智慧城市軌道交通發(fā)展水平分析*

項(xiàng)英輝，王佳田

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)管理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

0 引言

至2020年底，我國(guó)45個(gè)城市累計(jì)開(kāi)通城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路達(dá)7 978.19km。隨著互聯(lián)網(wǎng)+城市軌道交通的發(fā)展，基于自動(dòng)化、智能化的新技術(shù)與新模式不斷出現(xiàn)，其中全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)、云技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、BIM技術(shù)等助力了智慧城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱智慧城軌)的發(fā)展，北京、上海、深圳等地已在全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)、智慧運(yùn)營(yíng)、智慧維保與移動(dòng)互聯(lián)支付等領(lǐng)域進(jìn)行了多項(xiàng)實(shí)踐創(chuàng)新。智慧城軌建設(shè)與發(fā)展提升了城市軌道交通運(yùn)行效率和管理水平，促進(jìn)安全、高效、舒適客運(yùn)體系的建立。通過(guò)人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)等的結(jié)合，增加了客流量、設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)采集量，更智能的數(shù)據(jù)挖掘和分析預(yù)測(cè)技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與監(jiān)測(cè)效率，提升了行業(yè)服務(wù)能力，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患等問(wèn)題[1]。

現(xiàn)階段，對(duì)智慧城軌發(fā)展的研究主要體現(xiàn)在以下方面：①發(fā)展現(xiàn)狀梳理與分析 劉純潔[1]認(rèn)為智慧交通是智慧城市的重要組成部分，將城市軌道交通與新興技術(shù)相結(jié)合，可更好地提升城市軌道交通行業(yè)智能化發(fā)展，提升社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，支撐智慧城市建設(shè)；中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)[2]提出城市軌道交通行業(yè)信息化建設(shè)步入快速發(fā)展階段，已初具規(guī)模，改變了傳統(tǒng)建設(shè)、服務(wù)和經(jīng)營(yíng)模式，加強(qiáng)了智慧城軌現(xiàn)階段健康有序發(fā)展；汪鳴等[3]認(rèn)為城市軌道交通智慧化發(fā)展已成必然趨勢(shì)，現(xiàn)代化城市發(fā)展應(yīng)借助現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)，尋求更適合自身發(fā)展的智慧方法；②發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究 張唯[4]構(gòu)建了以安全類、服務(wù)類、效率類和效益類為基礎(chǔ)的智慧城軌運(yùn)維指標(biāo)體系；中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)[2]提出了智慧城軌建設(shè)路徑，基于智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運(yùn)行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)維安全、智慧網(wǎng)絡(luò)管理、城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)、中國(guó)智慧城軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，構(gòu)建了智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；黃愉文等[5]基于智慧地鐵樞紐建設(shè)能力和運(yùn)行成效，結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，提出了包含感知體系、運(yùn)營(yíng)決策、應(yīng)急指揮、乘客服務(wù)在內(nèi)的4類評(píng)價(jià)指標(biāo)，為本文評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與案例分析奠定了基礎(chǔ)。

已有研究多從智慧城軌內(nèi)涵出發(fā)，對(duì)智慧城軌發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，但對(duì)發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究較少，未分析量化指標(biāo)，無(wú)法全面動(dòng)態(tài)了解智慧城軌發(fā)展趨勢(shì)。為此，以智慧城軌發(fā)展水平為評(píng)價(jià)主體，以《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中的共性指標(biāo)為基礎(chǔ)，增加促進(jìn)智慧城軌發(fā)展的個(gè)性化指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行案例分析，針對(duì)發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)提出解決對(duì)策與建議，以促進(jìn)智慧城軌高質(zhì)量發(fā)展。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本文以系統(tǒng)性、可采集性、全面性和重點(diǎn)性、簡(jiǎn)明科學(xué)性和動(dòng)態(tài)性為原則，采用文獻(xiàn)研究法、定量與定性分析結(jié)合法構(gòu)建智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[6]，如表1所示。

表1 智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)2017—2020年北京市城市軌道交通數(shù)據(jù)，獲取表1中定性指標(biāo)數(shù)據(jù)，由10名專家組成評(píng)審小組，對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行打分，取平均值作為最終結(jié)果。根據(jù)交通運(yùn)輸部公布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、《北京統(tǒng)計(jì)年鑒》《中國(guó)城市軌道交通年鑒》《城市軌道交通年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告》等獲取表1中定量指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2 評(píng)價(jià)模型

為使研究結(jié)果更具客觀性，采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重[7]，采用TOPSIS法計(jì)算綜合指標(biāo)值，建立基于熵權(quán)-TOPSIS法的智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)模型。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣歸一化處理

假設(shè)有n個(gè)數(shù)據(jù)年份，m個(gè)指標(biāo)，則構(gòu)造決策矩陣為：

X=(Xij)m×n(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(1)

