论文|城市轨道交通生产运营技术创新与发展关键问题
注：本文为期刊公众号简版，完整版已发群内自取。
文章来源：《中国铁路》编辑部
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李宇杰，北京市地铁运营有限公司
王艳辉，北京交通大学
蔺陆洲，全图通位置网络有限公司
夏志成，北京锦鸿希电信息技术股份有限公司
王伟，交控科技股份有限公司
0. 引言
目前，新一轮科技革命正处在重大突破的历史关口，呈现出以智能化为主导的融合式“聚变”、多点突破态势，正在前所未有地推动生产生活方式发生颠覆性变革，对每个行业的区别关键在于主动求变还是被动改变。城市轨道交通作为城市交通优先建设发展的交通方式，当新一轮科技革命的新兴技术与城市轨道交通行业的发展需求实现高度融合时，以智能或智慧技术重构的轨道交通新运营模式将逐步颠覆传统模式。
在全国智慧地铁如火如荼建设的同时，不仅要看到新技术带给行业的质量、效益、效率变革提升，同时也要客观地评判智能或智慧技术与既有运营生产体系短期不相适应的关系，要从长期有序发展、经济可持续性、过渡可靠性等角度研究轨道交通行业技术创新与运营生产融合发展的路径问题。
交通实际是以满足人类社会活动发展需求为目标，需求决定了行业提供的服务类型，而服务品质决定了使用的技术。因此，智慧地铁本质上是赋能技术，其核心目的是在保障安全的前提下，实现低费效比、高覆盖率的高品质服务和企业高质量发展的需求。因此，城市轨道交通行业应通过加快技术创新与运营生产融合推进行业高质量发展，贯彻新发展理念，锚定行业发展目标，把握行业发展方向，服务新发展格局，展现行业更大作为。
1. 城轨行业技术创新趋势与现状分析
近几年，城市轨道交通行业在智慧地铁新技术创新实践中，以新一代智能信息技术为主导的“地铁+”新技术体系逐步形成，而支撑技术体系发展的城市轨道交通生产运营技术创新体系也应运而生，取得了不菲的成效。
1.1 以新一代智能信息技术为主导的“地铁+”新技术体系逐步形成
将新兴智能信息技术应用于城市轨道交通，充分满足不断增长的安全、高效、高品质服务的低运营成本需求，以上海、北京、广州等城市为典型代表的城市轨道交通开始向智慧城轨的方向发展，标志着我国智慧城轨建设拉开了序幕。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》，我国智慧城市轨道交通蓝图呈现为“1-8-1-1”的布局结构，即铺画1张智慧城轨发展蓝图；创建智慧乘客服务、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、智能运维安全和智慧网络管理8大体系；建立1个城轨云与大数据平台；制定1套中国智慧城轨技术标准体系。统筹规划、顶层设计、自主创新、重点突破、分步实施，创新服务、运营、建设管理模式，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国式智慧型城市轨道交通，标志着地铁+新兴信息技术已成为行业各主体研究最为深入的领域，“地铁+”新技术体系已逐步形成。
1.2 以场景驱动为特征的科技创新组织模式已经形成
在智慧车站、智慧运维、智慧安检以及智慧服务等场景驱动下，城市轨道交通生产运营的需求日新月异，科技进步与技术创新的步伐日趋加快，对下游行业持续发展轨道交通相关技术提出了更高要求。在此环境下，与城市轨道交通相关的一大批新型研究机构应运而生。如2017年组建的中荷城市轨道交通与智慧城市联合研究中心，2020年上海申通地铁创新研究院、北京地铁技术创新研究院以及北京协同创新轨道交通研究院有限公司等相继挂牌成立，形成了以集成创新为驱动、以智慧地铁为契机、以产业投资为引导、以资产配置为支撑，聚焦智能装备制造的“投资+创新”模式。同时，华为、腾讯等互联网企业采用战略合作等方式与各地轨道交通业主单位成立联合研究机构，更进一步加快了以数字化、互联网技术为代表的新型联合研究机构的诞生。在此支撑下，科学、技术、产业三者得到了极大的融合，为城轨科技创新组织模式带来了全新的变革。
