智慧地铁整体线路架构设计与功能实现

邓珵

摘 要：2006年智能交通作为全国性战略目标首次提出，2020年中城轨发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》”。轨道交通作为城市公共交通运输骨干，国内多城市已开展智慧地铁的研究和实践，其中以上海、广州为代表，走在行业前列。当前智慧地铁的实践多为站点架构，尚未进行整体线路的架构实践。受西安市轨道交通集团有限公司委托，我院对西安地铁14号线进行了智慧地铁的整体架构设计，打造全线路智慧地铁，除试点智慧车站功能以外，着力于线路中心的综合运管平台功能，以及全线设备维修中心的综合维修功能。

关键词：智慧地铁;线路级架构;服务功能

中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0191-06

Abstract：In 2006， intelligent transportation was first put forward as a national strategic goal， and in 2020， China Urban Rail Transit issued the “Outline for the Development of Smart Urban Rail Transit in Chinas Urban Rail Transit”. Rail transit is the backbone of urban public transport， many cities in China have carried out the research and practice of smart metro， among them， Shanghai and Guangzhou are the representatives， which are at the forefront of the industry. At present， the practice of smart subway is mostly site architecture， and the practice of whole line architecture has not been carried out. Commissioned by the Xian Rail Transit Group Co. ， Ltd. ， our institute has designed the overall structure of the Xian metro line 14 with the aim of creating an intelligent subway along the entire line， in addition to the function of the pilot smart station， focus on the line center of the integrated management platform functions， as well as the overall equipment maintenance center of the integrated maintenance functions.

Key words：smart metro; line-level architecture; service function

1 智慧地鐵整体线路理念

智慧地铁整体线路架构设计的思路以实现“一个平台、两级管理、三个服务”为目标，只要目的是提升地铁的整体运营效率和服务质量，从而减少成本，提高经济效益。其中，一个平台主要是指综合运管平台，该平台利用大数据、智能化等高新技术，以三维可视化的方式展现车站工况，提供简单画、场景化的操作界面，提高地铁各部门的运营人员的工作效率，减少工作量。两级管理主要是指车站级和线路级的管理。车站级综合运管平台的功能较多，可以实现精准感知地铁运行状态、一体化推送信息指令、智能化分析预判运行趋势等等。线路级综合运管平台同样具有众多功能，例如采集、存储、处理、挖掘、分析异构化复杂数据等，通过科学、可靠的人工智能技术对地铁运营过程中产生的数据进行分析、处理。持续优化智能调度、决策支持功能的RAMS指标。三个服务主要是指服务于运营、服务于维保、服务于乘客。在地铁运营过程中提供精细化的智能应用，在设备维护、维修中提供全面的数据，在服务方面更加人性化。

2 具体案例分析

智慧地铁将在西安地铁14号线全线实施。西安市地铁14号线工程起始于北客站终止于贺韶村站，整个线路均为地下线，全长13.65km，共设立8座车站，其中3座换乘站，最大站间距3.543km，最小站间距1.017km，平均站间距1.79km。设停车场1座，为骏马村停车场，设置于港务区向东路以南、西禹高速以西的地块内，车辆段及控制中心与机场线共享。

西安地铁14号线将与机场线贯通运营，整个线路中包括西安咸阳国际机场、西安北客站、西安奥林匹克体育中心，如图1所示。其中奥林匹克体育中心为2021年第十四届全国运动会的主场馆。对西安地铁14号线全线进行智慧地铁的建设，尤其是智能化、自动化乘客服务设施的设置不仅可以直接服务参加全运会的运动员和工作人员，还能彰显西安地铁乃至西安市科技、创新的良好形象。

