軌道交通機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)智慧融合的實(shí)踐與探索

李劍方

摘 要：由傳統(tǒng)城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)思路所導(dǎo)致的旅客便利性、資源配置、綜合效率、經(jīng)營(yíng)壓力等問(wèn)題亟待解決，以“城市軌道交通+互聯(lián)網(wǎng)”理念搭建起來(lái)的智慧交通體系將成為重要發(fā)展方向。文章結(jié)合東莞軌道交通適應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求和高效運(yùn)營(yíng)需求，積極開(kāi)展城市軌道交通機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)智慧融合探索與實(shí)踐情況，展望智慧地鐵與智慧城市的有機(jī)融合，為軌道交通行業(yè)智慧化運(yùn)營(yíng)提供參考。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化;智慧城市;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TP18;U231.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

城市軌道交通機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)智慧融合發(fā)展，能夠方便旅客出行、優(yōu)化資源配置、提高綜合效率，也是培育交通發(fā)展新動(dòng)能、提升發(fā)展水平的重要方面。近年來(lái)，我國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與交通融合方面取得積極進(jìn)展。特別是基于5G通信時(shí)代的到來(lái)，從互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)，從事物互聯(lián)、事物智能，再到智慧化的實(shí)現(xiàn)，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)模式、維保模式、管理模式變革的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。圍繞著安全可靠、高效節(jié)約、網(wǎng)絡(luò)化的城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，不斷演變、發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化條件下的城市軌道交通智慧運(yùn)營(yíng)與設(shè)備系統(tǒng)的全生命周期管理尤為關(guān)鍵。如何通過(guò)融入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等自動(dòng)化技術(shù)手段，在保障軌道交通系統(tǒng)安全可靠運(yùn)營(yíng)的同時(shí)提高效率和效益，已成為諸多同行廣泛關(guān)注和探索實(shí)踐的方向[1]。

1 城市軌道交通智慧化發(fā)展必要性

1.1 適應(yīng)戰(zhàn)略發(fā)展需求

目前，在全球范圍內(nèi)，“互聯(lián)網(wǎng)+城市”、“智慧城市”的建設(shè)如火如荼。國(guó)家發(fā)展改革委與交通運(yùn)輸部（下稱兩部委）于2016年第一次就智能交通（ITS）發(fā)布總體框架和實(shí)施方案（《推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”便捷交通 促進(jìn)智能交通發(fā)展的實(shí)施方案》），2017年兩部委又聯(lián)合簽署了《全面推進(jìn)智能交通發(fā)展戰(zhàn)略合作協(xié)議》，要求緊密?chē)@國(guó)家智能交通發(fā)展重大目標(biāo)任務(wù)，完善智能交通發(fā)展頂層設(shè)計(jì)，協(xié)同推進(jìn)智能交通發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施，推進(jìn)智能交通創(chuàng)新能力建設(shè)和先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用推廣[2]。2019年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確要求加快基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通，建成智慧城市群。智慧城市所涵蓋的領(lǐng)域范圍遍及城市生活的方方面面，智慧交通是智慧城市的重要構(gòu)成部分，發(fā)展城市軌道交通智慧系統(tǒng)符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略需要。

1.2 適應(yīng)高效運(yùn)營(yíng)需求

城市軌道交通機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括車(chē)站環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）、列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、閉路電視系統(tǒng)（CCTV）、公共廣播、有線和無(wú)線通信系統(tǒng)等[3]。在傳統(tǒng)的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)模式中，上述系統(tǒng)基本采用完全獨(dú)立方式，這種結(jié)構(gòu)加重了全線通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，造成計(jì)算機(jī)硬件和軟件資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。受系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化程度的限制，軌道交通運(yùn)營(yíng)人力成本較大。由于未實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)經(jīng)營(yíng)分析，限制了軌道交通運(yùn)營(yíng)效益的提升。

在智慧化軌道交通系統(tǒng)中，依靠大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器技術(shù)、人工智能等自動(dòng)化與運(yùn)營(yíng)組織深度融合，形成跨專業(yè)、跨系統(tǒng)、跨功能、整合聯(lián)動(dòng)的智慧平臺(tái)。承載智慧運(yùn)行、智慧運(yùn)維、智慧經(jīng)營(yíng)等運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的智慧系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行（無(wú)人駕駛、無(wú)人車(chē)站、無(wú)人段場(chǎng)）和基于降低設(shè)備系統(tǒng)全生命周期管理的狀態(tài)目標(biāo)，不斷提升軌道交通運(yùn)行效率效益和服務(wù)質(zhì)量，滿足運(yùn)營(yíng)高效運(yùn)作及乘客便捷出行需求。

