智慧城轨建设的基本内容和技术架构分析
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智慧城轨建设的基本内容和技术架构分析
颜月霞    张景霞
北京交通运输职业学院  北京  100872
摘  要：城市轨道交通迅猛发展，在此背景下，对智慧城轨的内涵和内容进行了总结归纳和分析，并针对智慧城轨的基本内容体系和建设目标提出了一个技术框架，构建了5个层次，包括：基础设施和技术层、公共信息平台层、能力支撑层、融合应用层、交互展示层。最后对智慧城轨发展提出了自己的粗略建议。关键词：智慧城轨；内涵；技术构架；建议
作者简介：颜月霞，工学硕士，副教授；张景霞，工学学士，副教授。
基金项目：交通运输职业教育科研援疆项目“新疆城轨运营专业课程体系优化及网络课程建设”(编号：2018YJ204)。
截至2020年初，中国已经超过40个城市有了城市轨道交通运营线路，线路的数量超过了200条，如图1所示，地铁运营里程总和已经超6 700公里，超过4条以上线路的城市已经达到19个，2019年累计共完成200多亿人次的运输。2019年在建的城市轨道交通规模超过6 000公里，可见，城市轨道交通仍然以高速度建设着保持了高增长的发展态势[1]。
图1    我国主要城市的城市轨道交通规模
2020年3月中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[2]，给出了中国智慧城市轨道交通(简称智慧城轨)的时代背景、总体要求、发展战略、建设目标、建设重点、建设路径、保障措施。主要内容如图2所示。
图2    智慧城轨纲要汇总
1    发展智慧城轨的丰富内涵
1.1    智慧城轨交通是交通强国时代的重要特征
我国的城市轨道交通行业“互联网+信息化”建设在全球信息科技革命和我国产业结构调整变革的浪潮推动下，已经进入到一个快速发展阶段，“互联网+信息化”建设的成果在城市轨道交通行业的应用初具规模，改变了以往模式的建设方式、客运服务手段和城市轨道系统经营方式。特别是随着大数据、云计算、人工智能、物联网、5G 、区块链、卫星通信等新基建信息技术的飞速发展，智慧车站在京上广等特大城市的建设已经悄悄起步，每年平均至少新增一个城市发展城市轨道交通，对智慧城轨发展跃跃欲试。
1.2    智慧城轨建设是城市轨道交通的发展方向和智慧城市的重要组成
自从全国开展智慧城市建设工作以来，已经有500多个在建城市，国务院要求加快推进我国智慧城市建设，这种推进智慧城市建设的发展态势包含了加快智慧城轨建设，所以智慧城轨建设是智慧城市建设的重要先导工程，是其重要组成部分。
1.3    智慧城轨建设平台是自主创新发展的重要平台
虽然我国城轨交通建设的规模和速度已经稳居世界第一，尤其近几年建设稳步增加，如图3所示[1]，但是仍然存在一些不足，如换乘便利性、线网规划前瞻性不足，乘客服务的品质、运营组织智能化欠缺，设施装备的自主化低等问题，这导致我国的城市轨道技术水平与国际先进水平相比存在一定的差距，有些关
键技术装备、零部件和软件设计依赖于进口技术的情
况依然存在。亟须研发拥有自主知识产权的产品、技
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术，急需构建拥有自主知识产权的核心技术和关键知识软件，从而建立自主主导发展、安全、高效的城市轨道交通产业链和技术链。目前建设智慧城轨充分利用最新科技成果，大力推进城市轨道信息化建设，发展智能技术系统，努力开创自主创新发展新局面，智慧城市轨道建设正成为自主创新发展的重要平台。
图3    2016—2019年中国城市轨道建设投资
1.4    构建便捷、安全、绿、高效、经济的智慧城轨着眼于智慧系统的构建
1.4.1    智慧有别于智能
智慧城轨中的“智慧”是指人们利用先进技术给人和设备同时提升赋能，实现自主决策达到更高效能。“智能”是指将先进技术赋能于设备，实现设备的自动化、无人化运行，见表1。
表1    智慧与智能
智慧
智能
二者区别与关系
利用先进技术同时赋能于人和物质(设备)，以期实现自主采信、学习、决策达到更高效能；智慧具有社会科学和自然科学的双重特征；如智慧城市、智慧城轨
利用先进技术给物质(设备)赋能，以期实现自动化、无人化；智能具有自然科学特征；如智能装备、智能系统
智能具有纯技术特征；智慧具有技术和人文双重特征；
智慧建设以智能发展为技术基础，智能发展的目的是发展智慧系统
1.4.2    智慧城轨有别于智能系统
单个的智能系统应用在城市轨道交通系统中不等同于智慧城轨，多个智能系统的技术应用整合在一起构成智慧城轨，目前认为智慧城轨包括十大智能系统，见表2。
1.4.3    智慧城轨有别于城市轨道信息化
城市轨道交通技术发展的主题包括推进城市轨
道信息化建设，发展智能系统应用，集成建设智慧城轨。大数据、云计算、人工智能、物联网、区块链、5G 通信、卫星通信等信息技术迅速发展，技术应用加速展开，将网络化、数字化、智能化推动发展到全新的技术高度。因此，智慧城轨是这些新的信息技术集成到城市轨道交通各系统中和形成各类服务的成果结晶，是城市轨道交通领域信息化建设进入一个新高度、新阶段的集中体现，即互联网信息化建设就是智慧城轨建设的核心基础。城市轨道信息化和智慧城轨实质目标统一，是相互融合的统一体，见表3。
表3    智慧城轨与城市轨道信息化
城市轨道信息化
智慧城轨
区别与联系
指在城轨中应用大数据、
云计算、人工智能、物联
