智慧城市背景下的智慧地鐵建設(shè)

徐會(huì)照

（青島市地鐵一號(hào)線有限公司，山東 青島 260001）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市建設(shè)面臨著交通擁堵、能耗過(guò)高、環(huán)境污染等問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，大規(guī)模的城市建設(shè)和發(fā)展已經(jīng)全面展開(kāi)，智慧城市成為新的發(fā)展方向。智慧城市主要是利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)，對(duì)城市的各個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化管理，以提高城市的可持續(xù)性和居民的生活質(zhì)量。地鐵是重要的城市交通工具，在此背景下，實(shí)現(xiàn)地鐵智慧化和現(xiàn)代化建設(shè)成為關(guān)鍵。

1 智慧城市概述

智慧城市是一種基于信息技術(shù)和數(shù)字化手段，將城市管理、公共服務(wù)和市民生活緊密結(jié)合的城市發(fā)展模式。近年來(lái)，我國(guó)政府積極推動(dòng)智慧城市建設(shè)，旨在提高城市治理水平、改善市民生活質(zhì)量和推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前，智慧城市發(fā)展迅速崛起，政府、企業(yè)和市民之間的合作關(guān)系越來(lái)越密切。我國(guó)智慧城市的發(fā)展目標(biāo)分為三個(gè)階段：信息化、智能化和可持續(xù)發(fā)展。信息化階段主要是推動(dòng)寬帶網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和應(yīng)用；智能化階段注重提高市民生活水平和城市治理水平，加強(qiáng)公共服務(wù)等領(lǐng)域的智能化建設(shè)；可持續(xù)發(fā)展階段致力于環(huán)境保護(hù)、可再生能源利用等，以實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。

2 智慧地鐵建設(shè)

目前，智慧地鐵建設(shè)已成為我國(guó)城市公共交通系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，其目標(biāo)是提高運(yùn)輸效率、增強(qiáng)安全性和改善乘客體驗(yàn)。智慧地鐵建設(shè)需要借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵系統(tǒng)的全面優(yōu)化升級(jí)。

第一，智能調(diào)度。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)，智能調(diào)度系統(tǒng)可以根據(jù)乘客流量、列車運(yùn)行狀況等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整列車發(fā)車間隔，提高運(yùn)輸效率和運(yùn)力。第二，乘客信息服務(wù)。利用大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，為乘客提供實(shí)時(shí)的出行建議、換乘指導(dǎo)、到站預(yù)測(cè)等信息，以提高乘客的出行體驗(yàn)。第三，安全監(jiān)控。通過(guò)部署各類傳感器和攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵車站、列車等設(shè)施的運(yùn)行狀況和安全狀態(tài)，便于及時(shí)采取措施以進(jìn)行預(yù)防和應(yīng)急處理。第四，能源管理。利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵系統(tǒng)能源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化調(diào)度，降低能耗，提高能源利用效率。第五，智能票務(wù)。采用移動(dòng)支付、二維碼識(shí)別、刷臉支付等技術(shù)，簡(jiǎn)化乘客購(gòu)票、進(jìn)出站等環(huán)節(jié)，提升乘客體驗(yàn)。第六，無(wú)障礙服務(wù)。通過(guò)語(yǔ)音導(dǎo)航、盲文標(biāo)識(shí)、無(wú)障礙設(shè)施等措施，確保殘疾人等特殊人群能夠方便地享受地鐵服務(wù)。

3 基于智慧城市的智慧地鐵建設(shè)意義

3.1 提高城市交通效率，緩解擁堵問(wèn)題

智慧地鐵建設(shè)能夠有效提高城市公共交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率，緩解道路擁堵壓力。通過(guò)智能調(diào)度系統(tǒng)，地鐵運(yùn)營(yíng)方可以實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行狀況，根據(jù)實(shí)際乘客流量動(dòng)態(tài)調(diào)整列車發(fā)車間隔，調(diào)劑運(yùn)力配置，提高綜合運(yùn)力。此外，智能地鐵線路規(guī)劃和換乘指導(dǎo)等服務(wù)可以為乘客提供最佳出行方案，縮短換乘時(shí)間，提高出行效率。從宏觀層面看，智慧地鐵有助于引導(dǎo)市民選擇綠色、環(huán)保的公共交通方式，減少私家車出行，減少道路擁堵現(xiàn)象，提高城市交通效率。

3.2 滿足民眾多樣化出行需求，提高生活品質(zhì)