由于指標(biāo)單位具有差異性，因此需進(jìn)行歸一化處理，其中正向指標(biāo)為：

(2)

負(fù)向指標(biāo)為：

(3)

2.2 指標(biāo)權(quán)重的獲取

1)計(jì)算第i年第j個(gè)指標(biāo)占該指標(biāo)的比重：

(4)

2)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)熵值：

(5)

3)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重：

(6)

2.3 TOPSIS法綜合評(píng)價(jià)

1)計(jì)算最終決策標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

V={Vij}m×n={Wj×Xij}m×n

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(7)

2)確定正理想解(最優(yōu)解)V+與負(fù)理想解(最劣解)V-：

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(8)

(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)

(9)

(10)

(11)

4)計(jì)算各年發(fā)展水平與最優(yōu)指標(biāo)矩陣間的貼近度：

(12)

C+越大表明該年智慧城軌發(fā)展水平越高，C+越小則相反。

5)按貼近度進(jìn)行智慧城軌發(fā)展水平排序，根據(jù)李印等[8]的研究成果劃分等級(jí)，如表2所示。

表2 智慧城軌發(fā)展水平等級(jí)劃分

3 案例分析

根據(jù)搜集到的指標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到2017—2020年北京市智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，如表3，4所示。由表3可知，要素層指標(biāo)對(duì)智慧城軌發(fā)展水平影響程度排序?yàn)橹悄芰熊囘\(yùn)行>智能運(yùn)營(yíng)管理>智慧乘客服務(wù)>智能運(yùn)輸組織>智慧網(wǎng)絡(luò)管理>城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

表3 要素層指標(biāo)(一級(jí)指標(biāo))權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表4 指標(biāo)層指標(biāo)(二級(jí)指標(biāo))權(quán)重計(jì)算結(jié)果

計(jì)算得到2017—2020年北京市智慧城軌發(fā)展水平貼近度依次為0.106，0.286，0.519，0.702，可知隨著時(shí)間的增加，貼近度呈平穩(wěn)上升的良好趨勢(shì)，表明智慧城軌正在穩(wěn)步上升發(fā)展。

2020年，北京市智慧城軌發(fā)展水平貼近度為0.702，仍處于中等發(fā)展水平，這是因?yàn)槲覈?guó)智慧城軌發(fā)展目前處于初期階段。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)智慧城軌發(fā)展存在較大的潛力。

2017—2020年北京市智慧乘客服務(wù)發(fā)展水平貼近度依次為0.132，0.366，0.443，0.695，2019年發(fā)展水平增速雖略有減小，但總體呈上升趨勢(shì)，處于中等偏低水平；智能運(yùn)輸組織發(fā)展水平貼近度依次為0.095，0.253，0.516，0.676，發(fā)展水平較低，但總體呈上升趨勢(shì)；智能列車運(yùn)行發(fā)展水平貼近度依次為0.109，0.290，0.587，0.707，發(fā)展水平上升趨勢(shì)明顯，已達(dá)中等水平；智能運(yùn)營(yíng)管理發(fā)展水平貼近度依次為0.101，0.269，0.556，0.724，發(fā)展水平處于平穩(wěn)上升趨勢(shì)，已達(dá)中等水平；智慧網(wǎng)絡(luò)管理發(fā)展水平貼近度依次為0.101，0.269，0.553，0.698，發(fā)展水平總體呈上升趨勢(shì)，處于中等偏低水平；城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)展水平貼近度依次為0.085，0.226，0.481，0.698，發(fā)展水平貼近度較快，上升趨勢(shì)顯著，處于中等偏低水平。

隨著出行總量的持續(xù)增長(zhǎng)，基于城市軌道交通便捷性、準(zhǔn)點(diǎn)性的特點(diǎn)，越來(lái)越多的乘客選擇其作為出行方式，這導(dǎo)致?lián)頂D度增加、舒適度與滿意度降低[9]。因此，我國(guó)交通發(fā)展需求已從“速度、規(guī)模”向“質(zhì)量、舒適”轉(zhuǎn)變，高效便捷、安全可達(dá)已難以滿足出行需要，乘客們更關(guān)注出行舒適度與滿意度。因此，智慧城軌的發(fā)展需在滿足乘客期望的前提下穩(wěn)中求進(jìn)。

我國(guó)城市軌道交通進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化多制式發(fā)展時(shí)代，已有多個(gè)自主化生產(chǎn)系統(tǒng)，在列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、車輛裝備及技術(shù)改造方面取得了新的突破，正由依賴于人工操作向系統(tǒng)平臺(tái)聯(lián)動(dòng)管理轉(zhuǎn)變。但信息化應(yīng)用水平較低，業(yè)務(wù)種類繁多，且內(nèi)部信息分散獨(dú)立，缺乏聯(lián)系，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)管理效率較低，需加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源利用與動(dòng)態(tài)組織協(xié)調(diào)管理能力。

