城市軌道交通智慧車站關鍵技術應用研究

安文章 AN Wen-zhang；張波② ZHANG Bo；許有俊 XU You-jun；金蓄 JIN Xu

（①內蒙古科技大學，包頭 014010；②北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100101；③北京市軌道交通設計研究院有限公司，北京 100101）

0 引言

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能、北斗、5G等為代表的新一代智能技術的產生與發展，正推動人類社會向智慧時代邁進，在此環境下，作為“新基建”重點建設領域之一、城市交通大動脈的軌道交通，將新一代智慧技術引入地鐵，構建運營新模式，打造更加安全可靠、便捷舒適、經濟高效、綠色節能的地鐵系統已成為發展共識，智慧地鐵應運而生。周茂慶結合當前新技術的發展方向，通過綜合運管平臺、乘客服務、運營管理和設備管理四個方面，提出了智慧車站的總體架構；為智慧車站的建設提供了思路。周勇指出智慧車站的建設應分為應用層、數據層和基礎層，分別針對應用層、數據層和基礎層提出了實現車站智能化的技術方案。張森以廣州地鐵為工程背景，采用數據集成體系的技術路線打造智慧地鐵體系，提出以“安全、可靠、便捷、精準、融合、協同、綠色、持續”為核心特征的智慧車站建設理念。陳菁菁以漢中路站智慧車站為試點，采用“互聯網+大數據”技術，以客運管理、設備管理、人員管理為核心業務，實現了上海軌道交通首個智慧車站實踐案例。姜臻祺從系統集成、系統功能和總體架構三個方面進行設計，提出了智慧車站的總體架構新的思路，為智慧車站的設計提供借鑒和指導。江志彬結合智慧車站的實際需求，詮釋智慧車站的內涵和特征，探索智慧車站的實踐途徑，提出智慧車站的目標。馬偉杰通過對上海軌道交通10號線新江灣城站導入車站運營場景，實現了車站設備管理、客運管理和人員管理智能化。溫少表通過分析智慧車站業務需求、技術難點，提出智慧車站遠郊車站無人值守模式新思路、新方案。

1 城軌車站面臨的問題及業務需求

1.1 面臨的問題

城市軌道交通作為滿足城市居民公共出行的重要手段，近年來飛速發展，逐漸趨于網絡化、智能化發展，但也面臨著眾多需求：①運營安全：地鐵是由人員、設備、管理和環境組成的一個復合的、多層次的運營安全系統柜，超大客運量常態化在不斷考驗車站總體的安全治理能力。需要考慮如何升級的數字化體系，實現客流態勢分析及客流預測，支撐態勢監控、客流預警、應急調度指揮等業務應用，保障運營秩序及乘客安全。②乘客服務：在城市化加速、客運壓力加大的時代，城市居民不斷追求更安全、更便捷、更智慧的交通出行方式，以及個性化服務和豐富的多元化乘車體驗。通過智能語音查詢終端提高乘客出行體驗，延伸各類智能客服、室內導航、精準推薦等創新服務與體驗。③運維保障：隨著城市軌道交通的飛速發展和客流量的增加，出現設備運行強度大、維保人員工作量增加、夜間維護窗口時間較短等問題，對當前的運營設備維保工作提出了更高的要求與挑戰，由于其超大規模、車輛數量激增、運營時間延長、運維壓力增大等因素，大量線路長期的高負荷運行，迫切需要通過新的技術手段，改進運營管理的水平，提高運營可用度。

1.2 業務需求

①全維可視的需求。通過BIM+GIS的數據集成，實現BIM模型的精細化建模與周邊環境信息模型的有機融合，實現站內、站外的全維可視。②全息感知的需求。狀態實時感知，如各專業設備設施監控及運行狀態、應急事件發現等方面，車站感知數據的繼承與分析。③全景管控的需求。包括客流管控、智能交互終端、可視化監控、綜合看板、資產全周期、設備智能化、智能節能、設備控制、應急指揮等，解決人工管控壓力大、效率低等問題。

2 智慧車站總體架構

以某市地鐵1號線線樣板站A站為示范研究應用車站，以地鐵車站的“全維可視、全息感知、全景管控”為工作目標，打造出基于BIM、GIS、物聯網、大數據、云計算、人工智能的“智慧地鐵”綜合運管平臺。針對當前智慧地鐵的建設需求，形成一套BIM模型建設、運行數據智能采集的技術方案和使用工具，搭建基于BIM的綜合運管平臺實現車站的自動運行、智能診斷、自主服務。繼而在后續城市軌道交通線進行推廣應用，總體架構如圖1所示。

圖1 智慧車站總體架構圖

3 智慧車站關鍵技術研究應用

借助BIM數字化技術，綜合先進的自動化控制技術、智能化分析技術和系統集成技術，改造并提升傳統車站監控系統的技術能級，激活更多的地鐵信息數據連接能力，提升智能地鐵數據分析與決策能力、車站設備管理能力和車站人員管理能力，實現車站運營管理模式的變革，擺脫傳統管理模式的束縛，提升車站運營管理水平。

