智慧地铁的架构参考模型及发展策略

尤 江 郭 鹏

(上海申通轨道交通研究咨询有限公司,200070,上海 ∥ 第一作者，工程师)

随着我国城市化进程的加快，城市轨道交通以其安全、快速、便捷、环保等优势得到了迅猛发展。截至2018年底，我国内地35个城市建成投运的城市轨道交通线路总长为5 766.6 km[1]。与城市轨道交通高速发展不相适应的是城市轨道交通运营管理存在服务手段落后、运输效率不高、企业管理粗放等现象[2]。在第四次工业革命的背景下，在我国经济建设由高速增长转向高质量发展的大环境中，如何利用信息通信和人工智能等新技术来实现城市轨道交通的创新发展，提高地铁的运输效能和服务水平，建设智慧地铁，已成为当前城市轨道交通行业探索和实践的热点[3]。本文从智慧地铁的概念出发，分析智慧地铁的特征与内涵，结合城市轨道交通的行业特点构建智慧地铁架构模型，进而探讨智慧地铁的演变路径和发展战略。

1 智慧地铁的概念、特征及内涵

1.1 智慧地铁的概念

“智慧”本意是指人辨析判断和发明创造的能力，包括感知、理解、分析、判断、决定等，对“物”而言是使其具备类似于人类的智谋和能力。城市轨道交通是一种相对独立、封闭且自成体系的有轨交通系统，其按设计能力正常运行，在完成运输乘客任务的同时，还提供安全、快捷、舒适的服务[4]。智慧地铁不是一个新建的系统，而是通过引入或研发新技术，在建设、运营、维护、服务及资源开发等多个领域，结合业务特点与场景，对既有业务进行智慧化赋能，实现决策能力、执行能力和服务质量的提升。就这个角度而言，“智慧地铁”是指将物联网、大数据、云计算及人工智能等新一代信息技术同城市轨道交通建设、运营、维护、开发和服务等生产活动的环节融合，具有自主感知、分析诊断、自主决策、精准执行和自我学习等功能的，更加安全、高效、便捷服务的乘客运输系统与模式的总称。

2010年IBM(国际商业机器公司)在“智慧地铁”概念的基础上，首先提出“智慧城市”的概念。此后陆续衍生出智慧交通、智慧医疗、智慧社区、智慧建筑等[5]。2016年上海申通地铁有限公司率先在我国行业内提出积极利用通信和移动互联网技术，加快建设智慧地铁[6]。

1.2 智慧地铁的智能特征

智能是智慧地铁智慧能力的体现，也是评估应用系统智能程度的标准。智慧地铁的智能特征体现为自主感知、分析诊断、自主决策、精准执行和自我学习等5种智慧能力，如图1所示。

图1 智慧地铁的智能特性

1) 自主感知。在对地铁管理资源进行数字化的基础上，利用物联网、信息通讯等技术，形成可交换的人机界面，全面、主动反映业务运行状况。

2) 分析诊断。规则化、程序化、软件化管理活动，实时分析运行数据，对业务运行状况进行分析、诊断、判别。

3) 自主决策。利用云计算、大数据、人工智能等新一代技术手段，进行数据分析、建模，选择最佳执行策略。

4) 精准执行。实现装备之间、装备与控制系统之间、业务系统与控制系统之间相互联动，完成最佳策略的执行落实。

5) 自我学习。用机器学习、深度学习等手段，不断训练、应用和创造知识，实现自我提升。

1.3 智慧地铁的内涵

智慧地铁通过5种智慧能力的集成，构成了城市轨道交通“数据-信息-知识-决策-执行”的闭环，实现了城市轨道交通系统的智能联动和资源的智慧配置。根据智慧地铁的智能特征，智慧地铁应当具备敏于感知，精于分析，智于决策，准于执行，善于学习等内涵。

1.3.1 敏于感知

对现状的感知是各类智慧的共性内涵，也是智慧地铁的基础。智慧地铁的敏于感知包含以下含义：

1) 感知的内容更加多样——不仅能感知列车运行状况及车站设备运行状况等地铁自身内部变化情况，还能感知客流出行需求及个性化服务要求等乘客需求变化情况，更能感知天气及大型活动等外界条件的变化情况。

