智能城軌總體框架研究

林 湛

（1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2. 軌道交通系統測試國家工程實驗室，北京 100081）

近年來，我國城市軌道交通得到了快速發展，至2019 底，已開通線路里程達6 736.2 km，開通城市40 多個，新建線路25 條，100 km 以上的線網城市達18 個。城市軌道交通特點包括運行速度高速化、運行線路密集化、運行方式多樣化、運行管控網絡化和智能化，全自動運行系統在城市軌道交通中的應用明顯增多，互聯互通網絡化的運營方式成為了共識，但城市軌道交通信息化系統仍存在諸多弊端，包括信息孤島嚴重、基礎設施分散、安全管控薄弱、運維失衡、標準規范缺失等，嚴重制約著城市軌道交通的發展[1]。因此，為了城市軌道交通健康發展，創建自主產品和自主技術體系已迫在眉睫。

隨著大數據、云計算、人工智能等技術的快速發展，智能技術的應用已經成為各行各業研究熱點之一。2019 年，中國城市軌道交通協會發布了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，對智慧城軌進行了頂層設計，并擎畫了“1-8-1-1”的布局結構，即鋪畫一張智慧城軌發展藍圖；創建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統、智能列車運行、智能技術裝備、智能基礎設施、智能運維安全和智慧網絡管理八大體系；建立一個城軌云與大數據平臺；制定一套中國智慧城軌技術標準體系，并對行業未來15 年智慧城軌建設做了前瞻性的思考、規劃和指引[1]。鐵路方面，我國依托京張及京雄高鐵建設，積極開展智能高鐵研究及實踐。2020 年，中國國家鐵路集團有限公司發布《智能高速鐵路體系架構1.0》，從智能建造、智能裝備、智能運營三大板塊對于智能高鐵進行了構畫，為城市軌道交通的智能化發展提供了一定的借鑒[2-5]。

目前，我國各地正在積極推動智慧城軌建設，在發展綱要的引領下，從行業信息化層面進行頂層設計，按照發展戰略統籌規劃路徑合理、業務清晰的技術路線，推進智慧城軌建設[6-12]，到2025 年，實現城市軌道交通的智能化、智慧化水平進入世界先進行列，智能化關鍵核心技術得到應用[1]。智能城軌建設是一個復雜的系統工程，需要頂層設計指引，統籌規劃、分步實施。因此，開展智能城軌總體框架研究，對于踐行交通強國發展綱要，進一步保障軌道交通運營安全，提升運營質量與運營服務水平，提升乘客出行體驗，增強乘客出行的獲得感和幸福感，具有重要作用。

1 智能城軌總體框架

1.1 總體架構

以人工智能為核心，將云計算、大數據、5G 移動通信、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）等技術與傳統城軌交通業務深度融合，打造智能城軌。智能城軌總體框架以智能城軌云平臺為承載，構建涵蓋業務全生命周期的數據湖，支撐智能建造、智能裝備和智能運營三大板塊的智能化應用。通過構建智能城軌云平臺，為各智能化應用場景提供技術與數據支撐。智能城軌云平臺以城市軌道交通數據全生命周期為目標，實現設計建造至運營維護階段的BIM 一體化、專業數據共享化、設備感知物聯化和線路管理網絡化。智能城軌總體架構如圖1 所示。

圖1 智能城軌總體架構

（1）基礎平臺層：從技術架構出發，采用云計算、大數據、人工智能等技術，構建新一代的智能城軌專業技術平臺，實現城市軌道交通設計、建設、運維全生命周期的智能化。

（2）數據服務層：從數據架構出發，借助基礎平臺，大量有價值的數據得以集合、利用，匯聚形成數據湖，基于基礎平臺，實現數據共享、大數據分析服務。從相關集成系統中實時抽取數據，并實現數據的標準化轉換，在平臺中實現數據的分析，多維度、多形式呈現平臺數據。

（3）場景應用層：從應用架構出發，面向智能建造、智能裝備、智能運營等領域，實現智能化應用的場景落地。

1.2 先進性分析

智能城軌集成多學科、多專業、不同領域的先進技術，以實現設備設施狀態信息的自感知、自診斷、自決策為目標，通過實現信息采集、傳輸、處理，以及運輸組織服務、運維管理控制，提高基礎設備設施管理及配套技術智能化水平，從而全面提升城市軌道交通信息化和智能化水平，最大化城市軌道交通運營效益，增強運輸服務能力，改善服務品質，提升管理綜合能力。

1.2.1 提升軌道交通業務能力

構建面向設計、建設、運維全生命周期的軌道交通一體化管理平臺，整合業務流程，依托先進技術，建立統一的數據資源池，實現數據存儲和可視化再現，消除應用中的信息孤島，實現信息共享。

