上海城市軌道交通引領(lǐng)“十四五”智慧發(fā)展

文/張馨尹、張雷、張立東、張菁博、寧正、歐冬秀、宋鍵

1956年以來(lái)，上海地鐵歷經(jīng)籌備研究、初期建設(shè)、快速成網(wǎng)、持續(xù)發(fā)展四個(gè)階段，地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，客流量持續(xù)增加，已成為我國(guó)城市地鐵建設(shè)與發(fā)展的典范。目前，采用高鐵和城市軌道交通已無(wú)法滿足上海高密度人流量與發(fā)車的需求。例如，網(wǎng)絡(luò)客流量、公交占比、運(yùn)營(yíng)時(shí)間等指標(biāo)在持續(xù)提升，列車運(yùn)行間隔不斷減小。上海迫切需要應(yīng)用城際軌道交通等智能基礎(chǔ)設(shè)施，推進(jìn)交通智慧化“新基建”，協(xié)同城郊、中心城區(qū)乃至整個(gè)長(zhǎng)三角的交通快速化與城市發(fā)展公交化。

上海地鐵仍面臨著一定的挑戰(zhàn)，存在著建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)高度集聚，運(yùn)營(yíng)安全壓力持續(xù)較大，信息安全威脅零容忍等問(wèn)題。以同濟(jì)大學(xué)、上海申通地鐵集團(tuán)有限公司為代表的學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界矢志不渝地解決技術(shù)與業(yè)務(wù)痛點(diǎn)，秉承“管理規(guī)范、推進(jìn)有序、成本可控、資源共享”智慧化治理理念，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全策略為保障，先后采用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，在地鐵的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維保等業(yè)務(wù)中實(shí)時(shí)掌控上海地鐵健康狀態(tài)，探索了一系列技術(shù)與工程創(chuàng)新的試點(diǎn)應(yīng)用。目前，上海地鐵正在研究新一代機(jī)電系統(tǒng)集成云平臺(tái)的可信策略與零信任安全架構(gòu)，期望滿足軌道交通信息化、智能化的應(yīng)用需求，研究工控系統(tǒng)信息安全與功能安全融合的核心技術(shù)，滿足軌道交通工控系統(tǒng)信息安全等級(jí)保護(hù)要求。這也是上海智慧地鐵發(fā)展計(jì)劃中信息安全防護(hù)的核心研究?jī)?nèi)容。

響應(yīng)《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的建設(shè)重點(diǎn)，上海智慧城軌的發(fā)展將高屋建瓴地通過(guò)智能技術(shù)與全領(lǐng)域業(yè)務(wù)層面的聯(lián)動(dòng)融合，推動(dòng)地鐵管理、運(yùn)營(yíng)、治理能力的全方位升級(jí)。上海智慧城軌的發(fā)展圖譜總體呈現(xiàn)一個(gè)地鐵中樞軸（負(fù)責(zé)綜合業(yè)務(wù)狀態(tài)監(jiān)視、綜合決策下達(dá)、跨業(yè)務(wù)綜合決策支持和指標(biāo)評(píng)價(jià)）、一個(gè)地鐵云，三個(gè)智慧領(lǐng)域（實(shí)現(xiàn)智慧建設(shè)、智慧運(yùn)維、智慧服務(wù)）、五層技術(shù)架構(gòu)和N類智能設(shè)備。如圖1所示，在關(guān)鍵技術(shù)上，采用各種人工智能技術(shù)在城市軌道交通各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用，以提升業(yè)務(wù)執(zhí)行的安全和質(zhì)量。在業(yè)務(wù)發(fā)展上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)，一個(gè)業(yè)務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)或執(zhí)行結(jié)果直接觸發(fā)其他業(yè)務(wù)的執(zhí)行或執(zhí)行方式，從而提升業(yè)務(wù)執(zhí)行的效率和效益。上海智慧城軌通過(guò)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新與工程實(shí)踐，以安全、智慧、綠色為目標(biāo)，貫徹落實(shí)乘客服務(wù)、運(yùn)輸組織、能源系統(tǒng)、列車運(yùn)行、技術(shù)裝備、基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)維安全、網(wǎng)絡(luò)管理等方面的智慧發(fā)展，引領(lǐng)全國(guó)軌道交通行業(yè)的安全高質(zhì)建設(shè)與發(fā)展。

