智慧城市軌道交通系統架構研究*

梁 瑜 何世偉 宋 瑞 郝思嘉

(1.中車工業研究院有限公司，100160，北京；2.北京交通大學綜合交通運輸大運輸數據應用技術交通運輸行業重點實驗室，100044，北京∥第一作者，高級工程師)

互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展催生了諸多新理念、新應用。基于“智慧地球”“智慧城市”[1]的發展理念，智慧城市軌道交通成為當前軌道交通領域的發展熱點和趨勢。文獻[2-4]將智慧城市軌道交通的內涵概括為更立體的感知、更深入的智能和更全面的互聯互通。

智慧城市軌道交通系統是由列車運行系統、通信系統、信號系統、自動售檢票系統、乘客資訊系統、綜合監控系統、綜合安防系統等多個子系統構成的典型復雜系統。大量列車運行及乘客出行等時空數據信息在子系統中產生并在各子系統間傳輸。如何集成系統信息資源并對信息進行監控、分析和處理，從而協調各子系統的有序運行，保障城市軌道交通系統的安全、可靠、高效的運營，為用戶提供智慧化服務是運營管理者面臨的巨大挑戰。因此,需要基于子系統和需求特征建立一個廣泛適用的、可操作的、靈活的體系架構。

我國軌道交通起步較晚，有關智能化或智慧化系統架構研究較少。文獻[5]將智慧軌道交通系統劃分為智慧管理、決策與智慧系統，智慧軌道交通全聯網，軌道交通智能物理基礎設施三層，但并未研究系統內數據流向。文獻[6]分析了交通大數據內涵并建立了大數據驅動的智能交通系統的體系框架。文獻[7]從全球視角論述了智能交通的發展過程。文獻[8]指出智慧交通是交通管理發展的第四階段，并論述了智慧交通的定義和構成。國外的運輸系統架構體系相關研究多集中于鐵路運輸系統。歐洲為實現全歐洲范圍內的互聯互通，于1989年開始開展歐洲鐵路運輸管理系統(ERTMS)的項目研究[9]。日本于2000年提出CyberRail系統體系旨在提供實時的聯運旅客信息服務和實現實時的智能列車控制[10]。中國鐵道科學研究院集團有限公司也于2003年啟動中國鐵路運輸系統標準體系項目，建立RITS(Railway Intelligent Transportation System)體系框架[11]。由于鐵路運輸系統和城市軌道交通系統在運行服務及車輛信號等方面存在較大的差異，不能完全照搬，因此本文圍繞城市軌道交通“智慧”這一主題建立城市軌道交通系統體系架構。

1 智慧城市軌道交通服務需求

1.1 需求主體

智慧城市軌道交通系統的用戶主體可分為內部用戶和外部用戶兩大類(如表1所示)。內部用戶為內部管理部門，需要共享信息、進行決策管理。外部用戶主要為乘客、系統設備服務供應商及其他交通方式的管理部門。智慧城市軌道交通系統的服務主體見表2。

表1 智慧城市軌道交通系統的用戶主體表

服務主體分為七大類，詳見表2服務主體表。

表2 智慧城市軌道交通系統的服務主體表

1.2 用戶需求

1.2.1 外部用戶需求

乘客在出行前可通過客戶端使用預約服務，獲知車站服務公告、線網實時擁擠度示意圖、實時客流控制信息、運營結束時間等日常運營信息，在乘車過程中能了解車速、到站時間等車輛運行情況信息，并能在旅途中享受個性化服務。

供應商、信息服務商及合作伙伴等其他外部用戶的需求主要是設備狀態信息顯示。

1.2.2 內部用戶需求

內部集成的需求：城市軌道交通各子系統應集成在統一平臺上進行綜合監控，實時監測軌道交通網絡情況，方便運營維保管理工作，使得智慧城市軌道交通系統的操作可視化、透明化。

數據信息傳輸與共享的需求：既能實現建設期及運營期等不同時期信息的銜接處理，又能滿足列車運行智能控制的要求。由于城市軌道交通系統列車運行高度依賴于信號及通信，故列車運行信息需實現快速采集，并在列車和調度管理等部門間高效傳輸，以作為列車控制及應急救援等的依據。

2 智慧城市軌道交通系統功能

值得指出的是，“智慧”理念不同于“智能”。就整個智慧城市軌道交通系統而言，智能化主要是以車輛及信號等專業為主的設備智能，是智慧城市軌道交通系統的基礎層面。為了實現與乘客更好地交互，智慧城市軌道交通系統還需要能夠對各種信息進行處理并反饋，具有誘導及決策功能，提供個性化服務。這是管理層面的智慧。

智慧城市軌道交通系統功能的層次劃分如圖1所示。

注：AR——增強顯示；BIM——建筑信息模型；ETL——數據倉庫技術；EBS——企業服務總線；MQ——消息隊列；GIS——地理信息系統；4G——第四代通信技術；AI——人工智能。

第一層為基礎設施和技術層，其功能是實現對于軌道交通信息的感知與采集，以及對數據的處理。隨著網絡技術及可視化技術的進步，城市軌道系統的綜合感知力得到提升。

第二層為公共信息平臺層。其功能是整合基礎設施和技術層等各部分得到的分散數據。該層通過與城市公共信息平臺的對接，支撐起融合應用層，成為交互展示層信息融合、發布的平臺。

