城市軌道交通智慧車站建設探究

張 浩,葛 淼

(1.南京地鐵建設有限責任公司,江蘇 南京 210018;2.南京國電南自軌道交通工程有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

作為一個大型綜合系統,其數字化、智慧化建設是一項系統工程。而車站是直接為乘客提供出行服務的重要載體,能夠真實反映運營主體的生產水平和服務水平。隨著移動互聯網、大數據、云計算、智能識別等技術的不斷更迭[1],對城市軌道交通數字智慧化、業務協同化、運營安全化的提升有著迫切的需求[2]。同時,國家戰略也要求建設新時代軌道交通應以人民為中心,貫徹創新、協調、綠色、開放、共享的新發展理念[3],因此,城市軌道交通亟需智慧賦能,城市軌道交通智慧車站的建設已成為世界各國作為推進城市高質量發展的重要目標。采用智能化設施設備、智能化技術實現車站管理智能化、服務人性化已成為未來智慧城市軌道交通發展的重要方向。

1 智慧車站概述

智慧車站就是以車站運營需求為導向,采取智能化手段,如態勢感知、數字孿生、AI輔助決策、智能視頻分析、數據中臺、自主協同控制、云平臺等技術有效集成[4],改變傳統的運營方式,實現車站科學、高效、智能化運作和管理,車站的乘客服務逐步向靈活、多樣、便捷、智能化轉變,形成若干應用和場景,提升服務質量、提升運維效率、保障運營安全。目前,國內外針對智慧車站進行了大量研究,歐洲聯盟Shift2Rail項目將“未來智慧車站”列為2019—2022年重點研究內容,設置了兩項研究課題:(1)Future Secure and Accessible Rail Stations (FAIR Stations)課題,主要研究車站客流需求預測模型、復雜車站的客流誘導管理、基于實時3D仿真的擁擠度防控等內容;(2)Innovative Solutions in Future Stations,Energy Metering &Power Supply (In2Stempo)課題,主要研究智慧車站客流數字化管理、車站應急決策、風險與抗毀性評估、乘客出行、信息安全及車站低碳能源管理等內容。國內地鐵公司、集成商針對智慧車站也陸續展開了研究,從智能設計、智能管理、智能服務等角度出發研究智慧車站建設與實施。中國城市軌道交通協會發布《城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[5],將研發智慧車站系統列為中國智慧城市軌道交通建設重點研發項目之一。國內一些高等院校和運營企業相繼開展城軌智慧車站的研發及前期示范應用,但總體來說目前尚處于摸索階段,各地仍是以探索為主,上海、廣州等地優先建立了城市軌道交通智慧車站的試點[6-7]。

2 車站運營存在的痛點

2.1 缺乏合理統一的運營管理架構

傳統車站運營管理業務依賴分立的服務器集群和業務軟件相結合的技術架構,由于服務器的硬件與操作系統的綁定,使得服務器之間無法復用計算資源,可擴展性差,隨著系統業務增加,會導致服務器浪費嚴重,管理復雜,不利于升級迭代且成本較高,資源無法靈活高效利用和統一調配,各子系統相互孤立,不能互聯互通,難以統籌,無法協同控制。因此,亟須突破傳統的車站運營管理架構構建技術,形成車站智慧運營大腦,提升車站運營的智能化決策水平。

2.2 乘客安全感知能力不足

城市軌道交通具有人流密度大、封閉運行等特點,一旦突發事件,有可能對乘客造成危險,尤其是乘客經過閘機、電扶梯、屏蔽門等設備時存在一定的客傷風險,所以城市軌道交通乘客安全感知是重中之重。而當前車站主要通過人工間歇巡視和調閱監控視頻獲取乘客安全信息,存在不及時、不全面、易遺漏等問題,對突發事件響應不及時,在突發應急事件、安全事件方面的發現能力亟須提升。因此,需要車站進行AI全場景乘客安全態勢感知,提升車站態勢感知能力,加強對安全隱患主動辨識,打破被動接報異樣情況,提高風險預判和風險辨識能力,提升智慧車站乘客安全服務水平。

2.3 業務聯動水平低

隨著地鐵智慧化程度的提高,業務運營場景更加多樣化,涉及的專業子系統協調流程更復雜、對各綜合業務場景所涉及的專業間聯動有更高的要求。而現有的車站主要靠人工判斷、時刻表等方式進行觸發,通過手動調取預案進行處置,工作流角色單一、模式固化,難以適應車站設備異常、線網應急響應、市域聯合調控等復雜異構條件,影響了整個車站的自主運行程度。特別是目前車站應急管理以被動響應為主,缺乏信息化分析預警與有效的輔助決策手段,因此需要更加智能化的聯動技術支撐具有復雜異構條件的業務聯動場景。