圖1 城市軌道交通技術(shù)與業(yè)務(wù)圖譜

智能基礎(chǔ)設(shè)施

上海智慧城軌的建設(shè)充分利用了全生命周期管理的BIM（建筑信息建模）/CIM（城市信息建模）技術(shù)。BIM/CIM技術(shù)能夠提取城市與軌道交通建筑構(gòu)件的幾何與屬性信息，根據(jù)信息數(shù)據(jù)及其模型對(duì)城軌系統(tǒng)做出合理的規(guī)劃，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)技術(shù)把機(jī)器、任務(wù)、結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，提升上海城軌部門的運(yùn)維效率。通過(guò)搭建基于BIM/CIM的智能基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，建立以BIM/CIM模型為核心的智慧城軌基礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字資產(chǎn)移交、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的深度融合。

運(yùn)用BIM/CIM數(shù)據(jù)精化和輕量化，降低對(duì)硬件系統(tǒng)和云平臺(tái)的儲(chǔ)存壓力、與項(xiàng)目管理深度融合、拓展全建設(shè)運(yùn)維過(guò)程的全員操作成本。在圖像視覺(jué)等人工智能技術(shù)的引入后，能夠提前解決城軌線網(wǎng)的各專業(yè)間管線碰撞。同時(shí)，通過(guò)BIM/CIM的工程量復(fù)核，能夠精準(zhǔn)感知與控制原材料、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和治理成本，實(shí)現(xiàn)基于BIM/CIM技術(shù)的城市軌道交通全生命周期信息管理，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)成果，控制施工進(jìn)度，并在運(yùn)維階段BIM/CIM應(yīng)用提高運(yùn)維管理水平。例如，上海地鐵以17號(hào)線為契機(jī)，將BIM/CIM融入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等相關(guān)技術(shù)，開(kāi)展列車狀態(tài)信息智能運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)列車大數(shù)據(jù)的智能采集與處理，形成一個(gè)具有自動(dòng)演進(jìn)功能的閉環(huán)檢修管理的工程應(yīng)用模式。由此可見(jiàn)，以BIM/CIM為技術(shù)基座來(lái)支撐智慧基礎(chǔ)設(shè)施的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，突破了城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展瓶頸，率先實(shí)現(xiàn)上海城市軌道交通的智慧基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與發(fā)展。

智能列車運(yùn)行

智能列車運(yùn)行是衡量城市軌道交通智慧化的技術(shù)標(biāo)桿。近年來(lái)，地鐵列車從完全依賴進(jìn)口的初代直流傳動(dòng)列車，過(guò)渡到第二代交流傳動(dòng)列車；從第三代的國(guó)產(chǎn)節(jié)能綠色環(huán)保列車，進(jìn)化到擁有自主設(shè)計(jì)的第四代標(biāo)準(zhǔn)化全自動(dòng)駕駛智能列車。軌道交通全自動(dòng)駕駛技術(shù)是基于全時(shí)段的軌道交通運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景識(shí)別、系統(tǒng)功能及聯(lián)動(dòng)控制。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)采用高冗余設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)具有可推廣性、高可用性，主備系統(tǒng)均具備ATP（列車自動(dòng)保護(hù)裝置）/ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）功能，且主備系統(tǒng)故障能夠不停車無(wú)縫切換至備用系統(tǒng)，如圖2所示。同時(shí)，需要具備高RAMS（可靠性、可用性、維修性及安全性）要求，即在多維獨(dú)立第三方評(píng)估、運(yùn)營(yíng)無(wú)感在線維護(hù)、多重冗余設(shè)計(jì)、智能高可用等方面具有較高技術(shù)要求。我國(guó)正在自主研發(fā)適用于互聯(lián)互通的全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，上海地鐵列車也在不斷朝著人性化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。

