智慧軌道交通及其系統(tǒng)設(shè)計研究

趙晶

智慧軌道交通是以智能信息化為基礎(chǔ)，通過信息收集、信息共享、信息互換等達到信息為城市軌道交通服務(wù)的目的。智慧軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用可以利用智能信息對軌道交通的運輸、部署等進行決策與處理。此外，智慧交通系統(tǒng)能夠通過計算機對與城市軌道交通相關(guān)的海量信息進行采集、整理、分析、利用，進而通過城市軌道交通的物理網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)的軌道交通信息整合，構(gòu)建成一個高效、安全、可靠、實用性強的現(xiàn)代智慧軌道交通系統(tǒng)。

一、智慧軌道交通概述

目前我國城市市政管理體制越發(fā)成熟，就運營管理改革而言，智慧城市軌道交通運營與管理是一個非常重要的方向，近些年來各類智能化設(shè)備以及新型技術(shù)的應(yīng)用極大促進了我國城市軌道交通的發(fā)展，但仍舊存在稍許問題亟待解決。例如，在一些小型城市，軌道交通的信息化技術(shù)應(yīng)用以及信息化體系建設(shè)仍然處于發(fā)展階段，一些與軌道交通信息技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用不成熟，且這些系統(tǒng)多是通過一單個單元來實現(xiàn)的，不能滿足智慧軌道交通的發(fā)展理念。因此，在構(gòu)建智慧軌道交通模型的過程中，該系統(tǒng)需要同時滿足多個部門在信息和數(shù)據(jù)分析方面的要求。

二、智慧軌道交通系統(tǒng)構(gòu)建與設(shè)計

（一）系統(tǒng)平臺建構(gòu)

智慧軌道交通包括三個研究步驟：首先，收集客流數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)以及軌道交通運營過程中產(chǎn)生與列車運行關(guān)鍵組成部分相關(guān)的監(jiān)控數(shù)據(jù)；其次，搭建大數(shù)據(jù)平臺，整合各種類型與軌道交通相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，進行合并、整合、共享等，最終形成城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺；最后，利用人工智能技術(shù)對采集到的信息數(shù)據(jù)進行智能分析，為軌道交通的部署決策提供支持。智慧軌道交通主要分為四個研究方向：軌道交通大數(shù)據(jù)平臺、軌道交通運營智能監(jiān)控技術(shù)、軌道交通運營智能調(diào)度技術(shù)、智慧軌道交通軟件開發(fā)。

（二）大數(shù)據(jù)平臺

城市軌道交通大數(shù)據(jù)平臺是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)，并為其他研究提供數(shù)據(jù)支持，城市智慧軌道交通大數(shù)據(jù)平臺分為以下三個步驟。首先，將與軌道交通相關(guān)的列車信息、車站、車輛等視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)接入車載傳感器，然后，使用Hadoop、Spark和其他框架融合最初分布在不同系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，以便大數(shù)據(jù)可以更好地發(fā)揮其價值。最終，該平臺可以通過服務(wù)接口的形式為大數(shù)據(jù)的智能分析和應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

三、智慧軌道交通系統(tǒng)職能

（一）數(shù)據(jù)智慧采集

數(shù)據(jù)采集是使用設(shè)備從系統(tǒng)外部收集數(shù)據(jù)并將其輸入系統(tǒng)的過程，在軌道交通運輸領(lǐng)域常用的數(shù)據(jù)采集工具包括傳感器、攝像機等。收集的數(shù)據(jù)是已轉(zhuǎn)換為電信號的各種物理量，例如車速、振動加速度、輪軌力、噪聲、壓力、溫度、濕度等，可以是模擬信號或數(shù)字信號。信息收集通常采用采樣法，即在某個時間在同一點重復(fù)收集數(shù)據(jù)，收集的大多數(shù)數(shù)據(jù)是瞬時值，但在一定時間內(nèi)也是特征值。

（二）數(shù)據(jù)智慧融合

軌道交通數(shù)據(jù)的智能融合是基于軌道交通數(shù)據(jù)系統(tǒng)所使用的大量不同類型的傳感器來完成的，基于預(yù)先建立的規(guī)則集，在統(tǒng)一的基礎(chǔ)上自動進行分析、轉(zhuǎn)換、集成和集成，以形成一個良好的數(shù)據(jù)組合，以進行進一步的分析。在數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，多傳感器系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。多源異構(gòu)信息是數(shù)據(jù)融合的處理對象，建立統(tǒng)一的基準和規(guī)則集，以及自動集成數(shù)據(jù)是融合系統(tǒng)的核心。

（三）數(shù)據(jù)智慧挖掘

數(shù)據(jù)智慧挖掘是指對所采集到的海量信息進行識別、整理，并對有效信息數(shù)據(jù)進行整合，呈現(xiàn)給管理者，為管理者的決策提供幫助。數(shù)據(jù)智慧挖掘的主要過程包括數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、數(shù)據(jù)的分類、目標信息的預(yù)測、信息時間序列模式確定以及偏差的分析。一般而言，在智慧軌道交通領(lǐng)域數(shù)據(jù)智慧挖掘包括對軌道交通運營列車信息、行駛路線、行駛過程中經(jīng)過的橋梁、隧道、列車牽引供電智慧系統(tǒng)信息的融合等，通過對軌道交通相關(guān)信息的采集、挖掘、整合，找出問題根源。此外，可借助信息數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，分析其內(nèi)在聯(lián)系，挖掘出潛在數(shù)據(jù)模式與規(guī)則，進而幫助管理者及時發(fā)現(xiàn)軌道交通運營中存在的安全隱患，確保運輸過程的安全、穩(wěn)定性。

