智慧城市背景下的智慧地鐵建設

徐會照

（青島市地鐵一號線有限公司，山東 青島 260001）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和城市化進程的加快，城市建設面臨著交通擁堵、能耗過高、環(huán)境污染等問題。為應對這些挑戰(zhàn)，大規(guī)模的城市建設和發(fā)展已經全面展開，智慧城市成為新的發(fā)展方向。智慧城市主要是利用先進的信息通信技術，對城市的各個方面進行優(yōu)化管理，以提高城市的可持續(xù)性和居民的生活質量。地鐵是重要的城市交通工具，在此背景下，實現(xiàn)地鐵智慧化和現(xiàn)代化建設成為關鍵。

1 智慧城市概述

智慧城市是一種基于信息技術和數(shù)字化手段，將城市管理、公共服務和市民生活緊密結合的城市發(fā)展模式。近年來，我國政府積極推動智慧城市建設，旨在提高城市治理水平、改善市民生活質量和推動經濟發(fā)展。當前，智慧城市發(fā)展迅速崛起，政府、企業(yè)和市民之間的合作關系越來越密切。我國智慧城市的發(fā)展目標分為三個階段：信息化、智能化和可持續(xù)發(fā)展。信息化階段主要是推動寬帶網絡、物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等信息基礎設施的建設和應用；智能化階段注重提高市民生活水平和城市治理水平，加強公共服務等領域的智能化建設；可持續(xù)發(fā)展階段致力于環(huán)境保護、可再生能源利用等，以實現(xiàn)綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設。

2 智慧地鐵建設

目前，智慧地鐵建設已成為我國城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，其目標是提高運輸效率、增強安全性和改善乘客體驗。智慧地鐵建設需要借助大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網、人工智能等核心技術，實現(xiàn)對地鐵系統(tǒng)的全面優(yōu)化升級。

第一，智能調度。通過實時數(shù)據(jù)分析和預測，智能調度系統(tǒng)可以根據(jù)乘客流量、列車運行狀況等因素動態(tài)調整列車發(fā)車間隔，提高運輸效率和運力。第二，乘客信息服務。利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術，為乘客提供實時的出行建議、換乘指導、到站預測等信息，以提高乘客的出行體驗。第三，安全監(jiān)控。通過部署各類傳感器和攝像頭，實時監(jiān)測地鐵車站、列車等設施的運行狀況和安全狀態(tài)，便于及時采取措施以進行預防和應急處理。第四，能源管理。利用物聯(lián)網和大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)對地鐵系統(tǒng)能源的實時監(jiān)測和優(yōu)化調度，降低能耗，提高能源利用效率。第五，智能票務。采用移動支付、二維碼識別、刷臉支付等技術，簡化乘客購票、進出站等環(huán)節(jié)，提升乘客體驗。第六，無障礙服務。通過語音導航、盲文標識、無障礙設施等措施，確保殘疾人等特殊人群能夠方便地享受地鐵服務。

3 基于智慧城市的智慧地鐵建設意義

3.1 提高城市交通效率，緩解擁堵問題

智慧地鐵建設能夠有效提高城市公共交通系統(tǒng)的運行效率，緩解道路擁堵壓力。通過智能調度系統(tǒng)，地鐵運營方可以實時監(jiān)控列車運行狀況，根據(jù)實際乘客流量動態(tài)調整列車發(fā)車間隔，調劑運力配置，提高綜合運力。此外，智能地鐵線路規(guī)劃和換乘指導等服務可以為乘客提供最佳出行方案，縮短換乘時間，提高出行效率。從宏觀層面看，智慧地鐵有助于引導市民選擇綠色、環(huán)保的公共交通方式，減少私家車出行，減少道路擁堵現(xiàn)象，提高城市交通效率。