3.1 全維可視

全維可視，實現車站站內外全維度的實景可視化，包括車站內部的設施設備、車站內的建筑空間、地面四小件以及周邊的地理環境。通過竣工圖紙、現場掃描測量、實景拍攝等多種手段搭建車站站內外的BIM三維數字模型，BIM三維數字模型關聯其對應的屬性信息、文檔資料，為站內外導航、可視化管理提供基礎數據。

①智慧車站信息模型（BIM）細度標準研究。智慧車站設施設備的資產管理和運維保障管理對信息模型的細度具有不同的要求，需要針對實際管理需求對信息模型的細度標準進行研究，信息模型細度包括幾何表達精度和信息深度兩個方面。

②智慧車站及周邊地理環境信息模型構建技術研究。智慧車站需要構建的信息模型包括車站站內全專業的設施設備、地面四小件（出入口、冷卻塔、風亭、垂直電梯）、周邊地理環境（建（構）筑物、交通接駁、商業商鋪等），根據模型細度要求研究采用的建模資料（竣工圖紙、現場掃描測量、實景拍攝等）、建模方法、建模軟件。

③智慧車站基于BIM的可視化空間管理技術研究。智慧車站的空間管理（設備房間、管理房間、公共區域、商鋪、地上公交站、商業大廈等）滿足站內定位導航、站外定位導航，需要研究BIM模型中的如何表達與管理空間信息。

3.2 全息感知

全息感知，實現車站人員、設備、環境、業務管理等動態數據的智能采集、BIM三維數字模型的可視化集成、智能分析，構建實體車站的數字孿生。

圖2 設備精細化模型

圖3 站內可視化模型

①智慧車站感知數據分類研究。研究智慧車站需要智能感知的數據種類，包括但不限于：機電、供電、通號等專業設備的實時運行數據；運維保障人員作業數據；車站的風水電能耗數據、車站環境數據等。

②智慧車站感知數據采集方法研究。針對不同種類的數據制定采集頻率、采集方法、接口規格、信息安全保障措施，采集方法包括但不限于：智能移動終端、布設物聯網傳感器、生產控制系統接入等。

圖4 冷負荷統計分析圖

圖5 數據集成圖

3.3 全景管控

全景管控，基于BIM的可視化空間管理、設備在線監測、節能分析、智能盤點、人員定位、智能導航等技術實現車站級全景管控，包括：智能交互終端、可視化監控、綜合看板、資產全周期、設備智能化、智能節能等多維度的管控。①基于BIM的設備在線監測與故障診斷技術研究。研究基于設備運行數據關聯BIM模型單元技術，結合監測指標閾值判定技術，實現可視化監控、故障提醒、可視化定位。通過單擊故障信息，定位到三維模型中，對應的設備模型閃爍進行預警。②基于BIM的可視化節能分析技術研究。研究車站能耗數據關聯BIM模型單元技術，采用BIM熱力圖進行能耗大數據分析，輔助制定能耗策略。③基于BIM的人員作業精細化管控技術研究。研究基于BIM空間的高精度人員定位技術、移動智能巡檢技術、視頻監控集成技術，在BIM空間中進行維保人員維保路線、作業位置、作業畫面的實時監控與軌跡回放，實現維保作業的智能化管理。④基于BIM的數字資產盤點技術研究。研究在BIM場景中結合設備定位技術，在BIM場景中真實反映車站資產位置，實現在智能終端進行虛擬盤點，在交付實體地鐵的同時，再交付一套數字化地鐵。⑤基于BIM的智能導航服務技術研究。研究智能語音終端，基于車站內外BIM場景的三維空間表達，實現車站站內人性化設施（電扶梯、出入口、衛生間、母嬰室等）以及車站站外周邊環境的語音查詢與導航，提供清晰的導航路線。

圖6 客流量預測

圖7 智能語音視頻交互

圖9 車站環境監控圖

4 總結與展望

4.1 總結

圖8 設施設備維護及預警定位

①打造“智慧地鐵”的落地應用。某站在基于智能語音、生物識別技術的智能購票、語音交互、無感進站以及基于5G技術視頻數據實時傳輸的基礎上，通過物聯網傳感器、智能終端、生產控制系統對接首次實現地鐵車站“全息感知”。②以BIM全維可視為基礎實現地鐵車站數字孿生。通過搭建車站站內外BIM三維數字化實現車站全維可視，基于全息感知，進行全景管控，實現地鐵車站的數字孿生，能夠現實、真實、精確、實時地反應車站狀態，提高車站的運營安全、乘客服務、運維保障的管理水平。

4.2 展望

智慧地鐵是地鐵發展的新方向，也是一種必然趨勢。BIM技術的應用，是實現智慧地鐵的一條路徑，依托交通接駁系統，可統籌規劃好軌道交通車站及出入口周邊的多種交通系統，做到同步設計、同步建設、同步使用，相信不久的將來，通過對BIM技術與大數據、5G、北斗、人工智能、云計算、物聯網進行有機的融合，實現車站的全息感知、全景管控、智能分析、動態處置、主動進化，打造一個具有未來感的自主服務、自動化運行的無人值守智慧車站，從而打造新一代的智慧地鐵，智慧地鐵的事業必將枝繁葉茂。