以智慧地铁典型应用场景为驱动，新的科技创新组织模式为城市轨道交通的生产运营带来了全新的发展，带动了运营企业的站务或运维人员数量的减少和整体智能化水平的显著提升。以智慧车站为例，上海地铁汉中路站智慧车站试点工程是行业内第一座通过改造完成的换乘车站智慧化实践。智慧车站建设主要围绕客运组织、设备管理和人员管理3个维度，以设备设施、环境状态、客流实时状态、人员身份辨识等感知传感设备为基础，以智慧乘客服务、智慧站务管理、智能设备运维管理等为目标，通过综合分析研判、预警报警、策略匹配、监督执行等功能，实现乘客与人员、管理人员与设备等的关系场景重构，达到了安全、高效集约化管控和以人员精简为核心的智慧化管理目标。
但新技术的应用也带来了一定挑战，特别是智慧场景的实现建设与感知设备应用、感知信息获取和综合分析运用密不可分，感知设备的可靠性、感知信息获取的准确性与实时性以及分析手段的合理可靠性等都决定了智慧场景实现成功与否。因此，强化提升感知设备的可靠性、信息获取的精准性与实时性，并提高分析方法与结果的正确性、高效性等研究工作是目前的研究重点工作之一。同时，还应考虑如何在突发应急情况下，保持智慧场景下人力资源的均衡性，提升安全故障或事故的快速恢复也是需要研究的重点。
综上，以科学、技术、产业3方面相融合的科技创新组织新模式已经逐渐成为业内的一种潮流。在技术变革的驱动下，城轨产业领域的技术路线正在发生革命性变化，但是以公共服务保障为本的城市轨道交通如何实现商业模式的创新，形成常态化的利润成长体系是未来行业内新型研究机构面临的主要课题。
2.技术创新与运营生产融合发展关键问题分析
面向城轨行业新技术创新实践中存在的客观问题，为实现行业技术创新与运营生产的快速融合，在发展路径上重点要以现代化交通强国建设的重大需求为牵引，突出目标导向（即高质量发展指标提升）、需求导向（即乘客、企业、政府3方面需求）、问题导向（即运营生产中存在的实际问题），重点开展顶层设计规划、新型创新体制机制建设、智慧地铁场景化建设、人才工程建设4方面工作。以下将重点围绕这4方面工作中技术创新和运营生产融合遇到的关键问题展开分析。
2.1 顶层设计规划
从城市轨道交通的本质属性出发，结合新时代特点，未来技术创新与运营生产融合工作以“乘客至上、网络集约、数融智行、平战一体”为核心理念，开展顶层设计规划。
“乘客至上”即以满足广大乘客日益增长的美好出行愿景作为城轨交通行业一切工作的出发点，建立“乘客至上”的核心理念，是实现城轨企业由“关心车”向“关心人”意识形态转变的基础，才能有效提升人民群众出行的幸福感、获得感；“网络集约”是实现乘客服务中心化、行车组织和设备管理网络化、维修维护集约化等功能，重构中心-站线2级运营模式，实现资源整合下的降本增效目标和与城市多种交通方式的融合发展；“数融智行”是智慧地铁建设要坚持“数字化、融合化、智能化”的核心理念，将新技术与城轨行业传统技术融合发展，通过数字化转型实现高质量发展目标，实现智能化运行组织和全时程智能服务支撑下的智慧出行；“平战一体”是建立统筹兼顾日常状况与应急状况协同运转的智慧地铁模式，是智慧地铁核心价值和竞争力的重要体现。
目前，由于缺少结合新时代特点的顶层设计规划，导致地铁技术创新时尽管考虑了大量智能化要素，但在运营生产模式中仍以传统技术为主，缺少对新技术的应用规划，为技术创新和运营生产的融合带来了隔阂与不便。
2.2 新型创新体制机制建设
创新建立“政用产学研”紧密结合的新型研发体制，打通从技术研发、到生产应用、再到推广转化形成收益的全链条，重点要整合技术研发、产业孵化、数据建设、人才培养等全链条的创新资源，加快新型创新体制机制建设。
