城市轨道交通智能化及可持续发展现状分析与展望

李义岭，喻彦喆，姚克民

（1.天津轨道交通运营集团有限公司，天津 300022；2.天津大学环境科学与工程学院，天津 300350）

1 引言

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市轨道交通因其高效、环保等特点，成为解决当前城市出行问题的主要手段[1]。近年来，我国城市轨道交通建设飞速发展，然而也带来了诸多挑战，例如，如何更好地满足乘客对城市轨道交通服务提出的多样化需求，如何管理和维护好数量不断增长的各类系统设备及设施，以及如何减少建设和运营过程中能源的消耗、降低成本等。逐渐兴起的物联网、大数据、人工智能、云计算等新技术为应对这些挑战创造了契机。为实现城市轨道交通的智能化及可持续发展，整个行业当前都在探索城市轨道交通与智能化技术的深度融合，例如，由中国城市轨道交通协会发布的智能示范工程就达21 类之多[2]。基于上述行业背景，本文从智能化及可持续发展2 个角度对城市轨道交通领域相关技术应用及发展进行总结和展望，并提出相关建议，以期为促进城市轨道交通高质量发展提供参考和借鉴。

2 发展现状

2.1 城市轨道交通智能化

将信息化、大数据分析和人工智能（AI）等智能化技术应用到城市轨道交通行业的目的是使其管理更高效，在提高其运营、维护、安全和服务水平的同时降低成本。目前，城市轨道交通智能化技术应用主要涉及以下方面。

（1）提高系统的安全性、可用性和可靠性。例如，研制智能化列车，提高列车相关系统的自主在线诊断、自主运行控制以及远程控制能力；探究灵活编组列车的可实施性，以运营成本和乘客出行时间为优化目标，构建列车开行方案模型[3]；实现信号系统的高稳定性、高可靠性及自主化生产[4]。

（2）实现网络化运营调度。由于城市轨道交通线路数量不断增加，部分城市逐步构建了成规模的线路网络（以下简称“线网”），为提升运输组织效率，要求对各条线路进行网络化运营。为此，需要应用更合理的优化算法和更可靠的通信技术，建立智能化的线网级调度指挥中心，实现线路间的联动及网络化运营调度。虽然，目前部分城市已实现相同制式线路的共线管理，如上海地铁3 号、4 号线的共线运营，以及重庆市轨道交通多条线路列车的共线运行[3]，但由于其中涉及变量甚多，需要建立的标准非常复杂，还需考虑配线设计和换乘等诸多条件，因此大面积推广还需要时间和努力。

（3）采集多源客流监测数据，构建智慧客流分析及预测系统。依托物联网、城轨云、大数据平台及数据挖掘技术，动态监测客流状况，对采集的客流数据进行分析和处理，实现对短期、长期及特殊时期客流的预测、预警，并自动输出客流疏、导、管、控解决方案，如根据客流量确定列车每站的停靠时间、发车间隔和频次等[4]。

（4）提升机电设备、车辆和轨道设施的自动化检测和诊断水平，促进设备设施的维保由“故障修”“计划修”向“状态修”“预测修”转变[5]。基于状态感知、物联网、建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）[6]、云计算及5G 等技术，构建必要的在线监测、数据采集、传输和存储平台，建立数据与设备状态关联的知识图谱和运算模型，通过算法的不断优化、自学习和校准，实现对机电设备、车辆和轨道设施状态的科学诊断，并为诊断设定阈值，进而自动生成应急处置预警提示和维保计划。目前，将BIM 技术应用从建设阶段扩展到运维阶段，搭建基于BIM 的城市轨道交通基础设施运维管理平台已成为此领域的重要研究方向[7]。

（5）实现安全保障工作的智能化。智能化巡检和综合监控技术的应用是当前行业安全保障智能化的主要体现。例如，将激光雷达、雷达和图像自动识别等技术用于对隧道、道床、钢轨和扣件的自动化巡检，以及对侵入车辆限界异物的快速识别[8]；研发安检自动判图软件以及基于视频的分析技术，以实现对大客流、火灾、治安事件等突发情况的预警提示，为城市轨道交通工作人员在此种情况下做出快速准确的判断、采取合理的应对方案提供依据[9]。

（6）实现服务的便捷化及人性化。例如，实现有闸机条件下的售检票电子化；基于状态感知、物联网等技术，构建智能环境控制系统，对车厢、站厅、站台的温度、湿度、灯光照度等进行智能调节，提高乘客的舒适度；推进基于实名制、个人信用体系的跨平台、跨场景乘车票务服务，利用生物识别、无感支付等技术，提高售检票及乘车的智能化水平[10]；通过丰富终端设备的便民应用功能，聚合多平台出行服务内容，根据乘客出行需求订制化提供多种出行解决方案以及“职、住、憩、游”等方面的延伸服务。

