北京市地铁运营有限公司
魏运、白文飞
一、 引言
新一轮科技革命和产业变革蓬勃发展，正推动着人类社会向智慧时代迈进。在此环境下，作为“新基建”重点建设领域之一、城市交通大动脉的轨道交通，建设智慧地铁已成为当前城市轨道交通行业的发展共识和趋势。
首都地铁作为我国地铁的发展摇篮和行业龙头，已发展成为超大规模的城市轨道交通系统。进入新时代和新阶段，首都地铁在支撑交通与城市现代化，服务首都功能实现和市民出行，实现高质量发展的过程中面临着更高的要求，迫切要求转变传统的发展模式，构建北京地铁运营新模式和新型架构体系，实现“提质、降本、增效、节能”和高质量创新发展。为有序推进首都智慧地铁建设，北京市地铁运营有限公司联合国内多家行业优势单位，开展了智慧地铁研究，并编制形成了《首都智慧地铁发展白皮书（2020版）》，以此作为指导首都智慧地铁发展的纲领性文件，本文依托《首都智慧地铁发展白皮书（2020版）》对智慧地铁的认识与理解、系统架构、功能规划进行介绍。
二、智慧地铁的理解与认识
智慧地铁从根本上是“智慧”与“地铁”的有机融合。所谓智慧是指对事物分析判断和发明创造的能力。地铁的本质属性是一种大容量的公共交通工具，最基本的目的是实现人和物的位移，由人、列车、设施设备和管理系统四个基本要素组成，地铁发展形态就是人、列车、设施设备和管理系统四个要素之间的相互关系。
因此，智慧地铁本质内涵可理解为使地铁具备人的决策、学习、创新和交互能力的新型地铁位移服务系统，其核心是通过借助新一代的思想、理念和技术，在充分信息获取的数据驱动下，重塑地铁系统中人、列车、设施设备和管理系统之间的相互关系，将人从地铁系统中解放出来，实现从“人适应地铁”到“地铁适应人”，“生产范式”向“服务范式”，“被动服务”向“智能服务”的转变。智慧地铁内涵认知模型如图1所示。
三、智慧地铁系统架构
基于上述对智慧地铁的理解，提出首都智慧地铁“1-4-1”的系统组成。
1个智慧大脑是智慧地铁的数据计算中枢和决策机构，主要实现对智慧地铁系统的数据存储与治理、大规模计算、平行推演和智能决策等功能。面向国家重大活动保障、重大科技创新及应急处置等首都特殊场景，根据具体业务应用功能的数据和信息，利用大数据、云计算、机器学习、人工智能等新技术，在自主辨识和学习外部环境和内部需求的基础上进行计算分析，平行推演多业务综合场景，提出科学有效的决策信息，并反馈至各业务系统。
4项业务功能是智慧地铁的源泉和载体。一方面，所有的智慧决策来源于业务应用的实际需求和感知数据；另一方面，业务应用以多元主体需求为导向，精准执行智慧大脑或边缘计算节点的分析结果，将决策转换为行动，智能联动不同业务，高品质、个性化的服务多主体。
1套基础支撑是智慧地铁实现的关键和纽带。时空基准网络体系包括以“北斗+5G+空间数字化”技术为基础的地铁定位系统和空间数字化地理信息平台，为智慧地铁提供高精准、低时延的基础时间信息和空间信息；技术标准体系包括智慧地铁建设需遵循的统一技术标准和相应的评价指标体系；安全保障体系包括确保智慧地铁通信网络及信息安全的解决方案，以及适合首都智慧地铁发展的保障措施，包括制度保障、组织保障、技术保障、人才保障等方面，形成有效的智慧地铁建设支撑体系。
首都智慧地铁“1-4-1”系统组成如图3所示。
图3 首都智慧地铁“1-4-1”系统组成
四、智慧地铁功能规划
基于上述首都智慧地铁“1-4-1”的系统架构，重点面向运营阶段智慧化提出以智能服务、智能运行、智能运维和智能管理为核心业务的功能规划，从而构建集约化的智慧地铁新模式和新业态，实现公众美好愉悦出行、地铁安全高效运行、设备可靠经济服役、企业科学精细管理的发展目标。
（一）智能服务
智能服务是智慧地铁建设的根本，也是建设的出发点，是以乘客出行需求为核心，建立新型服务模式，并依托各类智能终端，打造以人为本、创新灵活的服务体系，为乘客提供精准化、个性化、人性化的全过程出行服务。
根据对面向乘客出行场景需求的分析，智能服务的内容主要包括智能导航、智能安检、智能票务、智能客服和智能便民等。智能导航主要实现对乘客出行全过程的信息个性化主动推送发布、站内智能微导航、应急事件路径主动调整和智能动态引导等功能；智能安检通过建立基于乘客信用体系的“精准检物+分类分级人检”的安检新模式，研发应用“安检-检票”一体化的新型快速安检设备，实现乘客的高效无感进站；智能票务主要包括无感检票、多元票种以及无闸进出站等服务；智能客服主要通过人工智能等技术替代现有人工客服，实现人机交互式客服、可视化视频客服及异常事件智能自助处理等功能；智能便民功能主要包括特殊乘客预约乘车、预约接驳、车站寄存、车站商业、智能厕所等。
