智能城轨总体框架研究

林 湛

（1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2. 轨道交通系统测试国家工程实验室，北京 100081）

近年来，我国城市轨道交通得到了快速发展，至2019 底，已开通线路里程达6 736.2 km，开通城市40 多个，新建线路25 条，100 km 以上的线网城市达18 个。城市轨道交通特点包括运行速度高速化、运行线路密集化、运行方式多样化、运行管控网络化和智能化，全自动运行系统在城市轨道交通中的应用明显增多，互联互通网络化的运营方式成为了共识，但城市轨道交通信息化系统仍存在诸多弊端，包括信息孤岛严重、基础设施分散、安全管控薄弱、运维失衡、标准规范缺失等，严重制约着城市轨道交通的发展[1]。因此，为了城市轨道交通健康发展，创建自主产品和自主技术体系已迫在眉睫。

随着大数据、云计算、人工智能等技术的快速发展，智能技术的应用已经成为各行各业研究热点之一。2019 年，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，对智慧城轨进行了顶层设计，并擎画了“1-8-1-1”的布局结构，即铺画一张智慧城轨发展蓝图；创建智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全和智慧网络管理八大体系；建立一个城轨云与大数据平台；制定一套中国智慧城轨技术标准体系，并对行业未来15 年智慧城轨建设做了前瞻性的思考、规划和指引[1]。铁路方面，我国依托京张及京雄高铁建设，积极开展智能高铁研究及实践。2020 年，中国国家铁路集团有限公司发布《智能高速铁路体系架构1.0》，从智能建造、智能装备、智能运营三大板块对于智能高铁进行了构画，为城市轨道交通的智能化发展提供了一定的借鉴[2-5]。

目前，我国各地正在积极推动智慧城轨建设，在发展纲要的引领下，从行业信息化层面进行顶层设计，按照发展战略统筹规划路径合理、业务清晰的技术路线，推进智慧城轨建设[6-12]，到2025 年，实现城市轨道交通的智能化、智慧化水平进入世界先进行列，智能化关键核心技术得到应用[1]。智能城轨建设是一个复杂的系统工程，需要顶层设计指引，统筹规划、分步实施。因此，开展智能城轨总体框架研究，对于践行交通强国发展纲要，进一步保障轨道交通运营安全，提升运营质量与运营服务水平，提升乘客出行体验，增强乘客出行的获得感和幸福感，具有重要作用。

1 智能城轨总体框架

1.1 总体架构

以人工智能为核心，将云计算、大数据、5G 移动通信、建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）等技术与传统城轨交通业务深度融合，打造智能城轨。智能城轨总体框架以智能城轨云平台为承载，构建涵盖业务全生命周期的数据湖，支撑智能建造、智能装备和智能运营三大板块的智能化应用。通过构建智能城轨云平台，为各智能化应用场景提供技术与数据支撑。智能城轨云平台以城市轨道交通数据全生命周期为目标，实现设计建造至运营维护阶段的BIM 一体化、专业数据共享化、设备感知物联化和线路管理网络化。智能城轨总体架构如图1 所示。

图1 智能城轨总体架构

（1）基础平台层：从技术架构出发，采用云计算、大数据、人工智能等技术，构建新一代的智能城轨专业技术平台，实现城市轨道交通设计、建设、运维全生命周期的智能化。

（2）数据服务层：从数据架构出发，借助基础平台，大量有价值的数据得以集合、利用，汇聚形成数据湖，基于基础平台，实现数据共享、大数据分析服务。从相关集成系统中实时抽取数据，并实现数据的标准化转换，在平台中实现数据的分析，多维度、多形式呈现平台数据。

（3）场景应用层：从应用架构出发，面向智能建造、智能装备、智能运营等领域，实现智能化应用的场景落地。

1.2 先进性分析

智能城轨集成多学科、多专业、不同领域的先进技术，以实现设备设施状态信息的自感知、自诊断、自决策为目标，通过实现信息采集、传输、处理，以及运输组织服务、运维管理控制，提高基础设备设施管理及配套技术智能化水平，从而全面提升城市轨道交通信息化和智能化水平，最大化城市轨道交通运营效益，增强运输服务能力，改善服务品质，提升管理综合能力。

1.2.1 提升轨道交通业务能力

构建面向设计、建设、运维全生命周期的轨道交通一体化管理平台，整合业务流程，依托先进技术，建立统一的数据资源池，实现数据存储和可视化再现，消除应用中的信息孤岛，实现信息共享。