网、区块链、5G 通信、卫
星通信等信息技术
网络化、数字化、智能化推动信息技术应用到全新的技术高度信息化建设就是智慧城轨建设的核心基础；
城市轨道交通信息化规
范体系的先行研究和实
施，将为智慧城轨技术
标准体系研究和制订打下坚实的基础
2    智慧城轨建设的技术架构分析
2.1    智慧城轨基本内容
智慧城轨一般包括十个方面的内容，如图4所示。从最初的智能系统应用到乘客服务过程，如移动支付、无感进出车站、自动引导等，智能技术应用于运输组织过程即乘客进出站、上下车和换乘过程中，还应用在供电智能自动化中，即常见的供电监控子系统PSCADA ，也应用于列车运行组织过程中，如列车自动监督控制系统ATS 、环境与设备自动监控子系统BAS 、能够实现自动感应报警的火灾自动报警系统FAS ，能够针对用电设备区的自动气灭系统等，经过发展和整合日趋完善。充分利用云技术和大数据平台，建立健全智能有关的技术标准体系，从而最终形成包括与基本智能系统有机结合的智慧城轨系统。以下针对在这样一个发展过程中的智能系统目标，重点分析从技术角度如何建设智慧城轨。
表2    智慧城轨与智能系统
智能系统
智慧城轨
二者区别与关系
发展智能系统，建设智慧城轨，建设多个成体系的智能系统，最终构成智慧城轨；
如列车全自动运行系统、机电设备自动监督和控制系统、供电监控自动化系统、火灾自动报警系统等
实现智慧乘客服务便捷化、智能运输效率效益最大化、智能资源环境绿化、智能列车运行全自动化、智能技术装备自主化、智能基础设施数字化、智能运维安全感知化、智慧网络管理高效化、城轨云与大数据平台集约化和智慧城轨技术标准系列化；十大智能系统构成智慧城轨
发展智能系统是技术的发展，发展智慧城轨归根到底是发展升级的城市轨道交通，提升城市轨道服务；
二者不可分割；
发展智能系统是建设智慧城轨的技术基础；多个成体系的智能系统构成智慧城轨
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图4    智慧城轨组成
2.2    智慧城轨的技术目标
《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中提出，中国智慧城轨的建设分两步走：第一步：2025年，中
国式智慧城轨特基本形成，跻身世界先进智慧城轨国家行列。第二步：2035年，进入世界先进智慧城轨国家前列，中国式智慧城轨乘势领跑发展潮流。智慧城轨具体技术目标见表4。
表4    智慧城轨具体技术目标
业务分类
指标名称单位2025年2035年备注智慧乘客服务
最小发车时间秒小于120小于110运营服务时长
小时/日
19
20
部分城市
列车延误率次/百万
车公里
0.30.2
电子支付使用率%大于97大于99实名信用售检票消费
覆盖率
%大于90大于99
乘客服务满意度%大于85大于90智能运输组织
线网中心建设率%大于85大于100
准点率%大于99.94大于99.98
高峰小时列车满载率%小于120小于110网络客流计算准确率%大于90大于95智能能源系统智能牵引供电设备自
主化率%大于85大于95
能源利用率%大于78大于80
运营能耗下降指标率%大于15大于30
智能列车
运行全自动运行系统里程公里大于1000大于2000
智能技术装备智能车辆占有率
%大于95100新造车辆
智能通信系统自主化率
%大于9510应用软件自主化率
%大于90大于95智能基础设施智能基础设施监测覆盖率
%大于60大于85智能运维安全
运营安全事故率降低
%大于30大于50车辆故障率降低
%大于8大于20供电故障率降低%大于5大于15信号故障率降低%大于15大于25智慧网络
管理
智慧网络管理实践率
%大于70大于95累计值标杆性智慧网络管理实践者
%大于5大于10累计值城市轨道
云与大数
据平台新建、升级系统城轨云占有率
%大于90大于95云平台业务系统承载率
%大于85大于100云平台基础设施可靠性
%大于99.99大于99.995数据共享平台接入率
%大于75大于90中国智慧
城轨技术标准体系
智慧城轨标准采信率%
大于50
大于90
2.3    智慧城轨技术构架分析
在各地迅猛发展的地铁系统中，综合监控系统的技术发展最快，地铁设计和建设运营单位逐步意识到智慧城轨建设可以从地铁综合监控系统技术发展中作为切入点寻求突破口，但实际上很难在设计、建设和运营的过程中形成统一的智慧城轨发展思路，智慧城轨并不应该在目前的地铁应用系统中独立出来，不
是独立建设的智能系统，而应该立足于已有推广面的综合监控系统基础上，更加注意分散数据的集中和互通，其核心是智能汇聚已有的综合监控应用子系统，包括环境与设备监控子系统、火灾集中报警子系统、列车自动监控子系统等，构建地铁公共信息平台并接入智慧城市体系当中。构建如图5所示[3]
。
图5    智慧城轨技术构架
从图5中可以看出，共有5个结构层，各结构层之间以及结构层内各要素之间通过无线或有线通信技术互联互通，形成一个多层次、多功能的立体系统[4]。它的实质是将城轨系统的各重要组成部分包括列车、线路、车站、机电设备及环境等分散的信息采集汇聚，进行集中或分散式的信息处理，从而实现前面所提到的智慧城轨基本服务内容：智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全、智慧网络管理。
