城市軌道交通智慧車站關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

安文章 AN Wen-zhang；張波② ZHANG Bo；許有俊 XU You-jun；金蓄 JIN Xu

（①內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭 014010；②北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100101；③北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100101）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、北斗、5G等為代表的新一代智能技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，正推動(dòng)人類社會(huì)向智慧時(shí)代邁進(jìn)，在此環(huán)境下，作為“新基建”重點(diǎn)建設(shè)領(lǐng)域之一、城市交通大動(dòng)脈的軌道交通，將新一代智慧技術(shù)引入地鐵，構(gòu)建運(yùn)營(yíng)新模式，打造更加安全可靠、便捷舒適、經(jīng)濟(jì)高效、綠色節(jié)能的地鐵系統(tǒng)已成為發(fā)展共識(shí)，智慧地鐵應(yīng)運(yùn)而生。周茂慶結(jié)合當(dāng)前新技術(shù)的發(fā)展方向，通過綜合運(yùn)管平臺(tái)、乘客服務(wù)、運(yùn)營(yíng)管理和設(shè)備管理四個(gè)方面，提出了智慧車站的總體架構(gòu)；為智慧車站的建設(shè)提供了思路。周勇指出智慧車站的建設(shè)應(yīng)分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層，分別針對(duì)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)層提出了實(shí)現(xiàn)車站智能化的技術(shù)方案。張森以廣州地鐵為工程背景，采用數(shù)據(jù)集成體系的技術(shù)路線打造智慧地鐵體系，提出以“安全、可靠、便捷、精準(zhǔn)、融合、協(xié)同、綠色、持續(xù)”為核心特征的智慧車站建設(shè)理念。陳菁菁以漢中路站智慧車站為試點(diǎn)，采用“互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”技術(shù)，以客運(yùn)管理、設(shè)備管理、人員管理為核心業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了上海軌道交通首個(gè)智慧車站實(shí)踐案例。姜臻祺從系統(tǒng)集成、系統(tǒng)功能和總體架構(gòu)三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了智慧車站的總體架構(gòu)新的思路，為智慧車站的設(shè)計(jì)提供借鑒和指導(dǎo)。江志彬結(jié)合智慧車站的實(shí)際需求，詮釋智慧車站的內(nèi)涵和特征，探索智慧車站的實(shí)踐途徑，提出智慧車站的目標(biāo)。馬偉杰通過對(duì)上海軌道交通10號(hào)線新江灣城站導(dǎo)入車站運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了車站設(shè)備管理、客運(yùn)管理和人員管理智能化。溫少表通過分析智慧車站業(yè)務(wù)需求、技術(shù)難點(diǎn)，提出智慧車站遠(yuǎn)郊車站無人值守模式新思路、新方案。

1 城軌車站面臨的問題及業(yè)務(wù)需求

1.1 面臨的問題

城市軌道交通作為滿足城市居民公共出行的重要手段，近年來飛速發(fā)展，逐漸趨于網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，但也面臨著眾多需求：①運(yùn)營(yíng)安全：地鐵是由人員、設(shè)備、管理和環(huán)境組成的一個(gè)復(fù)合的、多層次的運(yùn)營(yíng)安全系統(tǒng)柜，超大客運(yùn)量常態(tài)化在不斷考驗(yàn)車站總體的安全治理能力。需要考慮如何升級(jí)的數(shù)字化體系，實(shí)現(xiàn)客流態(tài)勢(shì)分析及客流預(yù)測(cè)，支撐態(tài)勢(shì)監(jiān)控、客流預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度指揮等業(yè)務(wù)應(yīng)用，保障運(yùn)營(yíng)秩序及乘客安全。②乘客服務(wù)：在城市化加速、客運(yùn)壓力加大的時(shí)代，城市居民不斷追求更安全、更便捷、更智慧的交通出行方式，以及個(gè)性化服務(wù)和豐富的多元化乘車體驗(yàn)。通過智能語(yǔ)音查詢終端提高乘客出行體驗(yàn)，延伸各類智能客服、室內(nèi)導(dǎo)航、精準(zhǔn)推薦等創(chuàng)新服務(wù)與體驗(yàn)。③運(yùn)維保障：隨著城市軌道交通的飛速發(fā)展和客流量的增加，出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行強(qiáng)度大、維保人員工作量增加、夜間維護(hù)窗口時(shí)間較短等問題，對(duì)當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)設(shè)備維保工作提出了更高的要求與挑戰(zhàn)，由于其超大規(guī)模、車輛數(shù)量激增、運(yùn)營(yíng)時(shí)間延長(zhǎng)、運(yùn)維壓力增大等因素，大量線路長(zhǎng)期的高負(fù)荷運(yùn)行，迫切需要通過新的技術(shù)手段，改進(jìn)運(yùn)營(yíng)管理的水平，提高運(yùn)營(yíng)可用度。

