长沙智慧地铁规划研究

凌景文

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 研究背景

2019年，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》[1]，要求大力发展智慧交通，推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合；推进数据资源赋能交通发展，加速交通基础设施网、运输服务网、能源网与信息网络融合发展，构建泛在先进的交通信息基础设施；构建综合交通大数据中心体系，深化交通公共服务和电子政务发展。

2020年3月，中国城市轨道交通协会（以下简称“中城协”）发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[2]，指出智慧城轨建设的重要性。实现智慧城轨建设的战略目标是“两步走”的过程：2025年中国式智慧城轨特色基本形成，跻身世界先进智慧城轨国家行列；2035年进入世界先进智慧城轨国家前列，中国式智慧城轨乘势领跑发展潮流。

我国轨道交通行业关于智慧地铁的研究和实践近年来进入快速发展的阶段。上海[3]、广州[4]、青岛[5]、北京等地开展了全面和深入的研究工作。

2020年7月，长沙市人民政府下发《长沙市推进新型基础设施建设三年（2020—2022年）行动计划》[6]，提出到2022年，全市基本构建高速、移动、泛在、安全的新一代信息通信网络基础设施，实现5G、大数据、人工智能、工业互联网、区块链等新技术全面融入城市生产生活。

长沙地铁远景规划14条普线与4条快线，线网总规模为 890 km ，打造“环+放射”、三横一纵的网络结构。截至2021年，长沙地铁运营线路6条，运营里程 161 km，如图1所示。2020年日均客运量为121.15万人次。2021年5月1日长沙地铁创造了285.12万人次的客运量记录，客流强度达到1.99万人次/km（不含磁浮），在全国排名第一。随着客运量的增加，智慧地铁的建设及应用也日趋重要。针对智慧地铁的研究能有效推动地铁向更高层次发展。

图1 长沙地铁运营线路示意图

2 规划目标

长沙智慧地铁规划遵循“包容、可靠、超前、可持续发展”理念，打造切合长沙地铁主营业务和集团企业发展的战略，接轨国家政策导向及行业技术动向，依托云计算、大数据、物联网、人工智能等先进技术，集数据感知、综合管控、应急响应、人性化服务于一体，具备安全性、实用性、便捷性、经济性和可扩展性的智慧地铁生态。长沙智慧地铁按近、中、远3期实施。各阶段的标志与具体任务如下。

近期（2020年—2025年）：该阶段以建成2号线西延2期、6号线1期（含线网指挥中心NCC）、7号线1期等一批示范性工程为标志，完成长沙地铁第3轮建设规划所有线路有关智慧城轨应用的项目实施和经验总结。主要目标为建成城轨云与大数据中心、智慧车站典型示范车站，实现较为完整的智慧业务体系功能，形成成熟的具有长沙特色的智慧地铁建设标准，实现中城协2025年智慧城轨目标。

中期（2025年—2035年）：该阶段以建成2035年长沙地铁线网为标志，基本完成以长沙特色智慧地铁为标准的长沙地铁建设和运营，达到世界先进智慧城轨水平，实现中城协2035年智慧城轨目标。

远期（2035年—2050年）：该阶段智慧地铁向更高层次迭代、演进，人工智能普遍应用于智慧业务体系并趋于成熟，全面实现长沙地铁的智慧建设、智慧运营、智慧企管、智慧经营。

3 总体规划

长沙地铁总体上按照“构筑1个平台、搭建3层架构、立足4大业务、围绕8个体系”的要求编制长沙智慧地铁建设蓝图，如图2所示。

图2 长沙智慧地铁建设蓝图

（1）构筑1个平台。建设云计算与大数据平台，为长沙智慧地铁提供基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS）的相关服务。

（2）搭建3层架构。按照“感知层-平台层-业务层”搭建长沙智慧地铁整体框架。

（3）立足4大业务。服务于长沙智慧地铁建设管理、运营维护管理、企业管理、经营管理等4大区块的管理需求

（4）围绕8个体系。聚焦于智能车站管控客服、智能运输组织、智能列车运行、智能运维系统、智能技术装备、智能能源系统、智能基础设施管理、智慧网络管理，具体部署智慧应用的落地实施。

