智慧城市軌道交通發展水平分析*

項英輝，王佳田

(沈陽建筑大學管理學院，遼寧 沈陽 110168)

0 引言

至2020年底，我國45個城市累計開通城市軌道交通運營線路達7 978.19km。隨著互聯網+城市軌道交通的發展，基于自動化、智能化的新技術與新模式不斷出現，其中全自動運行技術、云技術、人工智能、大數據、BIM技術等助力了智慧城市軌道交通(以下簡稱智慧城軌)的發展，北京、上海、深圳等地已在全自動運行技術、智慧運營、智慧維保與移動互聯支付等領域進行了多項實踐創新。智慧城軌建設與發展提升了城市軌道交通運行效率和管理水平，促進安全、高效、舒適客運體系的建立。通過人工智能、物聯網、5G技術等的結合，增加了客流量、設備及環境數據采集量，更智能的數據挖掘和分析預測技術，提高了數據實時傳輸與監測效率，提升了行業服務能力，以便及時發現安全隱患等問題[1]。

現階段，對智慧城軌發展的研究主要體現在以下方面：①發展現狀梳理與分析 劉純潔[1]認為智慧交通是智慧城市的重要組成部分，將城市軌道交通與新興技術相結合，可更好地提升城市軌道交通行業智能化發展，提升社會、經濟效益，支撐智慧城市建設；中國城市軌道交通協會[2]提出城市軌道交通行業信息化建設步入快速發展階段，已初具規模，改變了傳統建設、服務和經營模式，加強了智慧城軌現階段健康有序發展；汪鳴等[3]認為城市軌道交通智慧化發展已成必然趨勢，現代化城市發展應借助現代信息技術和人工智能技術，尋求更適合自身發展的智慧方法；②發展水平評價指標體系研究 張唯[4]構建了以安全類、服務類、效率類和效益類為基礎的智慧城軌運維指標體系；中國城市軌道交通協會[2]提出了智慧城軌建設路徑，基于智慧乘客服務、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、智慧網絡管理、城軌云與大數據平臺、中國智慧城軌技術標準體系，構建了智慧城軌發展水平評價指標體系；黃愉文等[5]基于智慧地鐵樞紐建設能力和運行成效，結合應用系統建設，提出了包含感知體系、運營決策、應急指揮、乘客服務在內的4類評價指標，為本文評價指標體系的構建與案例分析奠定了基礎。

已有研究多從智慧城軌內涵出發，對智慧城軌發展趨勢進行分析，但對發展水平評價指標的研究較少，未分析量化指標，無法全面動態了解智慧城軌發展趨勢。為此，以智慧城軌發展水平為評價主體，以《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中的共性指標為基礎，增加促進智慧城軌發展的個性化指標，建立評價指標體系，并進行案例分析，針對發展薄弱環節提出解決對策與建議，以促進智慧城軌高質量發展。

1 評價指標體系

本文以系統性、可采集性、全面性和重點性、簡明科學性和動態性為原則，采用文獻研究法、定量與定性分析結合法構建智慧城軌發展水平評價指標體系[6]，如表1所示。

表1 智慧城軌發展水平評價指標體系

根據2017—2020年北京市城市軌道交通數據，獲取表1中定性指標數據，由10名專家組成評審小組，對定性指標進行打分，取平均值作為最終結果。根據交通運輸部公布的統計數據、《北京統計年鑒》《中國城市軌道交通年鑒》《城市軌道交通年度統計和分析報告》等獲取表1中定量指標數據。

2 評價模型

為使研究結果更具客觀性，采用熵權法確定指標權重[7]，采用TOPSIS法計算綜合指標值，建立基于熵權-TOPSIS法的智慧城軌發展水平評價模型。

2.1 評價指標矩陣歸一化處理

假設有n個數據年份，m個指標，則構造決策矩陣為：

X=(Xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(1)

由于指標單位具有差異性，因此需進行歸一化處理，其中正向指標為：

(2)

負向指標為：

(3)

2.2 指標權重的獲取

1)計算第i年第j個指標占該指標的比重：

(4)

2)計算第j個指標熵值：

(5)

3)計算指標權重：

(6)

2.3 TOPSIS法綜合評價

1)計算最終決策標準化矩陣：

V={Vij}m×n={Wj×Xij}m×n

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(7)

2)確定正理想解(最優解)V+與負理想解(最劣解)V-：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(8)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(9)

(10)

(11)

4)計算各年發展水平與最優指標矩陣間的貼近度：

(12)

C+越大表明該年智慧城軌發展水平越高，C+越小則相反。

5)按貼近度進行智慧城軌發展水平排序，根據李印等[8]的研究成果劃分等級，如表2所示。

表2 智慧城軌發展水平等級劃分

3 案例分析

根據搜集到的指標數據，計算得到2017—2020年北京市智慧城軌發展水平評價指標權重，如表3，4所示。由表3可知，要素層指標對智慧城軌發展水平影響程度排序為智能列車運行>智能運營管理>智慧乘客服務>智能運輸組織>智慧網絡管理>城軌云與大數據平臺。

表3 要素層指標(一級指標)權重計算結果

表4 指標層指標(二級指標)權重計算結果

計算得到2017—2020年北京市智慧城軌發展水平貼近度依次為0.106，0.286，0.519，0.702，可知隨著時間的增加，貼近度呈平穩上升的良好趨勢，表明智慧城軌正在穩步上升發展。

