1、轨道交通智慧化的现实需要

当前以人工智能技术为核心的新一代信息技术在各行业中持续深入，并与传统信息化系统相结合，推进第四次智能化工业革命。智能化已经由原来的消费互联网向各个产业、工业互联扩散和普及。伴随我国城市化快速的发展进程，城市群和都市圈建设都迫切要求轨道交通来解决区域内高效快速大规模人员运输的问题，而全面深入的信息化、网络化、智能化的轨道交通系统无疑将是我国当前轨道交通建设的一个重要方面。

随着我国高速铁路网不断建成、既有客运线路的持续运行、近些年城际城轨的大规模建设，在轨道交通系统中陆续上线了各类信息化的管理系统，客观上对铁路系统内部高效信息传递，提高系统运作效率起到显著作用，但同时各类信息系统彼此之间不能连通、大量信息化孤岛不能贯通，持续引进的先进设备的网络接入和数据融合也显著滞后，这些问题够客观上阻碍了轨道交通系统进一步通过信息化调高系统效率。而以人工智能为核心的工业互联网技术从构建智能化的感知网络、虚拟化的信息硬件资源、平台化的业务和数据中台以及基于中台的轻量化的各类业务应用等，实现了整个轨道交通系统运行的“操作系统”。

2、智慧化轨道交通系统的体系结构设计

智慧化轨道交通系统是轨道交通系统在乘客服务、运输组织、智能运维以及轨道交通运营企业经营管理等方面全面的智能化、智慧化。轨道交通系统的智慧化体系，是通过构建统一化的轨道交通系统工业互联网平台，并在其上运行的各类业务系统，如图1所示。该体系中隐含了数据的感知接入层，它实现了全系统通过各类传感器和物联网技术结合边缘计算将系统状态大规模分布式接入。在逻辑层面上构建海量数据的多层次多维度的数据融合。

图1  智慧化轨道交通系统的体系结构图

在平台层中包含大规模数据存储计算的实时数据库系统和数据仓库系统，轨道交通系统的传感网络全面感知的数据将集中接入到数据计算存储区。同时数据治理套件将对数仓中大规模数据实现相应的数据集成、数据建模、数据质量稽核、数据服务和数据资产管理。而数据分析和建模平台将为人工智能、大数据等技术发深度开发应用提供统一的算法、建模、数据资源界面，大量智能化模型将在此平台产出和部署，为上层应用提供相应的预测、分类、聚类计算。

此外在平台层还包括专门针对轨道交通行业的微服务组件库，包括构型管理、履历管理、故障字典、用户管理、权限管理、地图服务。平台层中的知识库的构建，将整个轨道交通系统中涉及的大量专业技术文档、手册等专门知识结构化，通过对外应用服务接口（API）实现面向上层各类业务应用的服务。整个轨道交通云平台包含了基础设施服务层（IaaS）和平台服务层（PaaS），同时贯穿各层的系统安全防护系统也是极其重要的组成，为确保系统大规模各类终端、设备、人员的接入，网络环境复杂，业务运行纵横关联，需要工业安全防护系统全面对轨道交通云平台正常安全可靠运行做全面监管和控制。

3、人工智能等技术在轨道交通通行业中的应用

3.1 人工智能技术在乘客服务中的应用

智能化技术在乘客服务应用的主要方向包括可在各类乘客的移动终端上运行乘车APP程序，为乘客提供乘车咨询。运用人工智能、大数据、云计算、深度学习、神经网络等新技术成果，构建基于云平台的生物识别、无感支付的自动售检票系统、智慧出行咨询与规划系统、智慧客流预测预警管理系统、票检、安检合一的智能安检系统，进而实现在全国范围内多城市间列车一证通乘、车站和列车环境智能调控、列车智能化服务等应用，如图2所示。

图2  智慧化乘客服务体系

智能电扶梯系统可自动识别客户年龄、性别等，并依据不同乘客群体类型，语音提醒乘坐规则和防护措施。在人流低峰期，可以为老弱病残自动降低速度等。特别是应用图像识别技术对电扶梯运行与乘客图像识别，对紧急异常情况及时作出反应，对不安全行为系统主动提示。智能屏蔽门可全方位识别异物，智能开启屏蔽门，特别是结合图像识别、信号数据、列车数据、站台情况数据融合，大幅度提高屏蔽门安全性，杜绝乘客被夹伤、甚至死亡悲剧发生。智能安防分为人防、物防两个领域。人防领域中，旅客在安检处身份识别后，安防系统自动获取旅客身份信息，全程高清摄像定位监控可疑人群，人工智能建模结合高清摄像头自动进行行为识别，智能预警。物防领域对于设备损耗、自然灾害等进行实时监控。对于客户在旅行时遇到的可以通过APP一键报告给安保人员。

