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(xué)綜合交通運(yùn)輸大運(yùn)輸數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100044，北京∥第一作者，高級(jí)工程師)

互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展催生了諸多新理念、新應(yīng)用?；凇爸腔鄣厍颉薄爸腔鄢鞘小盵1]的發(fā)展理念，智慧城市軌道交通成為當(dāng)前軌道交通領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)和趨勢(shì)。文獻(xiàn)[2-4]將智慧城市軌道交通的內(nèi)涵概括為更立體的感知、更深入的智能和更全面的互聯(lián)互通。

智慧城市軌道交通系統(tǒng)是由列車運(yùn)行系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、自動(dòng)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(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的典型復(fù)雜系統(tǒng)。大量列車運(yùn)行及乘客出行等時(shí)空數(shù)據(jù)信息在子系統(tǒng)中產(chǎn)生并在各子系統(tǒng)間傳輸。如何集成系統(tǒng)信息資源并對(duì)信息進(jìn)行監(jiān)控、分析和處理，從而協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的有序運(yùn)行，保障城市軌道交通系統(tǒng)的安全、可靠、高效的運(yùn)營(yíng)，為用戶提供智慧化服務(wù)是運(yùn)營(yíng)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(gè)廣泛適用的、可操作的、靈活的體系架構(gòu)。

我國(guó)軌道交通起步較晚，有關(guān)智能化或智慧化系統(tǒng)架構(gòu)研究較少。文獻(xiàn)[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(lián)網(wǎng)，軌道交通智能物理基礎(chǔ)設(shè)施三層，但并未研究系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)流向。文獻(xiàn)[6]分析了交通大數(shù)據(jù)內(nèi)涵并建立了大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能交通系統(tǒng)的體系框架。文獻(xiàn)[7]從全球視角論述了智能交通的發(fā)展過(guò)程。文獻(xiàn)[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(gòu)成。國(guó)外的運(yùn)輸系統(tǒng)架構(gòu)體系相關(guān)研究多集中于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)。歐洲為實(shí)現(xiàn)全歐洲范圍內(nèi)的互聯(lián)互通，于1989年開始開展歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)(ERTMS)的項(xiàng)目研究[9]。日本于2000年提出CyberRail系統(tǒng)體系旨在提供實(shí)時(shí)的聯(lián)運(yùn)旅客信息服務(wù)和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的智能列車控制[10]。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司也于2003年啟動(dòng)中國(guó)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系項(xiàng)目，建立RITS(Railway Intelligent Transportation System)體系框架[11]。由于鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)和城市軌道交通系統(tǒng)在運(yùn)行服務(wù)及車輛信號(hào)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(gòu)。

1 智慧城市軌道交通服務(wù)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(nèi)部用戶和外部用戶兩大類(如表1所示)。內(nèi)部用戶為內(nèi)部管理部門，需要共享信息、進(jìn)行決策管理。外部用戶主要為乘客、系統(tǒng)設(shè)備服務(wù)供應(yīng)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(wù)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(wù)主體分為七大類，詳見表2服務(wù)主體表。

表2 智慧城市軌道交通系統(tǒng)的服務(wù)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(guò)客戶端使用預(yù)約服務(wù)，獲知車站服務(wù)公告、線網(wǎng)實(shí)時(shí)擁擠度示意圖、實(shí)時(shí)客流控制信息、運(yùn)營(yíng)結(jié)束時(shí)間等日常運(yùn)營(yíng)信息，在乘車過(guò)程中能了解車速、到站時(shí)間等車輛運(yùn)行情況信息，并能在旅途中享受個(gè)性化服務(wù)。

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

1.2.2 內(nèi)部用戶需求

內(nèi)部集成的需求：城市軌道交通各子系統(tǒng)應(yīng)集成在統(tǒng)一平臺(tái)上進(jìn)行綜合監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)情況，方便運(yùn)營(yíng)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(shù)據(jù)信息傳輸與共享的需求：既能實(shí)現(xiàn)建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期等不同時(shí)期信息的銜接處理，又能滿足列車運(yùn)行智能控制的要求。由于城市軌道交通系統(tǒng)列車運(yùn)行高度依賴于信號(hào)及通信，故列車運(yùn)行信息需實(shí)現(xiàn)快速采集，并在列車和調(diào)度管理等部門間高效傳輸，以作為列車控制及應(yīng)急救援等的依據(jù)。

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(gè)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(hào)等專業(yè)為主的設(shè)備智能，是智慧城市軌道交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)層面。為了實(shí)現(xiàn)與乘客更好地交互，智慧城市軌道交通系統(tǒng)還需要能夠?qū)Ω鞣N信息進(jìn)行處理并反饋，具有誘導(dǎo)及決策功能，提供個(gè)性化服務(wù)。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(qiáng)顯示；BIM——建筑信息模型；ETL——數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)；EBS——企業(yè)服務(wù)總線；MQ——消息隊(duì)列；GIS——地理信息系統(tǒng)；4G——第四代通信技術(shù)；AI——人工智能。

第一層為基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層，其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)于軌道交通信息的感知與采集，以及對(duì)數(shù)據(jù)的處理。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及可視化技術(shù)的進(jìn)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(tái)層。其功能是整合基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)層等各部分得到的分散數(shù)據(jù)。該層通過(guò)與城市公共信息平臺(tái)的對(duì)接，支撐起融合應(yīng)用層，成為交互展示層信息融合、發(fā)布的平臺(tái)。

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

第四層為融合應(yīng)用層，通過(guò)對(duì)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(shù)及交互技術(shù)，將所處理的信息通過(guò)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(gòu)

