長(zhǎng)沙智慧地鐵規(guī)劃研究

凌景文

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

1 研究背景

2019年，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[1]，要求大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合；推進(jìn)數(shù)據(jù)資源賦能交通發(fā)展，加速交通基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)、運(yùn)輸服務(wù)網(wǎng)、能源網(wǎng)與信息網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展，構(gòu)建泛在先進(jìn)的交通信息基礎(chǔ)設(shè)施；構(gòu)建綜合交通大數(shù)據(jù)中心體系，深化交通公共服務(wù)和電子政務(wù)發(fā)展。

2020年3月，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“中城協(xié)”）發(fā)布《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[2]，指出智慧城軌建設(shè)的重要性。實(shí)現(xiàn)智慧城軌建設(shè)的戰(zhàn)略目標(biāo)是“兩步走”的過程：2025年中國(guó)式智慧城軌特色基本形成，躋身世界先進(jìn)智慧城軌國(guó)家行列；2035年進(jìn)入世界先進(jìn)智慧城軌國(guó)家前列，中國(guó)式智慧城軌乘勢(shì)領(lǐng)跑發(fā)展潮流。

我國(guó)軌道交通行業(yè)關(guān)于智慧地鐵的研究和實(shí)踐近年來進(jìn)入快速發(fā)展的階段。上海[3]、廣州[4]、青島[5]、北京等地開展了全面和深入的研究工作。

2020年7月，長(zhǎng)沙市人民政府下發(fā)《長(zhǎng)沙市推進(jìn)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三年（2020—2022年）行動(dòng)計(jì)劃》[6]，提出到2022年，全市基本構(gòu)建高速、移動(dòng)、泛在、安全的新一代信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)全面融入城市生產(chǎn)生活。

長(zhǎng)沙地鐵遠(yuǎn)景規(guī)劃14條普線與4條快線，線網(wǎng)總規(guī)模為 890 km ，打造“環(huán)+放射”、三橫一縱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。截至2021年，長(zhǎng)沙地鐵運(yùn)營(yíng)線路6條，運(yùn)營(yíng)里程 161 km，如圖1所示。2020年日均客運(yùn)量為121.15萬人次。2021年5月1日長(zhǎng)沙地鐵創(chuàng)造了285.12萬人次的客運(yùn)量記錄，客流強(qiáng)度達(dá)到1.99萬人次/km（不含磁?。谌珖?guó)排名第一。隨著客運(yùn)量的增加，智慧地鐵的建設(shè)及應(yīng)用也日趨重要。針對(duì)智慧地鐵的研究能有效推動(dòng)地鐵向更高層次發(fā)展。

圖1 長(zhǎng)沙地鐵運(yùn)營(yíng)線路示意圖

2 規(guī)劃目標(biāo)

長(zhǎng)沙智慧地鐵規(guī)劃遵循“包容、可靠、超前、可持續(xù)發(fā)展”理念，打造切合長(zhǎng)沙地鐵主營(yíng)業(yè)務(wù)和集團(tuán)企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略，接軌國(guó)家政策導(dǎo)向及行業(yè)技術(shù)動(dòng)向，依托云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，集數(shù)據(jù)感知、綜合管控、應(yīng)急響應(yīng)、人性化服務(wù)于一體，具備安全性、實(shí)用性、便捷性、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性的智慧地鐵生態(tài)。長(zhǎng)沙智慧地鐵按近、中、遠(yuǎn)3期實(shí)施。各階段的標(biāo)志與具體任務(wù)如下。

近期（2020年—2025年）：該階段以建成2號(hào)線西延2期、6號(hào)線1期（含線網(wǎng)指揮中心NCC）、7號(hào)線1期等一批示范性工程為標(biāo)志，完成長(zhǎng)沙地鐵第3輪建設(shè)規(guī)劃所有線路有關(guān)智慧城軌應(yīng)用的項(xiàng)目實(shí)施和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。主要目標(biāo)為建成城軌云與大數(shù)據(jù)中心、智慧車站典型示范車站，實(shí)現(xiàn)較為完整的智慧業(yè)務(wù)體系功能，形成成熟的具有長(zhǎng)沙特色的智慧地鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)中城協(xié)2025年智慧城軌目標(biāo)。

中期（2025年—2035年）：該階段以建成2035年長(zhǎng)沙地鐵線網(wǎng)為標(biāo)志，基本完成以長(zhǎng)沙特色智慧地鐵為標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)沙地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，達(dá)到世界先進(jìn)智慧城軌水平，實(shí)現(xiàn)中城協(xié)2035年智慧城軌目標(biāo)。