2020年，北京市智慧城軌發展水平貼近度為0.702，仍處于中等發展水平，這是因為我國智慧城軌發展目前處于初期階段。隨著科學技術的進步，我國智慧城軌發展存在較大的潛力。

2017—2020年北京市智慧乘客服務發展水平貼近度依次為0.132，0.366，0.443，0.695，2019年發展水平增速雖略有減小，但總體呈上升趨勢，處于中等偏低水平；智能運輸組織發展水平貼近度依次為0.095，0.253，0.516，0.676，發展水平較低，但總體呈上升趨勢；智能列車運行發展水平貼近度依次為0.109，0.290，0.587，0.707，發展水平上升趨勢明顯，已達中等水平；智能運營管理發展水平貼近度依次為0.101，0.269，0.556，0.724，發展水平處于平穩上升趨勢，已達中等水平；智慧網絡管理發展水平貼近度依次為0.101，0.269，0.553，0.698，發展水平總體呈上升趨勢，處于中等偏低水平；城軌云與大數據平臺發展水平貼近度依次為0.085，0.226，0.481，0.698，發展水平貼近度較快，上升趨勢顯著，處于中等偏低水平。

隨著出行總量的持續增長，基于城市軌道交通便捷性、準點性的特點，越來越多的乘客選擇其作為出行方式，這導致擁擠度增加、舒適度與滿意度降低[9]。因此，我國交通發展需求已從“速度、規模”向“質量、舒適”轉變，高效便捷、安全可達已難以滿足出行需要，乘客們更關注出行舒適度與滿意度。因此，智慧城軌的發展需在滿足乘客期望的前提下穩中求進。

我國城市軌道交通進入網絡化多制式發展時代，已有多個自主化生產系統，在列車運行控制系統、車輛裝備及技術改造方面取得了新的突破，正由依賴于人工操作向系統平臺聯動管理轉變。但信息化應用水平較低，業務種類繁多，且內部信息分散獨立，缺乏聯系，導致運營管理效率較低，需加強數據資源利用與動態組織協調管理能力。

我國城市軌道交通行業緊跟新一代信息技術發展腳步，整合了5G、物聯網等網絡通信技術。但受基站建設成本與周期等影響，新的網絡通信技術無法完全應用于智慧城軌發展中。城軌云與大數據平臺作為基礎平臺，已在呼和浩特、武漢進行了示范應用，發展水平有待進一步提高，需不斷進行更新優化。

4 對策與建議

4.1 構建精準感知的網絡化智能運輸組織體系

1)加強網絡化動態調度與智能客流感知能力，建立實施客流-車流耦合的動態調度機制，進行線網運力、運量和列車協同優化，形成網絡化韌性運行新模式。

2)基于實時收集的路網數據，建造線網運營調度指揮中心，對客流數據進行精準化和智能化計算分析，進而開展客流實時監測預警與態勢演變分析，促進線網運力資源優化。

3)完善公共安全突發事件應急預案，加強優化應急方案的智能生成與多種交通運輸方式的協同處理，提升運輸指揮與應急反應能力。

4.2 建立集技術標準與安全保障于一體的基準網絡體系

1)將5G技術與智慧城軌需求相匹配，基于智慧城軌復雜場景建立多個方案。由于城市軌道業態封閉性較高，存在外部信號難以進入及信號盲區較多等問題，可通過RIS或小蜂窩技術擴展通信范圍。

2)設置濾波器帶寬，減少雜散輻射干擾。根據2G～5G容量需求，城市軌道采取多頻段覆蓋方式，易產生頻段間的相互干涉，濾波器帶寬的設置可保障終端系統用戶的正常使用。

3)構建網絡安全架構，包括安全框架、接入安全、用戶數據及用戶身份信息機密性和完整性保護，制定場景安全標準，為多樣化的5G應用場景提供差異化安全服務，提升智慧城軌無線網絡安全性[10]。

4.3 構建信息共享且安全可控的云平臺

建設“終端安全可靠、設備接入可信、平臺威脅可見、應用風險可控”的智慧城軌云平臺。

1)建立自主化數據庫與共享平臺，打破數據信息孤島，重點解決共享數據采集、傳輸、處理、存儲、管理等問題。

2)通過云平臺對智慧城軌計算、網絡、存儲等資源進行統一管理。

3)加強云平臺安全體系建設，采用安全智能協同技術，規劃網絡安全防護體系，保證云平臺網絡安全穩定運行。

5 結語

目前，發展智慧城軌已成為必然趨勢，本文以北京市智慧城軌發展水平研究為例，得出以下結論。

1)建立智慧城軌發展水平評價指標體系，包括智慧乘客服務、智能運輸組織、智能列車運行、智能運營管理、智慧網絡管理、城軌云與大數據平臺在內的 6 個一級指標和最小發車間隔、運營服務時長等在內的25個二級指標。

2)北京市智慧城軌發展水平逐年穩步提高，2020年發展水平貼近度為0.702。

3)北京市軌道交通信息化建設、城市軌道裝備制造業發展已初具規模，智慧城軌發展存在較大潛力。

4)智能列車運行、智能運營管理與智慧乘客服務對智慧城軌發展水平的影響較大，智能運輸組織、智慧網絡管理和城軌云與大數據平臺是智慧城軌發展的重要指標，應努力實現智慧城軌“1+1>2”的乘數效應。