城市軌道交通智能化及可持續發展現狀分析與展望

李義嶺，喻彥喆，姚克民

（1.天津軌道交通運營集團有限公司，天津 300022；2.天津大學環境科學與工程學院，天津 300350）

1 引言

隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，城市軌道交通因其高效、環保等特點，成為解決當前城市出行問題的主要手段[1]。近年來，我國城市軌道交通建設飛速發展，然而也帶來了諸多挑戰，例如，如何更好地滿足乘客對城市軌道交通服務提出的多樣化需求，如何管理和維護好數量不斷增長的各類系統設備及設施，以及如何減少建設和運營過程中能源的消耗、降低成本等。逐漸興起的物聯網、大數據、人工智能、云計算等新技術為應對這些挑戰創造了契機。為實現城市軌道交通的智能化及可持續發展，整個行業當前都在探索城市軌道交通與智能化技術的深度融合，例如，由中國城市軌道交通協會發布的智能示范工程就達21 類之多[2]。基于上述行業背景，本文從智能化及可持續發展2 個角度對城市軌道交通領域相關技術應用及發展進行總結和展望，并提出相關建議，以期為促進城市軌道交通高質量發展提供參考和借鑒。

2 發展現狀

2.1 城市軌道交通智能化

將信息化、大數據分析和人工智能（AI）等智能化技術應用到城市軌道交通行業的目的是使其管理更高效，在提高其運營、維護、安全和服務水平的同時降低成本。目前，城市軌道交通智能化技術應用主要涉及以下方面。

（1）提高系統的安全性、可用性和可靠性。例如，研制智能化列車，提高列車相關系統的自主在線診斷、自主運行控制以及遠程控制能力；探究靈活編組列車的可實施性，以運營成本和乘客出行時間為優化目標，構建列車開行方案模型[3]；實現信號系統的高穩定性、高可靠性及自主化生產[4]。

（2）實現網絡化運營調度。由于城市軌道交通線路數量不斷增加，部分城市逐步構建了成規模的線路網絡（以下簡稱“線網”），為提升運輸組織效率，要求對各條線路進行網絡化運營。為此，需要應用更合理的優化算法和更可靠的通信技術，建立智能化的線網級調度指揮中心，實現線路間的聯動及網絡化運營調度。雖然，目前部分城市已實現相同制式線路的共線管理，如上海地鐵3 號、4 號線的共線運營，以及重慶市軌道交通多條線路列車的共線運行[3]，但由于其中涉及變量甚多，需要建立的標準非常復雜，還需考慮配線設計和換乘等諸多條件，因此大面積推廣還需要時間和努力。

（3）采集多源客流監測數據，構建智慧客流分析及預測系統。依托物聯網、城軌云、大數據平臺及數據挖掘技術，動態監測客流狀況，對采集的客流數據進行分析和處理，實現對短期、長期及特殊時期客流的預測、預警，并自動輸出客流疏、導、管、控解決方案，如根據客流量確定列車每站的停靠時間、發車間隔和頻次等[4]。

（4）提升機電設備、車輛和軌道設施的自動化檢測和診斷水平，促進設備設施的維保由“故障修”“計劃修”向“狀態修”“預測修”轉變[5]。基于狀態感知、物聯網、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）[6]、云計算及5G 等技術，構建必要的在線監測、數據采集、傳輸和存儲平臺，建立數據與設備狀態關聯的知識圖譜和運算模型，通過算法的不斷優化、自學習和校準，實現對機電設備、車輛和軌道設施狀態的科學診斷，并為診斷設定閾值，進而自動生成應急處置預警提示和維保計劃。目前，將BIM 技術應用從建設階段擴展到運維階段，搭建基于BIM 的城市軌道交通基礎設施運維管理平臺已成為此領域的重要研究方向[7]。

（5）實現安全保障工作的智能化。智能化巡檢和綜合監控技術的應用是當前行業安全保障智能化的主要體現。例如，將激光雷達、雷達和圖像自動識別等技術用于對隧道、道床、鋼軌和扣件的自動化巡檢，以及對侵入車輛限界異物的快速識別[8]；研發安檢自動判圖軟件以及基于視頻的分析技術，以實現對大客流、火災、治安事件等突發情況的預警提示，為城市軌道交通工作人員在此種情況下做出快速準確的判斷、采取合理的應對方案提供依據[9]。

（6）實現服務的便捷化及人性化。例如，實現有閘機條件下的售檢票電子化；基于狀態感知、物聯網等技術，構建智能環境控制系統，對車廂、站廳、站臺的溫度、濕度、燈光照度等進行智能調節，提高乘客的舒適度；推進基于實名制、個人信用體系的跨平臺、跨場景乘車票務服務，利用生物識別、無感支付等技術，提高售檢票及乘車的智能化水平[10]；通過豐富終端設備的便民應用功能，聚合多平臺出行服務內容，根據乘客出行需求訂制化提供多種出行解決方案以及“職、住、憩、游”等方面的延伸服務。