接下来，本文将分别从城轨云与大数据平台和上述8个体系的角度具体探讨智慧地铁的规划及实施方案。

3.1 城轨云与大数据平台

长沙市智慧地铁应用系统分为线网运营及应急救援指挥中心（以下简称“线网指挥中心”）、线路运营控制中心、车站/场/段3级业务，中心云平台、站/场/段云节点2级网络。城轨云与大数据平台为以上各应用系统提供IaaS、PaaS、SaaS服务，平台架构如图3所示。

图3 城轨云与大数据平台架构

长沙市智慧地铁与建设管理、运营维护管理、企业管理、经营管理相关的应用系统均由城轨云与大数据平台提供IaaS服务[7]。各应用系统线网指挥中心/线路运营控制中心级服务器可通过云平台虚拟化部署在云计算资源池中。车站级采用设置云节点设备的方案，即重要应用系统在车站级部署硬件资源，作为车站降级处理使用。操作层采用瘦终端及云桌面。

云计算与大数据平台可分系统、分阶段地为各应用系统提供SaaS服务，当地铁企业数据中心阶段性建设完成后可在PaaS层基础上进行数据挖掘服务。

3.2 智慧车站管控客服

智慧车站管控客服由综合监控系统、自动售检票系统（AFC系统）、乘客信息系统、安检系统和智能客服系统5部分组成。综合监控系统在传统综合监控系统的基础上进行功能的扩展和迭代，并分别与融入了智慧地铁应用的AFC系统、乘客信息系统、安检系统以及智能客服系统接口，实现智慧车站运营管理、设备管理和乘客服务的数字化、自动化、智能化和系统集成。

3.3 智能运输组织

长沙地铁已开始建设线网运营指挥中心系统，设置在新建的杜花路第二控制中心（NCC）。线网运营指挥中心系统的功能主要定位为线网运营数据中心、线网行车调度指挥中心、线网电力调度管理中心、线网机电设备调度中心、线网运营消防与安防中心、线网运营信息发布中心、线网应急处置中心、线网对外协同中心。构建互联互通及跨线运营基础平台，设置线网级行车调度系统和运行图编制工具，对整个线网的运营进行实时监督、计划和组织，并对不同线路间的跨线运营进行协调。各单条线路内的运营组织和信号控制由各线自动列车监控系统 （ATS 系统）自行完成。

智能运输组织可辅助决策。线网级行车调度系统可搭载运输组织辅助决策功能，通过智能车辆和智慧综合监控系统等途径获取车辆客流密度数据；车站站厅、站台及出入口客流量数据等信息可用于自动判断线路运力与客流匹配程度。当预测到突发大客流的情况时，系统可自动提出调整策略和优化建议，生成一条或多条行车运行线路，供调度员选择，辅助调度员进行临时加车、减车、跳停、交路调整等操作。

3.4 智能列车运行

长沙市智慧地铁将逐步采用全自动运行。国内全自动运行线路开通的经验也在不断积累，可以提供丰富的技术参照。全自动运行的关键技术，如列车控制技术、监测系统联动技术、故障处理技术、乘客监督和管理技术、信息显示和诊断辅助等在国内均已有成功应用的案例，并在不断完善之中。信号、车辆、综合监控、通信等系统设备供应情况均具备实现全自动运行的条件；因此，长沙市地铁建设全自动运行系统的条件已经具备，时机已经成熟，可针对相关线路开展全自动运行应用。

智能列车运行还可实现车辆段、停车场自动化管理，构建车辆段调度指挥中心（DCC）综合显示系统、无人区安全防护系统、安全联锁系统、车辆维保管理系统和车辆运用管理系统。

3.5 智能运维系统

智能运维主要目标是实现地铁关键系统和设备的故障自诊断、远程集中监测、检修维护支持、专家系统综合决策、故障预测、健康管理等功能。智能运维系统由各专业系统智能运维系统组成，应从线网级进行规划，按照线网级的车站设备智能运维系统、车辆智能运维系统、信号智能运维系统、供电智能运维系统、轨道智能运维系统和隧道智能运维系统分别建设实施，在此基础上进一步建设智慧地铁综合运维平台。