1.2 業(yè)務(wù)需求

①全維可視的需求。通過BIM+GIS的數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)BIM模型的精細(xì)化建模與周邊環(huán)境信息模型的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)、站外的全維可視。②全息感知的需求。狀態(tài)實(shí)時(shí)感知，如各專業(yè)設(shè)備設(shè)施監(jiān)控及運(yùn)行狀態(tài)、應(yīng)急事件發(fā)現(xiàn)等方面，車站感知數(shù)據(jù)的繼承與分析。③全景管控的需求。包括客流管控、智能交互終端、可視化監(jiān)控、綜合看板、資產(chǎn)全周期、設(shè)備智能化、智能節(jié)能、設(shè)備控制、應(yīng)急指揮等，解決人工管控壓力大、效率低等問題。

2 智慧車站總體架構(gòu)

以某市地鐵1號(hào)線線樣板站A站為示范研究應(yīng)用車站，以地鐵車站的“全維可視、全息感知、全景管控”為工作目標(biāo)，打造出基于BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的“智慧地鐵”綜合運(yùn)管平臺(tái)。針對(duì)當(dāng)前智慧地鐵的建設(shè)需求，形成一套BIM模型建設(shè)、運(yùn)行數(shù)據(jù)智能采集的技術(shù)方案和使用工具，搭建基于BIM的綜合運(yùn)管平臺(tái)實(shí)現(xiàn)車站的自動(dòng)運(yùn)行、智能診斷、自主服務(wù)。繼而在后續(xù)城市軌道交通線進(jìn)行推廣應(yīng)用，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智慧車站總體架構(gòu)圖

3 智慧車站關(guān)鍵技術(shù)研究應(yīng)用

借助BIM數(shù)字化技術(shù)，綜合先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)、智能化分析技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)，改造并提升傳統(tǒng)車站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)能級(jí)，激活更多的地鐵信息數(shù)據(jù)連接能力，提升智能地鐵數(shù)據(jù)分析與決策能力、車站設(shè)備管理能力和車站人員管理能力，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)營(yíng)管理模式的變革，擺脫傳統(tǒng)管理模式的束縛，提升車站運(yùn)營(yíng)管理水平。

3.1 全維可視

全維可視，實(shí)現(xiàn)車站站內(nèi)外全維度的實(shí)景可視化，包括車站內(nèi)部的設(shè)施設(shè)備、車站內(nèi)的建筑空間、地面四小件以及周邊的地理環(huán)境。通過竣工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量、實(shí)景拍攝等多種手段搭建車站站內(nèi)外的BIM三維數(shù)字模型，BIM三維數(shù)字模型關(guān)聯(lián)其對(duì)應(yīng)的屬性信息、文檔資料，為站內(nèi)外導(dǎo)航、可視化管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

①智慧車站信息模型（BIM）細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)研究。智慧車站設(shè)施設(shè)備的資產(chǎn)管理和運(yùn)維保障管理對(duì)信息模型的細(xì)度具有不同的要求，需要針對(duì)實(shí)際管理需求對(duì)信息模型的細(xì)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，信息模型細(xì)度包括幾何表達(dá)精度和信息深度兩個(gè)方面。

②智慧車站及周邊地理環(huán)境信息模型構(gòu)建技術(shù)研究。智慧車站需要構(gòu)建的信息模型包括車站站內(nèi)全專業(yè)的設(shè)施設(shè)備、地面四小件（出入口、冷卻塔、風(fēng)亭、垂直電梯）、周邊地理環(huán)境（建（構(gòu)）筑物、交通接駁、商業(yè)商鋪等），根據(jù)模型細(xì)度要求研究采用的建模資料（竣工圖紙、現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量、實(shí)景拍攝等）、建模方法、建模軟件。

③智慧車站基于BIM的可視化空間管理技術(shù)研究。智慧車站的空間管理（設(shè)備房間、管理房間、公共區(qū)域、商鋪、地上公交站、商業(yè)大廈等）滿足站內(nèi)定位導(dǎo)航、站外定位導(dǎo)航，需要研究BIM模型中的如何表達(dá)與管理空間信息。

3.2 全息感知

全息感知，實(shí)現(xiàn)車站人員、設(shè)備、環(huán)境、業(yè)務(wù)管理等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的智能采集、BIM三維數(shù)字模型的可視化集成、智能分析，構(gòu)建實(shí)體車站的數(shù)字孿生。

圖2 設(shè)備精細(xì)化模型

圖3 站內(nèi)可視化模型

①智慧車站感知數(shù)據(jù)分類研究。研究智慧車站需要智能感知的數(shù)據(jù)種類，包括但不限于：機(jī)電、供電、通號(hào)等專業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)；運(yùn)維保障人員作業(yè)數(shù)據(jù)；車站的風(fēng)水電能耗數(shù)據(jù)、車站環(huán)境數(shù)據(jù)等。