智能客流疏导系统在旅客的APP界面显示为周边商户信息、乘车人数数据、车厢内人数数据、线路上车人数拥堵数据、站点上车人数拥堵数据等，在管理人员界面显示为可选择商户、旅游推送，可选择线路屏蔽，可选择推送拥堵信息等功能，可以提高商户竞争力，避免因重大节假日、疫情、维修、阅兵、重大会议等带来的出行不便。

3.2 人工智能技术在运输组织中的应用

智能化技术在运输组织应用中的应用主要包括建立共享数据、智能设备、智能软件的网络运输组织系统平台，形成深化线网布局、优化工程设计、运营管理，面向轨道交通网络化运营的智能运输组织体系，进而实现线网运输组织的调度精细化、管理信息化和决策智能化。

(1）在轨道交通线网智能调度方面的应用

运用大数据、物联网、5G、云计算、服务器转换等新一代信息技术，基于我国现有的铁路调度系统构建资源池，实现各调度管理系统的数据信息的实时共享和高效的整合运用，解决铁路调度管理仍然存在数据获取较为滞后、结果缺乏准确性以及服务较差等问题；并从用户服务需求出发，在信息共享平台的应用层中进行各调度系统的业务设计，为各级运输部门的信息管理提供技术支持。确保数据信息在运输生产过程中能够有效的为铁路内外部用户提供实时业务信息。打造智能信息系统集成平台，形成线路和线网合一、日常运营指挥和应急处置合一的调度指挥中心与智能轨道交通线网运输组织辅助决策系统，进而分别实现将轨道交通的三层管控（线网指挥中心、线路控制中心和车站）优化为两层管控（运营指挥中心和车站），提高运营效率，增强综合调度（应急）指挥能力，确保我国铁路安全高效的运行。

(2）在智慧车站方面的应用

智慧车站涵盖了设备管理、客运管理、生产计划监控、应急指挥及车站站务管理等功能。该系统启用后车站现场所有的生产、服务信息都将集中到车控室进行显示、分析和处理，指挥现场作业的命令亦将从车控室发送至车站各个岗位，有效地提升了车站乘客服务水平及综合管理能力。结合采用全自动运行系统的车站运营场景，设计智慧车站的功能，实现车站态势全感知、客运服务智能化和人员管控精细化，全面支持多职能队伍的建设，实现岗位复合和减员增效。

有利于确定车站运营需求，定义车站管理内容，明确运营场景，并以车站各岗位作业内容为引导，转换车站智能化需求；有利于梳理现有的技术支持，如系统设备和大数据支撑，以及车站现有的工作流程、台账记录、岗位标准和预案文本等，并从车站运营管理、设备管理和人员管理智能化以及故障联动、消防联动、大客流应急联动需求进行梳理，进行人员布岗作业、信息流转和设备联动功能需求确定和系统配置。利用车站的综合监控及其子系统，新增辅助分析系统，对各类数据进行梳理和综合再建模，开发更加全面、智能的运维应用，可全面提高车站的运营效率及服务水平。

3.3 人工智能技术在智能运维中的应用

随着我国轨道交通运营规模的迅速扩大和“一带一路”战略的实施，对于保障运营安全、提高服务质量及降低运营成本，显现出巨大的刚性需求，轨道交通运维业务日益成为全行业关注的新焦点。积极合理运用人工智能等新技术成果，解决轨道交通行业发展瓶颈问题，可有效助力智慧城市又好又快发展。

(1）在轨道、隧道桥梁等基础设施健康检查与管理中的应用

利用信息技术、网络技术，进行桥梁隧道工程相关信息的采集、传播、分析、展示，将云计算技术、大数据技术、物联网技术进行有效结合，建立针对轨道、桥梁隧道运营管理的智能化平台，实现智慧感知、智慧管理、智慧决策、智慧服务的主要目标，探索一种更为高效、安全、经济、环保的新型桥梁隧道管理系统模式。通过在桥梁隧道内布设传感器网络，实现病害、问题的精确定位，设置可以进行快速浏览的产品数据，提供精确的几何信息查阅途径，对采集获取的各类数据模型轻量化处理，并通过相应的可视化平台进行动态加载展示。