1.2.2 改善乘客服务体验

通过智能化、信息化等技术的应用，构建一系列面向乘客的智能化服务系统，覆盖购票、咨询、检票、候车、乘车等全过程，提升乘客的出行体验，包括舒适的车站环境、更丰富便捷的服务获取方式、多样化需求的人性化服务、更良好的服务体验等。

1.2.3 提高生产运营效率

深化设备资产管理核心理念，将生产实时数据和设备的点检管理、预防性维护和设备可靠性等业务深入融合，实现“计划修”向“状态修”转变，降低养护维修成本，为设备资产状态检修提供有效支撑，提高设备资产运营效益。

2 智能城轨云平台

基于大数据、微服务、分布式框架、新型服务网关等技术构建的智能城轨云平台，实现工程建设、资源管理、绿色节能、运营生产客流组织、设备运维及供应链分析和生态价值等方面的提升应用。智能指挥中心融合云平台，实现线网指挥中线路中心级、车站级的两层融合及感知—数据—分析—决策—执行智能化，智能城轨云平台架构如图2 所示。

图2 智能城轨云平台架构

围绕云平台形成多源数据汇集、融合和分析能力，满足虚拟化、弹性计算、高等级安全等要求，主要实现如下功能。

2.1 应急指挥中心

应急指挥中心全面负责协调轨道交通各线路控制中心及各运营主体，具备运营调度、应急处置协调、信息共享与发布、地理信息系统（GIS，Geographic Information System）应用、决策指挥等功能。

2.2 信息编播中心

通过整合各线路乘客信息系统（PIS，Passenger Information System）资源，为各线路PIS 提供统一的信息源、管理模式和手段、统一的广告发布渠道及统一的管理模式和手段，包括统一的接口规则、技术标准和发布规则。

2.3 综合监视系统

实现信息集中、协调指挥、应急联动、应急发布、综合统计指标展示的系统，在统一的操作平台上实现对各条线路的行车、客流、设备、供电、视频监视、报警管理，运输计划的集中指挥与协调及应急处置的功能，实现不同场景下的监视界面切换、日常监视与应急状态下的一键式切换，辅助路网运营调度人员监视指挥。

2.4 智能客服

提供热线服务、智能语音服务、车站信息服务、车站旅客引流及信息统一发布。为乘客提供出行规划和旅途服务，提升乘客服务满意度。

2.5 线网数据中心

涵盖数据采集、数据中心、信息管理、统计分析、信息发布平台。数据采集实现对线路各专业的数据采集；数据中心对轨道交通全线网的行车、设备、调度指挥、突发事件、客流等数据进行采集、存储、分析、挖掘；信息管理平台实现对各业务平台的统一管理；基于数据中心，信息统计分析平台实现对企业运营的各类指标、数据进行统计、分析和面向不同单位的发布；依托信息发布平台实现信息发布及交互、信息资源共享和信息价值最大化。

3 智能城轨数据湖

数据湖是智能城轨云脑的核心，数据湖主要针对城轨各业务系统带来的不同结构海量数据的存储管理和高效利用问题，通过比较新兴的数据湖技术与传统的数据仓库的区别，构建基于数据湖的智能城轨数据管理体系和数据处理机制，为智能城轨的数据治理提供数据层的存储支持。数据湖按照来源不同，可划分为物联网（IoT，Internet of Things）数据、视频数据、生产运营大数据、外部数据和GIS/BIM 的数据，具体如下：

（1）IoT 数据包括利用射频识别、二维码、智能传感器等感知设备获取物体的各类信息，以及利用声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等传感器采集到的各种需要的城市轨道交通信息；

（2）视频数据包括音频视频图像数据、感知采集数据和公安信息化系统生产数据等；

（3）生产运营大数据包括城市轨道交通基础信息、业务管理数据、在线监测数据、空间数据、基础地图数据，以及离线分析数据、实施分析数据、时序分析数据等；

（4）外部数据包括交通路况、天气数据、大型活动数据和其他相关公共数据等；

（5）GIS/BIM 数据包括几何数据、地理信息、图层和图集数据等。

4 智能城轨应用架构

根据城市轨道交通智能化需求，依托IoT 物联监测服务、BIM 服务和轨道交通数据服务等基础性平台，面向设计阶段、建设阶段、运营阶段构建业务应用，将其数据价值充分体现出来，发挥智能化技术在数据处理、分析、决策方面的优势。

4.1 智能建造

围绕轨道交通建设中人员、机器、原料、方法、环境等要素，以BIM+GIS 技术为核心，将新一代信息技术与先进的工程建造技术相融合，提升工厂化加工、装配式施工、立体化动态监测水平，实现轨道交通建设高效的智能化施工，以及全方位、全专业、全天候的安全质量及进度管控，工程管理平台架构如图3 所示，主要实现以下功能。