圖2 智能列車技術(shù)發(fā)展路線圖

上海地鐵正在全面實(shí)現(xiàn)更高開(kāi)行密度、更高自主化程度、更強(qiáng)應(yīng)急處置能力、更高冗余度、更全面的安全完整性SIL（安全完整性等級(jí)）指標(biāo)要求。例如，10號(hào)線是全國(guó)首條實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛的地鐵線路，上海地鐵正實(shí)現(xiàn)著再次升級(jí)全自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用，包括自動(dòng)喚醒、自動(dòng)發(fā)車、列車自檢等一系列全自動(dòng)無(wú)人駕駛功能，而運(yùn)營(yíng)質(zhì)量表現(xiàn)均大幅優(yōu)于人工駕駛列車。18號(hào)線是上海首批開(kāi)通即具備最高等級(jí)（GOA4）全自動(dòng)駕駛模式的運(yùn)營(yíng)線路。15號(hào)線同樣采用該最高等級(jí)，列車設(shè)有障礙物探測(cè)功能、脫軌檢測(cè)功能和弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)等功能，使得列車的自我檢測(cè)能力全面提升。14號(hào)線也是如此。在智能列車運(yùn)行方面，上海地鐵發(fā)布了《上海軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行線路運(yùn)營(yíng)策劃》《上海軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景及功能分配》兩份標(biāo)準(zhǔn)文件。同時(shí)，《核心機(jī)電系統(tǒng)（信號(hào)、車輛、綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門）用戶需求書范本》已編制完成，《上海軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)規(guī)范》也正在編制中。這些技術(shù)成就和工程運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，將成為我國(guó)乃至全世界的發(fā)展示范。

智能運(yùn)維安全

為保證城市軌道交通的智能運(yùn)維安全，應(yīng)全面建設(shè)智能運(yùn)維和安全保障體系，提升運(yùn)維智能化和安全運(yùn)行水平。一是建設(shè)車輛、能源、通信、信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)并在全行業(yè)推廣，建立結(jié)合全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)的智能運(yùn)維體系，完成上海地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)行業(yè)示范；二是建設(shè)與智能調(diào)度體系協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)營(yíng)保障系統(tǒng)；三是研發(fā)互聯(lián)互通的智能運(yùn)維分析決策系統(tǒng)；四是構(gòu)建城軌運(yùn)營(yíng)設(shè)備大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)；五是完善智能化巡檢系統(tǒng)；六是優(yōu)化線網(wǎng)級(jí)的綜合協(xié)調(diào)與應(yīng)急指揮系統(tǒng)；七是建立基于BIM/CIM為技術(shù)基座的綜合運(yùn)維監(jiān)管系統(tǒng)。

上海智慧地鐵中的智能運(yùn)維安全旨在實(shí)現(xiàn)各專業(yè)的智慧運(yùn)維，完成上海地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)行業(yè)示范。目前，已構(gòu)建的車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了車輛的智慧運(yùn)維，該平臺(tái)分為車輛運(yùn)維多維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車輛智能運(yùn)維專家系統(tǒng)、運(yùn)維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和平臺(tái)服務(wù)互通系統(tǒng)四大子系統(tǒng)。其中，車輛運(yùn)維多維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是迭代系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、軌旁車輛智能綜合檢測(cè)系統(tǒng)和維修信息管理系統(tǒng)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障遠(yuǎn)程下載，軌旁車輛智能綜合檢測(cè)系統(tǒng)可覆蓋60%以上人工目視檢查作業(yè)，減少38.57%的人工檢查工時(shí)，準(zhǔn)確率達(dá)90%以上。車輛智能運(yùn)維專家系統(tǒng)為新建系統(tǒng)，主要包含車輛知識(shí)庫(kù)模塊、檢修作業(yè)支持模塊、列車服務(wù)評(píng)估模塊，可進(jìn)行故障診斷和數(shù)據(jù)分析。運(yùn)維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為已建系統(tǒng)，主要進(jìn)行主數(shù)據(jù)的管理和車型協(xié)議解析。平臺(tái)服務(wù)互通系統(tǒng)應(yīng)是“智慧化”的集中體現(xiàn)，上海地鐵正在利用全息感知、大數(shù)據(jù)分析、深度挖掘和智能診斷等技術(shù)，構(gòu)建涵蓋集通信信號(hào)設(shè)施設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)感知、綜合監(jiān)視、智能運(yùn)維維修為一體的綜合性工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息安全平臺(tái)。