建立桥梁隧道等基础设施的结构评估和预测模型，将这些基础设施根据使用年限进行划分，有针对性地选择性能参数、结构变形、病害评价指标，实现对其功能性的预测。利用大数据技术，根据各类监测参数及设备健康状态分析其规律，结合专业知识进行权重判断，进而实现对桥梁隧道状态的评估。据此对桥梁隧道运维过程进行管理，了解运维效果评价结果，对各类事件及问题进行处理，提供多种联动模式进行管理。

(2）在车辆智能运维系统建设方面

在网络化运营规模迅速扩大的新形势下，轨道交通运维管理人员的大量增加和粗放的运维管理模式，使得运维成本居高不下，并保持上升态势。因此，进入网络化运营的单位近些年来都在尝试和寻求新的运维模式，以提高运维业务水平。主要采用大数据、物联网等新技术构建综合信息管理平台，对轨道交通的关键设备设施进行全生命周期的健康监测和故障智能诊断预警及成本分析，建立车联网系统、轨旁车辆综合检测系统、车辆维护轨迹系统、轨道交通车辆综合监测系统、基于全寿命周期的关键设施设备系统健康监测和智能诊断管理系统、基于物联网的关键设施设备故障预警系统、列车安全状态在途监测预警和网络化维保系统，进而实现预防性维护为主的定修机制向基于可靠性的状态维修机制转变，智能视频监控与智慧运维，进一步创新运维体制，提升运维效率，降低运维成本，优化编制车辆智能运维的技术标准，提升整体车辆智能运维技术水平。

(3）在供电系统运维中的应用

建立供电系统智能运维系统，通过智能运维平台实现所有数据的共享与关联，根据设备的监控数据和生产管理要求自动生成相关的作业要求，并运用高科技的设备（如手持巡检终端）等工具对整个生产流程全过程监控与记录，以满足供电系统更加严格的运行维护要求。设备监控与生产管理共享数据包括：(1)综合监控中，供电系统的变电所自动化系统中设备运行的历史数据及故障信息统计数据。(2)生产管理系统的生产数据，主要包括年度、季度、月度生产计划数据，设备的维护保养数据等。(3)生产管理各环节数据，主要包括生产作业标准流程操作手册、设备图纸资料、维护作业标准等。(4)生产作业中涉及的相关数据，主要包括生产人员的各种资质数据、工器具的合格检验数据，试验仪器仪表的样准数据等。

通过利用智能运维系统，可以深度掌握设备全生命周期状态，并经平台自动进行运行和生产的历史数据分析，最终基于基础数据与业务数据相互之间循环卡控的业务逻辑过程，实现日常生产计划实施后自动更新设备履历、物资库存及工时统计。对设备数据采集与监视控制系统（SCADA）中的故障预警、设备管理平台的故障统计与日常生产计划进行智能的分析，进行自动分类处理，自动生成设备的差异化维修计划。并能基于标准化数据结果分析，对设备故障自动匹配近似预案，同时对故障相关性地点、专业、设备推送相关图纸，为维修决策提供指导依据的故障专家系统。轨道交通智慧运维体系架构图如图3所示。

图3  轨道交通智慧运维体系架构图

3.4 人工智能技术在轨道交通企业经营管理中的应用

随着企业的不断发展，原有的企业信息系统已逐渐过时，难以适应大量数据的冲击。应用大数据、云计算等新技术提高企业经营管理效率，已成为新技术浪潮的趋势。基于云化和微服务，创建集平台+应用的企业经营管理系统（如图4所示），系统架构适应业务需求变化，支持动态扩展和资源动态平衡，保证架构可伸缩性和开放性，满足用户量高并发和用户高交易量，提升流程灵活快速的组装和发布能力，降低系统开发成本和运维成本。

图4  企业经营管理中的应用

通过将基础设施与基础服务集成至基础设施服务层（IaaS），把用户所需的软件作为服务出租构建平台服务层（PaaS），将用户功能应用软件集成构建软件服务层（SaaS），支持各集团、子公司、个人等门户使用，同时支持PC、手机、Pad等客户端设备接入。有利于企业通过信息进行智能管理、高效管理、人性化管理，从而提高数据的利用效率，进一步促进企业的可持续健康发展、创新发展，给企业带来巨大的经济效益、社会效益。同时，企业在进行经营管理的过程中，会帮助企业积累大量的原始数据，同时对企业经营、战略规划、市场产品定位具有深远的影响。