智慧地鐵建設(shè)緊密貼合民眾的出行需求，通過(guò)提供個(gè)性化、便捷的服務(wù)，大幅度提高乘客的出行體驗(yàn)。例如，通過(guò)實(shí)時(shí)列車位置信息、到站預(yù)測(cè)等功能，乘客可以提前規(guī)劃出行時(shí)間，避免在車站等待。智能票務(wù)系統(tǒng)，如移動(dòng)支付、二維碼識(shí)別、刷臉支付等技術(shù)，為乘客提供便捷的購(gòu)票、進(jìn)出站等服務(wù)，節(jié)省時(shí)間，提高乘客滿意度。此外，針對(duì)老人、殘疾人等特殊人群，智慧地鐵能夠提供無(wú)障礙服務(wù)，如語(yǔ)音導(dǎo)航、盲文標(biāo)識(shí)等，確保其能夠方便地使用地鐵服務(wù)。綜合來(lái)看，智慧地鐵能夠滿足民眾多樣化的出行需求，有效提高城市居民的生活品質(zhì)[1]。

3.3 推動(dòng)城市可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色出行

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設(shè)有助于推動(dòng)城市的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色出行。地鐵作為一種低碳、環(huán)保的公共交通方式，能夠有效降低城市交通對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。智慧地鐵通過(guò)精細(xì)化能源管理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化調(diào)度，降低能耗，提高能源利用效率。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，智慧地鐵有助于引導(dǎo)市民養(yǎng)成綠色出行習(xí)慣，助力城市實(shí)現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

4 基于智慧城市的智慧地鐵建設(shè)措施

4.1 建設(shè)智能交通指揮系統(tǒng)

在智慧城市背景下，智慧地鐵建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的工程。其中關(guān)鍵的一步是建設(shè)智能交通指揮系統(tǒng)，利用最新的信息技術(shù)、通信技術(shù)以及交通管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。以下是智能交通指揮系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵步驟：

4.1.1 設(shè)計(jì)高精度的地鐵線路規(guī)劃系統(tǒng)

利用GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析，創(chuàng)建智能的地鐵線路規(guī)劃系統(tǒng)。例如，可以使用600mm 精度的高分辨率衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)，結(jié)合城市建筑物道路信息，計(jì)算出最佳的地鐵線路規(guī)劃方案。在規(guī)劃過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)考慮城市人口分布、交通需求、地質(zhì)條件和環(huán)保要求等多種因素。

4.1.2 構(gòu)建實(shí)時(shí)地鐵運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)

利用傳感器、無(wú)線通信技術(shù)和云計(jì)算，打造出實(shí)時(shí)地鐵運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。例如，在每列地鐵上安裝用于檢測(cè)速度、位置、環(huán)境條件等信息的傳感器，如基于MEMS 技術(shù)的3 軸加速度計(jì)，其精度可達(dá)到±0.01g，且尺寸小，如LIS3DH 模型的尺寸僅為3×3×1（mm）。此外，可以在地鐵線路上安裝RFID（無(wú)線頻率識(shí)別）標(biāo)簽，配合車載RFID 讀取器（如Alien Technology 的Higgs-3 型號(hào)，工作頻率為860～960MHz）實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵位置實(shí)時(shí)的跟蹤[2]。

4.1.3 建立智能地鐵運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)

通過(guò)AI 和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立智能地鐵運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠根據(jù)地鐵的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況、乘客需求情況等，自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)運(yùn)行和調(diào)度方案。例如，通過(guò)分析地鐵運(yùn)行數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)在接下來(lái)的一小時(shí)內(nèi)每個(gè)站臺(tái)的乘客流量情況，然后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，自動(dòng)調(diào)整地鐵運(yùn)行頻率和速度，最大限度地提高運(yùn)輸效率和乘客滿意度。

4.2 自動(dòng)售檢票與無(wú)人駕駛地鐵列車

4.2.1 自動(dòng)售檢票機(jī)

