智慧城市軌道交通系統(tǒng)架構研究*

梁 瑜 何世偉 宋 瑞 郝思嘉

(1.中車工業(yè)研究院有限公司，100160，北京；2.北京交通大學綜合交通運輸大運輸數據應用技術交通運輸行業(yè)重點實驗室，100044，北京∥第一作者，高級工程師)

互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展催生了諸多新理念、新應用。基于“智慧地球”“智慧城市”[1]的發(fā)展理念，智慧城市軌道交通成為當前軌道交通領域的發(fā)展熱點和趨勢。文獻[2-4]將智慧城市軌道交通的內涵概括為更立體的感知、更深入的智能和更全面的互聯互通。

智慧城市軌道交通系統(tǒng)是由列車運行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、乘客資訊系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)構成的典型復雜系統(tǒng)。大量列車運行及乘客出行等時空數據信息在子系統(tǒng)中產生并在各子系統(tǒng)間傳輸。如何集成系統(tǒng)信息資源并對信息進行監(jiān)控、分析和處理，從而協調各子系統(tǒng)的有序運行，保障城市軌道交通系統(tǒng)的安全、可靠、高效的運營，為用戶提供智慧化服務是運營管理者面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此,需要基于子系統(tǒng)和需求特征建立一個廣泛適用的、可操作的、靈活的體系架構。

我國軌道交通起步較晚，有關智能化或智慧化系統(tǒng)架構研究較少。文獻[5]將智慧軌道交通系統(tǒng)劃分為智慧管理、決策與智慧系統(tǒng)，智慧軌道交通全聯網，軌道交通智能物理基礎設施三層，但并未研究系統(tǒng)內數據流向。文獻[6]分析了交通大數據內涵并建立了大數據驅動的智能交通系統(tǒng)的體系框架。文獻[7]從全球視角論述了智能交通的發(fā)展過程。文獻[8]指出智慧交通是交通管理發(fā)展的第四階段，并論述了智慧交通的定義和構成。國外的運輸系統(tǒng)架構體系相關研究多集中于鐵路運輸系統(tǒng)。歐洲為實現全歐洲范圍內的互聯互通，于1989年開始開展歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)(ERTMS)的項目研究[9]。日本于2000年提出CyberRail系統(tǒng)體系旨在提供實時的聯運旅客信息服務和實現實時的智能列車控制[10]。中國鐵道科學研究院集團有限公司也于2003年啟動中國鐵路運輸系統(tǒng)標準體系項目，建立RITS(Railway Intelligent Transportation System)體系框架[11]。由于鐵路運輸系統(tǒng)和城市軌道交通系統(tǒng)在運行服務及車輛信號等方面存在較大的差異，不能完全照搬，因此本文圍繞城市軌道交通“智慧”這一主題建立城市軌道交通系統(tǒng)體系架構。

1 智慧城市軌道交通服務需求

1.1 需求主體

智慧城市軌道交通系統(tǒng)的用戶主體可分為內部用戶和外部用戶兩大類(如表1所示)。內部用戶為內部管理部門，需要共享信息、進行決策管理。外部用戶主要為乘客、系統(tǒng)設備服務供應商及其他交通方式的管理部門。智慧城市軌道交通系統(tǒng)的服務主體見表2。

表1 智慧城市軌道交通系統(tǒng)的用戶主體表

服務主體分為七大類，詳見表2服務主體表。

表2 智慧城市軌道交通系統(tǒng)的服務主體表

1.2 用戶需求

1.2.1 外部用戶需求

乘客在出行前可通過客戶端使用預約服務，獲知車站服務公告、線網實時擁擠度示意圖、實時客流控制信息、運營結束時間等日常運營信息，在乘車過程中能了解車速、到站時間等車輛運行情況信息，并能在旅途中享受個性化服務。

