城市轨道交通智慧车站关键技术应用研究

安文章 AN Wen-zhang；张波② ZHANG Bo；许有俊 XU You-jun；金蓄 JIN Xu

（①内蒙古科技大学，包头 014010；②北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100101；③北京市轨道交通设计研究院有限公司，北京 100101）

0 引言

随着物联网、大数据、云计算、人工智能、北斗、5G等为代表的新一代智能技术的产生与发展，正推动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，将新一代智慧技术引入地铁，构建运营新模式，打造更加安全可靠、便捷舒适、经济高效、绿色节能的地铁系统已成为发展共识，智慧地铁应运而生。周茂庆结合当前新技术的发展方向，通过综合运管平台、乘客服务、运营管理和设备管理四个方面，提出了智慧车站的总体架构；为智慧车站的建设提供了思路。周勇指出智慧车站的建设应分为应用层、数据层和基础层，分别针对应用层、数据层和基础层提出了实现车站智能化的技术方案。张森以广州地铁为工程背景，采用数据集成体系的技术路线打造智慧地铁体系，提出以“安全、可靠、便捷、精准、融合、协同、绿色、持续”为核心特征的智慧车站建设理念。陈菁菁以汉中路站智慧车站为试点，采用“互联网+大数据”技术，以客运管理、设备管理、人员管理为核心业务，实现了上海轨道交通首个智慧车站实践案例。姜臻祺从系统集成、系统功能和总体架构三个方面进行设计，提出了智慧车站的总体架构新的思路，为智慧车站的设计提供借鉴和指导。江志彬结合智慧车站的实际需求，诠释智慧车站的内涵和特征，探索智慧车站的实践途径，提出智慧车站的目标。马伟杰通过对上海轨道交通10号线新江湾城站导入车站运营场景，实现了车站设备管理、客运管理和人员管理智能化。温少表通过分析智慧车站业务需求、技术难点，提出智慧车站远郊车站无人值守模式新思路、新方案。

1 城轨车站面临的问题及业务需求

1.1 面临的问题

城市轨道交通作为满足城市居民公共出行的重要手段，近年来飞速发展，逐渐趋于网络化、智能化发展，但也面临着众多需求：①运营安全：地铁是由人员、设备、管理和环境组成的一个复合的、多层次的运营安全系统柜，超大客运量常态化在不断考验车站总体的安全治理能力。需要考虑如何升级的数字化体系，实现客流态势分析及客流预测，支撑态势监控、客流预警、应急调度指挥等业务应用，保障运营秩序及乘客安全。②乘客服务：在城市化加速、客运压力加大的时代，城市居民不断追求更安全、更便捷、更智慧的交通出行方式，以及个性化服务和丰富的多元化乘车体验。通过智能语音查询终端提高乘客出行体验，延伸各类智能客服、室内导航、精准推荐等创新服务与体验。③运维保障：随着城市轨道交通的飞速发展和客流量的增加，出现设备运行强度大、维保人员工作量增加、夜间维护窗口时间较短等问题，对当前的运营设备维保工作提出了更高的要求与挑战，由于其超大规模、车辆数量激增、运营时间延长、运维压力增大等因素，大量线路长期的高负荷运行，迫切需要通过新的技术手段，改进运营管理的水平，提高运营可用度。

1.2 业务需求

①全维可视的需求。通过BIM+GIS的数据集成，实现BIM模型的精细化建模与周边环境信息模型的有机融合，实现站内、站外的全维可视。②全息感知的需求。状态实时感知，如各专业设备设施监控及运行状态、应急事件发现等方面，车站感知数据的继承与分析。③全景管控的需求。包括客流管控、智能交互终端、可视化监控、综合看板、资产全周期、设备智能化、智能节能、设备控制、应急指挥等，解决人工管控压力大、效率低等问题。

2 智慧车站总体架构

以某市地铁1号线线样板站A站为示范研究应用车站，以地铁车站的“全维可视、全息感知、全景管控”为工作目标，打造出基于BIM、GIS、物联网、大数据、云计算、人工智能的“智慧地铁”综合运管平台。针对当前智慧地铁的建设需求，形成一套BIM模型建设、运行数据智能采集的技术方案和使用工具，搭建基于BIM的综合运管平台实现车站的自动运行、智能诊断、自主服务。继而在后续城市轨道交通线进行推广应用，总体架构如图1所示。

图1 智慧车站总体架构图

3 智慧车站关键技术研究应用

借助BIM数字化技术，综合先进的自动化控制技术、智能化分析技术和系统集成技术，改造并提升传统车站监控系统的技术能级，激活更多的地铁信息数据连接能力，提升智能地铁数据分析与决策能力、车站设备管理能力和车站人员管理能力，实现车站运营管理模式的变革，摆脱传统管理模式的束缚，提升车站运营管理水平。