2) 感知的方式更加灵活——除了通过ATS(列车运行监控)系统、ISCS(综合监控系统)等原有自动控制系统获取设备运行关键信息外，图像识别、物联网、移动互联网和大数据分析等技术也将成为信息获取的重要手段。

3) 感知过程组织更加灵活——可根据业务特性和数据采集需求来自动调整采集数据的内容和频次，并能在一定程度上主动发现预警预告信息等有用的信息。

4) 数据质量更有保障——传感器、物联网及大数据分析挖掘等新技术的进步和应用，将在减轻工作强度的同时，实现数据质量的大幅提升。

1.3.2 精于分析

分析是感知的延伸，也是决策的前提。精于分析指针对客流预测及设备故障判别等特定业务目标，对各类运行数据采用规则化、程序化的方法进行实时分析，进而提高业务场景判别能力。

精于分析主要有全面分析与精确分析两层含义。全面分析指对业务全过程的分析，包括事前预测、事中判别、事后归因等。事前预测指在计划阶段对运营相关主要需求(如客流预测等)的基本判断。事中判别指在业务执行过程中基于运行状况对业务运行状态(如大客流影响范围、设备故障点预警等)的判别；事后归因基于业务全过程记录数据对业务规律的归纳、总结(如设备故障原因分析、运营事故归因等)。精确分析指分析结果的可信度高和可靠性强，在实效、范围、量级和趋势等方面的分析精确程度能满足业务管理的需要。

1.3.3 智于决策

决策指根据客观的可能性，在信息和经验的基础上，借助一定的工具、技巧和方法, 对影响目标实现的诸因素进行判断选优后, 对未来行动作出决定[7]。智慧地铁的决策过程借助云计算、大数据、人工智能等新一代技术手段，以感知数据为基础，通过算法模型来选择最佳执行策略。

智于决策的目标是实现用数据说话、用数据管理、用数据决策。按决策的范围，决策可分为战略决策和业务决策。战略决策是对企业发展方向、经营方针、经营目标等全局及长远的重大问题等进行的决策。业务决策则是针对具体的业务，选择最优方案(如应急状态下的预案选择、特定条件下的列车运行调度策略和设备维修策略等)。

1.3.4 准于执行

城市轨道交通是由人、装备、控制系统及业务系统组成的复杂系统。准于执行是指通过工业化与信息化的融合，通过移动互联等理念和方法，将常规业务与智慧地铁所需特殊业务相结合，实现装备之间、装备与控制系统之间、控制系统与业务系统之间、业务系统与人之间相互联动，从而减轻人工劳动、提升执行准确度，完成最佳策略的执行落实。准于执行不是一味追求自动化，而是要根据业务的实际情况，平衡安全和效率之间的关系，设计科学、合理的业务联动流程。

1.3.5 善于学习

自我学习是智慧地铁的最高智慧特性。随着数据、案例等的积累，智慧地铁通过人工智能、机器学习等手段，不断应用、积累和创造知识，实现学习能力的自我提升和自主进化，进而持续提高智慧地铁的智慧水平。

2 智慧地铁的架构参考模型

2.1 构建架构参考模型的必要性

目前，城市轨道交通行业存在各种各样的智能设备、软件工具、算法模型和不同层级的技术解决方案。这些设备、软件和模型采用不同的技术手段和表现方式，在不同的层级解决不同的问题。这一状况不仅不利于智慧产品、智慧能力的集成和共享，也给技术路线选择和标准制订带来诸多困难。为了确保城市轨道交通系统能够形成完备的智慧功能价值链，也为了明确各种智能应用、智慧能力的定位，有必要构建一个类似于OSI(开放系统互联)模型的参考模型[8]，以供所有智慧地铁建设参与者共同参照使用。