1.2.2 改善乘客服務體驗

通過智能化、信息化等技術的應用，構建一系列面向乘客的智能化服務系統，覆蓋購票、咨詢、檢票、候車、乘車等全過程，提升乘客的出行體驗，包括舒適的車站環境、更豐富便捷的服務獲取方式、多樣化需求的人性化服務、更良好的服務體驗等。

1.2.3 提高生產運營效率

深化設備資產管理核心理念，將生產實時數據和設備的點檢管理、預防性維護和設備可靠性等業務深入融合，實現“計劃修”向“狀態修”轉變，降低養護維修成本，為設備資產狀態檢修提供有效支撐，提高設備資產運營效益。

2 智能城軌云平臺

基于大數據、微服務、分布式框架、新型服務網關等技術構建的智能城軌云平臺，實現工程建設、資源管理、綠色節能、運營生產客流組織、設備運維及供應鏈分析和生態價值等方面的提升應用。智能指揮中心融合云平臺，實現線網指揮中線路中心級、車站級的兩層融合及感知—數據—分析—決策—執行智能化，智能城軌云平臺架構如圖2 所示。

圖2 智能城軌云平臺架構

圍繞云平臺形成多源數據匯集、融合和分析能力，滿足虛擬化、彈性計算、高等級安全等要求，主要實現如下功能。

2.1 應急指揮中心

應急指揮中心全面負責協調軌道交通各線路控制中心及各運營主體，具備運營調度、應急處置協調、信息共享與發布、地理信息系統（GIS，Geographic Information System）應用、決策指揮等功能。

2.2 信息編播中心

通過整合各線路乘客信息系統（PIS，Passenger Information System）資源，為各線路PIS 提供統一的信息源、管理模式和手段、統一的廣告發布渠道及統一的管理模式和手段，包括統一的接口規則、技術標準和發布規則。

2.3 綜合監視系統

實現信息集中、協調指揮、應急聯動、應急發布、綜合統計指標展示的系統，在統一的操作平臺上實現對各條線路的行車、客流、設備、供電、視頻監視、報警管理，運輸計劃的集中指揮與協調及應急處置的功能，實現不同場景下的監視界面切換、日常監視與應急狀態下的一鍵式切換，輔助路網運營調度人員監視指揮。

2.4 智能客服

提供熱線服務、智能語音服務、車站信息服務、車站旅客引流及信息統一發布。為乘客提供出行規劃和旅途服務，提升乘客服務滿意度。

2.5 線網數據中心

涵蓋數據采集、數據中心、信息管理、統計分析、信息發布平臺。數據采集實現對線路各專業的數據采集；數據中心對軌道交通全線網的行車、設備、調度指揮、突發事件、客流等數據進行采集、存儲、分析、挖掘；信息管理平臺實現對各業務平臺的統一管理；基于數據中心，信息統計分析平臺實現對企業運營的各類指標、數據進行統計、分析和面向不同單位的發布；依托信息發布平臺實現信息發布及交互、信息資源共享和信息價值最大化。

3 智能城軌數據湖

數據湖是智能城軌云腦的核心，數據湖主要針對城軌各業務系統帶來的不同結構海量數據的存儲管理和高效利用問題，通過比較新興的數據湖技術與傳統的數據倉庫的區別，構建基于數據湖的智能城軌數據管理體系和數據處理機制，為智能城軌的數據治理提供數據層的存儲支持。數據湖按照來源不同，可劃分為物聯網（IoT，Internet of Things）數據、視頻數據、生產運營大數據、外部數據和GIS/BIM 的數據，具體如下：

（1）IoT 數據包括利用射頻識別、二維碼、智能傳感器等感知設備獲取物體的各類信息，以及利用聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等傳感器采集到的各種需要的城市軌道交通信息；

（2）視頻數據包括音頻視頻圖像數據、感知采集數據和公安信息化系統生產數據等；

（3）生產運營大數據包括城市軌道交通基礎信息、業務管理數據、在線監測數據、空間數據、基礎地圖數據，以及離線分析數據、實施分析數據、時序分析數據等；

（4）外部數據包括交通路況、天氣數據、大型活動數據和其他相關公共數據等；

（5）GIS/BIM 數據包括幾何數據、地理信息、圖層和圖集數據等。

4 智能城軌應用架構

根據城市軌道交通智能化需求，依托IoT 物聯監測服務、BIM 服務和軌道交通數據服務等基礎性平臺，面向設計階段、建設階段、運營階段構建業務應用，將其數據價值充分體現出來，發揮智能化技術在數據處理、分析、決策方面的優勢。

