營、維護及經(jīng)營等領域，是推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術同城市軌道交通深度融合的結合點，是城市軌道交通行業(yè)培育的新增長點，也是行業(yè)新動能的重要著手點。

本文從“智慧”的概念入手，通過對智慧地鐵特性和內涵的分析，給出了智慧地鐵參考架構模型和智慧地鐵發(fā)展策略。智慧地鐵建設除了重視技術上的創(chuàng)新外，還應重視管理理念的創(chuàng)新，從而形成管理與技術發(fā)展相互促進、互為依托的良性互動。