3 智慧地铁整体架构及综合运管平台

3.1 智慧地铁整体架构

智慧地铁的架构主要分3个层次，分别为现场感知及服务层、网络传输层、数据处理及展示层。现场感知及服务层的主要作用是采集现场的信息数据以便于更好地为乘客提供服务。该层的主要设备有各类传感器、探测器及终端服务设备，如温感、湿度、CO2、异味、PM10、烟味等传感器，水泵、风机、扶梯、站台门等大型设备在线监测子系统，人脸识别设备，语音识别设备，智能远传水表、电表，触感灯带，电动卷帘门，摄像头，LED显示屏，LCD显示屏，乘客自助终端，智能咨询终端，移动式客服终端等。网络传输层主要功能是建立通信通道，实现现场感知及服务层和数据处理及展示层的有效连接。主要包括有线网络、无线网络和5G移动网络。数据处理及展示层主要功能是将前端设备采集的信息进行处理并结合相关系统的数据来进行智慧化的应用，并且在大屏上进行数据的可视化展示。主要包括各类应用服务器（如视频分析服务器）、各类应用软件（如综合运管平台软件、AFC车站级软件等）、综合看板、显示大屏等。

在车站级和线路中心级建设统一的智慧地铁综合运管平台，在利用既有的综合监控数据的基础上，深度融合图像智能识别、物联网智能诊断等全息感知数据，通过大数据、人工智能新技术进行挖掘分析和综合利用，实现车站工况的三维可视化，向站务管理、运营管理、设备维修和综合安防等各级岗位提供简洁高效的、管家式、场景化的操作界面，实现设备管理自动化、维修智能化、乘客服务自助化。

3.2 综合运管平台

14号线综合运管平台由位于停车场的线路级综合运管平台，及位于各车站的车站级综合运管平台组成。

智慧车站新增功能、应用及决策层，均基于车站级综合运管平台系统，其构成可分为硬件层、软件层和网络层。综合运管平台系统网络基于车站ISCS系统网络进行扩充，新接入智能视频分析、智慧水务、单兵维保、智能客服等子系统。

线路级综合运管平台系统设置1台管理服务器、1台生产服务器和1台建筑三维模型服务器。其中，管理服务器主要承担中心级、车站级的人工策略辅助工作，包括预案提示、台帐录入、预警管理等;运营管理服务器通过数据网闸接入中心局域网/骨干网，实现从生产调度系统获取相关数据，同时通过防火墙接入OA网络，实现办公与运营管理的融合。生产服务器主要完成中心级对生产调度系统的实时数据采集和处理工作，且生产服务器应通过独立1000Mbps以太网接口与中心以太网交换机连接。建筑三维模型服务器主要承担全线建筑三维模型的建立，建筑三维模型服务器通过综合监控网络接入中心级生产主干网。

停车场设备机房设置1台至通信网的交换机，主要连接中心级主干网、应用服务器、工作站、网络打印机等。配置2套数据网闸，负责隔离生产调度数据，并传送给中心级运营管理服务器相关数据信息。具体的系统构成如图2所示。

4 智慧运营平台实现功能

智慧运营平台实现的功能分为3类：服务于乘客、服务于运营及服务于维保，本文仅对新增的部分功能进行详细介绍，图3所示为智慧地铁的具体功能分类。

4.1 服务于乘客

基于乘客从出行计划至进站乘车、出站离开等诸多场景化流程，本线可利用应用手机、移动支付、人工智能、视频分析等技术，实现乘客购票、进出站、候车、换乘、乘车、上下车等环节的乘客自助服务，提升乘客的出行体验。

依据不同的服务场景，可实现乘客语音购票功能、乘客进出闸机人脸识别功能、乘客自助服务终端、乘客智能咨询终端、移动终端、无人售票智能客服、智能机器人、车厢拥挤度识别、照明系统、智能电子引导系统及智慧厕所服务。

4.2 服务于运营

智慧地铁的主要目标是实现各车站的自动运行，以各场景的实际需求为出发点，利用信息化、智慧化等手段使各车站的系统与设备之间实现联动，从而使车站能够实现自动运行，实现基于业务场景的自动控制和预案联动。在运营上可实现智能开关站，客流管理、预警及预案，环境在线监控，人员管理和智慧安检等五项功能。

4.2.1 客流管理、预警及预案

客流是轨道交通安全管控的重中之重，综合运管平台可对客流做出详细深入地剖析。平台通过对乘客日常乘车行为分析，结合乘客长期进出站时间、位置数据、视频分析数据、嗅探设备综合分析客流规律，针对不同出入口典型的出站、入站客流流向，结合智能视频分析及大数据预测模型，基于这些核心算法，可以根据实际的业务和主题构建各种客流预测模型，形成模型库，比如即时客流预测、短时客流预测、中长期客流预。基于模型库，就可以给实际的业务场景提供支撑作用。