2.4 設備運維智能化精細化程度不高

車站設備種類繁多,管理復雜,大多沿用傳統運維模式,以人工現場巡檢為主,自動化程度低,全息化智能運維不足,人力成本較高,缺乏設備全生命周期健康管理,且存在對故障預見性不足,傳統派工流程不規范,運維人員各自為政,缺少統一的維修知識庫,缺少個性化檢修計劃與維保任務,缺乏對運維數據的深度挖掘和分析等問題,檢測結果也主要依靠人工經驗判定故障程度和故障類型,現有的診斷方式不能滿足地鐵車站設備更加可靠、安全、經濟的運行需求。

3 智慧車站關鍵技術

針對上述車站運營存在的痛點,在地鐵智慧車站建設方面圍繞以下4點關鍵技術展開。

3.1 云數一體化的智慧車站運營管理架構構建技術

云數一體化的智慧車站運營管理架構技術架構,如圖1所示。

圖1 云數一體化的智慧車站運營管理架構技術架構

基于網絡協議、云平臺、邊緣網關、視頻通道等多種設備接入方式,設計具備多元化設備接入、設備全生命周期管理、規則引擎、消息訂閱等能力的一體化物聯網數據采集服務,并以多類型物聯網數據為基礎,構建基于機器學習的數據分析工具集,形成智慧車站多專業數據挖掘分析引擎。從而實現多專業數據跨系統融合匯聚,完成業務應用的功能集成和部署,實現數據共享與集中展示,為車站運營及輔助決策提供專業關鍵數據及分析結果。

在對物理設備資源進行“池化”的基礎上,采用云平臺資源負載均衡調度方法,提高計算資源利用率;基于云平臺虛擬機的內存數據熱遷移技術,實現虛擬機突發故障下無損全狀態秒級切換;基于Fault-Tolerance的業務應用1+N冗余機制,實現業務突發故障下毫秒級服務恢復;構建四層二面的智慧運營管理架構,覆蓋多種運營場景。

3.2 全場景乘客安全態勢感知技術

考慮地鐵車站乘客服務全過程,結合地鐵基礎設施的分布以及區域結構特點,基于智能視頻分析和設備狀態融合,構建符合軌道交通運營和安全防范需求的全場景乘客安全風險行為識別體系,包含了乘客摔倒、扶梯逆行、站臺門越線等眾多乘客危險場景。

針對乘客行為,采用機器視覺人工智能算法,形成基于異構深度學習模型乘客異常行為理解的智能分析引擎,提升全場景平均識別精度,從而實現乘客安全的精準實時感知。

基于泛在智能感知形成的實時設備狀態信息,結合視頻智能分析的乘客行為理解智能分析引擎,采用融合設備狀態與乘客行為風險的檢測系統,實時推送結果信息,聯動智慧車站業務系統自動運行,大大加快了站務人員處置乘客異常行為的速度,提升了車站整體的安全運營。

3.3 多專業輔助聯動控制技術

針對車站輔助聯動控制預案快速生成的迫切需求,采用基于主題摘要的應急事件與預案相似度評估方法,建立融合用戶偏好的預案優先級評價機制,開發基于相似度評估和優先級評價的預案推薦系統,支持系統按事件影響等級智能化推薦最佳預案,有效支撐應急事件的精準處置。

針對城市軌道交通復雜異構條件下流程處置的多樣性及不確定性挑戰,構建融合觸發源、動作命令、流程節點、規則運算、聯動項等要素的Petri網絡模型,采用支持多角色全覆蓋的工作流描述語言,實現支撐不同聯動應用場景的模板自定義和配置定制化,能夠有效提升系統應對不確定性流程管理的能力。

3.4 全生命周期車站設備智能運維技術

智慧車站應采用全生命周期車站設備智能運維技術,傳統的計劃修、故障修模式不能夠全面感知車站設備健康狀態。采用面向海量設備全周期運行數據的全維特征抽取方法,建立融合專家知識和運行數據特征的設備健康狀態分析模型。

針對傳統運維存在的對設備劣化趨勢判斷分析不準確、不完整的問題,采用基于長短期記憶神經網絡和探索性數據分析的劣化狀態預測方法,構建融合上述方法的劣化拐點分析架構,實現了傳統維修模式向新型高效預測性維修模式的變革。

針對傳統運維存在的維修管理事務全流程管理機制不足的問題,建立以設備畫像為中心、運維事務為主線的維管事務模型。利用基于事務數據模型鏈式關聯定義的設備健康追蹤處置機制,形成基于標準化流程的設備維修閉環管理流程,提高維管效率。

4 結語

智慧地鐵的建設,符合創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念要求,對于加快推進軌道交通高質量發展,實現碳達峰,減員增效,提高運營管理與服務水平,不斷提高人民的獲得感、幸福感和安全感有著重要作用。本文針對目前地鐵運營存在的痛點問題,應用智慧化技術,包括云數一體化的智慧車站運營管理架構構建技術、全場景乘客安全態勢感知技術、多專業輔助聯動控制技術和全生命周期車站設備智能運維技術。在地鐵運營層面,采用更加智慧的方法來改變現有軌道交通的運營和管理方式,實現智能化的服務,切實推進城市軌道交通運管智慧化,從而提升服務質量、提升運維效率、保障運營安全。