通用的系统架构应该与具体标准、技术或其他实施细节无关，是由特定问题域中高度抽象化的概念、公理及关联组成的最小集合。智慧地铁架构参考模型基于对智慧地铁共同的理解和认知，弱化执行的差异，将不同的设计思路、技术路线及实施方式纳入到同一个体系框架下，为智慧功能、智慧产品、智慧系统的规划、设计、功能开发、试验验证及相关标准规范制订提供参考基础。通俗地来讲，智慧地铁架构参考模型可以看做是智慧地铁的蓝图。

2.2 架构参考模型的构建

参考美国工业互联网参考架构(IIRA)[8]、德国工业4.0参考架构模型(RAMI 4.0)[9]、我国工业和信息部智能制造系统架构模型[10]，结合轨道交通的行业特点，本文提出智慧地铁架构参考模型如图2所示。

图2 智慧地铁架构参考模型

该架构参考模型从业务领域、系统层级及智能特征等3个维度描述智慧地铁。

1) 业务领域。在业务领域维度，智慧地铁包括智慧建设、智慧运维、智慧服务和智慧开发。业务领域实现了端到端集成，即围绕城市轨道交通资产的全生命周期管理，在建设、运维及资源开发等各阶段，实现了数字集成和信息整合，消除了信息孤岛和流程断点。

2) 系统层级。城市轨道交通的建设、运营和维保等主要业务板块主要有三级管理模式和两级管理模式。三级管理模式是一种分层管控的模式。其中，运营业务采用“网络-线路-车站”模式，维保业务采用“网络-系统-现场” 模式，建设业务采用“网络-项目-现场” 模式。两级管理模式淡化了线路、系统或项目的概念，将管控功能集成在网络层面，并将整个网络看作一个整体，是一种集中管控的模式。考虑到模型普遍性，智慧地铁架构参考模型将系统层级分为现场级、站场级、线路专业级、企业公司级及行业协同级，可实现系统层级的纵向集成，进而实现数据在各层次间的顺畅流动。

3) 智能特征。智能地铁的智能特征为自主感知、分析诊断、自主决策、精准执行和自我学习。

2.3 架构参考模型的作用

智慧地铁架构参考模型，从微观层面来看，可以为智慧地铁实践提供构建、开发、集成和运行的框架；从中观层面来看，可以为建设运营企业实施智慧地铁提供技术路线指导；从宏观层面来看，可以为智慧地铁建设顶层设计提供参考，推动智慧地铁标准制定。

借助该架构参考模型，可以清楚定位目标系统所处的位置和其他部分的关系。如图3所示，智慧地铁车站运维业务系统的现场级和站场级部分，实现了自主感知、分析诊断、自主决策和精准执行的4种智慧特征能力，应当具备以下功能：

1) 全面感知设备状态信息，根据运营工况智能联动各系统的运行状态；

2) 精准识别客流和运能，智能提升客流和运能之间的匹配度；

3) 智能组织车站客运管理工作，并建立高效、智能的通信沟通机制。

图3 智慧地铁架构参考模型中车站运维业务系统的现场级和站场级部分

借助该模型进行智慧产品和智慧系统设计可带来以下好处：

1) 减低设计复杂度。参照该模型可以明确目标产品的自身定位以及与其他产品、系统间的相互关系，高层不需要知道低层的实现方法，把大问题分割成多个小问题，减低设计复杂度。

2) 减少研发工作量。设计者在设计新产品时，仅需关心自己新增的功能，通过复用已有产品的功能减少研发工作量。

3) 实现功能灵活配置。参照该架构参考模型进行分层、模块化设计，不同系统间通过接口实现。如某一功能发生变化，则仅需改变接口，而不会影响其他模块，从而实现功能的灵活设计。

3 智慧地铁的发展

3.1 智慧地铁的发展阶段

智慧地铁的发展是智能特性的5种能力在深度和广度上不断增强的过程,也是智能化程度和业务集成程度不断提高的过程。根据智慧特征的实现内容和实现程度的不同，将智慧地铁的发展划分为基础阶段、智慧地铁1.0阶段和智慧地铁2.0阶段， 如图4所示。

图4 智慧地铁的发展阶段

3.1.1 基础阶段

在基础阶段主要实现工业智能，即通过触感器获取状态数据，并对这些数据进行判断，进而做出相应的决策，实施相关的操作。该阶段的整个闭环在局部完成，不需要全面系统地进行综合分析。