通过地铁的应用场景牵引，重点整合行业上下游优势企业，发挥科技创新与运营生产的互补优势，实行“开放、流动、联合、竞争”的运行机制，积极孵化新技术、新装备高科技公司。积极开展“政用产学研”与国际交流合作，创造良好的科研条件和学术环境，加强与行业内顶尖院所、科研机构以及企业合作研发；同时积极吸引、聚集国内外优秀学者、专家，在该研究领域内开展高水平研究，培养高层次技术人才及行业专家，保证研究研发活动的专业性、创新性和权威性。
目前技术创新主要由企业单方面推动，缺少行业内“政用产学研”的协同联动，对行业内资源整合利用能力低下，导致新技术发展出现偏差、落地难、落地后反馈改进更难等问题，新型创新机制要改变过去单一企业或单位单打独斗的局面，走向联合发展。
2.3 智慧地铁场景化建设
智慧地铁的建设要以真实场景构建为主导，以新一代智能信息技术为核心，通过以数据驱动为核心的仿真技术与现场管理技术的有机融合，实现场景化的管理创新。
要坚持面向车站级、场段级、线路级和中心级4个层次的场景标准化建设，通过智慧车站、智慧车辆段、智慧综合管理平台的研发与建设，加快新技术、新装备应用推广研究，提升设备可靠性、信息传输精准性与实时性，保障应用效果的真实性与高效性，实现技术的迭代升级和管理的融合汇聚，逐步由单点示范向线路级应用转变。
尽管目前智慧地铁场景化建设已取得不少成果，但仍存在建设标准不统一、场景划分不清晰等问题，以及新技术难以完全落地应用，提高了智慧地铁场景化建设的整体成本，影响建设效率。
2.4 城轨人才工程建设
伴随着技术创新的进程，未来城轨行业的人才梯队将呈现超越现有专业划分层面的新型人才架构体系，至少包括综合决策类、数据分析类、现场实操类、管理创新类4种骨干人才。
综合决策类人才主要是在现有调度指挥人才的基础上，提升其使用各类信息化平台的综合研判能力；数据分析类人才主要是在现有以客运、车辆、通信等单专业技术分析人才的基础上，提升其利用各类数据分析模型进行瞬时状态和未来趋势分析的能力；现场实操类人才主要是在现有车辆、设备、设施等单专业现场操作工的基础上，提升其利用各类穿戴式辅助增强设备的现场单专业或交叉专业故障处置能力；管理创新类人才主要是在各级管理人才的基础上，提升其在新技术、新设备赋能情况下，高效、准确地优化既有维修规程的能力。持续开展以上4类人才的培养和梯队建设，是未来城轨行业可持续发展的根基。
目前城轨人才培养主要以面向传统的运营体系为主，培养模式较为单一，人才特别是骨干人才发展路径单一，整个城轨人才工程建设体系仍需以智慧地铁发展为导向进行大幅度的变革。
3. 以典型应用场景驱动的智慧地铁发展路径研判
从智慧地铁的5大典型应用场景出发，结合发展关键问题，对智能决策、智能服务、智能运行、智能维护和智能管理等应用场景的生产运营技术创新和发展路径进行研判，为智慧地铁下一代技术发展方向提供指引。
3.1 智能决策领域
智能决策领域重点要实现“态势研判、全局调控、平战兼顾”，实现系统运营安全态势与全局动态调控管理目标（见图1）。
“态势研判”是建立在数字化的全业务、全场景、全流程智能感知系统基础上，通过应用多源数据采集与融合技术、大数据挖掘分析技术、态势要素获取与预测分析技术等，实现运营态势的可视、可知、可预警、可评估和可预测，分析潜在风险、研判事态发展态势，最大程度避免运营故障的发生；“全局调控”是建立以客流需求为导向的资源统筹调度、业务协同联动的上下贯通指挥体系，应用协同优化运输组织、客流管控与安全风险防范以及智能化行车指挥等技术，实现精干高效调度指挥，提升全局统筹能力；“平战兼顾”是建立覆盖日常运行组织和战时（重大活动和应急突发）运行调整多场景的综合管控体系，应用数字化应急预案管理、应急资源优化配置以及应急指挥联动等技术，强化中心到车站的两级行动人机协同，减少重大活动和故障时对乘客出行的影响。
3.2 智能服务领域
智能服务领域重点要实现“无感进站、交互服务、无缝衔接”，实现面向乘客需求的全时程智慧服务与管理目标（见图2）。