4.1.1 协同设计

目前，轨道交通各专业设计过程及最终的设计成果均采用二维图纸，面对庞大复杂的系统工程，往往会有设计者的设计意图不能被完全理解或没有完整表达、不同专业间未能进行全面透彻沟通的情况。BIM 技术可使设计者在整个设计过程中进行多维可视化建模，与其它专业协同设计。从设计、施工到运营和维护全生命周期内，BIM 技术始终发挥着重要作用，使信息共享更加方便、直观，在设计的各个阶段实现无缝衔接，减少设计反复变更，从而降低施工成本，减少资源浪费，提升项目管理能力，使管理更加精细化、决策更加科学化。

4.1.2 智能化管控

通过综合运用实景沙盘、三维GIS 电子沙盘及虚拟现实（VR，Virtual Reality）等技术，统计汇总进度、安全、质量等数据，实现施工组织进度管理、安全风险监控、质量检验管理、绿色环保监控，为管理层提供“一站式”决策支持的管理信息中心平台和“一站式”驾驶舱决策服务。

4.1.3 虚拟化建造

基于BIM 技术实现全线所有车站三维模型参数化建模，全面承载勘察设计的车站各专业信息，并传递到施工阶段，围绕地基基础、幕墙装饰装修、钢结构复杂节点和机电设备管线等综合专业，深化模型，全面提高车站设计质量，加快施工进度和保证施工质量。

4.1.4 智能工地

基于BIM 和IoT 技术，构建车站建设施工一体化数字平台，实现对车站风险源动态识别监控、深基坑安全风险监测、高支模安全监测、塔吊防碰撞监控等安全风险进行数字化监控和监测，对车站试验室、拌和站等关键原材料进行数字化监管，对钢结构焊缝质量检测、隐蔽工程影像资料管理和质量检验资料管理等全过程进行数字化监控、检测，对车站施工现场温度、湿度、光照、风向、风速、PM2.5、气压及扬尘等绿色环保关键数据进行动态监测、预警发布，实现对施工现场人员安全定位、作业考勤、教育培训和安全交底，以及车站工地的智能化施工管理。

4.1.5 智能机械施工

通过工程前期的地质勘探、卫星扫描和数值模拟等技术手段，对地质及周边建（构）筑物信息统计分析，在盾构掘进过程中，实现地质条件、周边建（构）筑物、工程措施的数字化。通过建造盾构施工可视化系统，全方位监控盾构机施工状态，帮助施工单位在提高基层设备管理能力和施工效率的同时，又能实现盾构施工进度安排、地质条件、地层及周边建（构）筑施工监测数据等信息的综合统计管理。

图3 BIM+GIS 工程管理平台架构

4.1.6 数字化交付

通过信息化手段将施工阶段的信息传递到运维阶段，实现“建设模型”向“运维模型”的体系转化，是工程数据全生命周期运用。工程建设竣工交付及运维体系转化，实现工程建设期资料及数据的采集、审核和归档，BIM 与施工过程信息及资料的挂接，将在设计阶段、建设过程、竣工验收中的各种资料及BIM 数据等统一集成，其中，建设管理系统对竣工验收的竣工文件进行生成并存储，按照实际需求，形成对应的运维管理数据库，BIM 中承载着很多建设管理过程信息，利用数字化技术，在建设阶段进行信息移交和体系转换，实现由建设管理系统到基于BIM 的运维管理系统的信息无缝传递。

4.2 智能装备

“智能装备”是指基于IoT、大数据、人工智能、5G 移动通信、北斗卫星导航系统、全方位态势感知、自动驾驶、运行控制等技术，实现移动装备及基础设施的自感知、自学习、自诊断、自适应，实现移动装备的自动协同运行，涉及全自动运行、四网融合、协同编组、智能通信、智能检测监测5 个方面，智能装备平台架构如图4 所示。

图4 智能装备平台架构

4.2.1 全自动运行

全自动运行旨在实现列车全过程的自动化运行。列车全自动运行综合了计算机、通信、控制和系统集成等技术，技术层面主要侧重在车辆、信号、综合监控、通信等核心系统，重点加强核心系统的可靠性、安全性、可用性及可维护性。