2.2 城市轨道交通可持续发展

目前，城市轨道交通可持续发展主要聚焦在降低运营过程中的能源消耗（以下简称“能耗”），其主要涉及以下方面。

（1）各类节能设备、可再生能源技术的应用。在城市轨道交通领域，节能型照明光源及智能化控制系统、列车再生制动能量的吸收和利用、列车的“节能惰行”运行模式、列车的轻量化、永磁牵引技术的应用、根据环境感知实时进行变频调节的通风空调系统、变频自动扶梯、磁悬浮压缩机等是目前研究应用的焦点[11-12]。此外，还有部分示范项目开始应用绿色能源发电技术，如太阳能、地热能及并网发电技术[13-15]。

（2）城市轨道交通能耗计量技术的应用。由于目前在城市轨道交通前期施工及后期运营管理过程中缺乏全面的计量措施，因此建设和运营单位在评估城市轨道交通能耗时存在一定的困难。为降低能耗，需要完善各用能环节的能耗计量，从而为节能评估奠定基础。目前较为先进的能耗计量技术包括远程无人计量、物联网等技术。

（3）建立能耗评价指标体系，打造智能化能源管理系统。通过建立合理的能耗评价指标体系，结合数据挖掘技术，能够以采集的能耗数据为基础，对城市轨道交通用能进行精准分析，从而从“技术节能”和“管理节能”2 方面不断实现优化。目前，虽然国家和一些地方已制定了相关的城市轨道交通能耗评价指标体系，但在数据采集和评价模式数字化尚未实现的现实条件下，此项工作还有待进一步完善。

3 展望与建议

基于上述现状分析，本节展望了城市轨道交通智能化及可持续发展的五大方向，并分别对各个方向进行讨论，提出相关建议。

3.1 列车全自动驾驶

列车全自动驾驶是指通过列车自动控制系统实现列车自动唤醒、自动行驶、精确停车、站台自动化作业、无人折返、自动运行调整等功能，以减少人员介入，降低人工成本及减少人为失误。

然而，目前该项技术还存在以下问题：①尚无全寿命周期内的成本数据，无法进行成本比较；②随着设施设备服役年限的增长，其可靠性会逐步降低，其在缺乏合理管理和维护情况下存在的风险与人为失误造成的风险孰大孰小，目前难以评估；③许多城市在中心城区均规划建设城市轨道交通线网，若全自动运营线路上发生故障而不能快速恢复运营，势必对整个线网的运行造成影响。

因此，在城市轨道交通网络化运营的背景下，应在发展和完善全自动驾驶技术的同时，不断收集和对比相关数据，做好设施设备全寿命周期的运维管理，以确保其可靠性，并综合分析全自动驾驶线路的寿命周期成本，通过数据证明全自动驾驶技术的价值。

3.2 互联互通

城市轨道交通互联互通不只是实现设备接口协议的标准化和设备的信息互换，其实质在于列车跨不同线路的过轨运行，这将改变原有城市轨道交通以单线为基础的行车调度指挥模式。

互联互通具有以下2 方面的优势。

（1）降低成本。具体如下：①不仅可减少整个线网的车辆数量，而且用于停放、维修和检测车辆的场地和设备也随之减少；②由于互联互通线路的设备实现了标准化，因此可对车辆、供电、信号、站台门等系统进行规模化生产、采购、存储、安装、调试和维保，从而降低相关成本（其中包括人员培训、跨专业融合、工时均衡统筹等人力成本）。

（2）提高运输服务质量。互联互通的实现能够减少换乘次数，缩短乘客乘车时间；采用快、慢车混跑的运营组织模式，可满足不同乘客的乘车需求，提高运输服务质量。

然而，目前互联互通的实现受以下条件的制约：①线路的互联互通适合在城市轨道交通的建设期统筹谋划，最好是多条线路同时建设，并为其制定统一标准，以便实现最大的规模效应；②制定的标准须具有前瞻性，原因在于先建线路一旦建成，后续线路也将采用与其相统一的标准，从而牺牲一定的灵活性，例如，后续采用更经济、更适用技术的可行性会降低；③已运营线路的互联互通改造宜在其进入大修期时统筹考虑，因此对于城市轨道交通线网已成规模的城市，实现的周期比较长；④需要解决“跨线运营”问题。