供應商、信息服務商及合作伙伴等其他外部用戶的需求主要是設備狀態(tài)信息顯示。

1.2.2 內部用戶需求

內部集成的需求：城市軌道交通各子系統(tǒng)應集成在統(tǒng)一平臺上進行綜合監(jiān)控，實時監(jiān)測軌道交通網絡情況，方便運營維保管理工作，使得智慧城市軌道交通系統(tǒng)的操作可視化、透明化。

數據信息傳輸與共享的需求：既能實現建設期及運營期等不同時期信息的銜接處理，又能滿足列車運行智能控制的要求。由于城市軌道交通系統(tǒng)列車運行高度依賴于信號及通信，故列車運行信息需實現快速采集，并在列車和調度管理等部門間高效傳輸，以作為列車控制及應急救援等的依據。

2 智慧城市軌道交通系統(tǒng)功能

值得指出的是，“智慧”理念不同于“智能”。就整個智慧城市軌道交通系統(tǒng)而言，智能化主要是以車輛及信號等專業(yè)為主的設備智能，是智慧城市軌道交通系統(tǒng)的基礎層面。為了實現與乘客更好地交互，智慧城市軌道交通系統(tǒng)還需要能夠對各種信息進行處理并反饋，具有誘導及決策功能，提供個性化服務。這是管理層面的智慧。

智慧城市軌道交通系統(tǒng)功能的層次劃分如圖1所示。

注：AR——增強顯示；BIM——建筑信息模型；ETL——數據倉庫技術；EBS——企業(yè)服務總線；MQ——消息隊列；GIS——地理信息系統(tǒng)；4G——第四代通信技術；AI——人工智能。

第一層為基礎設施和技術層，其功能是實現對于軌道交通信息的感知與采集，以及對數據的處理。隨著網絡技術及可視化技術的進步，城市軌道系統(tǒng)的綜合感知力得到提升。

第二層為公共信息平臺層。其功能是整合基礎設施和技術層等各部分得到的分散數據。該層通過與城市公共信息平臺的對接，支撐起融合應用層，成為交互展示層信息融合、發(fā)布的平臺。

第三層為能力支撐層，與公共信息平臺層屬于同一層次，依靠一系列軟件，實現城市軌道交通系統(tǒng)所需的功能，為融合應用層和交互展示層提供支撐。

第四層為融合應用層，通過對下層收集信息的高度整合與分析，完成智慧城市軌道交通系統(tǒng)的配置優(yōu)化。

第五層為交互展示層，利用可視化技術及交互技術，將所處理的信息通過各種形式，清晰地展示給用戶。

3 智慧城市軌道交通系統(tǒng)架構

借鑒國內外相關經驗，采用面向過程的方法，建立智慧城市軌道交通系統(tǒng)架構。從數據流的角度來刻畫系統(tǒng)功能，用自上而下、逐步分解的方法對智慧城市軌道交通系統(tǒng)進行結構化分析，設計出與各類用戶服務相應的、一系列結構相互獨立、功能單一的功能模塊。智慧城市軌道交通體系框架主要由服務框架、邏輯框架、物理框架和通用技術平臺等部分組成。

3.1 服務框架

基于需求分析，以高效、可靠、安全為目標，從用戶導航、運營管理、綜合運輸、資源管理4個方面將智慧軌道交通系統(tǒng)劃分為7個服務子系統(tǒng)。具體服務框架如圖2所示。智慧軌道交通系統(tǒng)的服務框架確定了滿足用戶需求所需的各類服務，是構建邏輯框架和物理框架的基礎。

圖2 智慧城市軌道交通服務框架

3.2 邏輯框架

智慧軌道交通系統(tǒng)的邏輯框架如圖3所示，其是從邏輯角度來描述其內部結構的，針對服務框架確定的各類用戶服務，從內部對輸入數據流、輸出數據流及處理過程進行結構性組織。