（四）指揮決策

決策支持是最高級別的信息處理，基于智能的數(shù)據(jù)收集，融合和挖掘，為管理人員提供解決方案。目前使用最廣的智能決策支持系統(tǒng)一般包括數(shù)據(jù)庫、方法庫以及模型庫與知識庫。通過對海量信息數(shù)據(jù)的獲取、整理、挖掘，可以幫助管理者在決策過程中優(yōu)化模型分析方法。例如，鐵路運輸系統(tǒng)具有行駛時間長、行駛里程長以及覆蓋范圍廣等特點，為保證列車在行駛過程中控制系統(tǒng)的安全運行，操作人員需要自身工作經(jīng)驗來確保列車行駛的安全性與穩(wěn)定性，但從現(xiàn)實來看，傳統(tǒng)的基于管理者經(jīng)驗來進行決策的管理模式已不能適應(yīng)時代發(fā)展需求，因此，引入IDSS已成為必然。例如：在進行鐵路運輸調(diào)度時，管理者可基于已經(jīng)獲取的信息數(shù)據(jù)對列車網(wǎng)絡(luò)交通信息進行整合，進而方便用戶合理地安排出行計劃，列車安全運行決策系統(tǒng)則可以將以往列車行駛過程中發(fā)生的事故信息進行搜集整理，分析列車運行實時情況，為列車的安全行駛保駕護航。

四、實際應(yīng)用——以上海智慧地鐵為例

（一）總體架構(gòu)

智慧地鐵是指通過技術(shù)層面的智能技術(shù)應(yīng)用集成和業(yè)務(wù)層面的聯(lián)合集成，共同促進上海地鐵整體管理能力。智能技術(shù)應(yīng)用是指各種智能技術(shù)在城市軌道交通各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，例如人臉識別、圖像識別、語音識別、大數(shù)據(jù)分析，以提高業(yè)務(wù)執(zhí)行的安全性和質(zhì)量。業(yè)務(wù)鏈接集成是指數(shù)據(jù)驅(qū)動服務(wù)的實現(xiàn)，一種服務(wù)在接到執(zhí)行命令或者是受到觸發(fā)時則會導(dǎo)致其它服務(wù)執(zhí)行。本文中所研究的上海地鐵在構(gòu)建智慧地鐵系統(tǒng)時，以“標準管理、有序推進、成本可控性和資源共享”的IT治理理念為指導(dǎo)，并按照統(tǒng)一的標準規(guī)范與安全策略進行系統(tǒng)的構(gòu)建。該智慧地鐵系統(tǒng)的架構(gòu)主要包含1軸、1運、3域、5層；其中1軸指的是地鐵的中心控制系統(tǒng)，該部分主要是全方位地呈現(xiàn)智能地鐵的風貌，對整個地鐵系統(tǒng)進行總控制；1云是指通過構(gòu)建地鐵云系統(tǒng)，能夠?qū)Ａ康男畔?shù)據(jù)進行采集、整理、儲存，同時地鐵云系統(tǒng)還能夠?qū)⒅腔鄣罔F系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向結(jié)合，構(gòu)建一體化的數(shù)據(jù)資源平臺。3域是指在系統(tǒng)應(yīng)用層內(nèi)構(gòu)建智能架構(gòu)、智能運營以及智能維護三個部分；5層是指構(gòu)建5層智能地鐵技術(shù)架構(gòu)系統(tǒng)，包括采集層、存儲層、分析層、應(yīng)用層和集線器層。

（二）建設(shè)思路與方法

智能地鐵的建設(shè)思路應(yīng)基于“數(shù)據(jù)”。通過兩個行業(yè)的整合和云端的協(xié)作，結(jié)合地鐵的實際運營目的與條件、服務(wù)對象、安全要求等，可將智能地鐵的技術(shù)架構(gòu)按照信息數(shù)據(jù)處理過程、服務(wù)對象劃分為信息采集層、儲存層、分析層、應(yīng)用層和中央層。其中采集層主要是基于系統(tǒng)的數(shù)字與自動化技術(shù)對目標信息進行優(yōu)化，達到改善目標業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)的目的，為系統(tǒng)設(shè)備、操作人員、運行系統(tǒng)等獲取更加準確的業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)提供支持。系統(tǒng)采集層在進行設(shè)定時應(yīng)考慮到系統(tǒng)邊緣基礎(chǔ)架構(gòu)位置區(qū)域的信息數(shù)據(jù)的安全性與實時性，同時應(yīng)確保其信息數(shù)據(jù)的響應(yīng)及時、通信網(wǎng)絡(luò)良好；儲存層主要是基于大數(shù)據(jù)或人工智能算法對獲取到的信息數(shù)據(jù)進行整理與分析，儲存層能夠?qū)Σ杉降暮Ａ啃畔⑦M行存儲與處理，即智能地鐵云的構(gòu)建，在構(gòu)建儲存層時應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計的早期階段就構(gòu)建安全高效的信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，確保系統(tǒng)硬件與軟件基礎(chǔ)架構(gòu)相一致，能夠在同一標準操作環(huán)境下運行；分析層主要是指通過構(gòu)建智能地鐵大數(shù)據(jù)分析平臺對搜集到的海量地鐵信息進行分析，基于人工智能和機器自學(xué)習模塊來實現(xiàn)業(yè)務(wù)的自我發(fā)展與管理改進。

五、結(jié)論

智慧城市軌道交通運營與管理是一個非常重要的方向。相信在不久的將來，智慧軌道交通系統(tǒng)將為社會的發(fā)展提供更大助力。

作者單位：北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通工程系