智慧地鐵整體線路架構設計與功能實現

鄧珵

摘 要：2006年智能交通作為全國性戰略目標首次提出，2020年中城軌發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》”。軌道交通作為城市公共交通運輸骨干，國內多城市已開展智慧地鐵的研究和實踐，其中以上海、廣州為代表，走在行業前列。當前智慧地鐵的實踐多為站點架構，尚未進行整體線路的架構實踐。受西安市軌道交通集團有限公司委托，我院對西安地鐵14號線進行了智慧地鐵的整體架構設計，打造全線路智慧地鐵，除試點智慧車站功能以外，著力于線路中心的綜合運管平臺功能，以及全線設備維修中心的綜合維修功能。

關鍵詞：智慧地鐵;線路級架構;服務功能

中圖分類號：U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0191-06

Abstract：In 2006， intelligent transportation was first put forward as a national strategic goal， and in 2020， China Urban Rail Transit issued the “Outline for the Development of Smart Urban Rail Transit in Chinas Urban Rail Transit”. Rail transit is the backbone of urban public transport， many cities in China have carried out the research and practice of smart metro， among them， Shanghai and Guangzhou are the representatives， which are at the forefront of the industry. At present， the practice of smart subway is mostly site architecture， and the practice of whole line architecture has not been carried out. Commissioned by the Xian Rail Transit Group Co. ， Ltd. ， our institute has designed the overall structure of the Xian metro line 14 with the aim of creating an intelligent subway along the entire line， in addition to the function of the pilot smart station， focus on the line center of the integrated management platform functions， as well as the overall equipment maintenance center of the integrated maintenance functions.

Key words：smart metro; line-level architecture; service function

1 智慧地鐵整體線路理念

智慧地鐵整體線路架構設計的思路以實現“一個平臺、兩級管理、三個服務”為目標，只要目的是提升地鐵的整體運營效率和服務質量，從而減少成本，提高經濟效益。其中，一個平臺主要是指綜合運管平臺，該平臺利用大數據、智能化等高新技術，以三維可視化的方式展現車站工況，提供簡單畫、場景化的操作界面，提高地鐵各部門的運營人員的工作效率，減少工作量。兩級管理主要是指車站級和線路級的管理。車站級綜合運管平臺的功能較多，可以實現精準感知地鐵運行狀態、一體化推送信息指令、智能化分析預判運行趨勢等等。線路級綜合運管平臺同樣具有眾多功能，例如采集、存儲、處理、挖掘、分析異構化復雜數據等，通過科學、可靠的人工智能技術對地鐵運營過程中產生的數據進行分析、處理。持續優化智能調度、決策支持功能的RAMS指標。三個服務主要是指服務于運營、服務于維保、服務于乘客。在地鐵運營過程中提供精細化的智能應用，在設備維護、維修中提供全面的數據，在服務方面更加人性化。

2 具體案例分析

智慧地鐵將在西安地鐵14號線全線實施。西安市地鐵14號線工程起始于北客站終止于賀韶村站，整個線路均為地下線，全長13.65km，共設立8座車站，其中3座換乘站，最大站間距3.543km，最小站間距1.017km，平均站間距1.79km。設停車場1座，為駿馬村停車場，設置于港務區向東路以南、西禹高速以西的地塊內，車輛段及控制中心與機場線共享。

西安地鐵14號線將與機場線貫通運營，整個線路中包括西安咸陽國際機場、西安北客站、西安奧林匹克體育中心，如圖1所示。其中奧林匹克體育中心為2021年第十四屆全國運動會的主場館。對西安地鐵14號線全線進行智慧地鐵的建設，尤其是智能化、自動化乘客服務設施的設置不僅可以直接服務參加全運會的運動員和工作人員，還能彰顯西安地鐵乃至西安市科技、創新的良好形象。