4.1 智能建造

圍繞軌道交通建設中人員、機器、原料、方法、環境等要素，以BIM+GIS 技術為核心，將新一代信息技術與先進的工程建造技術相融合，提升工廠化加工、裝配式施工、立體化動態監測水平，實現軌道交通建設高效的智能化施工，以及全方位、全專業、全天候的安全質量及進度管控，工程管理平臺架構如圖3 所示，主要實現以下功能。

4.1.1 協同設計

目前，軌道交通各專業設計過程及最終的設計成果均采用二維圖紙，面對龐大復雜的系統工程，往往會有設計者的設計意圖不能被完全理解或沒有完整表達、不同專業間未能進行全面透徹溝通的情況。BIM 技術可使設計者在整個設計過程中進行多維可視化建模，與其它專業協同設計。從設計、施工到運營和維護全生命周期內，BIM 技術始終發揮著重要作用，使信息共享更加方便、直觀，在設計的各個階段實現無縫銜接，減少設計反復變更，從而降低施工成本，減少資源浪費，提升項目管理能力，使管理更加精細化、決策更加科學化。

4.1.2 智能化管控

通過綜合運用實景沙盤、三維GIS 電子沙盤及虛擬現實（VR，Virtual Reality）等技術，統計匯總進度、安全、質量等數據，實現施工組織進度管理、安全風險監控、質量檢驗管理、綠色環保監控，為管理層提供“一站式”決策支持的管理信息中心平臺和“一站式”駕駛艙決策服務。

4.1.3 虛擬化建造

基于BIM 技術實現全線所有車站三維模型參數化建模，全面承載勘察設計的車站各專業信息，并傳遞到施工階段，圍繞地基基礎、幕墻裝飾裝修、鋼結構復雜節點和機電設備管線等綜合專業，深化模型，全面提高車站設計質量，加快施工進度和保證施工質量。

4.1.4 智能工地

基于BIM 和IoT 技術，構建車站建設施工一體化數字平臺，實現對車站風險源動態識別監控、深基坑安全風險監測、高支模安全監測、塔吊防碰撞監控等安全風險進行數字化監控和監測，對車站試驗室、拌和站等關鍵原材料進行數字化監管，對鋼結構焊縫質量檢測、隱蔽工程影像資料管理和質量檢驗資料管理等全過程進行數字化監控、檢測，對車站施工現場溫度、濕度、光照、風向、風速、PM2.5、氣壓及揚塵等綠色環保關鍵數據進行動態監測、預警發布，實現對施工現場人員安全定位、作業考勤、教育培訓和安全交底，以及車站工地的智能化施工管理。

4.1.5 智能機械施工

通過工程前期的地質勘探、衛星掃描和數值模擬等技術手段，對地質及周邊建（構）筑物信息統計分析，在盾構掘進過程中，實現地質條件、周邊建（構）筑物、工程措施的數字化。通過建造盾構施工可視化系統，全方位監控盾構機施工狀態，幫助施工單位在提高基層設備管理能力和施工效率的同時，又能實現盾構施工進度安排、地質條件、地層及周邊建（構）筑施工監測數據等信息的綜合統計管理。

圖3 BIM+GIS 工程管理平臺架構

4.1.6 數字化交付

通過信息化手段將施工階段的信息傳遞到運維階段，實現“建設模型”向“運維模型”的體系轉化，是工程數據全生命周期運用。工程建設竣工交付及運維體系轉化，實現工程建設期資料及數據的采集、審核和歸檔，BIM 與施工過程信息及資料的掛接，將在設計階段、建設過程、竣工驗收中的各種資料及BIM 數據等統一集成，其中，建設管理系統對竣工驗收的竣工文件進行生成并存儲，按照實際需求，形成對應的運維管理數據庫，BIM 中承載著很多建設管理過程信息，利用數字化技術，在建設階段進行信息移交和體系轉換，實現由建設管理系統到基于BIM 的運維管理系統的信息無縫傳遞。

4.2 智能裝備

“智能裝備”是指基于IoT、大數據、人工智能、5G 移動通信、北斗衛星導航系統、全方位態勢感知、自動駕駛、運行控制等技術，實現移動裝備及基礎設施的自感知、自學習、自診斷、自適應，實現移動裝備的自動協同運行，涉及全自動運行、四網融合、協同編組、智能通信、智能檢測監測5 個方面，智能裝備平臺架構如圖4 所示。

圖4 智能裝備平臺架構

4.2.1 全自動運行

全自動運行旨在實現列車全過程的自動化運行。列車全自動運行綜合了計算機、通信、控制和系統集成等技術，技術層面主要側重在車輛、信號、綜合監控、通信等核心系統，重點加強核心系統的可靠性、安全性、可用性及可維護性。