第三層為能力支撐層，與公共信息平臺層屬于同一層次，依靠一系列軟件，實現城市軌道交通系統所需的功能，為融合應用層和交互展示層提供支撐。

第四層為融合應用層，通過對下層收集信息的高度整合與分析，完成智慧城市軌道交通系統的配置優化。

第五層為交互展示層，利用可視化技術及交互技術，將所處理的信息通過各種形式，清晰地展示給用戶。

3 智慧城市軌道交通系統架構

借鑒國內外相關經驗，采用面向過程的方法，建立智慧城市軌道交通系統架構。從數據流的角度來刻畫系統功能，用自上而下、逐步分解的方法對智慧城市軌道交通系統進行結構化分析，設計出與各類用戶服務相應的、一系列結構相互獨立、功能單一的功能模塊。智慧城市軌道交通體系框架主要由服務框架、邏輯框架、物理框架和通用技術平臺等部分組成。

3.1 服務框架

基于需求分析，以高效、可靠、安全為目標，從用戶導航、運營管理、綜合運輸、資源管理4個方面將智慧軌道交通系統劃分為7個服務子系統。具體服務框架如圖2所示。智慧軌道交通系統的服務框架確定了滿足用戶需求所需的各類服務，是構建邏輯框架和物理框架的基礎。

圖2 智慧城市軌道交通服務框架

3.2 邏輯框架

智慧軌道交通系統的邏輯框架如圖3所示，其是從邏輯角度來描述其內部結構的，針對服務框架確定的各類用戶服務，從內部對輸入數據流、輸出數據流及處理過程進行結構性組織。

圖3 智慧城市軌道交通系統的邏輯框架

智慧化用戶導航系統包括旅客出行鏈上的全程導航服務功能。客運電子商務系統包括客運電子商務、電子商務平臺功能。城市軌道交通互聯互通系統包括多模式基礎運輸數據共享、多種交通運輸方式的互聯互通決策功能。智能化緊急救援與安全系統包括緊急事件救援、行車安全及維修決策支持、城市軌道交通綜合防災以及平交道口安全監控等功能。智能化城市軌道交通資源管理系統具有軌道交通運輸資源管理、運輸資源維修管理及財務資產管理功能。智能化運營管理系統具有客運管理、票務管理及智能化列車運行管理等功能。智能化行車控制與調度系統具有智能列車控制、綜合調度控制及車站控制等功能。

3.3 物理框架

物理框架將邏輯框架中所定義的各類功能模塊及數據流進行整合，進而定義能實現各類功能的物理子系統、子系統之間交互的框架，以及子系統間關系。

智慧城市軌道交通系統利用現代化智能設備代替人工操作，根據信息的傳輸和反饋進行列車運行組織和客流組織。所有自動化設備均由中央監控系統管理。具體物理框架如圖4所示。

圖4 智慧城市軌道交通物理框架

3.4 通用技術平臺

3.4.1 數據來源

智慧城市軌道交通系統的運作依賴于其系統內數據信息的高效傳輸，故需建立通用技術平臺以實現海量信息的處理和共享。數據來源見圖5所示。

圖5 智慧城市軌道交通通用技術平臺數據來源

3.4.2 技術平臺

基于信息流的流向，通用技術平臺劃分為數據接入層、內部結構層和應用服務層，如圖6所示。數據接入層提取現有業務系統中的共享信息資源、運營實時信息，以及其他運輸模式及機構的相關信息，并傳送到內部結構層；然后，內部結構層對原始數據進行規格化處理后存儲，并發送到綜合信息中心平臺。應用服務層采用數據挖掘、智能決策等技術為用戶提供信息及決策服務。用戶通過應用服務層從內部結構層提取數據。

注：GSM-R為數字移動通信系統；IP為國際互連協議;LTE-R為軌道交通長期演進技術。

3.4.3 前沿技術

1)人工智能技術：包括大數據技術、計算機視覺技術、語音技術等，能夠對城市軌道交通海量信息進行處理，探索人工系統運行規律，實現機器對人類的意識及思維過程的簡單模擬，使智慧軌道交通系統具有自主決策能力。

2)建筑信息化模型：能實現對計量數據、虛擬三維實景、圖形和非圖形信息的整合處理，將城市軌道交通工程地理位置等內容進行模型化三維處理。在城市軌道交通工程項目維護業務的信息化運作中，BIM發揮了巨大的作用。

3)5G(第五代移動通信)技術：5G的數據傳輸速度很高，不僅方便視頻的實時調看，實現系統的快捷監控，還能完成列車設備監測數據的自動高效傳輸，進而實現設備健康管理和狀態及時分析。

4)新一代信息技術還包括物聯網、云計算、邊緣計算、視頻圖像分析及信息融合等技術。網絡互聯的移動化和泛在化、信息處理的集中化和大數據化、信息服務的智能化和個性化，都將驅動城市軌道交通的智慧化發展。

4 結語

本文分析了智慧城市軌道交通系統的需求和功能，并采用面向過程的方法建立了整體體系架構。服務框架、邏輯框架、物理框架的搭建梳理了智慧城市軌道交通系統的服務領域，體現了內部信息在各子系統間的流向。通用技術平臺使得智慧城市軌道交通系統管理更加一體化和集成化。智慧城市軌道交通系統架構研究有助于提高其子系統協同運行效率，提供面向用戶個性化需求的智慧化服務。