2.2 城市軌道交通可持續發展

目前，城市軌道交通可持續發展主要聚焦在降低運營過程中的能源消耗（以下簡稱“能耗”），其主要涉及以下方面。

（1）各類節能設備、可再生能源技術的應用。在城市軌道交通領域，節能型照明光源及智能化控制系統、列車再生制動能量的吸收和利用、列車的“節能惰行”運行模式、列車的輕量化、永磁牽引技術的應用、根據環境感知實時進行變頻調節的通風空調系統、變頻自動扶梯、磁懸浮壓縮機等是目前研究應用的焦點[11-12]。此外，還有部分示范項目開始應用綠色能源發電技術，如太陽能、地熱能及并網發電技術[13-15]。

（2）城市軌道交通能耗計量技術的應用。由于目前在城市軌道交通前期施工及后期運營管理過程中缺乏全面的計量措施，因此建設和運營單位在評估城市軌道交通能耗時存在一定的困難。為降低能耗，需要完善各用能環節的能耗計量，從而為節能評估奠定基礎。目前較為先進的能耗計量技術包括遠程無人計量、物聯網等技術。

（3）建立能耗評價指標體系，打造智能化能源管理系統。通過建立合理的能耗評價指標體系，結合數據挖掘技術，能夠以采集的能耗數據為基礎，對城市軌道交通用能進行精準分析，從而從“技術節能”和“管理節能”2 方面不斷實現優化。目前，雖然國家和一些地方已制定了相關的城市軌道交通能耗評價指標體系，但在數據采集和評價模式數字化尚未實現的現實條件下，此項工作還有待進一步完善。

3 展望與建議

基于上述現狀分析，本節展望了城市軌道交通智能化及可持續發展的五大方向，并分別對各個方向進行討論，提出相關建議。

3.1 列車全自動駕駛

列車全自動駕駛是指通過列車自動控制系統實現列車自動喚醒、自動行駛、精確停車、站臺自動化作業、無人折返、自動運行調整等功能，以減少人員介入，降低人工成本及減少人為失誤。

然而，目前該項技術還存在以下問題：①尚無全壽命周期內的成本數據，無法進行成本比較；②隨著設施設備服役年限的增長，其可靠性會逐步降低，其在缺乏合理管理和維護情況下存在的風險與人為失誤造成的風險孰大孰小，目前難以評估；③許多城市在中心城區均規劃建設城市軌道交通線網，若全自動運營線路上發生故障而不能快速恢復運營，勢必對整個線網的運行造成影響。

因此，在城市軌道交通網絡化運營的背景下，應在發展和完善全自動駕駛技術的同時，不斷收集和對比相關數據，做好設施設備全壽命周期的運維管理，以確保其可靠性，并綜合分析全自動駕駛線路的壽命周期成本，通過數據證明全自動駕駛技術的價值。

3.2 互聯互通

城市軌道交通互聯互通不只是實現設備接口協議的標準化和設備的信息互換，其實質在于列車跨不同線路的過軌運行，這將改變原有城市軌道交通以單線為基礎的行車調度指揮模式。

互聯互通具有以下2 方面的優勢。

（1）降低成本。具體如下：①不僅可減少整個線網的車輛數量，而且用于停放、維修和檢測車輛的場地和設備也隨之減少；②由于互聯互通線路的設備實現了標準化，因此可對車輛、供電、信號、站臺門等系統進行規模化生產、采購、存儲、安裝、調試和維保，從而降低相關成本（其中包括人員培訓、跨專業融合、工時均衡統籌等人力成本）。

（2）提高運輸服務質量。互聯互通的實現能夠減少換乘次數，縮短乘客乘車時間；采用快、慢車混跑的運營組織模式，可滿足不同乘客的乘車需求，提高運輸服務質量。

然而，目前互聯互通的實現受以下條件的制約：①線路的互聯互通適合在城市軌道交通的建設期統籌謀劃，最好是多條線路同時建設，并為其制定統一標準，以便實現最大的規模效應；②制定的標準須具有前瞻性，原因在于先建線路一旦建成，后續線路也將采用與其相統一的標準，從而犧牲一定的靈活性，例如，后續采用更經濟、更適用技術的可行性會降低；③已運營線路的互聯互通改造宜在其進入大修期時統籌考慮，因此對于城市軌道交通線網已成規模的城市，實現的周期比較長；④需要解決“跨線運營”問題。