3 智慧地鐵整體架構及綜合運管平臺

3.1 智慧地鐵整體架構

智慧地鐵的架構主要分3個層次，分別為現場感知及服務層、網絡傳輸層、數據處理及展示層?，F場感知及服務層的主要作用是采集現場的信息數據以便于更好地為乘客提供服務。該層的主要設備有各類傳感器、探測器及終端服務設備，如溫感、濕度、CO2、異味、PM10、煙味等傳感器，水泵、風機、扶梯、站臺門等大型設備在線監測子系統，人臉識別設備，語音識別設備，智能遠傳水表、電表，觸感燈帶，電動卷簾門，攝像頭，LED顯示屏，LCD顯示屏，乘客自助終端，智能咨詢終端，移動式客服終端等。網絡傳輸層主要功能是建立通信通道，實現現場感知及服務層和數據處理及展示層的有效連接。主要包括有線網絡、無線網絡和5G移動網絡。數據處理及展示層主要功能是將前端設備采集的信息進行處理并結合相關系統的數據來進行智慧化的應用，并且在大屏上進行數據的可視化展示。主要包括各類應用服務器（如視頻分析服務器）、各類應用軟件（如綜合運管平臺軟件、AFC車站級軟件等）、綜合看板、顯示大屏等。

在車站級和線路中心級建設統一的智慧地鐵綜合運管平臺，在利用既有的綜合監控數據的基礎上，深度融合圖像智能識別、物聯網智能診斷等全息感知數據，通過大數據、人工智能新技術進行挖掘分析和綜合利用，實現車站工況的三維可視化，向站務管理、運營管理、設備維修和綜合安防等各級崗位提供簡潔高效的、管家式、場景化的操作界面，實現設備管理自動化、維修智能化、乘客服務自助化。

3.2 綜合運管平臺

14號線綜合運管平臺由位于停車場的線路級綜合運管平臺，及位于各車站的車站級綜合運管平臺組成。

智慧車站新增功能、應用及決策層，均基于車站級綜合運管平臺系統，其構成可分為硬件層、軟件層和網絡層。綜合運管平臺系統網絡基于車站ISCS系統網絡進行擴充，新接入智能視頻分析、智慧水務、單兵維保、智能客服等子系統。

線路級綜合運管平臺系統設置1臺管理服務器、1臺生產服務器和1臺建筑三維模型服務器。其中，管理服務器主要承擔中心級、車站級的人工策略輔助工作，包括預案提示、臺帳錄入、預警管理等;運營管理服務器通過數據網閘接入中心局域網/骨干網，實現從生產調度系統獲取相關數據，同時通過防火墻接入OA網絡，實現辦公與運營管理的融合。生產服務器主要完成中心級對生產調度系統的實時數據采集和處理工作，且生產服務器應通過獨立1000Mbps以太網接口與中心以太網交換機連接。建筑三維模型服務器主要承擔全線建筑三維模型的建立，建筑三維模型服務器通過綜合監控網絡接入中心級生產主干網。

停車場設備機房設置1臺至通信網的交換機，主要連接中心級主干網、應用服務器、工作站、網絡打印機等。配置2套數據網閘，負責隔離生產調度數據，并傳送給中心級運營管理服務器相關數據信息。具體的系統構成如圖2所示。

4 智慧運營平臺實現功能

智慧運營平臺實現的功能分為3類：服務于乘客、服務于運營及服務于維保，本文僅對新增的部分功能進行詳細介紹，圖3所示為智慧地鐵的具體功能分類。

4.1 服務于乘客

基于乘客從出行計劃至進站乘車、出站離開等諸多場景化流程，本線可利用應用手機、移動支付、人工智能、視頻分析等技術，實現乘客購票、進出站、候車、換乘、乘車、上下車等環節的乘客自助服務，提升乘客的出行體驗。

依據不同的服務場景，可實現乘客語音購票功能、乘客進出閘機人臉識別功能、乘客自助服務終端、乘客智能咨詢終端、移動終端、無人售票智能客服、智能機器人、車廂擁擠度識別、照明系統、智能電子引導系統及智慧廁所服務。

4.2 服務于運營

智慧地鐵的主要目標是實現各車站的自動運行，以各場景的實際需求為出發點，利用信息化、智慧化等手段使各車站的系統與設備之間實現聯動，從而使車站能夠實現自動運行，實現基于業務場景的自動控制和預案聯動。在運營上可實現智能開關站，客流管理、預警及預案，環境在線監控，人員管理和智慧安檢等五項功能。

4.2.1 客流管理、預警及預案

客流是軌道交通安全管控的重中之重，綜合運管平臺可對客流做出詳細深入地剖析。平臺通過對乘客日常乘車行為分析，結合乘客長期進出站時間、位置數據、視頻分析數據、嗅探設備綜合分析客流規律，針對不同出入口典型的出站、入站客流流向，結合智能視頻分析及大數據預測模型，基于這些核心算法，可以根據實際的業務和主題構建各種客流預測模型，形成模型庫，比如即時客流預測、短時客流預測、中長期客流預?；谀Ｐ蛶?，就可以給實際的業務場景提供支撐作用。