2 探索與實(shí)踐

2.1 運(yùn)營(yíng)智慧系統(tǒng)在2號(hào)線的應(yīng)用

2號(hào)線采用傳統(tǒng)模式進(jìn)行運(yùn)作。列車(chē)運(yùn)行采用基于無(wú)線通信的移動(dòng)閉塞列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC），由列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛，車(chē)站管理與調(diào)度管理方面采用列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC）、CCTV系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)（PSCADA）等進(jìn)行車(chē)站設(shè)備調(diào)度管理。2號(hào)線智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的應(yīng)用主要是在智慧運(yùn)維（資產(chǎn)管理）及智慧車(chē)站（云支付、人臉識(shí)別）方面。

2.1.1 智慧運(yùn)維

2號(hào)線搭建以EAM（設(shè)備資產(chǎn)管理）系統(tǒng)為核心的軌道交通智慧運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)施全面資產(chǎn)一體化管理，管理框架體系如圖1所示。系統(tǒng)按照對(duì)公司資產(chǎn)全面、全生命周期管理要求，建立流程化、標(biāo)準(zhǔn)化的運(yùn)營(yíng)設(shè)備維修維護(hù)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)公司設(shè)備資產(chǎn)及維護(hù)業(yè)務(wù)的規(guī)范化管理。

智慧運(yùn)維平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的資產(chǎn)管理架構(gòu)體系和資產(chǎn)編碼體系，初步建立一體化資產(chǎn)管理功能，即從資產(chǎn)采購(gòu)、資產(chǎn)移交、資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、資產(chǎn)維護(hù)到資產(chǎn)報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)的資產(chǎn)全生命周期管理，達(dá)到保障資產(chǎn)安全、優(yōu)化資產(chǎn)配置、提高資產(chǎn)利用率的目的。

智慧運(yùn)維平臺(tái)打通各信息系統(tǒng)孤島，建立設(shè)備維修維護(hù)管理、物資管理、資產(chǎn)管理、財(cái)務(wù)管理等內(nèi)容的聯(lián)系，建立與基建、運(yùn)營(yíng)管理等系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)交互接口。實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)，如圖2所示。以資產(chǎn)管理系統(tǒng)為核心，保持核心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)唯一性和延續(xù)性，作為資產(chǎn)管理、生產(chǎn)流程的主通道。通過(guò)工單主線串聯(lián)設(shè)備修程、維修作業(yè)、工時(shí)管理及物資管理。

在智慧運(yùn)維平臺(tái)中，資產(chǎn)設(shè)備維護(hù)管理與資產(chǎn)一體化系統(tǒng)中的采購(gòu)模塊、庫(kù)存模塊、施工管理系統(tǒng)、工程項(xiàng)目合同管理系統(tǒng)、財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)（預(yù)算、成本）、以及運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)進(jìn)行有效集成。財(cái)務(wù)管理系統(tǒng)與人力資源系統(tǒng)、運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)、采購(gòu)管理模塊、票務(wù)系統(tǒng)、工程項(xiàng)目合同管理系統(tǒng)、庫(kù)存管理模塊、設(shè)備維修維護(hù)管理模塊、門(mén)戶系統(tǒng)之間存在交互設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的集成將運(yùn)營(yíng)及財(cái)務(wù)等數(shù)據(jù)使用部門(mén)的管理要求前移至資產(chǎn)移交階段，為實(shí)施全面資產(chǎn)一體化管理建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

2.1.2 智慧出行

為提高乘客出行的便利性，地鐵2號(hào)線進(jìn)行了云支付方式及人臉識(shí)別系統(tǒng)試點(diǎn)改造。在全線15個(gè)車(chē)站各增設(shè)云購(gòu)票機(jī)設(shè)備，并在AFC系統(tǒng)上增加TVM二維碼購(gòu)票功能，與現(xiàn)有的自動(dòng)售票機(jī)建立聯(lián)網(wǎng)，支持云購(gòu)票及微信、支付寶、銀聯(lián)等移動(dòng)付款方式掃碼購(gòu)票。并計(jì)劃開(kāi)展二維碼掃碼過(guò)閘功能升級(jí)，通過(guò)在現(xiàn)有閘機(jī)的拓展接口中加裝二維碼掃碼器，升級(jí)后乘客可使用APP中的二維碼掃碼過(guò)閘。同時(shí)，隨著人臉識(shí)別的廣泛應(yīng)用，2號(hào)線車(chē)站正在進(jìn)行人臉識(shí)別系統(tǒng)試點(diǎn)，并將應(yīng)用于智慧安防系統(tǒng)。隨著人臉識(shí)別技術(shù)深入應(yīng)用，以后也將可用于刷臉進(jìn)站等功能。智慧出行系統(tǒng)改造后能夠有效減少設(shè)備現(xiàn)金管理環(huán)節(jié)，節(jié)省人力資源，并減少了乘客購(gòu)票、驗(yàn)票以及接受人工安檢的環(huán)節(jié)，有效提升乘客出行體驗(yàn)。