結(jié)合智慧城市建設(shè)背景，在智慧地鐵建設(shè)中需應(yīng)用自動(dòng)售檢票技術(shù)打造自動(dòng)售檢票機(jī)，為乘客提供更加便捷的購(gòu)票和進(jìn)出站體驗(yàn)，同時(shí)有效提高運(yùn)營(yíng)效率和安全性。第一，自動(dòng)售票機(jī)應(yīng)具備高效的用戶交互能力和數(shù)據(jù)處理能力，利用人工智能技術(shù)，通過(guò)觸摸屏、語(yǔ)音交互等方式，為乘客提供便捷的購(gòu)票服務(wù)。第二，自動(dòng)檢票閘機(jī)應(yīng)具備高精度的票卡識(shí)別能力和乘客檢測(cè)能力。例如，使用NXP 的MIFARE 系列RFID 讀 取 器 芯 片（如MFRC522，工 作 頻 率 為13.56MHz），配合RFID 票卡，實(shí)現(xiàn)快速的票卡識(shí)別。同時(shí)，檢票閘機(jī)可以安裝高精度的紅外傳感器和攝像頭，用于檢測(cè)和記錄乘客的進(jìn)出站情況。當(dāng)前，采用的“一卡通”手機(jī)掃碼進(jìn)站—上車—乘車—下車—掃碼出站的方式即為一個(gè)很好的解決方案。

4.2.2 無(wú)人駕駛地鐵列車技術(shù)

無(wú)人駕駛列車的自動(dòng)化運(yùn)行控制系統(tǒng)需能根據(jù)預(yù)設(shè)的運(yùn)行計(jì)劃，自動(dòng)控制列車的起停、速度調(diào)整、門的開(kāi)閉等。例如，可以使用基于ARM Cortex-M7 核心的微控制器（如STM32F767，工作頻率達(dá)到216 MHz），實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)行控制[3]。無(wú)人駕駛列車還需裝備一系列的傳感器，用于監(jiān)測(cè)列車的運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境情況。例如，可以使用基于MEMS 技術(shù)的六軸慣性測(cè)量單元（如Bosch Sensortec 的BMI088，精度可達(dá)到±0.01g），監(jiān)測(cè)列車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；使用激光雷達(dá)或者攝像頭，監(jiān)測(cè)列車前方的障礙物和站臺(tái)情況。此外，無(wú)人駕駛列車還需具備穩(wěn)定的通信能力，方便實(shí)時(shí)與調(diào)度中心和其他列車進(jìn)行信息交換。例如，可以使用基于4G/5G 通信技術(shù)的車載通信模塊（如Quectel 的AG550Q，支持5G NR/LTE-FDD/LTE-TDD/HSPA+通信），實(shí)現(xiàn)高速的無(wú)線通信。

4.3 智能能源管理與節(jié)能措施

4.3.1 智能能源管理

智能能源管理系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)部分：

第一，能源監(jiān)控設(shè)備。在地鐵車輛和設(shè)施上安裝電能表和其他能源監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)采集能源消耗數(shù)據(jù)。比如，使用如Schneider Electric 的PM8000 系列電能表（精度達(dá)到±0.2%），實(shí)現(xiàn)高精度的電能監(jiān)測(cè)。

第二，數(shù)據(jù)收集和傳輸設(shè)備。使用基于4G/5G 通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，將采集到的能源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心[4]。

第三，數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化系統(tǒng)。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對(duì)收集到的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

4.3.2 節(jié)能管理措施

第一，優(yōu)化運(yùn)行策略。例如，地鐵可以根據(jù)乘客流量的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整運(yùn)行頻率和速度，以減少能源消耗。此外，地鐵在非高峰時(shí)段，可以采用節(jié)能模式運(yùn)行，如減少空調(diào)的運(yùn)行，降低照明的亮度等。

第二，使用高效的設(shè)備和材料。例如，地鐵車輛可以使用高效的電機(jī)和變頻器，以降低能源消耗。車輛的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮到能源效率，如使用輕質(zhì)材料、優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等。地鐵站點(diǎn)和設(shè)施也可以使用LED 照明、太陽(yáng)能供電等節(jié)能技術(shù)。

第三，能源回收利用。在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)能源回收技術(shù)，將部分能源回收利用。例如，當(dāng)?shù)罔F列車制動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)能源回收系統(tǒng)，將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能存儲(chǔ)起來(lái)，供其他設(shè)備使用[5]。

4.4 乘客出行信息服務(wù)平臺(tái)

4.4.1 構(gòu)建實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)

憑借傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信和云計(jì)算技術(shù)，可基于智慧城市背景，建設(shè)出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息發(fā)布系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集地鐵運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括列車的運(yùn)行狀態(tài)、位置、速度等，并將這些信息發(fā)布到乘客出行信息服務(wù)平臺(tái)上。例如，列車可以裝配具有GPS 定位功能的通信模塊，如Telit 的LE910C1-NF 模塊（支持LTE Cat 1 和EGPRS 通信），用以獲取列車的實(shí)時(shí)位置信息。