遠(yuǎn)期（2035年—2050年）：該階段智慧地鐵向更高層次迭代、演進(jìn)，人工智能普遍應(yīng)用于智慧業(yè)務(wù)體系并趨于成熟，全面實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)沙地鐵的智慧建設(shè)、智慧運(yùn)營(yíng)、智慧企管、智慧經(jīng)營(yíng)。

3 總體規(guī)劃

長(zhǎng)沙地鐵總體上按照“構(gòu)筑1個(gè)平臺(tái)、搭建3層架構(gòu)、立足4大業(yè)務(wù)、圍繞8個(gè)體系”的要求編制長(zhǎng)沙智慧地鐵建設(shè)藍(lán)圖，如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)沙智慧地鐵建設(shè)藍(lán)圖

（1）構(gòu)筑1個(gè)平臺(tái)。建設(shè)云計(jì)算與大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為長(zhǎng)沙智慧地鐵提供基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）的相關(guān)服務(wù)。

（2）搭建3層架構(gòu)。按照“感知層-平臺(tái)層-業(yè)務(wù)層”搭建長(zhǎng)沙智慧地鐵整體框架。

（3）立足4大業(yè)務(wù)。服務(wù)于長(zhǎng)沙智慧地鐵建設(shè)管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)管理等4大區(qū)塊的管理需求

（4）圍繞8個(gè)體系。聚焦于智能車站管控客服、智能運(yùn)輸組織、智能列車運(yùn)行、智能運(yùn)維系統(tǒng)、智能技術(shù)裝備、智能能源系統(tǒng)、智能基礎(chǔ)設(shè)施管理、智慧網(wǎng)絡(luò)管理，具體部署智慧應(yīng)用的落地實(shí)施。

接下來，本文將分別從城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)和上述8個(gè)體系的角度具體探討智慧地鐵的規(guī)劃及實(shí)施方案。

3.1 城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)

長(zhǎng)沙市智慧地鐵應(yīng)用系統(tǒng)分為線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)及應(yīng)急救援指揮中心（以下簡(jiǎn)稱“線網(wǎng)指揮中心”）、線路運(yùn)營(yíng)控制中心、車站/場(chǎng)/段3級(jí)業(yè)務(wù)，中心云平臺(tái)、站/場(chǎng)/段云節(jié)點(diǎn)2級(jí)網(wǎng)絡(luò)。城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)為以上各應(yīng)用系統(tǒng)提供IaaS、PaaS、SaaS服務(wù)，平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)

長(zhǎng)沙市智慧地鐵與建設(shè)管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)管理相關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)均由城軌云與大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供IaaS服務(wù)[7]。各應(yīng)用系統(tǒng)線網(wǎng)指揮中心/線路運(yùn)營(yíng)控制中心級(jí)服務(wù)器可通過云平臺(tái)虛擬化部署在云計(jì)算資源池中。車站級(jí)采用設(shè)置云節(jié)點(diǎn)設(shè)備的方案，即重要應(yīng)用系統(tǒng)在車站級(jí)部署硬件資源，作為車站降級(jí)處理使用。操作層采用瘦終端及云桌面。

云計(jì)算與大數(shù)據(jù)平臺(tái)可分系統(tǒng)、分階段地為各應(yīng)用系統(tǒng)提供SaaS服務(wù)，當(dāng)?shù)罔F企業(yè)數(shù)據(jù)中心階段性建設(shè)完成后可在PaaS層基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)。

3.2 智慧車站管控客服

智慧車站管控客服由綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC系統(tǒng)）、乘客信息系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)和智能客服系統(tǒng)5部分組成。綜合監(jiān)控系統(tǒng)在傳統(tǒng)綜合監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的擴(kuò)展和迭代，并分別與融入了智慧地鐵應(yīng)用的AFC系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、安檢系統(tǒng)以及智能客服系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)智慧車站運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備管理和乘客服務(wù)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化和系統(tǒng)集成。

3.3 智能運(yùn)輸組織

長(zhǎng)沙地鐵已開始建設(shè)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)指揮中心系統(tǒng)，設(shè)置在新建的杜花路第二控制中心（NCC）。線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)指揮中心系統(tǒng)的功能主要定位為線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中心、線網(wǎng)行車調(diào)度指揮中心、線網(wǎng)電力調(diào)度管理中心、線網(wǎng)機(jī)電設(shè)備調(diào)度中心、線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)消防與安防中心、線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布中心、線網(wǎng)應(yīng)急處置中心、線網(wǎng)對(duì)外協(xié)同中心。構(gòu)建互聯(lián)互通及跨線運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)平臺(tái)，設(shè)置線網(wǎng)級(jí)行車調(diào)度系統(tǒng)和運(yùn)行圖編制工具，對(duì)整個(gè)線網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督、計(jì)劃和組織，并對(duì)不同線路間的跨線運(yùn)營(yíng)進(jìn)行協(xié)調(diào)。各單條線路內(nèi)的運(yùn)營(yíng)組織和信號(hào)控制由各線自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng) （ATS 系統(tǒng)）自行完成。