2.2 1號(hào)線智慧運(yùn)營(yíng)探索

1號(hào)線作為東莞市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的第二條線路，同時(shí)也是東莞市軌道交通第一條將實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的線路，關(guān)系著東莞市軌道交通線網(wǎng)的發(fā)展及整體規(guī)劃。為響應(yīng)城市軌道交通智慧運(yùn)營(yíng)發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)營(yíng)公司按照無(wú)人值守的車(chē)站設(shè)備全自動(dòng)控制（UTO）目標(biāo)，對(duì)1號(hào)線開(kāi)展智慧運(yùn)營(yíng)方面的研究，主要包括智慧行車(chē)、智慧調(diào)度、智慧車(chē)站、智慧段場(chǎng)等幾個(gè)方面。

2.2.1 智慧行車(chē)

1號(hào)線智慧系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)（ISCS）、列車(chē)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、車(chē)輛信息管理系統(tǒng)（TCMS）、列車(chē)車(chē)載控制器（VOBC）等。即在原自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與單一狀態(tài)判斷的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出數(shù)據(jù)融合、基于大系統(tǒng)下的云系統(tǒng)分析、指揮決策功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的無(wú)人駕駛控制，并具有根據(jù)客流數(shù)據(jù)和線路特點(diǎn)智能編圖、靈活調(diào)節(jié)高峰平峰列車(chē)旅行速度、動(dòng)態(tài)調(diào)整列車(chē)進(jìn)出站牽引和制動(dòng)以節(jié)約牽引能耗等特點(diǎn)，列車(chē)控制流程，如圖3所示。

2.2.2 智慧調(diào)度

智慧系統(tǒng)為行車(chē)組織提供運(yùn)行場(chǎng)景全局化、專業(yè)聯(lián)動(dòng)一體化、應(yīng)急處置智能化的調(diào)度系統(tǒng)。智慧調(diào)度系統(tǒng)從單一調(diào)度指揮向聯(lián)合聯(lián)動(dòng)轉(zhuǎn)變，從關(guān)注行車(chē)向關(guān)注客流實(shí)時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)發(fā)現(xiàn)向主動(dòng)預(yù)警轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)基于運(yùn)營(yíng)歷史數(shù)據(jù)設(shè)立突發(fā)客流和故障事件的條件判定機(jī)制，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)，能夠可靠識(shí)別出突發(fā)客流與故障事件，并通過(guò)智能推算得出決策方案以供調(diào)度快速選擇與執(zhí)行;整合多源實(shí)時(shí)客流預(yù)警系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)AFC閘機(jī)出入站人數(shù)、列車(chē)承重、車(chē)站人流量熱力圖等數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)客流情況。通過(guò)車(chē)站各設(shè)備系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)字狀態(tài)量和模擬量的采集，整合關(guān)聯(lián)系統(tǒng)參數(shù)的相關(guān)性，智能判定系統(tǒng)異常參數(shù)可造成的設(shè)備故障及影響。對(duì)于關(guān)鍵性問(wèn)題可靠預(yù)警，提高調(diào)度對(duì)行車(chē)及車(chē)站運(yùn)行狀態(tài)管理的效率。

智慧調(diào)度系統(tǒng)具有“運(yùn)行場(chǎng)景深度學(xué)習(xí)技術(shù)”，以提高系統(tǒng)可用性。通過(guò)對(duì)全自動(dòng)場(chǎng)景的深度學(xué)習(xí)，形成最優(yōu)解決方案?？刂浦行恼{(diào)度人員利用監(jiān)控設(shè)備自動(dòng)監(jiān)控，即時(shí)了解列車(chē)及設(shè)備的運(yùn)行狀況，關(guān)鍵系統(tǒng)之間建立聯(lián)動(dòng)關(guān)系，確保行車(chē)穩(wěn)定。

