智慧地鐵的架構參考模型及發展策略

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、環保等優勢得到了迅猛發展。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、企業管理粗放等現象[2]。在第四次工業革命的背景下，在我國經濟建設由高速增長轉向高質量發展的大環境中，如何利用信息通信和人工智能等新技術來實現城市軌道交通的創新發展，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探索和實踐的熱點[3]。本文從智慧地鐵的概念出發，分析智慧地鐵的特征與內涵，結合城市軌道交通的行業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展戰略。

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明創造的能力，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，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，而是通過引入或研發新技術，在建設、運營、維護、服務及資源開發等多個領域，結合業務特點與場景，對既有業務進行智慧化賦能，實現決策能力、執行能力和服務質量的提升。就這個角度而言，“智慧地鐵”是指將物聯網、大數據、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、開發和服務等生產活動的環節融合，具有自主感知、分析診斷、自主決策、精準執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與模式的總稱。

2010年IBM(國際商業機器公司)在“智慧地鐵”概念的基礎上，首先提出“智慧城市”的概念。此后陸續衍生出智慧交通、智慧醫療、智慧社區、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內提出積極利用通信和移動互聯網技術，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，也是評估應用系統智能程度的標準。智慧地鐵的智能特征體現為自主感知、分析診斷、自主決策、精準執行和自我學習等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字化的基礎上，利用物聯網、信息通訊等技術，形成可交換的人機界面，全面、主動反映業務運行狀況。

2) 分析診斷。規則化、程序化、軟件化管理活動，實時分析運行數據，對業務運行狀況進行分析、診斷、判別。

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

4) 精準執行。實現裝備之間、裝備與控制系統之間、業務系統與控制系統之間相互聯動，完成最佳策略的執行落實。

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

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“數據-信息-知識-決策-執行”的閉環，實現了城市軌道交通系統的智能聯動和資源的智慧配置。根據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，準于執行，善于學習等內涵。

1.3.1 敏于感知

對現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(列車運行監控)系統、ISCS(綜合監控系統)等原有自動控制系統獲取設備運行關鍵信息外，圖像識別、物聯網、移動互聯網和大數據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——可根據業務特性和數據采集需求來自動調整采集數據的內容和頻次，并能在一定程度上主動發現預警預告信息等有用的信息。

4) 數據質量更有保障——傳感器、物聯網及大數據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，實現數據質量的大幅提升。

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務目標，對各類運行數據采用規則化、程序化的方法進行實時分析，進而提高業務場景判別能力。

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。事中判別指在業務執行過程中基于運行狀況對業務運行狀態(如大客流影響范圍、設備故障點預警等)的判別；事后歸因基于業務全過程記錄數據對業務規律的歸納、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務管理的需要。

1.3.3 智于決策

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

智于決策的目標是實現用數據說話、用數據管理、用數據決策。按決策的范圍，決策可分為戰略決策和業務決策。戰略決策是對企業發展方向、經營方針、經營目標等全局及長遠的重大問題等進行的決策。業務決策則是針對具體的業務，選擇最優方案(如應急狀態下的預案選擇、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 準于執行

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

1.3.5 善于學習

自我學習是智慧地鐵的最高智慧特性。隨著數據、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、積累和創造知識，實現學習能力的自我提升和自主進化，進而持續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(開放系統互聯)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。

通用的系統架構應該與具體標準、技術或其他實施細節無關，是由特定問題域中高度抽象化的概念、公理及關聯組成的最小集合。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、智慧產品、智慧系統的規劃、設計、功能開發、試驗驗證及相關標準規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

參考美國工業互聯網參考架構(IIRA)[8]、德國工業4.0參考架構模型(RAMI 4.0)[9]、我國工業和信息部智能制造系統架構模型[10]，結合軌道交通的行業特點，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務領域、系統層級及智能特征等3個維度描述智慧地鐵。

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

2) 系統層級。城市軌道交通的建設、運營和維保等主要業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，運營業務采用“網絡-線路-車站”模式，維保業務采用“網絡-系統-現場” 模式，建設業務采用“網絡-項目-現場” 模式。兩級管理模式淡化了線路、系統或項目的概念，將管控功能集成在網絡層面，并將整個網絡看作一個整體，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層級分為現場級、站場級、線路專業級、企業公司級及行業協同級，可實現系統層級的縱向集成，進而實現數據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、集成和運行的框架；從中觀層面來看，可以為建設運營企業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務系統的現場級和站場級部分，實現了自主感知、分析診斷、自主決策和精準執行的4種智慧特征能力，應當具備以下功能：

1) 全面感知設備狀態信息，根據運營工況智能聯動各系統的運行狀態；

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務系統的現場級和站場級部分

借助該模型進行智慧產品和智慧系統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品的自身定位以及與其他產品、系統間的相互關系，高層不需要知道低層的實現方法，把大問題分割成多個小問題，減低設計復雜度。

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

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

3 智慧地鐵的發展

3.1 智慧地鐵的發展階段

智慧地鐵的發展是智能特性的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務集成程度不斷提高的過程。根據智慧特征的實現內容和實現程度的不同，將智慧地鐵的發展劃分為基礎階段、智慧地鐵1.0階段和智慧地鐵2.0階段， 如圖4所示。

圖4 智慧地鐵的發展階段

3.1.1 基礎階段

在基礎階段主要實現工業智能，即通過觸感器獲取狀態數據，并對這些數據進行判斷，進而做出相應的決策，實施相關的操作。該階段的整個閉環在局部完成，不需要全面系統地進行綜合分析。

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

3.1.2 智慧地鐵1.0階段

在智慧地鐵1.0階段實現對數據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對人員、設施設備、事件、場所及環境等全方位數據的采集；②在實時分析方面，對采集的海量數據進行實時分析；③在協同決策方面，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在聯動執行方面，建立不同業務之間的聯動關系。

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自主感知、分析診斷、自主決策、精準執行和自我學習。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、積累和創造知識，實現業務的自我改善和持續提升。

3.2 智慧地鐵的發展策略

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，采用數據驅動的方法來持續改善提升業務運作。智慧地鐵的發展策略可概括為：數字化、一體化、軟件化、平臺化、智慧化。具體發展策略內容如圖5所示。

圖5 智慧地鐵的發展策略

3.2.1 數字化

數字化是實現智慧地鐵的基礎。通過建立城市軌道交通的數字孿生體，智慧地鐵能全面、實時、準確地獲取業務和管理對象的數據。

數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)技術等，實現線路、車站、隧道及橋梁等實物資產的數字化。關鍵技術難點為模型統一化、輕量化和移交數字資產標準等。

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”，實現對業務運行現狀的感知和智能分析。“二化融合”指工業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，進而實現自控系統和信息系統數據共享；采用物聯網技術來增強終端感知能力，進而實現客流狀態感知、設備狀態感知和環境狀態感知。

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具備新的功能、變得更加智能，實現新的價值。

智慧地鐵軟件化建設主要內容為業務場景與業務模式識別軟件化，以及業務執行軟件化。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，通過多業務的綜合研判、多業務聯動及微服務集成，實現業務間的互聯、互通、互控。

平臺化過程就是業務和數據的集中過程，包括相同、相近業務的聚合，數據的共享、互通，以及應用的微化。基礎數字化平臺、運行狀態綜合監控平臺、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、制造、運營、維護及經營等領域，是推動互聯網、大數據、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培育的新增長點，也是行業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展策略。智慧地鐵建設除了重視技術上的創新外，還應重視管理理念的創新，從而形成管理與技術發展相互促進、互為依托的良性互動。