采用熱力圖為主，趨勢圖為輔的表達方式對流向路徑中存在的客流瓶頸區進行監測和展示，對當前客流熱力圖和瓶頸區的客流情況聯合分析，可為站務人員提供瓶頸區客流疏散的報警及建議。不斷優化客流組織。如遇到突發性大客流狀況，后臺可通過無線單兵系統對現場客流狀況進行實時監控，以進一步作出準確判斷、啟動應急預案。其中，應急預案分為高峰、大客流模式，災害模式和故障模式3類。

4.2.2 智慧安檢

線路級安防管理平臺作為智慧安檢的管理與服務中心，是整個智慧安檢的核心部分。對于站點，實現業務應用的服務支撐與運維管理能力。通過在停車場構建14號線安檢管理與服務中心，強有力的支撐了各個站點、安檢點的快速安檢、智慧安檢、人物統檢的安檢業務應用。

車站安檢點作為智慧安檢的現場執行部分，是智慧安檢業務應用的主要實體。利用智慧安檢提供的智能檢人、智能檢物系統，實現所有進站乘客及物品的安全檢查，以及異常行為、違禁物品的告警提醒與現場處置能力。圖4所示為智慧安檢的現場圖。

（1）線路級安檢監控功能。線路級安檢監控主要是基于視頻分析、大數據、云計算等技術，構建復用性強、擴展性高的安檢管控與服務系統。系統通過綜合全線各站點的安檢人員信息、安檢告警信息、違規處置信息和安檢基礎資源信息等，提供安檢系統態勢統計分析、事件管理處置、安檢遵從信用評估分析、安檢設施資源管理，以及安檢系統業務參數的配置管理能力等。

通過線路級安檢監控功能可實現安檢監控管理、安檢信息查詢、安檢事件標簽應用、安檢數據統計分析、全線各站點基本信息管理、安檢點遠程監控和安檢系統運維管理等功能。

（2）線路級安防平臺功能。為滿足《城市軌道交通公共安全防范系統工程技術規范》（GB/T51151-2016）對安防集成平臺功能要求，本線設置安防集成平臺。安防集成平臺采用軟件模塊獨立、硬件服務器整合的方式集成于綜合運管平臺。

綜合運管平臺（含安防平臺）獨立于既有綜合監控系統平臺，在既有集成互聯各系統基礎上，安檢系統接入車站級綜合運管平臺，場段安防系統接入線路級綜合運管平臺。最終實現各系統數據統一監管、協同和聯動。將安防、消防系統與運營生產系統共同建立在一個融合平臺之上，有利于智能化、自動化、整體化的應急操作和處置。智慧安防功能包括綜合監測、應急處置、智能電子巡更、單兵系統聯動和訪客可視化管理等。

4.3 服務于維保

4.3.1 設備智慧管家

設備智慧管家系統根據機電設備的運維特點，結合全線受監視的機電設備的運行狀態數據信息，增加機電設備相關的數據分析處理模塊，從而可以對機電設備的運行風險進行評估，以及診斷分析其可能或者已經發生的故障，同時由車站級綜合運管平臺將數據分析結果上傳至停車場綜合維修管理平臺，由該平臺完成修保養計劃的安排和維修工單派發等工作，從而更好地進行信息化管理的維護。系統架構如下：在機電設備的維護維修過程中，后臺工作人員可以通過手機電腦客戶端、電視墻大屏等方式獲取現場圖像，實時與現場工作人員進行溝通。現場工作人員全部配備無線單兵系統設備，從而便于統一接受指揮后臺的管理。設備管家系統架構圖如圖5所示。

4.3.2 車站級設備維修功能

車站級設備維修功能包括，統計設備累計運行時間，并根據設備保養要求，對設備維護保養提供建議提示。根據相關機電設備的平均使用時間，實現主備用設備自動切換運行，從而延長此類設備的使用壽命。通過趨勢診斷和壽命診斷等方式，實現跨專業的故障智能診斷功能，包括對基于電氣特性的設備隱患預警分析功能，在設備電氣特性出現異常波動、突變、趨勢變化時，及時預警;對具備基本診斷條件的設備提供預警功能（狀態修功能）、提供預防性維修相關功能。還具備設備運行質量評價和健康度分析功能，輔助實現狀態修和預防修。