2.2.3 智慧車(chē)站

1號(hào)線車(chē)站按照無(wú)人值守全自動(dòng)控制目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，車(chē)站配置站務(wù)人員對(duì)車(chē)站設(shè)備及乘客進(jìn)行管理，同時(shí)兼顧故障處理、車(chē)站級(jí)控制指揮、協(xié)助應(yīng)急處理及疏散職責(zé)。在車(chē)站服務(wù)中，原來(lái)司機(jī)及站務(wù)員、售票員、安檢員等工作人員的工作（包括運(yùn)營(yíng)前檢查、開(kāi)關(guān)站、屏蔽門(mén)控制、售票服務(wù)、安全檢查等），均由智慧系統(tǒng)來(lái)完成（如ISCS系統(tǒng)根據(jù)ATS提供的時(shí)刻表，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按照規(guī)定的流程對(duì)車(chē)站實(shí)行自動(dòng)開(kāi)站作業(yè)，并自動(dòng)喚醒車(chē)站的相關(guān)機(jī)電設(shè)備）。在智慧系統(tǒng)控制失敗時(shí)，站務(wù)人員可通過(guò)車(chē)站綜合監(jiān)控工作站及IBP盤(pán)、現(xiàn)場(chǎng)操作等方式進(jìn)行人工處置。在開(kāi)通初期，終點(diǎn)站清客由站務(wù)員來(lái)核實(shí)，后續(xù)逐步過(guò)渡到由乘客調(diào)度通過(guò)視頻監(jiān)控確定是否清客完成。在1號(hào)線智慧系統(tǒng)中，人臉識(shí)別技術(shù)也將應(yīng)用在安全檢查、售檢票、客流統(tǒng)計(jì)等服務(wù)中。

2.2.4 基于SPKS的智慧段場(chǎng)

1號(hào)線智慧段場(chǎng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)出入段場(chǎng)、調(diào)車(chē)、洗車(chē)等作業(yè)自動(dòng)控制，車(chē)輛段及停車(chē)場(chǎng)設(shè)置有人區(qū)和無(wú)人區(qū)，無(wú)人區(qū)使用信號(hào)系統(tǒng)的區(qū)域封鎖開(kāi)關(guān)（SPKS）進(jìn)行防護(hù)，SPKS與信號(hào)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，負(fù)責(zé)每個(gè)區(qū)域內(nèi)庫(kù)門(mén)打開(kāi)和鎖閉的狀態(tài)信息，確保無(wú)人區(qū)列車(chē)運(yùn)行及作業(yè)安全。調(diào)度管理與作業(yè)執(zhí)行可自動(dòng)銜接，實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)指標(biāo)及預(yù)警，調(diào)度人員可通過(guò)系統(tǒng)，為每一運(yùn)營(yíng)服務(wù)行程確定列車(chē)，建立列車(chē)與時(shí)刻表的對(duì)應(yīng)關(guān)系。供電、消防、安防門(mén)禁、廣播、CCTV與車(chē)場(chǎng)作業(yè)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別作業(yè)沖突，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程自動(dòng)記錄和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的自動(dòng)生成等。

3 發(fā)展展望

在5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)及機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新的助力下，未來(lái)的城市軌道交通將向“智慧化、人性化”發(fā)展。東莞地鐵運(yùn)營(yíng)智慧系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展展望可分為兩個(gè)階段：第一階段為智慧地鐵階段，以地鐵運(yùn)營(yíng)為核心，加強(qiáng)自動(dòng)化和信息化前端技術(shù)應(yīng)用，以業(yè)務(wù)融合為抓手，不斷完善地鐵運(yùn)營(yíng)智慧體系，提升運(yùn)營(yíng)效率和效益。第二階段為智慧城市階段，智慧地鐵融入智慧城市系統(tǒng)，以提升市民服務(wù)為中心，進(jìn)一步加大與道路公交、城際軌道等協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，依托智慧城市大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，深入融合，實(shí)現(xiàn)地鐵運(yùn)營(yíng)與城市管理聯(lián)動(dòng);以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為核心，實(shí)現(xiàn)與智慧城市業(yè)務(wù)間協(xié)作聯(lián)動(dòng);以數(shù)據(jù)應(yīng)用為突破，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)能效的提升。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章介紹了城市軌道交通智慧化發(fā)展需求，以及東莞地鐵在軌道交通建設(shè)運(yùn)營(yíng)中對(duì)機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)智慧融合的實(shí)踐和探索研究情況。城市軌道交通運(yùn)營(yíng)智慧系統(tǒng)是一個(gè)涉及多個(gè)學(xué)科和專業(yè)的系統(tǒng)工程，需要進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，在軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃之初即需做好統(tǒng)籌規(guī)劃，建立基礎(chǔ)平臺(tái)。同時(shí)，需要大力推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新，結(jié)合市民體驗(yàn)、用戶需求、技術(shù)升級(jí)，不斷進(jìn)行系統(tǒng)的升級(jí)和更新迭代，以達(dá)到系統(tǒng)的功能、智能、建設(shè)成本的綜合最優(yōu)。及時(shí)推動(dòng)和促進(jìn)城市軌道交通自動(dòng)化升級(jí)換代技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將對(duì)高質(zhì)量的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)起到積極作用

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