3.6 智能技术装备

实现智能车辆的重点体现在车辆标准化、统型化，以及车辆综合信息承载网、车辆信息及控制集成平台、车辆运行健康管理系统、客室智能调控系统、司机行为分析及状态分析、客流密度检测系统、轨行区（轨道、限界）障碍物检测装置、虚拟连挂编组技术等方面。

实现智能通信的重点体现在传输技术的智能化，具体表现为基于5G传输的车站智能安检，以及基于5G网络的车辆段/停车场大容量车载视频转储、车站室内定位及导航、列车运行数据和高清视频传输等场景应用。

3.7 智能能源系统

智能能源系统涵盖智能供电和通风空调2大系统。

智慧地铁智能供电系统主要包括新型检测系统及装置（如接触网可视化接地系统、接触网刚性悬挂机器人系统、变电所机器人巡检系统、场段智能单导系统等）、牵引供电智能辅助管理系统、故障预测与健康管理系统（PHM）、变电所综合自动化系统、智能直流照明配电系统等。建设目标是打造全寿命周期节能控制系统，相应关键技术示意图如图4所示。

图4 智能供电系统关键技术路线图

智能通风空调系统以风水联动节能控制系统为核心。风水联动节能控制系统根据车站运营模式、车站环境控制要求、传感器及流量计等输入数据，结合节能控制优化策略和算法，实现对车站空调水系统、通风大系统的智能、节能运行控制。风水联动节能控制系统将风系统和水系统纳入同一控制系统中进行统筹考虑，使制冷站的供冷能力与末端冷量需求相匹配，充分挖掘通风空调系统的节能潜力。

3.8 智能基础设施管理

智能基础设施管理包括构建基础设施建筑信息模型（BIM）智能管理系统、基础设施 BIM 智能运维系统2 大系统[8]。

基础设施BIM智能管理系统主要目标是实现基于BIM的智慧设计[9]、基于BIM的智慧建造[10]、BIM + GIS（地理信息系统）（案例如图5所示）、BIM +进度管理、BIM +成本中心、BIM +物联网、BIM +远程监控和BIM +三维建造智慧验收等应用场景，总体架构如图6所示。

图5 BIM+GIS在长沙地铁2号线西延二期的应用

图6 智能基础设施架构图

基础设施 BIM 智能运维系统主要目标是实现在 BIM 模型基础上对人、机、物（土建结构）进行大数据采集，通过移动互联，进行实现智慧运维。

3.9 智能网络管理

长沙智慧地铁智慧网络管理主要按照智能建设网络管理、智能企业网络管理和智能资源开发管理进行规划。

长沙轨道集团为加强在“工程建设、运营管理、经营管理、企业管理”方面的信息化建设，已于 2018 年开始建设“长沙市轨道交通信息管理系统”，构筑长沙轨道集团信息化体系架构，提供基础设施服务、平台服务、数据服务、应用服务、运维服务和安全服务。

信息化体系建设实体架构[11]由“四横三纵”组成。“四横”为基础设施服务层、平台服务层、数据服务层、应用服务层；“三纵”为能力主体、云管理体系、云保障体系。长沙轨道集团在工程建设、运营管理、经营管理、企业管理等方面进行统筹规划，以达成合理建设、高效工作、精准管理、科学决策的目标，最终实现信息化建设全面涵盖企业业务，有效支撑企业一体化管理。

4 结语

智慧地铁建设可以改善乘客出行体验，提高地铁科技感，同时可为地铁运营提供更为智能的车站客服管控系统、指挥系统和运输组织决策系统，实现列车智能运行，提升运维系统的智能化程度，融入更多的智能技术装备，提高节能效率，提升网络安全管理效果和整体智慧水平。智慧地铁的建设还能实现较为完整的智慧业务体系功能，打造长沙特色的智慧地铁建设标准，更好地指导智慧地铁的建设，实现智能基础设施建设，支持智慧城市的建设。