借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用面向過(guò)程的方法，建立智慧城市軌道交通系統(tǒng)架構(gòu)。從數(shù)據(jù)流的角度來(lái)刻畫系統(tǒng)功能，用自上而下、逐步分解的方法對(duì)智慧城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，設(shè)計(jì)出與各類用戶服務(wù)相應(yīng)的、一系列結(jié)構(gòu)相互獨(dú)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(wù)框架、邏輯框架、物理框架和通用技術(shù)平臺(tái)等部分組成。

3.1 服務(wù)框架

基于需求分析，以高效、可靠、安全為目標(biāo)，從用戶導(dǎo)航、運(yùn)營(yíng)管理、綜合運(yùn)輸、資源管理4個(gè)方面將智慧軌道交通系統(tǒng)劃分為7個(gè)服務(wù)子系統(tǒng)。具體服務(wù)框架如圖2所示。智慧軌道交通系統(tǒng)的服務(wù)框架確定了滿足用戶需求所需的各類服務(wù)，是構(gòu)建邏輯框架和物理框架的基礎(chǔ)。

圖2 智慧城市軌道交通服務(wù)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(lái)描述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，針對(duì)服務(wù)框架確定的各類用戶服務(wù)，從內(nèi)部對(duì)輸入數(shù)據(jù)流、輸出數(shù)據(jù)流及處理過(guò)程進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(dǎo)航系統(tǒng)包括旅客出行鏈上的全程導(dǎo)航服務(wù)功能?？瓦\(yùn)電子商務(wù)系統(tǒng)包括客運(yùn)電子商務(wù)、電子商務(wù)平臺(tái)功能。城市軌道交通互聯(lián)互通系統(tǒng)包括多模式基礎(chǔ)運(yùn)輸數(shù)據(jù)共享、多種交通運(yùn)輸方式的互聯(lián)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(zāi)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(yùn)輸資源管理、運(yùn)輸資源維修管理及財(cái)務(wù)資產(chǎn)管理功能。智能化運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)具有客運(yùn)管理、票務(wù)管理及智能化列車運(yùn)行管理等功能。智能化行車控制與調(diào)度系統(tǒng)具有智能列車控制、綜合調(diào)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(shù)據(jù)流進(jìn)行整合，進(jìn)而定義能實(shí)現(xiàn)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(guān)系。

智慧城市軌道交通系統(tǒng)利用現(xiàn)代化智能設(shè)備代替人工操作，根據(jù)信息的傳輸和反饋進(jìn)行列車運(yùn)行組織和客流組織。所有自動(dòng)化設(shè)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(shù)平臺(tái)

3.4.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

智慧城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)作依賴于其系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)信息的高效傳輸，故需建立通用技術(shù)平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)海量信息的處理和共享。數(shù)據(jù)來(lái)源見圖5所示。

圖5 智慧城市軌道交通通用技術(shù)平臺(tái)數(shù)據(jù)來(lái)源

3.4.2 技術(shù)平臺(tái)

基于信息流的流向，通用技術(shù)平臺(tái)劃分為數(shù)據(jù)接入層、內(nèi)部結(jié)構(gòu)層和應(yīng)用服務(wù)層，如圖6所示。數(shù)據(jù)接入層提取現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的共享信息資源、運(yùn)營(yíng)實(shí)時(shí)信息，以及其他運(yùn)輸模式及機(jī)構(gòu)的相關(guān)信息，并傳送到內(nèi)部結(jié)構(gòu)層；然后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)層對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理后存儲(chǔ)，并發(fā)送到綜合信息中心平臺(tái)。應(yīng)用服務(wù)層采用數(shù)據(jù)挖掘、智能決策等技術(shù)為用戶提供信息及決策服務(wù)。用戶通過(guò)應(yīng)用服務(wù)層從內(nèi)部結(jié)構(gòu)層提取數(shù)據(jù)。

注：GSM-R為數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)；IP為國(guó)際互連協(xié)議;LTE-R為軌道交通長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)。

3.4.3 前沿技術(shù)

1)人工智能技術(shù)：包括大數(shù)據(jù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、語(yǔ)音技術(shù)等，能夠?qū)Τ鞘熊壍澜煌êＡ啃畔⑦M(jìn)行處理，探索人工系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)機(jī)器對(duì)人類的意識(shí)及思維過(guò)程的簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量數(shù)據(jù)、虛擬三維實(shí)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(nèi)容進(jìn)行模型化三維處理。在城市軌道交通工程項(xiàng)目維護(hù)業(yè)務(wù)的信息化運(yùn)作中，BIM發(fā)揮了巨大的作用。

3)5G(第五代移動(dòng)通信)技術(shù)：5G的數(shù)據(jù)傳輸速度很高，不僅方便視頻的實(shí)時(shí)調(diào)看，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快捷監(jiān)控，還能完成列車設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)高效傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備健康管理和狀態(tài)及時(shí)分析。

4)新一代信息技術(shù)還包括物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、視頻圖像分析及信息融合等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的移動(dòng)化和泛在化、信息處理的集中化和大數(shù)據(jù)化、信息服務(wù)的智能化和個(gè)性化，都將驅(qū)動(dòng)城市軌道交通的智慧化發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

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(guò)程的方法建立了整體體系架構(gòu)。服務(wù)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(wù)領(lǐng)域，體現(xiàn)了內(nèi)部信息在各子系統(tǒng)間的流向。通用技術(shù)平臺(tái)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(gòu)研究有助于提高其子系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行效率，提供面向用戶個(gè)性化需求的智慧化服務(wù)。