例如，上海地鐵地面監(jiān)控系統(tǒng)能完成15種車型，296列車的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)獲取，朱家角基地、金橋基地軌旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已完成建設(shè)，點(diǎn)巡檢系統(tǒng)覆蓋日檢作業(yè)，鷹眼系統(tǒng)完成5座基地建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)車輛專業(yè)的全面智能運(yùn)維。信號(hào)5S系統(tǒng)包含CBTC系統(tǒng)、通信信號(hào)機(jī)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、計(jì)軸系統(tǒng)、環(huán)境系統(tǒng)，通號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了41%列控系統(tǒng)、3%行車輔助系統(tǒng)接入，智能模型2637個(gè)，形成“1個(gè)首頁(yè)+4中心”的功能板塊，能夠?qū)崿F(xiàn)安全效率、維修模式、成本效益的顯著提升。

城軌大數(shù)據(jù)與云控平臺(tái)

上海智慧城軌建設(shè)需建設(shè)自主可控、功能完備、技術(shù)領(lǐng)先、安全可靠、可持續(xù)發(fā)展的城軌大數(shù)據(jù)與云控平臺(tái)。這有助于加強(qiáng)城軌的網(wǎng)絡(luò)安全，擴(kuò)大城軌的智能創(chuàng)新應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌業(yè)務(wù)應(yīng)用的統(tǒng)一部署承載和資源動(dòng)態(tài)分配。上海申通地鐵集團(tuán)成立的大數(shù)據(jù)中心在全國(guó)范圍內(nèi)率先搭建了城市軌道交通綜合云平臺(tái)，推出了以高速存儲(chǔ)、高端網(wǎng)絡(luò)、高密服務(wù)器以及下一代防火墻等為核心的城軌云解決方案。

目前，地鐵站臺(tái)站廳實(shí)時(shí)客流量監(jiān)控、地鐵站內(nèi)換乘客流量分析、地鐵精準(zhǔn)清分清算、地鐵進(jìn)出站客流量監(jiān)控等大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)已被廣泛應(yīng)用。城市軌道交通的云控平臺(tái)，應(yīng)需要滿足虛擬化、彈性計(jì)算、高等級(jí)安全等要求，承載安全生產(chǎn)網(wǎng)、內(nèi)部管理網(wǎng)、外部服務(wù)網(wǎng)中的各種業(yè)務(wù)，為客戶提供安全、可靠、智能的云平臺(tái)，如圖3所示。云控平臺(tái)也需要協(xié)調(diào)各控制中心及各運(yùn)營(yíng)主體，實(shí)現(xiàn)信息集中、協(xié)調(diào)指揮、應(yīng)急處理、信息共享及應(yīng)急發(fā)布，為上海城市軌道交通線網(wǎng)的統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)與管理提供支持，為軌道交通線網(wǎng)提供應(yīng)急處理措施。

智慧運(yùn)輸組織與乘客服務(wù)

為實(shí)現(xiàn)上海城市軌道交通運(yùn)能運(yùn)量精準(zhǔn)匹配、線網(wǎng)運(yùn)輸互聯(lián)互通、乘客出行快捷便利的智能化運(yùn)輸組織要求，應(yīng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化智能運(yùn)輸組織體系和線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮中心。一是建造集調(diào)度指揮和應(yīng)急響應(yīng)為一體的線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)調(diào)度（應(yīng)急）指揮中心。上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮中心作為上海軌道交通全線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的指揮中樞，具備路網(wǎng)整體監(jiān)控、集中調(diào)度、運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)、應(yīng)急指揮和輔助決策的功能，能夠精準(zhǔn)滿足運(yùn)量，高效組織管理網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸。二是深化研究綜合交通協(xié)同調(diào)度，以及市區(qū)城軌、市域快軌、城際鐵路“三網(wǎng)”運(yùn)輸功能定位及與鐵路、民航、公交等多種運(yùn)輸方式之間的協(xié)調(diào)銜接。虹橋綜合交通樞紐的建成實(shí)現(xiàn)了鐵路、航空、公路、城市軌道等多種交通方式之間的有效銜接與轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外交通與市內(nèi)交通、區(qū)域交通與市域交通、市域交通與城區(qū)交通等的有機(jī)銜接與高效轉(zhuǎn)換，奠定了“長(zhǎng)三角一體化”的基礎(chǔ)。