3.1 全维可视

全维可视，实现车站站内外全维度的实景可视化，包括车站内部的设施设备、车站内的建筑空间、地面四小件以及周边的地理环境。通过竣工图纸、现场扫描测量、实景拍摄等多种手段搭建车站站内外的BIM三维数字模型，BIM三维数字模型关联其对应的属性信息、文档资料，为站内外导航、可视化管理提供基础数据。

①智慧车站信息模型（BIM）细度标准研究。智慧车站设施设备的资产管理和运维保障管理对信息模型的细度具有不同的要求，需要针对实际管理需求对信息模型的细度标准进行研究，信息模型细度包括几何表达精度和信息深度两个方面。

②智慧车站及周边地理环境信息模型构建技术研究。智慧车站需要构建的信息模型包括车站站内全专业的设施设备、地面四小件（出入口、冷却塔、风亭、垂直电梯）、周边地理环境（建（构）筑物、交通接驳、商业商铺等），根据模型细度要求研究采用的建模资料（竣工图纸、现场扫描测量、实景拍摄等）、建模方法、建模软件。

③智慧车站基于BIM的可视化空间管理技术研究。智慧车站的空间管理（设备房间、管理房间、公共区域、商铺、地上公交站、商业大厦等）满足站内定位导航、站外定位导航，需要研究BIM模型中的如何表达与管理空间信息。

3.2 全息感知

全息感知，实现车站人员、设备、环境、业务管理等动态数据的智能采集、BIM三维数字模型的可视化集成、智能分析，构建实体车站的数字孪生。

图2 设备精细化模型

图3 站内可视化模型

①智慧车站感知数据分类研究。研究智慧车站需要智能感知的数据种类，包括但不限于：机电、供电、通号等专业设备的实时运行数据；运维保障人员作业数据；车站的风水电能耗数据、车站环境数据等。

②智慧车站感知数据采集方法研究。针对不同种类的数据制定采集频率、采集方法、接口规格、信息安全保障措施，采集方法包括但不限于：智能移动终端、布设物联网传感器、生产控制系统接入等。

图4 冷负荷统计分析图

图5 数据集成图

3.3 全景管控

全景管控，基于BIM的可视化空间管理、设备在线监测、节能分析、智能盘点、人员定位、智能导航等技术实现车站级全景管控，包括：智能交互终端、可视化监控、综合看板、资产全周期、设备智能化、智能节能等多维度的管控。①基于BIM的设备在线监测与故障诊断技术研究。研究基于设备运行数据关联BIM模型单元技术，结合监测指标阈值判定技术，实现可视化监控、故障提醒、可视化定位。通过单击故障信息，定位到三维模型中，对应的设备模型闪烁进行预警。②基于BIM的可视化节能分析技术研究。研究车站能耗数据关联BIM模型单元技术，采用BIM热力图进行能耗大数据分析，辅助制定能耗策略。③基于BIM的人员作业精细化管控技术研究。研究基于BIM空间的高精度人员定位技术、移动智能巡检技术、视频监控集成技术，在BIM空间中进行维保人员维保路线、作业位置、作业画面的实时监控与轨迹回放，实现维保作业的智能化管理。④基于BIM的数字资产盘点技术研究。研究在BIM场景中结合设备定位技术，在BIM场景中真实反映车站资产位置，实现在智能终端进行虚拟盘点，在交付实体地铁的同时，再交付一套数字化地铁。⑤基于BIM的智能导航服务技术研究。研究智能语音终端，基于车站内外BIM场景的三维空间表达，实现车站站内人性化设施（电扶梯、出入口、卫生间、母婴室等）以及车站站外周边环境的语音查询与导航，提供清晰的导航路线。

图6 客流量预测

图7 智能语音视频交互

图9 车站环境监控图

4 总结与展望

4.1 总结

图8 设施设备维护及预警定位

①打造“智慧地铁”的落地应用。某站在基于智能语音、生物识别技术的智能购票、语音交互、无感进站以及基于5G技术视频数据实时传输的基础上，通过物联网传感器、智能终端、生产控制系统对接首次实现地铁车站“全息感知”。②以BIM全维可视为基础实现地铁车站数字孪生。通过搭建车站站内外BIM三维数字化实现车站全维可视，基于全息感知，进行全景管控，实现地铁车站的数字孪生，能够现实、真实、精确、实时地反应车站状态，提高车站的运营安全、乘客服务、运维保障的管理水平。

4.2 展望

智慧地铁是地铁发展的新方向，也是一种必然趋势。BIM技术的应用，是实现智慧地铁的一条路径，依托交通接驳系统，可统筹规划好轨道交通车站及出入口周边的多种交通系统，做到同步设计、同步建设、同步使用，相信不久的将来，通过对BIM技术与大数据、5G、北斗、人工智能、云计算、物联网进行有机的融合，实现车站的全息感知、全景管控、智能分析、动态处置、主动进化，打造一个具有未来感的自主服务、自动化运行的无人值守智慧车站，从而打造新一代的智慧地铁，智慧地铁的事业必将枝繁叶茂。