4.3.3 線路級設備維修功能

（1）維修支持功能。維修支持功能包括，監視車站受控對象的運行狀態和故障報警信息，將監視到的信息圖形化顯示的跨專業設備狀態綜合監督展示功能;統計車站和區間設備的累計運行時間，并根據設備保養要求，對設備的維護保養提供建議提示;根據有關機電設備的平均使用時間，實現主備用設備自動切換運行，從而延長此類設備（如各種水泵等）的使用壽命;可遠程自動控制冷水機組的運行臺數，統計設備運行時間，調整冷水機組的啟動次序，均衡設備運行時間;構建車站受控對象（電力及機電設備）維護管理數據庫，實現對受控對象設備的全信息管理;采用趨勢診斷和壽命診斷等方式，對具備基本診斷條件的設備提供狀態預警功能（狀態修功能）、提供預防性維修相關功能;風機軸溫軸振動診斷、扶梯的智能監測及診斷功能、站臺門智能診斷等。

（2）綜合智能分析功能。綜合智能分析功能包括，跨專業的故障智能診斷，基于電氣特性的設備隱患預警分析，在設備電氣特性出現異常波動、突變、趨勢變化時，及時預警;對設備運行質量評價和健康度分析，輔助實現狀態修和預防修;可進行運維聯動分析，與綜合監控主體系統進行智能聯動分析，為動態智慧調度提供維護建議和支持。

（3）支持基于三維建筑模型的設施設備運維管理。綜合運管平臺系統可以通過與三維建筑模型的接口，支持基于三維建筑模型的設施設備運維管理，包括集成對設備的搜索、查閱、定位等功能，通過點擊三維建筑模型中的設備，可以查閱當時此設備的狀態信息;可以實現對設備信息生命周期進行管理，通過在管理界面中搜索設備名稱，或者描述字段，查詢所有相應設備設施在虛擬建筑中的準確定位和系統維護人員和各相關部門可以通過平臺提供的客戶端查詢各個系統功能模塊的工作狀態和監測對象的實時共享信息，協同對工程出現的異常狀態做出及時科學決策。

（4）功能子模塊及其功能。線路級綜合運管平臺利用接入的各機電專業數據，結合實際運營組織結構，分別針對供電工班、機電工班、通號工班等打造相應的運維管理模式，從而實現綜合維修管理功能。功能子模塊包括，運維管理、計劃管理、標準管理、故障管理、狀態管理、專業維修系統管理、設備信息查詢、移動端點巡檢維護子系統、移動端維修支持子系統、移動端快速報修與遠程協助子系統等。

運維管理模塊的功能包含，對維修任務的統一管理;針對設備日常生產作業中發生的設備隱患的管理;針對設備全部故障報修的匯總處理，對故障現象、原因、措施進行分析;根據巡檢標準自動生成的待執行單據，使用者在現場對任務單進行快速回復處理;維保作業單、供電工作票、委外維修單、中大修工單、專項修工單、部件維修工單、更新改造工單的管理;對班組人員的日常排班進行排版、調整、調休、代班等操作;交接班記錄匯報與綜合查詢;對于設備備件的更換進行快速處理;對員工的工作負荷和完成情況可以容易的統計和分析;工單所需備件和物料的庫存信息;綜合查詢管理。計劃管理模塊的功能包括，年度計劃預排：對于各個專業、線路的年度計劃維修進行自動化的預排及預算;年度計劃管理：年度計劃的編制、預算、執行等進行管理;月計劃管理：實現月度計劃的申報排定、審批、實施、評價、歸檔流程化分類管理。標準管理模塊可以按照專業、線路等維度，對于設備的巡檢、檢修、保養、試驗等進行統一管理。

故障管理模塊根據故障各專業屬性，形成專業專屬故障臺帳、故障分析圖表和報告;線路資產設備突發故障的維修工作（臨修）由運營企業生產系統所含的突發事件應急處理系統進行觸發和管理;匯總收集各類資產的故障信息，并能依據故障發生的規律，合理安排預防性維修，預判典型資產的劣化趨勢，提高資產的可靠度。狀態管理模塊集成綜合監控等系統中的自動采集報警數據，并且對于報警信息進行閉環處理，并且可以根據集成和存儲在線狀態監測、離線檢測結果的數據，形成對設備運行狀態的全面記錄存儲，進行綜合利用分析。專業維修系統管理模塊可以實現機電、通信信號、土建線路、供電各專業維護管理。設備信息查詢模塊可以對于資產綜合信息查詢提供多種查詢手段，資產臺帳信息涉及的基本靜態信息和商務信息，以及在各類維修業務處理中生成的動態信息進行查詢，以設備為對象建立多維度的查詢角度，對設備全生命周期的信息進行關聯查詢。