3.5 人工智能技术在智能装备方面的应用

智能化装备，或者智能化系统，是能够对外部环境或自身状态做出感知，基于当前状态和系统自身逻辑和目的进行相应分析、推理、决策，并最终通过自身执行系统做出相应的决策结果的执行。轨道交通中相关装备的智能化，则包括智能化供电设备智能列车、智能化信号设备、智能化通信设备，如图5所示。

图5  轨道交通系统中的智能装备体系

智能化变电站牵引供电系统的智能化主要包括智能化一次设备、智能化二次设备、辅助监控系统智能化来提升。通过增强二次设备对一次设备的状态监测能力，加装大量传感器，使得二次设备的控制和监测能力加强。同时智能化电站建设中大量的光纤连通一次设备状态感知与二次设备数据采集，既避免状态信号在复杂电磁环境下受到干扰，又可以节省原来传统的电缆连接，似的系统的运维和可靠性也有效提高。二次设备中通过先进FPGA和DSP芯片加强设备算力，结合各类智能化算法和状态感知数据，以此实现更好的对一次设备的监测、控制和保护。

同时辅助监控系统在传统SCADA系统基础上进一步融合各个设备的状态监测数据、故障数据，在系统级数据融合基础上，实施全面的故障诊断与预测，及时防止故障扩大化，危重故障的应急性自动处置[5]。对各个子系统间、内部不同设备的网络化连通，也使得多个设备间的逻辑闭锁关系得以实现，对避免误操作引起的故障、安全性事故防范有显著作业，也极大的提升了系统的智能化水平。

智能化列车作为面向乘客直接服务的装备，其安全性、可靠性、舒适性、经济性都有持续改进的要求。通过对列车走行部、牵引供电、制动、网络控制、空调、车门、内装、给排水卫生等各个系统的智能化升级，加强其内在智能化程度、同时也通过列车控制和管理系统（TCMS）对各系统的集成而提高列车智能化程度，使得系统中各类故障的自诊断与自处置能力、各系统的能耗控制能力、各系统的交互协作能力、乘客乘坐服务的智能化服务能力都持续的改进。

智能通号设备，包括轨道交通系统中的通讯设备和信号设备。通信系统中包括指挥调度通信、无线通信、公务通信、广播通信、电视监控通信等相关设备。信号系统中包括计算机联锁系统以及由列车自动运行子系统、列车自动保护子系统、列车自动监控子系统构成的列车自动控制系统所组成。通过进一步加强这些设备内部状态感知能力，使得设备对外部状态的分析和推理能加强，实现设备对自身故障诊断与处置，系统可实现自主性的故障隔离操作、备份系统启用。系统对图像数据、语音数据的处理、计算和应用能力也随着人工智能技术的集成而提升。信号系统中进一步使用机器学习算法、计算机视觉技术等人工智能技术，在移动闭塞区间、联锁、列车自动保护等子系统中应用，将使得信号系统的安全性、可靠性进一步提升，同时也持续降低其运行维护维修成本。

4、结语

当前我国高速铁路网已建成并在运行之中，以人工智能技术为核心的新一代信息技术在轨道系统中体系化的应用，将显著的提升整个系统的生产效率、降低整个系统运行成本，提升系统运行和服务质量。我们必须深刻认识到轨道交通系统中全系统、全体系的数字化、网络化、智能化是必要且迫切的，并且体系化、系统化的整体智能化所产生的效率提升也远比单个系统效率提升加总要大。轨道交通整体系统性的智能化应用的推进，在系统安全性、可靠性、应急处置能力各方面有全面的提升，这将能很好适应未来高速铁路系统运行的现实要求，为区域和城市人员运输提供可靠、舒适、高效、低价的保障。

参考文献：

[1]王志宏,杨震.人工智能技术研究及未来智能化信息服务体系的思考[J].电信科学,2017,33(5):1-11.

[2]李鹏程.“城市轨道交通智慧警务”课程建设构想[J].铁道警察学院学报,2018,28(2):122-124.

[3]杜心言轨道交通智能运维与创新平台建设[J].现代轨道交通2019(06):01,03,06-09

[4]刘方.铁路牵引变电所基于智能移动机器人智能运维管理体系建设构想[J].电子技术与软件工程,2019(8):159-162.

[5]王红军.智能牵引变电所一次设备智能化技术研究[J].高速铁路技术,2017(2):82-85.

宋冠蕾.轨道交通中人工智能技术应用研究[J].中国设备工程,2020(10):28-32.