4.2.2 四網融合

結合不同制式的軌道交通乘客運營信息，實現高速鐵路主干網、城際鐵路網、市域鐵路網和城市軌道交通網四網信息的互聯互通，在典型的大型樞紐站完成應用、推廣的基礎上，構建支持互聯互通的全自動運行系統，實現不同制式的軌道交通互聯互通、車輛通用、跨線運行，以及網絡統一調度。

4.2.3 協同編組

運用虛擬編組技術，列車在線路上協同編隊，實現大小編組列車混跑，進一步縮短了列車間的距離。在潮汐客流、Y 字型線路、大小編組混運等運營場景下，有效緩解客流擁堵、運輸能力瓶頸等問題。從而節省線路資源，提升運營效率。

4.2.4 智能通信

基于5G 移動通信技術，研究大帶寬、低時延車地通信的無線傳輸與應用，以及城市軌道交通全面組網的智能流量承載優化配置。此外，研究基于既有4G 網絡與新建5G 網絡的融合組網方案，實現網絡的智能優化傳輸和協同應用發展。

4.2.5 智能檢測監測

實現全域感知、全程自動化和全面一體化的智能監控。在基礎設施方面及自然環境、安全防控方面，形成自感知、自適應、自診斷的養護維修監測技術的應用，增強設備工作的穩定性和適應性，實現問題的自學習、自處理等功能。實現各安全監測應用、施工安全管理、綜合安全管理等，促進軌道交通應用安全建設。同時，加強基礎安全保障能力、應急指揮協調能力、應急輔助決策能力。

4.3 智能運營

將泛在感知、智能監測、增強現實、智能視頻、事故預測及智聯網等技術與城市軌道交通運營技術相結合，實現個性化服務、一體化運維和智能化運營，智能運營平臺架構如圖5 所示。

圖5 智能運營平臺架構

智能運營將顯著提升城市軌道交通的智能理論創新、提升乘客出行體驗及乘坐城市軌道交通的獲得感，為城市軌道交通智能化提供新的動力，主要實現以下功能。

4.3.1 智能票務

在傳統票務基礎上開拓增值服務業務。基于用戶原有信息，結合后臺累積數據，通過數據挖掘、商業智能分析，帶給用戶高效便捷的一體化服務。

4.3.2 智能車站

智能車站實現作業、人員、設備、環境的信息共享、協同聯動和閉環控制，為旅客購票、進站、候車、檢票、乘車、出站、換乘等出行全過程提供溫馨舒適、綠色環保、安全可靠的服務。

4.3.3 智能運輸組織

通過跨區域和多專業協同的全面信息感知學習、科學的調度決策處置及人因工程設計，實現“人-車-路資源優化配置”“跨區域、多專業信息全面感知”“智能、實時決策”“面向乘客需求的智能化協同調度”。實現運輸綜合計劃協同管理，在統一資源描述和信息動態采集的基礎上，各運輸計劃通過一體化平臺協同編制，實現運輸作業的統一管理。

4.3.4 智能安全管控

實現全域感知、全程自動化和全面一體化的智能監控。在基礎設施方面及自然環境、安全防控方面，形成自感知、自適應、自診斷的養護維修監測技術的應用，增強設備工作的穩定性和適應性，實現問題的自學習、自處理等功能。實現各安全監測應用、施工安全管理、綜合安全管理等，促進鐵路應用安全建設。同時，加強基礎安全保障、應急指揮協調、應急輔助決策能力。

4.3.5 基于BIM 一體化運維

實現故障精準預測、智能自主決策、事故主動預防運維和設備資產全生命周期管理等功能，實現基于BIM 技術的施工運維一體化管理、預測與健康管理、智能巡檢、智能維修、設備全生命周期運行管理等基礎運維管理。

4.3.6 能源管理

充分利用客流、車輛、信號、環境控制等綜合信息，建成性能先進的智能能源系統。負責采集不同區域、不同設備的能耗相關數據，為能效評估分析提供數據支撐，同時，根據歷史數據制定一段時間內的能耗計劃，超出閾值時報警提醒，提示工作人員查看設備的運行狀態，達到降低能耗的效果。

5 結束語

當前，新一輪科技革命和產業變革正在深刻影響經濟社會全局，數字化、網絡化、智能化日益成為重要的發展趨勢。利用前沿科技成果，推進城市軌道交通信息化，發展智能系統，建設智能城軌，大力開創自主創新發展新局面，是我國城市軌道交通行業面臨的主要任務。在此背景下，本文對智能城軌進行了統籌規劃，構建了智能城軌的總體框架，規劃設計了智能城軌的云平臺、數據湖及應用系統。本文對智能城軌的概念、定位、組成及發展方向統一認識具有一定幫助，為實現軌道交通信息化與智能化提升提供了一個新的研究思路。為融合新理論和新技術完成先行實踐、最終實現智慧城軌奠定了基礎。