智能運(yùn)輸組織可輔助決策。線網(wǎng)級(jí)行車調(diào)度系統(tǒng)可搭載運(yùn)輸組織輔助決策功能，通過智能車輛和智慧綜合監(jiān)控系統(tǒng)等途徑獲取車輛客流密度數(shù)據(jù)；車站站廳、站臺(tái)及出入口客流量數(shù)據(jù)等信息可用于自動(dòng)判斷線路運(yùn)力與客流匹配程度。當(dāng)預(yù)測(cè)到突發(fā)大客流的情況時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)提出調(diào)整策略和優(yōu)化建議，生成一條或多條行車運(yùn)行線路，供調(diào)度員選擇，輔助調(diào)度員進(jìn)行臨時(shí)加車、減車、跳停、交路調(diào)整等操作。

3.4 智能列車運(yùn)行

長(zhǎng)沙市智慧地鐵將逐步采用全自動(dòng)運(yùn)行。國(guó)內(nèi)全自動(dòng)運(yùn)行線路開通的經(jīng)驗(yàn)也在不斷積累，可以提供豐富的技術(shù)參照。全自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，如列車控制技術(shù)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)技術(shù)、故障處理技術(shù)、乘客監(jiān)督和管理技術(shù)、信息顯示和診斷輔助等在國(guó)內(nèi)均已有成功應(yīng)用的案例，并在不斷完善之中。信號(hào)、車輛、綜合監(jiān)控、通信等系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)情況均具備實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行的條件；因此，長(zhǎng)沙市地鐵建設(shè)全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的條件已經(jīng)具備，時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，可針對(duì)相關(guān)線路開展全自動(dòng)運(yùn)行應(yīng)用。

智能列車運(yùn)行還可實(shí)現(xiàn)車輛段、停車場(chǎng)自動(dòng)化管理，構(gòu)建車輛段調(diào)度指揮中心（DCC）綜合顯示系統(tǒng)、無人區(qū)安全防護(hù)系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、車輛維保管理系統(tǒng)和車輛運(yùn)用管理系統(tǒng)。

3.5 智能運(yùn)維系統(tǒng)

智能運(yùn)維主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)地鐵關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備的故障自診斷、遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)、檢修維護(hù)支持、專家系統(tǒng)綜合決策、故障預(yù)測(cè)、健康管理等功能。智能運(yùn)維系統(tǒng)由各專業(yè)系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)組成，應(yīng)從線網(wǎng)級(jí)進(jìn)行規(guī)劃，按照線網(wǎng)級(jí)的車站設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)、車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)、信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)、供電智能運(yùn)維系統(tǒng)、軌道智能運(yùn)維系統(tǒng)和隧道智能運(yùn)維系統(tǒng)分別建設(shè)實(shí)施，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步建設(shè)智慧地鐵綜合運(yùn)維平臺(tái)。

3.6 智能技術(shù)裝備

實(shí)現(xiàn)智能車輛的重點(diǎn)體現(xiàn)在車輛標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)型化，以及車輛綜合信息承載網(wǎng)、車輛信息及控制集成平臺(tái)、車輛運(yùn)行健康管理系統(tǒng)、客室智能調(diào)控系統(tǒng)、司機(jī)行為分析及狀態(tài)分析、客流密度檢測(cè)系統(tǒng)、軌行區(qū)（軌道、限界）障礙物檢測(cè)裝置、虛擬連掛編組技術(shù)等方面。

實(shí)現(xiàn)智能通信的重點(diǎn)體現(xiàn)在傳輸技術(shù)的智能化，具體表現(xiàn)為基于5G傳輸?shù)能囌局悄馨矙z，以及基于5G網(wǎng)絡(luò)的車輛段/停車場(chǎng)大容量車載視頻轉(zhuǎn)儲(chǔ)、車站室內(nèi)定位及導(dǎo)航、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和高清視頻傳輸?shù)葓?chǎng)景應(yīng)用。

3.7 智能能源系統(tǒng)