结构层一：基础设施和技术层。基于分布式计算的网络硬件系统，利用智能传感器、4G 、物联网、BIM 技术等进行信息采集和数据处理，信息包括城轨中的环境参数、设备参数、设备运行状态、系统中人的参数和状态。采用智能以及数据可视化技术，如建筑信息模型构建BIM 技术、虚拟现实技术VR 、增强现实技术AR 等技术，可以大大提升智慧城轨系统的综合感知能力。
结构层二：公共信息平台层。提取和整合汇聚由设施和技术层采集的信息数据，进行数据库管理和大数据处理，构建成信息平台层，并向智慧城市建设中
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的城市公共信息平台提供数据和交流信息，为智能决策、智慧服务提供信息。结构层二可以通过将城市轨道采集到的数据汇入智慧城市公共信息平台和交互，消除数据壁垒，从而使城轨数据与公安系统、消防系统等部门数据以及交通卡公司、共享汽车电车单车公司、电子商务等公司的数据进一步交换融合，最终形成一系列的社会融合应用。
结构层三：能力支撑层(功能实验层)。该层由一系列软件组件组成，与公共信息平台层互相支撑，处于同一层面，对信息平台的数据完成从数据源的抽取、数据的交互转换、数据的加载；采用数据消息队列技术给分布式应用间的交换信息提供通信技术支持；利用地理信息系统技术采集准确的定位信息；企业服务总线(ESB)技术提供事件驱动和文档导向的处理模式和分布式运行管理体制。由系列软件组件构成的能力支撑层，可以为结构层四(融合应用层)和结构层五(交互展示层)提供组件和功能实现支撑。
结构层四：融合应用层。该层包括大量在地铁中现有的综合监控系统应用，还包括数据处理可视化展示、各类智能化和智慧化应用、防灾减灾系统、调度指挥系统、多部门协同等实心运营管理和维护功能[5]。
及的结构结构层五：交互展示层。例如，面向城市轨道的运营管理者各岗位、面向乘客和居民的手机APP 、面向政府管理门户、面向城市管理者的视频和多维度展示大屏，以及面向可能乘客即城市居民的AR 增强显示等。结构层五主要是实现数据的可视化以及界面交互能力的提升[6]。
3    智慧城轨发展建议
建设智慧城轨是一个系统工程。智慧城轨是一个系统发展的过程，需要统一的发展思路和规划，由国家层面进行技术标准的引导制订和顶层设计。智慧城轨也需要充分利用已经发展成熟的综合监控系统，在综合监控系统的基础上进行技术升级、信息技术整合和进一步的智能升级和智慧升级，是智慧城轨发展技术可持续的科学之路。
借鉴欧洲已有大数据技术在城市轨道交通中的应用案例和经验，利用国内互联网技术和企业进行技术合作，如应用百度地图与交通部门合作深挖大数据，公共交通大数据与百度用户大数据相结合，将计算机技术、信息技术和通信技术的基础知识纳入城市轨道
交通类高等教育和职业教育中。参考文献
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[2]
中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[EB/OL].wenku.baidu/view/2955f0b15a0216fc700abb68a98271fe900eaf31.html.
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[5] 陈菁菁.上海轨道交通汉中路站智慧车站的建设实践[J].城市轨道交通研究,2020,23(6):135-138.
[6]
陈怡璇.打造智慧地铁[J].上海国资,2015(2):98-100.
Analysis on the Basic Content and Technical Framework of Smart Urban Rail Transit Construction
Yan Yuexia, Zhang Jingxia
Beijing Transportation V ocational College, Beijing, 100872, China
Abstract: With the rapid development of urban rail transit, in this context, this paper summarizes and a
nalyzes the connotation and content of the smart city rail, and puts forward a technical framework for the basic content system and construction objectives of the smart city rail, and constructs fi ve levels, including: infrastructure and technology layer, public information platform layer, capacity support layer, fusion application layer, interactive display layer. Finally, the development of the smart city track put forward its own rough suggestions.Key words: smart city rail; intension; technical framework; recommendations

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