解決上述問題的根本方法是建立城市軌道交通行業統一的標準體系，為車輛、信號、供電和站臺門等系統制定成套的統一標準，則城市軌道交通互聯互通問題將迎刃而解。

3.3 智能運維

智能運維是通過對設備狀態數據進行采集、存儲、加工，分析和判斷數據信息與設備的健康狀態是否吻合，并輸出判斷的結果，進而實現對維修策略的指導（圖1）。其通過物聯網和不同功能的算法模塊實現，而實現關鍵在于以下2 點：①搭建強大且可靠的數據采集及終端回饋系統，包括傳感器、網絡通信及數據庫；② 開發科學合理的分析算法，包括依據目標要求設計的數學模型和決策模型。

圖1 智能運維的內涵

然而，目前城市軌道交通智能運維的實現面臨如下挑戰：①采用大數據、云計算等技術的數據采集和存儲系統耗資巨大，數據的廣泛采集與有限使用的矛盾突出；②投資與收益存在不匹配的情況；③投資價值在不同的城市也不盡相同。

為解決上述問題，應當在建立智能運維基礎平臺之初就將數據應用作為主要方向，樹立“數據采集是為輸出成果服務”的理念，將數據與設備的可靠性、可用性、可維護性和安全性（Reliability Availability Maintainability and Safety，RAMS）進行充分關聯，在此基礎上對維修策略進行調整和優化（即管理創新的驅動），找到基于RAMS 的最優壽命周期成本（Life Cycle Costs，LCC），并通過合理的LCC 來保證RAMS 的實現，最后形成RAMS&LCC 最優方案報告，以指導城市軌道交通的智能運維。例如，天津地鐵在搭建線網云的同時，提出加強信息化與運維業務雙向融合的工作模式，通過雙向融合、雙向設計，縮短獲得RAMS&LCC 最優方案報告的時間。

3.4 智慧服務

智慧的內涵是感知、記憶、理解、分析、判斷、升華等能力，其在城市軌道交通行業里涉及最多的領域是服務與調度，如智慧客服、智慧安檢、智慧應急指揮、一鍵開關站、客流監測與引導、無感支付等（圖2）。目前，上海、廣州和深圳等城市的軌道交通率先建立了智慧車站示范站，在行業里起到了良好的帶動作用。隨著中國城市軌道交通協會發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[2]，其他城市也在加快智慧車站的研究和建設。

圖2 智慧服務場景示例

然而，在加速城市軌道交通智慧化建設的同時，還需要認真思考“城市軌道交通智慧服務不是為智慧而智慧”這道命題，即對以下問題進行深入探討：

（1）智慧解決了哪些問題；

（2）智慧滿足了誰的需求；

（3）這些需求是否具有普遍性和迫切性；

（4）需求中是否混入“認為的需求”和“偽需求”；

（5）是否值得動用資源去滿足所有的需求。

只有對上述問題有了深刻認識之后，才能明晰哪些智慧化建設舉措應該繼續加速推進、哪些需要緩行、哪些需要暫停等待、哪些需要適可而止，這樣才能保證新技術在行業中具有長久的生命力。

這是智慧化示范工程沒有在城市軌道交通行業全面推廣的原因，也是目前行業需要思考的問題。

3.5 節能減排

在城市軌道交通智能化發展進程中，節約能源、降低二氧化碳排放對于行業的可持續健康發展具有重要意義。目前，節能技術（如光伏、永磁電機、車輛輕量化、智慧照明、能源管理、風水聯動等）在單個專業領域的應用較為深入，并已在一定范圍內推廣（圖3）。實踐證明，這些日趨完善的技術在節能減排的同時，還能夠降低城市軌道交通全壽命周期成本。

圖3 新能源技術應用

然而，目前節能新技術的推廣速度仍比較慢，其原因在于：①新建線路對建設期投資規模的重視程度高于 LCC；②對運營線路進行技術改造的難度和成本遠遠大于對新建線路進行統一設計和選型；③運營成本的壓力加大了節能技術在運營線路推廣的難度。

隨著“碳達峰”“碳中和”被寫入《2021 年政府工作報告》，政策引領已經非常明確，在未來發展中，節能減排必將突破單個領域的限制，系統地納入城市軌道交通全產業鏈。

4 結語

目前，城市軌道交通已成為大中型城市的動脈、城市發展的引領、城市公共交通的主導。隨著行業的迅猛發展，以及運營線路數量的快速增加，其運營的經濟壓力也在不斷增大，智能化及可持續發展已成為城市軌道交通發展的必然趨勢。本文從城市軌道交通智能化及可持續發展的現狀出發，對其未來發展的5 個方向進行了展望。這5 個方向具有其形成的政治、經濟、社會和技術（Politics Economy Society and Technology，PEST）背景。城市軌道交通企業應對行業所處的宏觀環境進行PEST 分析和謀劃，進而建立起具有自身特點并可持續發展的優勢，通過技術革新和管理創新，為實現我國城市軌道交通的智能化及可持續發展貢獻力量。