（二）智能运行
智能运行是智慧地铁建设的核心，在实时精准辨识车流-客流-设备设施-环境状态的基础上，围绕客流管控、列车运行、调度指挥、设备控制、应急处置等环节，进行自主学习、智能研判和决策优化，实现客流多场景全方位诱导和协同管控，网络化、集中化的调度指挥，设备自主化运行和智能化控制，以及高效精准的应急处置等，从而打造安全、高效、协同、智慧的地铁运行系统。
根据对面向运行管理场景需求的分析，智能运行的内容主要包括智慧客流、智能调度、智能列车和智能应急。智慧客流主要实现乘客位置、分布、轨迹及异常行为的精准辨识，车站-列车-线路-路网客流动态状态的全息感知以及多层级人车协同管控等功能；智能调度的主要功能包括网络化行车智慧调度、集中化设备运行调度和车站设备智能控制等，实现基于实时客流的行车组织、全网全专业多系统的快速协同调度和设备自主运行；智能列车在行车方面实现全自动驾驶、智能防撞、车-车通信、灵活编组、虚拟连挂等功能，在乘客服务方面实现车内照明、温度等自主控制和车窗信息互动等功能，在健康管理方面实现列车状态在途监测、在线评估、故障预警和维修决策支持等功能；智能应急的主要功能包括应急预案数字化、应急装备智能化、指挥处置协同联动和应急物资实时追踪等功能，实现突发事件的应急协同指挥处置。
（三）智能运维
智能运维是智慧地铁建设的关键，基于PHM（Prognostic and Health Management）、预测性维修、全寿命周期修理决策优化等技术，实现地铁设施设备（包括轨道、隧道、桥梁、供电等）的自感知、自诊断、自决策，精准、精细、精确地掌握状态劣化机理和演变规律优化养修策略和资产管理，打造状态监测、故障诊断、风险预警、养护维修和资产管理的闭环链条，保持全寿命周期的高稳定性、高可靠性，降低运维成本。
根据对面向设备运维场景需求的分析，智能运维的内容主要包括智能感知诊断、智能分析预警、智能维修评价和智能资产联动。智能感知诊断通过先进的感知技术实时采集设备设施运行参数，自动辨识和评价健康状态，为进行智能运维奠定数据基础；智能分析预警通过对感知诊断数据进行深度挖掘，实现状态演化机理多维度分析、风险预测预警、维修策略智能优化和修理计划的自动编制等，提升维修决策水平；智能维修评价主要实现一键故障报修、电子作业派发、远程维修处置及作业质量后评估等功能，提高运维效率和质量；智能资产联动通过将设施设备运维管理与资产管理联动，实现资产履历全寿命周期管理、备品备件的智能追踪和优化、资产更新改造计划的智能编制与优化等功能。
（四）智能管理
智能管理是智慧地铁建设的保障，基于智能服务、智能运行、智能维修的功能规划，通过综合运用现代化信息技术和管理理念，改变现有管理体制机制，科学配置企业资源和优化企业秩序，构建管理精细化、运行高效化、效益最大化的智慧化管理体系，以实现对业务的有效支撑和企业的可持续发展。
智能管理内容主要包括智能资产管理、智能资源管理、智能企业管理和智能协同办公。智能资产管理依托企业大量的多源生产数据，实现资产全寿命周期的购置、使用、盘点、折旧、报废、更新改造等的精细化管理；智能资源管理充分利用地铁独特的资源优势和多源数据，进行交叉营销，拓展经营业务，包含资源开发、经营分析、媒体广告、房产开发等，提高经营效益；智能企业管理包含人事管理、财务管理、档案管理、合同管理等，充分利用信息化平台，对企业管理的各类数据进行智能分析和统计，优化管理模型，简化业务处理过程，提高企业的管理效率和水平；智能协同办公基于统一数据和应用接口，建立全局数据共享体系，实现不同组织机构和管理部门的协同高效运转，有效提升办公能力和决策效能。
五、结论与展望
智慧地铁是地铁发展的新方向，但是建设智慧地铁是一个全新的课题，需要不断的技术积累和变革，是一个不断探索、不断完善的过程。在智慧地铁的建设过程中，要坚持守正创新，尤其以下几点需要思考与注意：
1．智慧地铁建设要以实际业务问题为导向，避免新技术和新产品的机械堆砌，“智慧”只是手段，目的应是切实解决地铁行业所面临的痛点问题，提升地铁发展水平；
2．智慧地铁建设不仅仅是新技术的应用，更是发展理念的变革，一方面要转变现有管理模式和实现手段中不适应新时代发展需求的地方，大胆创新；另一方面，更要继承和发展现有地铁积累的基础，利用新的管理模式和实现手段对地铁的优化发展；
3．智慧地铁建设是一个长期的复杂系统工程，要树立长远的发展观念，不断的积累与探索，除了顶层设计和功能规划外，关键科学问题、保障体系、评价体系等需要进一步研究。