3.2 滿足民眾多樣化出行需求，提高生活品質

智慧地鐵建設緊密貼合民眾的出行需求，通過提供個性化、便捷的服務，大幅度提高乘客的出行體驗。例如，通過實時列車位置信息、到站預測等功能，乘客可以提前規(guī)劃出行時間，避免在車站等待。智能票務系統(tǒng)，如移動支付、二維碼識別、刷臉支付等技術，為乘客提供便捷的購票、進出站等服務，節(jié)省時間，提高乘客滿意度。此外，針對老人、殘疾人等特殊人群，智慧地鐵能夠提供無障礙服務，如語音導航、盲文標識等，確保其能夠方便地使用地鐵服務。綜合來看，智慧地鐵能夠滿足民眾多樣化的出行需求，有效提高城市居民的生活品質[1]。

3.3 推動城市可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)綠色出行

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設有助于推動城市的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)綠色出行。地鐵作為一種低碳、環(huán)保的公共交通方式，能夠有效降低城市交通對環(huán)境的負面影響。智慧地鐵通過精細化能源管理，可實現(xiàn)對能源消耗的實時監(jiān)測和優(yōu)化調度，降低能耗，提高能源利用效率。從長遠來看，智慧地鐵有助于引導市民養(yǎng)成綠色出行習慣，助力城市實現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展目標。

4 基于智慧城市的智慧地鐵建設措施

4.1 建設智能交通指揮系統(tǒng)

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設是一個復雜且具有挑戰(zhàn)性的工程。其中關鍵的一步是建設智能交通指揮系統(tǒng)，利用最新的信息技術、通信技術以及交通管理技術，實現(xiàn)交通運輸系統(tǒng)的智能化、網絡化和信息化。以下是智能交通指揮系統(tǒng)建設的關鍵步驟：

4.1.1 設計高精度的地鐵線路規(guī)劃系統(tǒng)

利用GIS（地理信息系統(tǒng)）技術，結合深度學習和大數(shù)據(jù)分析，創(chuàng)建智能的地鐵線路規(guī)劃系統(tǒng)。例如，可以使用600mm 精度的高分辨率衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，結合城市建筑物道路信息，計算出最佳的地鐵線路規(guī)劃方案。在規(guī)劃過程中，系統(tǒng)會考慮城市人口分布、交通需求、地質條件和環(huán)保要求等多種因素。

4.1.2 構建實時地鐵運行監(jiān)控系統(tǒng)

利用傳感器、無線通信技術和云計算，打造出實時地鐵運行監(jiān)控系統(tǒng)。例如，在每列地鐵上安裝用于檢測速度、位置、環(huán)境條件等信息的傳感器，如基于MEMS 技術的3 軸加速度計，其精度可達到±0.01g，且尺寸小，如LIS3DH 模型的尺寸僅為3×3×1（mm）。此外，可以在地鐵線路上安裝RFID（無線頻率識別）標簽，配合車載RFID 讀取器（如Alien Technology 的Higgs-3 型號，工作頻率為860～960MHz）實現(xiàn)對地鐵位置實時的跟蹤[2]。

4.1.3 建立智能地鐵運行調度系統(tǒng)

通過AI 和機器學習技術，建立智能地鐵運行調度系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠根據(jù)地鐵的實時運行情況、乘客需求情況等，自動計算出最優(yōu)運行和調度方案。例如，通過分析地鐵運行數(shù)據(jù)，預測在接下來的一小時內每個站臺的乘客流量情況，然后根據(jù)預測結果，自動調整地鐵運行頻率和速度，最大限度地提高運輸效率和乘客滿意度。