解决上述问题的根本方法是建立城市轨道交通行业统一的标准体系，为车辆、信号、供电和站台门等系统制定成套的统一标准，则城市轨道交通互联互通问题将迎刃而解。

3.3 智能运维

智能运维是通过对设备状态数据进行采集、存储、加工，分析和判断数据信息与设备的健康状态是否吻合，并输出判断的结果，进而实现对维修策略的指导（图1）。其通过物联网和不同功能的算法模块实现，而实现关键在于以下2 点：①搭建强大且可靠的数据采集及终端回馈系统，包括传感器、网络通信及数据库；② 开发科学合理的分析算法，包括依据目标要求设计的数学模型和决策模型。

图1 智能运维的内涵

然而，目前城市轨道交通智能运维的实现面临如下挑战：①采用大数据、云计算等技术的数据采集和存储系统耗资巨大，数据的广泛采集与有限使用的矛盾突出；②投资与收益存在不匹配的情况；③投资价值在不同的城市也不尽相同。

为解决上述问题，应当在建立智能运维基础平台之初就将数据应用作为主要方向，树立“数据采集是为输出成果服务”的理念，将数据与设备的可靠性、可用性、可维护性和安全性（Reliability Availability Maintainability and Safety，RAMS）进行充分关联，在此基础上对维修策略进行调整和优化（即管理创新的驱动），找到基于RAMS 的最优寿命周期成本（Life Cycle Costs，LCC），并通过合理的LCC 来保证RAMS 的实现，最后形成RAMS&LCC 最优方案报告，以指导城市轨道交通的智能运维。例如，天津地铁在搭建线网云的同时，提出加强信息化与运维业务双向融合的工作模式，通过双向融合、双向设计，缩短获得RAMS&LCC 最优方案报告的时间。

3.4 智慧服务

智慧的内涵是感知、记忆、理解、分析、判断、升华等能力，其在城市轨道交通行业里涉及最多的领域是服务与调度，如智慧客服、智慧安检、智慧应急指挥、一键开关站、客流监测与引导、无感支付等（图2）。目前，上海、广州和深圳等城市的轨道交通率先建立了智慧车站示范站，在行业里起到了良好的带动作用。随着中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[2]，其他城市也在加快智慧车站的研究和建设。

图2 智慧服务场景示例

然而，在加速城市轨道交通智慧化建设的同时，还需要认真思考“城市轨道交通智慧服务不是为智慧而智慧”这道命题，即对以下问题进行深入探讨：

（1）智慧解决了哪些问题；

（2）智慧满足了谁的需求；

（3）这些需求是否具有普遍性和迫切性；

（4）需求中是否混入“认为的需求”和“伪需求”；

（5）是否值得动用资源去满足所有的需求。

只有对上述问题有了深刻认识之后，才能明晰哪些智慧化建设举措应该继续加速推进、哪些需要缓行、哪些需要暂停等待、哪些需要适可而止，这样才能保证新技术在行业中具有长久的生命力。

这是智慧化示范工程没有在城市轨道交通行业全面推广的原因，也是目前行业需要思考的问题。

3.5 节能减排

在城市轨道交通智能化发展进程中，节约能源、降低二氧化碳排放对于行业的可持续健康发展具有重要意义。目前，节能技术（如光伏、永磁电机、车辆轻量化、智慧照明、能源管理、风水联动等）在单个专业领域的应用较为深入，并已在一定范围内推广（图3）。实践证明，这些日趋完善的技术在节能减排的同时，还能够降低城市轨道交通全寿命周期成本。

图3 新能源技术应用

然而，目前节能新技术的推广速度仍比较慢，其原因在于：①新建线路对建设期投资规模的重视程度高于 LCC；②对运营线路进行技术改造的难度和成本远远大于对新建线路进行统一设计和选型；③运营成本的压力加大了节能技术在运营线路推广的难度。

随着“碳达峰”“碳中和”被写入《2021 年政府工作报告》，政策引领已经非常明确，在未来发展中，节能减排必将突破单个领域的限制，系统地纳入城市轨道交通全产业链。

4 结语

目前，城市轨道交通已成为大中型城市的动脉、城市发展的引领、城市公共交通的主导。随着行业的迅猛发展，以及运营线路数量的快速增加，其运营的经济压力也在不断增大，智能化及可持续发展已成为城市轨道交通发展的必然趋势。本文从城市轨道交通智能化及可持续发展的现状出发，对其未来发展的5 个方向进行了展望。这5 个方向具有其形成的政治、经济、社会和技术（Politics Economy Society and Technology，PEST）背景。城市轨道交通企业应对行业所处的宏观环境进行PEST 分析和谋划，进而建立起具有自身特点并可持续发展的优势，通过技术革新和管理创新，为实现我国城市轨道交通的智能化及可持续发展贡献力量。