4.2.2 四网融合

结合不同制式的轨道交通乘客运营信息，实现高速铁路主干网、城际铁路网、市域铁路网和城市轨道交通网四网信息的互联互通，在典型的大型枢纽站完成应用、推广的基础上，构建支持互联互通的全自动运行系统，实现不同制式的轨道交通互联互通、车辆通用、跨线运行，以及网络统一调度。

4.2.3 协同编组

运用虚拟编组技术，列车在线路上协同编队，实现大小编组列车混跑，进一步缩短了列车间的距离。在潮汐客流、Y 字型线路、大小编组混运等运营场景下，有效缓解客流拥堵、运输能力瓶颈等问题。从而节省线路资源，提升运营效率。

4.2.4 智能通信

基于5G 移动通信技术，研究大带宽、低时延车地通信的无线传输与应用，以及城市轨道交通全面组网的智能流量承载优化配置。此外，研究基于既有4G 网络与新建5G 网络的融合组网方案，实现网络的智能优化传输和协同应用发展。

4.2.5 智能检测监测

实现全域感知、全程自动化和全面一体化的智能监控。在基础设施方面及自然环境、安全防控方面，形成自感知、自适应、自诊断的养护维修监测技术的应用，增强设备工作的稳定性和适应性，实现问题的自学习、自处理等功能。实现各安全监测应用、施工安全管理、综合安全管理等，促进轨道交通应用安全建设。同时，加强基础安全保障能力、应急指挥协调能力、应急辅助决策能力。

4.3 智能运营

将泛在感知、智能监测、增强现实、智能视频、事故预测及智联网等技术与城市轨道交通运营技术相结合，实现个性化服务、一体化运维和智能化运营，智能运营平台架构如图5 所示。

图5 智能运营平台架构

智能运营将显著提升城市轨道交通的智能理论创新、提升乘客出行体验及乘坐城市轨道交通的获得感，为城市轨道交通智能化提供新的动力，主要实现以下功能。

4.3.1 智能票务

在传统票务基础上开拓增值服务业务。基于用户原有信息，结合后台累积数据，通过数据挖掘、商业智能分析，带给用户高效便捷的一体化服务。

4.3.2 智能车站

智能车站实现作业、人员、设备、环境的信息共享、协同联动和闭环控制，为旅客购票、进站、候车、检票、乘车、出站、换乘等出行全过程提供温馨舒适、绿色环保、安全可靠的服务。

4.3.3 智能运输组织

通过跨区域和多专业协同的全面信息感知学习、科学的调度决策处置及人因工程设计，实现“人-车-路资源优化配置”“跨区域、多专业信息全面感知”“智能、实时决策”“面向乘客需求的智能化协同调度”。实现运输综合计划协同管理，在统一资源描述和信息动态采集的基础上，各运输计划通过一体化平台协同编制，实现运输作业的统一管理。

4.3.4 智能安全管控

实现全域感知、全程自动化和全面一体化的智能监控。在基础设施方面及自然环境、安全防控方面，形成自感知、自适应、自诊断的养护维修监测技术的应用，增强设备工作的稳定性和适应性，实现问题的自学习、自处理等功能。实现各安全监测应用、施工安全管理、综合安全管理等，促进铁路应用安全建设。同时，加强基础安全保障、应急指挥协调、应急辅助决策能力。

4.3.5 基于BIM 一体化运维

实现故障精准预测、智能自主决策、事故主动预防运维和设备资产全生命周期管理等功能，实现基于BIM 技术的施工运维一体化管理、预测与健康管理、智能巡检、智能维修、设备全生命周期运行管理等基础运维管理。

4.3.6 能源管理

充分利用客流、车辆、信号、环境控制等综合信息，建成性能先进的智能能源系统。负责采集不同区域、不同设备的能耗相关数据，为能效评估分析提供数据支撑，同时，根据历史数据制定一段时间内的能耗计划，超出阈值时报警提醒，提示工作人员查看设备的运行状态，达到降低能耗的效果。

5 结束语

当前，新一轮科技革命和产业变革正在深刻影响经济社会全局，数字化、网络化、智能化日益成为重要的发展趋势。利用前沿科技成果，推进城市轨道交通信息化，发展智能系统，建设智能城轨，大力开创自主创新发展新局面，是我国城市轨道交通行业面临的主要任务。在此背景下，本文对智能城轨进行了统筹规划，构建了智能城轨的总体框架，规划设计了智能城轨的云平台、数据湖及应用系统。本文对智能城轨的概念、定位、组成及发展方向统一认识具有一定帮助，为实现轨道交通信息化与智能化提升提供了一个新的研究思路。为融合新理论和新技术完成先行实践、最终实现智慧城轨奠定了基础。