②智慧車站感知數(shù)據(jù)采集方法研究。針對(duì)不同種類的數(shù)據(jù)制定采集頻率、采集方法、接口規(guī)格、信息安全保障措施，采集方法包括但不限于：智能移動(dòng)終端、布設(shè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器、生產(chǎn)控制系統(tǒng)接入等。

圖4 冷負(fù)荷統(tǒng)計(jì)分析圖

圖5 數(shù)據(jù)集成圖

3.3 全景管控

全景管控，基于BIM的可視化空間管理、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、節(jié)能分析、智能盤點(diǎn)、人員定位、智能導(dǎo)航等技術(shù)實(shí)現(xiàn)車站級(jí)全景管控，包括：智能交互終端、可視化監(jiān)控、綜合看板、資產(chǎn)全周期、設(shè)備智能化、智能節(jié)能等多維度的管控。①基于BIM的設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究。研究基于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)BIM模型單元技術(shù)，結(jié)合監(jiān)測(cè)指標(biāo)閾值判定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控、故障提醒、可視化定位。通過單擊故障信息，定位到三維模型中，對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型閃爍進(jìn)行預(yù)警。②基于BIM的可視化節(jié)能分析技術(shù)研究。研究車站能耗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)BIM模型單元技術(shù)，采用BIM熱力圖進(jìn)行能耗大數(shù)據(jù)分析，輔助制定能耗策略。③基于BIM的人員作業(yè)精細(xì)化管控技術(shù)研究。研究基于BIM空間的高精度人員定位技術(shù)、移動(dòng)智能巡檢技術(shù)、視頻監(jiān)控集成技術(shù)，在BIM空間中進(jìn)行維保人員維保路線、作業(yè)位置、作業(yè)畫面的實(shí)時(shí)監(jiān)控與軌跡回放，實(shí)現(xiàn)維保作業(yè)的智能化管理。④基于BIM的數(shù)字資產(chǎn)盤點(diǎn)技術(shù)研究。研究在BIM場(chǎng)景中結(jié)合設(shè)備定位技術(shù)，在BIM場(chǎng)景中真實(shí)反映車站資產(chǎn)位置，實(shí)現(xiàn)在智能終端進(jìn)行虛擬盤點(diǎn)，在交付實(shí)體地鐵的同時(shí)，再交付一套數(shù)字化地鐵。⑤基于BIM的智能導(dǎo)航服務(wù)技術(shù)研究。研究智能語(yǔ)音終端，基于車站內(nèi)外BIM場(chǎng)景的三維空間表達(dá)，實(shí)現(xiàn)車站站內(nèi)人性化設(shè)施（電扶梯、出入口、衛(wèi)生間、母嬰室等）以及車站站外周邊環(huán)境的語(yǔ)音查詢與導(dǎo)航，提供清晰的導(dǎo)航路線。

圖6 客流量預(yù)測(cè)

圖7 智能語(yǔ)音視頻交互

圖9 車站環(huán)境監(jiān)控圖

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

圖8 設(shè)施設(shè)備維護(hù)及預(yù)警定位

①打造“智慧地鐵”的落地應(yīng)用。某站在基于智能語(yǔ)音、生物識(shí)別技術(shù)的智能購(gòu)票、語(yǔ)音交互、無感進(jìn)站以及基于5G技術(shù)視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)幕A(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感器、智能終端、生產(chǎn)控制系統(tǒng)對(duì)接首次實(shí)現(xiàn)地鐵車站“全息感知”。②以BIM全維可視為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)地鐵車站數(shù)字孿生。通過搭建車站站內(nèi)外BIM三維數(shù)字化實(shí)現(xiàn)車站全維可視，基于全息感知，進(jìn)行全景管控，實(shí)現(xiàn)地鐵車站的數(shù)字孿生，能夠現(xiàn)實(shí)、真實(shí)、精確、實(shí)時(shí)地反應(yīng)車站狀態(tài)，提高車站的運(yùn)營(yíng)安全、乘客服務(wù)、運(yùn)維保障的管理水平。

4.2 展望

智慧地鐵是地鐵發(fā)展的新方向，也是一種必然趨勢(shì)。BIM技術(shù)的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)智慧地鐵的一條路徑，依托交通接駁系統(tǒng)，可統(tǒng)籌規(guī)劃好軌道交通車站及出入口周邊的多種交通系統(tǒng)，做到同步設(shè)計(jì)、同步建設(shè)、同步使用，相信不久的將來，通過對(duì)BIM技術(shù)與大數(shù)據(jù)、5G、北斗、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有機(jī)的融合，實(shí)現(xiàn)車站的全息感知、全景管控、智能分析、動(dòng)態(tài)處置、主動(dòng)進(jìn)化，打造一個(gè)具有未來感的自主服務(wù)、自動(dòng)化運(yùn)行的無人值守智慧車站，從而打造新一代的智慧地鐵，智慧地鐵的事業(yè)必將枝繁葉茂。