基础阶段的智慧特征主要实现内容为：①在状态感知方面，实现对关键设备、人员的状态数据采集；②在事后分析方面，对这些数据主要进行事后分析，并将分析结果用于计划、评估等；③在立即执行方面，通过设备控制或工单派发方式完成相关操作。

3.1.2 智慧地铁1.0阶段

在智慧地铁1.0阶段实现对数据的综合分析和辅助决策。但这些分析和决策主要依赖于预设的模型，较少采用人工智能的技术。

智慧地铁1.0阶段的智慧特征主要实现内容为：①在多维感知方面，通过视频、传感器及设备接口等实现对人员、设施设备、事件、场所及环境等全方位数据的采集；②在实时分析方面，对采集的海量数据进行实时分析；③在协同决策方面，利用实时分析的结果来辅助决策，进而决定下一步的操作；④在联动执行方面，建立不同业务之间的联动关系。

3.1.3 智慧地铁2.0阶段

智慧地铁2.0阶段的智慧特征为实现自主感知、分析诊断、自主决策、精准执行和自我学习。其在智慧地铁1.0阶段基础上，融合了知识图谱、深度学习等人工智能技术，提升了综合研判和自主学习能力，具备高度智能，能不断应用、积累和创造知识，实现业务的自我改善和持续提升。

3.2 智慧地铁的发展策略

智慧地铁采用软件定义的方法通过软件来描述和操控硬件和设备，采用数据驱动的方法来持续改善提升业务运作。智慧地铁的发展策略可概括为：数字化、一体化、软件化、平台化、智慧化。具体发展策略内容如图5所示。

图5 智慧地铁的发展策略

3.2.1 数字化

数字化是实现智慧地铁的基础。通过建立城市轨道交通的数字孪生体，智慧地铁能全面、实时、准确地获取业务和管理对象的数据。

数字化建设的主要内容是采用BIM(建筑信息模型)技术及GIS(地理信息系统)技术等，实现线路、车站、隧道及桥梁等实物资产的数字化。关键技术难点为模型统一化、轻量化和移交数字资产标准等。

3.2.2 一体化

一体化指智慧地铁通过“二化融合”和“云边结合”，实现对业务运行现状的感知和智能分析。“二化融合”指工业自动化和信息化的融合，“云边结合”指云平台和边缘智能前后端的相结合。

一体化建设的核心内容是：增强终端设备智能化程度，进而实现自控系统和信息系统数据共享；采用物联网技术来增强终端感知能力，进而实现客流状态感知、设备状态感知和环境状态感知。

3.2.3 软件化

智慧地铁软件化即通过相关软件的模型、算法、应用及服务来“赋值、赋能、赋智”，使原有的设备和系统具备新的功能、变得更加智能，实现新的价值。

智慧地铁软件化建设主要内容为业务场景与业务模式识别软件化，以及业务执行软件化。此类典型软件包括大客流识别软件、预案识别软件、调度管理软件及任务管理执行软件等。

3.2.4 平台化

平台化指建设智慧地铁的集成平台，通过多业务的综合研判、多业务联动及微服务集成，实现业务间的互联、互通、互控。

平台化过程就是业务和数据的集中过程，包括相同、相近业务的聚合，数据的共享、互通，以及应用的微化。基础数字化平台、运行状态综合监控平台、调度及应急指挥平台可提供松耦合微服务。

4 结语

智慧地铁建设涉及城市轨道交通设计、生产、制造、运营、维护及经营等领域，是推动互联网、大数据、人工智能等技术同城市轨道交通深度融合的结合点，是城市轨道交通行业培育的新增长点，也是行业新动能的重要着手点。

本文从“智慧”的概念入手，通过对智慧地铁特性和内涵的分析，给出了智慧地铁参考架构模型和智慧地铁发展策略。智慧地铁建设除了重视技术上的创新外，还应重视管理理念的创新，从而形成管理与技术发展相互促进、互为依托的良性互动。