圖3 軌道交通云控平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)部署

為提升上海市軌道交通乘客智能化服務(wù)水平，應(yīng)創(chuàng)建完整、可靠的指揮乘客服務(wù)體系。一是提升票務(wù)服務(wù)的智能化水平。上海地鐵完善了自動(dòng)售檢票系統(tǒng)，引入生物特征識(shí)別人臉檢票、掌紋檢票、語(yǔ)音購(gòu)票等新型智能購(gòu)票方式，增加乘客進(jìn)站、出站方式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)掃碼過(guò)閘的全覆蓋，促進(jìn)長(zhǎng)三角公共交通二維碼的互聯(lián)互通，有效提高乘客售檢票和乘車智能化水平。二是提供智慧出行咨詢服務(wù)。上海地鐵利用語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、體感等技術(shù)，引入客服機(jī)器人、交互屏等智能設(shè)備，為乘客提供如車站概況、站內(nèi)設(shè)施、便民服務(wù)、路線推薦、站內(nèi)導(dǎo)航等信息的問(wèn)詢和查閱服務(wù)，提高站內(nèi)乘客服務(wù)質(zhì)量。三是研發(fā)智慧客流管理系統(tǒng)。上海地鐵“一網(wǎng)統(tǒng)管”平臺(tái)通過(guò)視頻分析、數(shù)據(jù)融合測(cè)算出一輛列車上的實(shí)時(shí)客流密度，并主動(dòng)聯(lián)系地鐵工作人員，通過(guò)智慧客流引導(dǎo)系統(tǒng)，預(yù)判大客流，進(jìn)行精準(zhǔn)限流，實(shí)現(xiàn)客流智慧管理。四是研發(fā)智慧車站系統(tǒng)。上海地鐵建設(shè)設(shè)備智能運(yùn)轉(zhuǎn)與人員精準(zhǔn)管控的地鐵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，運(yùn)用綜合監(jiān)控系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛各場(chǎng)景下設(shè)備綜合聯(lián)動(dòng)等智能化目標(biāo)，建設(shè)軌道交通運(yùn)營(yíng)保障智慧平臺(tái)，采用三維可視智能管理平臺(tái)監(jiān)控全場(chǎng)景時(shí)空融合環(huán)境，全方位打造信息化、智能化、安全化的智慧車站。

總結(jié)與展望

隨著我國(guó)軌道交通技術(shù)及其裝備的自主化開(kāi)發(fā)、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)，中國(guó)正在領(lǐng)跑國(guó)際市場(chǎng)。有消息稱，截至2020年底，上海地鐵運(yùn)營(yíng)規(guī)模、車輛保有量雙雙居世界第一。因此，實(shí)時(shí)高效的列車通信技術(shù)，多源大數(shù)據(jù)挖掘分析及處理，以及多信息智能融合的軌道交通各子系統(tǒng)深度集成與全自動(dòng)全生命周期運(yùn)營(yíng)是未來(lái)我國(guó)軌道交通智慧化發(fā)展的內(nèi)在需求與必然趨勢(shì)。

上海城市軌道交通如何引領(lǐng)“十四五”智慧發(fā)展？上海城市軌道交通應(yīng)宏觀地著眼于完善長(zhǎng)三角區(qū)域的綜合交通協(xié)調(diào)發(fā)展體系，率先建立長(zhǎng)三角區(qū)域的交通樞紐分工合作模式，充分配置長(zhǎng)三角一體化帶來(lái)的城市與交通資源要素，為長(zhǎng)三角軌道交通一體化發(fā)展提供技術(shù)、建設(shè)、運(yùn)維和治理的高質(zhì)量保障。