采用热力图为主，趋势图为辅的表达方式对流向路径中存在的客流瓶颈区进行监测和展示，对当前客流热力图和瓶颈区的客流情况联合分析，可为站务人员提供瓶颈区客流疏散的报警及建议。不断优化客流组织。如遇到突发性大客流状况，后台可通过无线单兵系统对现场客流状况进行实时监控，以进一步作出准确判断、启动应急预案。其中，应急预案分为高峰、大客流模式，灾害模式和故障模式3类。

4.2.2 智慧安检

线路级安防管理平台作为智慧安检的管理与服务中心，是整个智慧安检的核心部分。对于站点，实现业务应用的服务支撑与运维管理能力。通过在停车场构建14号线安检管理与服务中心，强有力的支撑了各个站点、安检点的快速安检、智慧安检、人物统检的安检业务应用。

车站安检点作为智慧安检的现场执行部分，是智慧安检业务应用的主要實体。利用智慧安检提供的智能检人、智能检物系统，实现所有进站乘客及物品的安全检查，以及异常行为、违禁物品的告警提醒与现场处置能力。图4所示为智慧安检的现场图。

（1）线路级安检监控功能。线路级安检监控主要是基于视频分析、大数据、云计算等技术，构建复用性强、扩展性高的安检管控与服务系统。系统通过综合全线各站点的安检人员信息、安检告警信息、违规处置信息和安检基础资源信息等，提供安检系统态势统计分析、事件管理处置、安检遵从信用评估分析、安检设施资源管理，以及安检系统业务参数的配置管理能力等。

通过线路级安检监控功能可实现安检监控管理、安检信息查询、安检事件标签应用、安检数据统计分析、全线各站点基本信息管理、安检点远程监控和安检系统运维管理等功能。

（2）线路级安防平台功能。为满足《城市轨道交通公共安全防范系统工程技术规范》（GB/T51151-2016）对安防集成平台功能要求，本线设置安防集成平台。安防集成平台采用软件模块独立、硬件服务器整合的方式集成于综合运管平台。

综合运管平台（含安防平台）独立于既有综合监控系统平台，在既有集成互联各系统基础上，安检系统接入车站级综合运管平台，场段安防系统接入线路级综合运管平台。最终实现各系统数据统一监管、协同和联动。将安防、消防系统与运营生产系统共同建立在一个融合平台之上，有利于智能化、自动化、整体化的应急操作和处置。智慧安防功能包括综合监测、应急处置、智能电子巡更、单兵系统联动和访客可视化管理等。

4.3 服务于维保

4.3.1 设备智慧管家

设备智慧管家系统根据机电设备的运维特点，结合全线受监视的机电设备的运行状态数据信息，增加机电设备相关的数据分析处理模块，从而可以对机电设备的运行风险进行评估，以及诊断分析其可能或者已经发生的故障，同时由车站级综合运管平台将数据分析结果上传至停车场综合维修管理平台，由该平台完成修保养计划的安排和维修工单派发等工作，从而更好地进行信息化管理的维护。系统架构如下：在机电设备的维护维修过程中，后台工作人员可以通过手机电脑客户端、电视墙大屏等方式获取现场图像，实时与现场工作人员进行沟通。现场工作人员全部配备无线单兵系统设备，从而便于统一接受指挥后台的管理。设备管家系统架构图如图5所示。

4.3.2 车站级设备维修功能

车站级设备维修功能包括，统计设备累计运行时间，并根据设备保养要求，对设备维护保养提供建议提示。根据相关机电设备的平均使用时间，实现主备用设备自动切换运行，从而延长此类设备的使用寿命。通过趋势诊断和寿命诊断等方式，实现跨专业的故障智能诊断功能，包括对基于电气特性的设备隐患预警分析功能，在设备电气特性出现异常波动、突变、趋势变化时，及时预警;对具备基本诊断条件的设备提供预警功能（状态修功能）、提供预防性维修相关功能。还具备设备运行质量评价和健康度分析功能，辅助实现状态修和预防修。