移動端點巡檢維護子系統是一種現代化、科學化、網絡化的設備管理辦法，它通過遠程抄表、實時上傳，抄表數據異常報警等方式，以供地鐵運營相關專業對現場設備狀態實時掌握，以降低設備的運行風險，保障地鐵的運營安全。移動端維修支持子系統可以參照運營各個專業的維修規程、操作規程和安全作業規范，為實現維修的全面控制、管理和指導，規范維修行為，確認維修效果，建立系統化的具有實時處理機制的維修管理子系統，其中包含計劃管理、計劃維修執行、檢修評價表、全線檢修情況統計、標準作業流程查詢。

移動端快速報修與遠程協助子系統的功能包括，操作人員根據設備現場情況采集故障信息，可將與故障設備相關的現場視頻、照片，發生故障的文本描述，通過該界面上報報修信息至綜合維修管理平臺。在設備故障時，通過現場人員的作業及實際情況，通過視頻、語音、文字、圖片等方式進行溝通、協助、遠程指揮。移動端支持錄制視頻、錄制語音、文字、拍攝圖片等匯報方式，并上送至平臺。該功能作為維修作業過程中溝通的輔助手段，強化溝通效率及直觀展現現場情況。

4.3.4 能耗管理

（1）能源管理平臺。綜合運管平臺通過ISCS與通信管理主機、PSCADA、高壓電表等的接口獲取本站電能數據，通過BAS系統獲取智能水表及節能系統數據，在綜合運管平臺上綜合這些數據對地鐵運營耗能進行分析總結。對耗能數據和信息進行指標化顯示，獲取能耗不正常的數據和設備，并對其進行技術改造，車站的能耗分析圖如圖6所示。

能耗管理功能包括：采集存儲數據功能，采集智能電表的相關數據參數和設備的運行狀態，并對數據進行歸類;采集智能水表用水量數據;在HMI上實時顯示能耗參數;對任意時間段能耗參數的歷史曲線進行顯示;根據相關要求對數據進行統計、計算;按照一定的時段對計算能耗數據和均值;對一定時段的耗能累計值用棒直圖進行顯示;對能耗模擬量的變化狀態通過趨勢曲線顯示;對分類、分項、能耗的比例以餅圖顯示;能對比不同節能模式下的能耗對比，并提出優化運行的策略。

（2）風水節能。綜合運管平臺可以調用ISCS系統功能，通過BAS系統的節能策略，對空調冷水系統的冷水機組投入臺數、二通調節閥開度、公共區空調機組風機轉速等參數進行調節，達到運營對環境的需要;可以對通風空調節能控制系統訂制專用的HMI，并能結合能源管理功能與環境監測功能對通風空調設備和系統提出運行參數設定建議。

同時，為提升供水系統的管理水平，優化管網運行以及減少管網漏損，實現對車站用水的實時控制和精細化管理，給排水專業在關鍵用水節點處：市政生產生活給水引入總管、各處衛生間給水總管、冷卻塔補水管、冷水機房補水管等，設置智能遠傳水表。將實時數據傳輸至綜合運管平臺上，通過系統計算平臺進行收集、整合、分析和處理，建立各個環節的相互規約模型，分析各生產、生活環節水量的使用情況、對比每天、每周、每月、每年的數據，實現對車站用水的實時控制和精細化管理，達到規范管理、節能降耗的目的。

綜合運管平臺還可以調用ISCS系統功能，通過風水聯動軟件模塊對車站的環境參數、空調設備運行參數、設備能耗變化及室內負荷等進行實時監視與預測，利用系統模型與控制策略實現環控空調設備的自動調節，從而充分利用設計余量、關站前余冷及室外冷量來節約冷量供應，平衡站內熱量波動，達到空調系統安全、舒適、高效、節能運營的目的。

5 結語

智慧地鐵的線路級架構在國內城市地鐵尚屬首次嘗試，我院在調研當前交通各行業的智慧交通架構運行的基礎上，結合西安市地鐵運維人員的需求，對西安地鐵14號線的智慧地鐵進行了架構設計，難免存在各種不足，但仍然不失是新的試點，可為以后的城市智慧地鐵提供一些經驗。

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