4.4.2 建立智能行程規(guī)劃和推薦系統(tǒng)

通過(guò)人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，構(gòu)建出智慧地鐵行程規(guī)劃和推薦系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)乘客的出行需求和實(shí)時(shí)的地鐵運(yùn)行情況，為乘客提供最優(yōu)的出行路線和時(shí)間建議。例如，系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)在接下來(lái)的一小時(shí)內(nèi)，每個(gè)站臺(tái)的乘客流量情況，然后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，為乘客推薦最佳的出行時(shí)間和路線。

4.4.3 發(fā)展多渠道的信息服務(wù)模式

為了讓更多的乘客能方便地獲取出行信息，需發(fā)展多渠道的信息服務(wù)模式。例如，除了在地鐵站內(nèi)設(shè)置信息顯示屏和自助查詢機(jī)外，還可以開(kāi)發(fā)手機(jī)APP和網(wǎng)頁(yè)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)為乘客提供信息服務(wù)。例如，可以在華為、小米等主流手機(jī)平臺(tái)上發(fā)布乘客出行信息服務(wù)APP，使乘客能夠在手機(jī)上隨時(shí)查看地鐵運(yùn)行情況和獲取出行建議。

4.4.4 引入個(gè)性化的信息服務(wù)

通過(guò)用戶行為分析和個(gè)性化推薦技術(shù)，在此合理運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)，為每個(gè)乘客提供個(gè)性化的出行信息服務(wù)。例如，服務(wù)平臺(tái)可以根據(jù)乘客的出行習(xí)慣和喜好，提供個(gè)性化的出行建議和服務(wù)，如定制的行程提醒、個(gè)性化的站點(diǎn)推薦等。

4.5 實(shí)施安全監(jiān)測(cè)與緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)

智慧地鐵建設(shè)必須注重安全監(jiān)測(cè)與緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的建設(shè)，以確保地鐵運(yùn)行的安全與穩(wěn)定，及時(shí)應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種緊急情況。以下是在智慧城市背景下實(shí)施安全監(jiān)測(cè)與緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的一些關(guān)鍵措施：

4.5.1 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

對(duì)于地鐵運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控至關(guān)重要，可以實(shí)時(shí)了解地鐵的運(yùn)行狀態(tài)和安全狀況。例如，在智慧地鐵建設(shè)過(guò)程中，可安裝各種傳感器和監(jiān)控設(shè)備，如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、攝像頭等，用于監(jiān)測(cè)地鐵的運(yùn)行狀態(tài)和車輛設(shè)備的工作狀態(tài)。

4.5.2 數(shù)據(jù)分析和預(yù)警系統(tǒng)

通過(guò)AI 和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)收集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和預(yù)警。例如，系統(tǒng)可以識(shí)別異常的溫度或振動(dòng)信號(hào)，預(yù)警設(shè)備可能出現(xiàn)的故障。此外，AI 技術(shù)也可以用于分析攝像頭采集到的圖像，識(shí)別可能的安全風(fēng)險(xiǎn)，如車廂內(nèi)的異常行為、站臺(tái)的擁擠情況等。

4.5.3 緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)

當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)時(shí)，緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)需要能夠快速地作出響應(yīng)，以最小化可能造成的損失。例如，當(dāng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能出現(xiàn)故障時(shí)，緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可以立即通知維修人員進(jìn)行檢修；當(dāng)發(fā)現(xiàn)車廂或站臺(tái)內(nèi)有異常情況時(shí)，緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)可以立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，如緊急制動(dòng)、疏散乘客等。此外，緊急應(yīng)對(duì)系統(tǒng)還需要有與警方、消防等應(yīng)急部門的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，以便在發(fā)生重大安全事件時(shí)，能夠及時(shí)得到支援。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧地鐵是智慧城市的重要組成部分，通過(guò)科技的力量，可有效提升城市地鐵運(yùn)行效率，降低能源消耗，提供更優(yōu)質(zhì)的乘客服務(wù)及更強(qiáng)大的安全保障。然而，智慧地鐵的建設(shè)并非一蹴而就，需要不斷探索、嘗試和優(yōu)化。同時(shí)，需要政策的引導(dǎo)和支持，以及社會(huì)各方的積極參與，逐步將智慧地鐵打造為城市新名片。