智能能源系統(tǒng)涵蓋智能供電和通風(fēng)空調(diào)2大系統(tǒng)。

智慧地鐵智能供電系統(tǒng)主要包括新型檢測(cè)系統(tǒng)及裝置（如接觸網(wǎng)可視化接地系統(tǒng)、接觸網(wǎng)剛性懸掛機(jī)器人系統(tǒng)、變電所機(jī)器人巡檢系統(tǒng)、場(chǎng)段智能單導(dǎo)系統(tǒng)等）、牽引供電智能輔助管理系統(tǒng)、故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)（PHM）、變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、智能直流照明配電系統(tǒng)等。建設(shè)目標(biāo)是打造全壽命周期節(jié)能控制系統(tǒng)，相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)示意圖如圖4所示。

圖4 智能供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)路線圖

智能通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)為核心。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)根據(jù)車站運(yùn)營(yíng)模式、車站環(huán)境控制要求、傳感器及流量計(jì)等輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合節(jié)能控制優(yōu)化策略和算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站空調(diào)水系統(tǒng)、通風(fēng)大系統(tǒng)的智能、節(jié)能運(yùn)行控制。風(fēng)水聯(lián)動(dòng)節(jié)能控制系統(tǒng)將風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)納入同一控制系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，使制冷站的供冷能力與末端冷量需求相匹配，充分挖掘通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。

3.8 智能基礎(chǔ)設(shè)施管理

智能基礎(chǔ)設(shè)施管理包括構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施建筑信息模型（BIM）智能管理系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施 BIM 智能運(yùn)維系統(tǒng)2 大系統(tǒng)[8]。

基礎(chǔ)設(shè)施BIM智能管理系統(tǒng)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于BIM的智慧設(shè)計(jì)[9]、基于BIM的智慧建造[10]、BIM + GIS（地理信息系統(tǒng)）（案例如圖5所示）、BIM +進(jìn)度管理、BIM +成本中心、BIM +物聯(lián)網(wǎng)、BIM +遠(yuǎn)程監(jiān)控和BIM +三維建造智慧驗(yàn)收等應(yīng)用場(chǎng)景，總體架構(gòu)如圖6所示。

圖5 BIM+GIS在長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線西延二期的應(yīng)用

圖6 智能基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)圖

基礎(chǔ)設(shè)施 BIM 智能運(yùn)維系統(tǒng)主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在 BIM 模型基礎(chǔ)上對(duì)人、機(jī)、物（土建結(jié)構(gòu)）進(jìn)行大數(shù)據(jù)采集，通過移動(dòng)互聯(lián)，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)智慧運(yùn)維。

3.9 智能網(wǎng)絡(luò)管理

長(zhǎng)沙智慧地鐵智慧網(wǎng)絡(luò)管理主要按照智能建設(shè)網(wǎng)絡(luò)管理、智能企業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理和智能資源開發(fā)管理進(jìn)行規(guī)劃。

長(zhǎng)沙軌道集團(tuán)為加強(qiáng)在“工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理、經(jīng)營(yíng)管理、企業(yè)管理”方面的信息化建設(shè)，已于 2018 年開始建設(shè)“長(zhǎng)沙市軌道交通信息管理系統(tǒng)”，構(gòu)筑長(zhǎng)沙軌道集團(tuán)信息化體系架構(gòu)，提供基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、運(yùn)維服務(wù)和安全服務(wù)。

信息化體系建設(shè)實(shí)體架構(gòu)[11]由“四橫三縱”組成?！八臋M”為基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層；“三縱”為能力主體、云管理體系、云保障體系。長(zhǎng)沙軌道集團(tuán)在工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)管理、經(jīng)營(yíng)管理、企業(yè)管理等方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，以達(dá)成合理建設(shè)、高效工作、精準(zhǔn)管理、科學(xué)決策的目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)信息化建設(shè)全面涵蓋企業(yè)業(yè)務(wù)，有效支撐企業(yè)一體化管理。

4 結(jié)語

智慧地鐵建設(shè)可以改善乘客出行體驗(yàn)，提高地鐵科技感，同時(shí)可為地鐵運(yùn)營(yíng)提供更為智能的車站客服管控系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)和運(yùn)輸組織決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車智能運(yùn)行，提升運(yùn)維系統(tǒng)的智能化程度，融入更多的智能技術(shù)裝備，提高節(jié)能效率，提升網(wǎng)絡(luò)安全管理效果和整體智慧水平。智慧地鐵的建設(shè)還能實(shí)現(xiàn)較為完整的智慧業(yè)務(wù)體系功能，打造長(zhǎng)沙特色的智慧地鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，更好地指導(dǎo)智慧地鐵的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)智能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，支持智慧城市的建設(shè)。