我國(guó)城市軌道交通行業(yè)緊跟新一代信息技術(shù)發(fā)展腳步，整合了5G、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。但受基站建設(shè)成本與周期等影響，新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)無(wú)法完全應(yīng)用于智慧城軌發(fā)展中。城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，已在呼和浩特、武漢進(jìn)行了示范應(yīng)用，發(fā)展水平有待進(jìn)一步提高，需不斷進(jìn)行更新優(yōu)化。

4 對(duì)策與建議

4.1 構(gòu)建精準(zhǔn)感知的網(wǎng)絡(luò)化智能運(yùn)輸組織體系

1)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)調(diào)度與智能客流感知能力，建立實(shí)施客流-車流耦合的動(dòng)態(tài)調(diào)度機(jī)制，進(jìn)行線網(wǎng)運(yùn)力、運(yùn)量和列車協(xié)同優(yōu)化，形成網(wǎng)絡(luò)化韌性運(yùn)行新模式。

2)基于實(shí)時(shí)收集的路網(wǎng)數(shù)據(jù)，建造線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)調(diào)度指揮中心，對(duì)客流數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)化和智能化計(jì)算分析，進(jìn)而開(kāi)展客流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警與態(tài)勢(shì)演變分析，促進(jìn)線網(wǎng)運(yùn)力資源優(yōu)化。

3)完善公共安全突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)優(yōu)化應(yīng)急方案的智能生成與多種交通運(yùn)輸方式的協(xié)同處理，提升運(yùn)輸指揮與應(yīng)急反應(yīng)能力。

4.2 建立集技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與安全保障于一體的基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)體系

1)將5G技術(shù)與智慧城軌需求相匹配，基于智慧城軌復(fù)雜場(chǎng)景建立多個(gè)方案。由于城市軌道業(yè)態(tài)封閉性較高，存在外部信號(hào)難以進(jìn)入及信號(hào)盲區(qū)較多等問(wèn)題，可通過(guò)RIS或小蜂窩技術(shù)擴(kuò)展通信范圍。

2)設(shè)置濾波器帶寬，減少雜散輻射干擾。根據(jù)2G～5G容量需求，城市軌道采取多頻段覆蓋方式，易產(chǎn)生頻段間的相互干涉，濾波器帶寬的設(shè)置可保障終端系統(tǒng)用戶的正常使用。

3)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)，包括安全框架、接入安全、用戶數(shù)據(jù)及用戶身份信息機(jī)密性和完整性保護(hù)，制定場(chǎng)景安全標(biāo)準(zhǔn)，為多樣化的5G應(yīng)用場(chǎng)景提供差異化安全服務(wù)，提升智慧城軌無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全性[10]。

4.3 構(gòu)建信息共享且安全可控的云平臺(tái)

建設(shè)“終端安全可靠、設(shè)備接入可信、平臺(tái)威脅可見(jiàn)、應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)可控”的智慧城軌云平臺(tái)。

1)建立自主化數(shù)據(jù)庫(kù)與共享平臺(tái)，打破數(shù)據(jù)信息孤島，重點(diǎn)解決共享數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)、管理等問(wèn)題。

2)通過(guò)云平臺(tái)對(duì)智慧城軌計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。

3)加強(qiáng)云平臺(tái)安全體系建設(shè)，采用安全智能協(xié)同技術(shù)，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系，保證云平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，發(fā)展智慧城軌已成為必然趨勢(shì)，本文以北京市智慧城軌發(fā)展水平研究為例，得出以下結(jié)論。

1)建立智慧城軌發(fā)展水平評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能列車運(yùn)行、智能運(yùn)營(yíng)管理、智慧網(wǎng)絡(luò)管理、城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)在內(nèi)的 6 個(gè)一級(jí)指標(biāo)和最小發(fā)車間隔、運(yùn)營(yíng)服務(wù)時(shí)長(zhǎng)等在內(nèi)的25個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

2)北京市智慧城軌發(fā)展水平逐年穩(wěn)步提高，2020年發(fā)展水平貼近度為0.702。

3)北京市軌道交通信息化建設(shè)、城市軌道裝備制造業(yè)發(fā)展已初具規(guī)模，智慧城軌發(fā)展存在較大潛力。

4)智能列車運(yùn)行、智能運(yùn)營(yíng)管理與智慧乘客服務(wù)對(duì)智慧城軌發(fā)展水平的影響較大，智能運(yùn)輸組織、智慧網(wǎng)絡(luò)管理和城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)是智慧城軌發(fā)展的重要指標(biāo)，應(yīng)努力實(shí)現(xiàn)智慧城軌“1+1>2”的乘數(shù)效應(yīng)。