4.2 自動售檢票與無人駕駛地鐵列車

4.2.1 自動售檢票機

結合智慧城市建設背景，在智慧地鐵建設中需應用自動售檢票技術打造自動售檢票機，為乘客提供更加便捷的購票和進出站體驗，同時有效提高運營效率和安全性。第一，自動售票機應具備高效的用戶交互能力和數(shù)據(jù)處理能力，利用人工智能技術，通過觸摸屏、語音交互等方式，為乘客提供便捷的購票服務。第二，自動檢票閘機應具備高精度的票卡識別能力和乘客檢測能力。例如，使用NXP 的MIFARE 系列RFID 讀 取 器 芯 片（如MFRC522，工 作 頻 率 為13.56MHz），配合RFID 票卡，實現(xiàn)快速的票卡識別。同時，檢票閘機可以安裝高精度的紅外傳感器和攝像頭，用于檢測和記錄乘客的進出站情況。當前，采用的“一卡通”手機掃碼進站—上車—乘車—下車—掃碼出站的方式即為一個很好的解決方案。

4.2.2 無人駕駛地鐵列車技術

無人駕駛列車的自動化運行控制系統(tǒng)需能根據(jù)預設的運行計劃，自動控制列車的起停、速度調整、門的開閉等。例如，可以使用基于ARM Cortex-M7 核心的微控制器（如STM32F767，工作頻率達到216 MHz），實現(xiàn)高效的運行控制[3]。無人駕駛列車還需裝備一系列的傳感器，用于監(jiān)測列車的運行狀態(tài)和環(huán)境情況。例如，可以使用基于MEMS 技術的六軸慣性測量單元（如Bosch Sensortec 的BMI088，精度可達到±0.01g），監(jiān)測列車的運動狀態(tài)；使用激光雷達或者攝像頭，監(jiān)測列車前方的障礙物和站臺情況。此外，無人駕駛列車還需具備穩(wěn)定的通信能力，方便實時與調度中心和其他列車進行信息交換。例如，可以使用基于4G/5G 通信技術的車載通信模塊（如Quectel 的AG550Q，支持5G NR/LTE-FDD/LTE-TDD/HSPA+通信），實現(xiàn)高速的無線通信。

4.3 智能能源管理與節(jié)能措施

4.3.1 智能能源管理

智能能源管理系統(tǒng)應包括以下幾個部分：

第一，能源監(jiān)控設備。在地鐵車輛和設施上安裝電能表和其他能源監(jiān)測設備，實時采集能源消耗數(shù)據(jù)。比如，使用如Schneider Electric 的PM8000 系列電能表（精度達到±0.2%），實現(xiàn)高精度的電能監(jiān)測。

第二，數(shù)據(jù)收集和傳輸設備。使用基于4G/5G 通信技術的數(shù)據(jù)傳輸設備，將采集到的能源數(shù)據(jù)實時傳輸至數(shù)據(jù)中心[4]。

第三，數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術，對收集到的能源數(shù)據(jù)進行分析和優(yōu)化。

4.3.2 節(jié)能管理措施

第一，優(yōu)化運行策略。例如，地鐵可以根據(jù)乘客流量的變化，動態(tài)調整運行頻率和速度，以減少能源消耗。此外，地鐵在非高峰時段，可以采用節(jié)能模式運行，如減少空調的運行，降低照明的亮度等。

第二，使用高效的設備和材料。例如，地鐵車輛可以使用高效的電機和變頻器，以降低能源消耗。車輛的設計也應考慮到能源效率，如使用輕質材料、優(yōu)化空氣動力學設計等。地鐵站點和設施也可以使用LED 照明、太陽能供電等節(jié)能技術。

第三，能源回收利用。在地鐵運行過程中，可以通過能源回收技術，將部分能源回收利用。例如，當?shù)罔F列車制動時，可以通過能源回收系統(tǒng)，將制動能量轉換為電能存儲起來，供其他設備使用[5]。

4.4 乘客出行信息服務平臺

4.4.1 構建實時動態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)

憑借傳感器網絡、無線通信和云計算技術，可基于智慧城市背景，建設出實時動態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以實時采集地鐵運行數(shù)據(jù)，包括列車的運行狀態(tài)、位置、速度等，并將這些信息發(fā)布到乘客出行信息服務平臺上。例如，列車可以裝配具有GPS 定位功能的通信模塊，如Telit 的LE910C1-NF 模塊（支持LTE Cat 1 和EGPRS 通信），用以獲取列車的實時位置信息。