4.3.3 线路级设备维修功能

（1）维修支持功能。维修支持功能包括，监视车站受控对象的运行状态和故障报警信息，将监视到的信息图形化显示的跨专业设备状态综合监督展示功能;统计车站和区间设备的累计运行时间，并根据设备保养要求，对设备的维护保养提供建议提示;根据有关机电设备的平均使用时间，实现主备用设备自动切换运行，从而延长此类设备（如各种水泵等）的使用寿命;可远程自动控制冷水机组的运行台数，统计设备运行时间，调整冷水机组的启动次序，均衡设备运行时间;构建车站受控对象（电力及机电设备）维护管理数据库，实现对受控对象设备的全信息管理;采用趋势诊断和寿命诊断等方式，对具备基本诊断条件的设备提供状态预警功能（状态修功能）、提供预防性维修相关功能;风机轴温轴振动诊断、扶梯的智能监测及诊断功能、站台门智能诊断等。

（2）综合智能分析功能。综合智能分析功能包括，跨专业的故障智能诊断，基于电气特性的设备隐患预警分析，在设备电气特性出现异常波动、突变、趋势变化时，及时预警;对设备运行质量评价和健康度分析，辅助实现状态修和预防修;可进行运维联动分析，与综合监控主体系统进行智能联动分析，为动态智慧调度提供维护建议和支持。

（3）支持基于三维建筑模型的设施设备运维管理。综合运管平台系统可以通过与三维建筑模型的接口，支持基于三维建筑模型的设施设备运维管理，包括集成对设备的搜索、查阅、定位等功能，通过点击三维建筑模型中的设备，可以查阅当时此设备的状态信息;可以实现对设备信息生命周期进行管理，通过在管理界面中搜索设备名称，或者描述字段，查询所有相应设备设施在虚拟建筑中的准确定位和系统维护人员和各相关部门可以通过平台提供的客户端查询各个系统功能模块的工作状态和监测对象的实时共享信息，协同对工程出现的异常状态做出及时科学决策。

（4）功能子模块及其功能。线路级综合运管平台利用接入的各机电专业数据，结合实际运营组织结构，分别针对供电工班、机电工班、通号工班等打造相应的运维管理模式，从而实现综合维修管理功能。功能子模块包括，运维管理、计划管理、标准管理、故障管理、状态管理、专业维修系统管理、设备信息查询、移动端点巡检维护子系统、移动端维修支持子系统、移动端快速报修与远程协助子系统等。

运维管理模块的功能包含，对维修任务的统一管理;针对设备日常生产作业中发生的设备隐患的管理;针对设备全部故障报修的汇总处理，对故障现象、原因、措施进行分析;根据巡检标准自动生成的待执行单据，使用者在现场对任务单进行快速回复处理;维保作业单、供电工作票、委外维修单、中大修工单、专项修工单、部件维修工单、更新改造工单的管理;对班组人员的日常排班进行排版、调整、调休、代班等操作;交接班记录汇报与综合查询;对于设备备件的更换进行快速处理;对员工的工作负荷和完成情况可以容易的统计和分析;工单所需备件和物料的库存信息;综合查询管理。计划管理模块的功能包括，年度计划预排：对于各个专业、线路的年度计划维修进行自动化的预排及预算;年度计划管理：年度计划的编制、预算、执行等进行管理;月计划管理：实现月度计划的申报排定、审批、实施、评价、归档流程化分類管理。标准管理模块可以按照专业、线路等维度，对于设备的巡检、检修、保养、试验等进行统一管理。

故障管理模块根据故障各专业属性，形成专业专属故障台帐、故障分析图表和报告;线路资产设备突发故障的维修工作（临修）由运营企业生产系统所含的突发事件应急处理系统进行触发和管理;汇总收集各类资产的故障信息，并能依据故障发生的规律，合理安排预防性维修，预判典型资产的劣化趋势，提高资产的可靠度。状态管理模块集成综合监控等系统中的自动采集报警数据，并且对于报警信息进行闭环处理，并且可以根据集成和存储在线状态监测、离线检测结果的数据，形成对设备运行状态的全面记录存储，进行综合利用分析。专业维修系统管理模块可以实现机电、通信信号、土建线路、供电各专业维护管理。设备信息查询模块可以对于资产综合信息查询提供多种查询手段，资产台帐信息涉及的基本静态信息和商务信息，以及在各类维修业务处理中生成的动态信息进行查询，以设备为对象建立多维度的查询角度，对设备全生命周期的信息进行关联查询。