“无感进站”是提升进站时间效率，重点解决安检量力矛盾突出、乘客体验差、安检投入巨大的痛点问题，通过应用社会行为学、心理学以及助推理论等方法和智能安检技术等，构建差异化安检新模式，研制高效无感进站安检装备，实现降低拥堵风险、提升安检质量和针对性、提高乘客服务品质等目标。“交互服务”是通过出行链叠加需求链，应用信息化、高精度精准定位、人机情感交互服务以及高可靠通信等技术，建立乘客需求的获取、响应、回复的闭环交互全时程服务体系，实现乘客需求线上个性化、定制化，线下便利化、自助化。“无缝衔接”是提供最优的多种交通融合出行模式，以乘客需求快速响应、多种出行交通方式便捷换乘和“一次安检、一次支付”“一票到底”的快捷出行为目标，实现出行准备、等待、响应、状态切换总时间最优化的智能安全、高品质出行服务。
3.3 智能运行领域
智能运行研究领域重点要实现“量力匹配、两级运转、条块调度”，实现基于客流的多线路集约化韧性运营管理及控制模式（见图3）。
“量力匹配”是建立运力与运量动态匹配的运行模式，应用智能感知与识别、调度指挥和控制一体化以及列车全自动驾驶等技术，实现网络客流状态感知与运力匹配优化、应急情况下运力的灵活调整运行。“两级运转”是按指挥中心和车站两级运行。指挥中心负责客调和应急调度、行车调度和设备运行调度，平时客调指挥行车、设备运行调度以及车站客服，战时应急调度指挥全局；车站负责日常车站运行业务，岗位设置重点为乘客服务和安全管理，突发情况下车站是现场级指挥中心。“条块调度”是建立线路集成和区域集成相结合的调度指挥体系。行车调度按照线路集成，便于线路间的运力匹配和跨线运行指挥；设备调度按照专业和区域集成，便于日常维修工作的集约化和应急维修的快速响应。
3.4 智能维护领域
智能维护领域重点要实现“全息感知、均衡养护、综合维修”，实现面向运行和服务的网络化集约智能维修模式（见图4）。
“全息感知”是建立基于智能感知的在线监测和自动巡检体系，以各专业最小维修单元为基准建立设备故障快速定位，及时预测故障发生趋势、捕捉识别“看不见”的风险。“均衡养护”是在设备管理标准化的基础上对设备隐患和惯性故障进行专项管理，将设备状态与资产形成联动关系，建立预防性状态修体系，实现设备全生命周期的优化管理。“综合维修”是按照设备全生命周期优化管理思路和经济最优化原则，面向车辆、通信、供电等专业最小维修单元，建立与设备制造单位的协同应急抢险机制和设备集中采购机制，实现区域化日常与应急维修管理。
3.5 智能管理领域
智能管理领域重点要实现“主动安全、精辨细识、治小控大”的风险主动防控新模式，实现构建全方位、一体化的地铁主动安全保障体系（见图5）。
“主动安全”是以风险状态感知技术为基础、预防预警为手段，应用风险点辨识、隐患排查治理等技术，实现从事件/事故的被动安全管理模式向以风险管控为核心的主动安全管理模式的转变。“精辨细识”是以历史故障/事故数据为基础，以风险控制链、安全知识图谱等技术为核心，风险演变与态势研判为路径，实现关键风险/隐患的精准捕获。“治小控大”是以防微杜渐为目标，保证个体风险精准治理和群体风险有效控制，建立全方位、立体化的城市轨道交通主动安全保障体系，实现地铁内保本质安全、外防环境安全、严控公共安全，有效提升首都地铁安全高效的运行服务能力。
4. 结束语
创新是时代发展的永恒主题。作为城市交通系统骨架，城市轨道交通系统自诞生以来，一直是当前先进技术集大成者，同时也历来是政府、社会各界和公众关注的焦点问题。随着技术的发展和乘客对服务需求品质的提升，如何保障地铁运营的安全、高效、高品质服务已成为城市轨道交通系统运营管理者面临的现实和急需解决的关键问题。结合新一轮科技革命的新兴技术与城市轨道交通行业的发展需求，在分析城轨行业技术创新与运营生产融合发展关键问题的基础上，提出了以构建智能决策、智能服务、智能运行、智能维护和智能管理5大领域为核心的智慧地铁核心内容和实现目标，为城市轨道交通行业技术创新和安全高效运营生产提供了发展方向与实现路径。