4.4.2 建立智能行程規(guī)劃和推薦系統(tǒng)

通過人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術，構建出智慧地鐵行程規(guī)劃和推薦系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以根據(jù)乘客的出行需求和實時的地鐵運行情況，為乘客提供最優(yōu)的出行路線和時間建議。例如，系統(tǒng)可以預測在接下來的一小時內，每個站臺的乘客流量情況，然后根據(jù)預測結果，為乘客推薦最佳的出行時間和路線。

4.4.3 發(fā)展多渠道的信息服務模式

為了讓更多的乘客能方便地獲取出行信息，需發(fā)展多渠道的信息服務模式。例如，除了在地鐵站內設置信息顯示屏和自助查詢機外，還可以開發(fā)手機APP和網頁，通過網絡為乘客提供信息服務。例如，可以在華為、小米等主流手機平臺上發(fā)布乘客出行信息服務APP，使乘客能夠在手機上隨時查看地鐵運行情況和獲取出行建議。

4.4.4 引入個性化的信息服務

通過用戶行為分析和個性化推薦技術，在此合理運用大數(shù)據(jù)分析技術以及云計算技術，為每個乘客提供個性化的出行信息服務。例如，服務平臺可以根據(jù)乘客的出行習慣和喜好，提供個性化的出行建議和服務，如定制的行程提醒、個性化的站點推薦等。

4.5 實施安全監(jiān)測與緊急應對系統(tǒng)

智慧地鐵建設必須注重安全監(jiān)測與緊急應對系統(tǒng)的建設，以確保地鐵運行的安全與穩(wěn)定，及時應對可能出現(xiàn)的各種緊急情況。以下是在智慧城市背景下實施安全監(jiān)測與緊急應對系統(tǒng)的一些關鍵措施：

4.5.1 安全監(jiān)測系統(tǒng)

對于地鐵運行的實時監(jiān)控至關重要，可以實時了解地鐵的運行狀態(tài)和安全狀況。例如，在智慧地鐵建設過程中，可安裝各種傳感器和監(jiān)控設備，如溫度傳感器、振動傳感器、攝像頭等，用于監(jiān)測地鐵的運行狀態(tài)和車輛設備的工作狀態(tài)。

4.5.2 數(shù)據(jù)分析和預警系統(tǒng)

通過AI 和大數(shù)據(jù)技術，對收集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時分析和預警。例如，系統(tǒng)可以識別異常的溫度或振動信號，預警設備可能出現(xiàn)的故障。此外，AI 技術也可以用于分析攝像頭采集到的圖像，識別可能的安全風險，如車廂內的異常行為、站臺的擁擠情況等。

4.5.3 緊急應對系統(tǒng)

當預警系統(tǒng)發(fā)出警報時，緊急應對系統(tǒng)需要能夠快速地作出響應，以最小化可能造成的損失。例如，當預警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設備可能出現(xiàn)故障時，緊急應對系統(tǒng)可以立即通知維修人員進行檢修；當發(fā)現(xiàn)車廂或站臺內有異常情況時，緊急應對系統(tǒng)可以立即啟動應急預案，如緊急制動、疏散乘客等。此外，緊急應對系統(tǒng)還需要有與警方、消防等應急部門的聯(lián)動機制，以便在發(fā)生重大安全事件時，能夠及時得到支援。

5 結語

綜上所述，智慧地鐵是智慧城市的重要組成部分，通過科技的力量，可有效提升城市地鐵運行效率，降低能源消耗，提供更優(yōu)質的乘客服務及更強大的安全保障。然而，智慧地鐵的建設并非一蹴而就，需要不斷探索、嘗試和優(yōu)化。同時，需要政策的引導和支持，以及社會各方的積極參與，逐步將智慧地鐵打造為城市新名片。