移动端点巡检维护子系统是一种现代化、科学化、网络化的设备管理办法，它通过远程抄表、实时上传，抄表数据异常报警等方式，以供地铁运营相关专业对现场设备状态实时掌握，以降低设备的运行风险，保障地铁的运营安全。移动端维修支持子系统可以参照运营各个专业的维修规程、操作规程和安全作业规范，为实现维修的全面控制、管理和指导，规范维修行为，确认维修效果，建立系统化的具有实时处理机制的维修管理子系统，其中包含计划管理、计划维修执行、检修评价表、全线检修情况统计、标准作业流程查询。

移动端快速报修与远程协助子系统的功能包括，操作人员根据设备现场情况采集故障信息，可将与故障设备相关的现场视频、照片，发生故障的文本描述，通过该界面上报报修信息至综合维修管理平台。在设备故障时，通过现场人员的作业及实际情况，通过视频、语音、文字、图片等方式进行沟通、协助、远程指挥。移动端支持录制视频、录制语音、文字、拍摄图片等汇报方式，并上送至平台。该功能作为维修作业过程中沟通的辅助手段，强化沟通效率及直观展现现场情况。

4.3.4 能耗管理

（1）能源管理平台。综合运管平台通过ISCS与通信管理主机、PSCADA、高压电表等的接口获取本站电能数据，通过BAS系统获取智能水表及节能系统数据，在综合运管平台上综合这些数据对地铁运营耗能进行分析总结。对耗能数据和信息进行指标化显示，获取能耗不正常的数据和设备，并对其进行技术改造，车站的能耗分析图如图6所示。

能耗管理功能包括：采集存储数据功能，采集智能电表的相关数据参数和设备的运行状态，并对数据进行归类;采集智能水表用水量数据;在HMI上实时显示能耗参数;对任意时间段能耗参数的历史曲线进行显示;根据相关要求对数据进行统计、计算;按照一定的时段对计算能耗数据和均值;对一定时段的耗能累计值用棒直图进行显示;对能耗模拟量的变化状态通过趋势曲线显示;对分类、分项、能耗的比例以饼图显示;能对比不同節能模式下的能耗对比，并提出优化运行的策略。

（2）风水节能。综合运管平台可以调用ISCS系统功能，通过BAS系统的节能策略，对空调冷水系统的冷水机组投入台数、二通调节阀开度、公共区空调机组风机转速等参数进行调节，达到运营对环境的需要;可以对通风空调节能控制系统订制专用的HMI，并能结合能源管理功能与环境监测功能对通风空调设备和系统提出运行参数设定建议。

同时，为提升供水系统的管理水平，优化管网运行以及减少管网漏损，实现对车站用水的实时控制和精细化管理，给排水专业在关键用水节点处：市政生产生活给水引入总管、各处卫生间给水总管、冷却塔补水管、冷水机房补水管等，设置智能远传水表。将实时数据传输至综合运管平台上，通过系统计算平台进行收集、整合、分析和处理，建立各个环节的相互规约模型，分析各生产、生活环节水量的使用情况、对比每天、每周、每月、每年的数据，实现对车站用水的实时控制和精细化管理，达到规范管理、节能降耗的目的。

综合运管平台还可以调用ISCS系统功能，通过风水联动软件模块对车站的环境参数、空调设备运行参数、设备能耗变化及室内负荷等进行实时监视与预测，利用系统模型与控制策略实现环控空调设备的自动调节，从而充分利用设计余量、关站前余冷及室外冷量来节约冷量供应，平衡站内热量波动，达到空调系统安全、舒适、高效、节能运营的目的。

5 结语

智慧地铁的线路级架构在国内城市地铁尚属首次尝试，我院在调研当前交通各行业的智慧交通架构运行的基础上，结合西安市地铁运维人员的需求，对西安地铁14号线的智慧地铁进行了架构设计，难免存在各种不足，但仍然不失是新的试点，可为以后的城市智慧地铁提供一些经验。

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