圖3 智慧城市軌道交通系統(tǒng)的邏輯框架

智慧化用戶導航系統(tǒng)包括旅客出行鏈上的全程導航服務功能?？瓦\電子商務系統(tǒng)包括客運電子商務、電子商務平臺功能。城市軌道交通互聯互通系統(tǒng)包括多模式基礎運輸數據共享、多種交通運輸方式的互聯互通決策功能。智能化緊急救援與安全系統(tǒng)包括緊急事件救援、行車安全及維修決策支持、城市軌道交通綜合防災以及平交道口安全監(jiān)控等功能。智能化城市軌道交通資源管理系統(tǒng)具有軌道交通運輸資源管理、運輸資源維修管理及財務資產管理功能。智能化運營管理系統(tǒng)具有客運管理、票務管理及智能化列車運行管理等功能。智能化行車控制與調度系統(tǒng)具有智能列車控制、綜合調度控制及車站控制等功能。

3.3 物理框架

物理框架將邏輯框架中所定義的各類功能模塊及數據流進行整合，進而定義能實現各類功能的物理子系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間交互的框架，以及子系統(tǒng)間關系。

智慧城市軌道交通系統(tǒng)利用現代化智能設備代替人工操作，根據信息的傳輸和反饋進行列車運行組織和客流組織。所有自動化設備均由中央監(jiān)控系統(tǒng)管理。具體物理框架如圖4所示。

圖4 智慧城市軌道交通物理框架

3.4 通用技術平臺

3.4.1 數據來源

智慧城市軌道交通系統(tǒng)的運作依賴于其系統(tǒng)內數據信息的高效傳輸，故需建立通用技術平臺以實現海量信息的處理和共享。數據來源見圖5所示。

圖5 智慧城市軌道交通通用技術平臺數據來源

3.4.2 技術平臺

基于信息流的流向，通用技術平臺劃分為數據接入層、內部結構層和應用服務層，如圖6所示。數據接入層提取現有業(yè)務系統(tǒng)中的共享信息資源、運營實時信息，以及其他運輸模式及機構的相關信息，并傳送到內部結構層；然后，內部結構層對原始數據進行規(guī)格化處理后存儲，并發(fā)送到綜合信息中心平臺。應用服務層采用數據挖掘、智能決策等技術為用戶提供信息及決策服務。用戶通過應用服務層從內部結構層提取數據。

注：GSM-R為數字移動通信系統(tǒng)；IP為國際互連協議;LTE-R為軌道交通長期演進技術。

3.4.3 前沿技術

1)人工智能技術：包括大數據技術、計算機視覺技術、語音技術等，能夠對城市軌道交通海量信息進行處理，探索人工系統(tǒng)運行規(guī)律，實現機器對人類的意識及思維過程的簡單模擬，使智慧軌道交通系統(tǒng)具有自主決策能力。

2)建筑信息化模型：能實現對計量數據、虛擬三維實景、圖形和非圖形信息的整合處理，將城市軌道交通工程地理位置等內容進行模型化三維處理。在城市軌道交通工程項目維護業(yè)務的信息化運作中，BIM發(fā)揮了巨大的作用。

3)5G(第五代移動通信)技術：5G的數據傳輸速度很高，不僅方便視頻的實時調看，實現系統(tǒng)的快捷監(jiān)控，還能完成列車設備監(jiān)測數據的自動高效傳輸，進而實現設備健康管理和狀態(tài)及時分析。

4)新一代信息技術還包括物聯網、云計算、邊緣計算、視頻圖像分析及信息融合等技術。網絡互聯的移動化和泛在化、信息處理的集中化和大數據化、信息服務的智能化和個性化，都將驅動城市軌道交通的智慧化發(fā)展。

4 結語

本文分析了智慧城市軌道交通系統(tǒng)的需求和功能，并采用面向過程的方法建立了整體體系架構。服務框架、邏輯框架、物理框架的搭建梳理了智慧城市軌道交通系統(tǒng)的服務領域，體現了內部信息在各子系統(tǒng)間的流向。通用技術平臺使得智慧城市軌道交通系統(tǒng)管理更加一體化和集成化。智慧城市軌道交通系統(tǒng)架構研究有助于提高其子系統(tǒng)協同運行效率，提供面向用戶個性化需求的智慧化服務。