城市轨道交通运营安全
多要素智能感知系统
摘要：本文介绍了南京地铁运营有限责任公司在城市轨道交通运维智能化方面的探索与实践。南京地铁以“交通强国，城轨担当”的使命感，积极响应《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》战略部署，推动城市轨道交通由高速发展转向高质量发展。系统运用智能检测、监测技术装备，对运营安全风险要素感知新模式进行探索研究，打造城市轨道交通运营安全多要素智能感知系统，提升了轨道交通运维效率，减少了巡检维护人员的作业强度，提升了安全运营能力。
关键词：智能运维、风险感知、智能监测、趋势分析、应急联动
1.建设背景
截至2023年11月，全国31个省（区、市）和新疆生产建设兵团共有55个城市，开通运营城市轨道交通线路300条，运营里程9915.6公里，随着城市轨道交通线网规模不断扩大，服役时间不断增长，影响列车运行安全的新兴风险、区域风险等积聚滋生、复杂多变、易发多发，而现有专业人才储备呈摊薄态势，运营维保压力日益加剧，使得保障城市轨道交通运营的安全与稳定成为至关重要的任务。
在新一轮科技革命和产业变革的浪潮推动下，为缓解运营维保压力，提高城市轨道交通信息化水平，有序推进智慧城轨建设，《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》（以下简称“纲要”）指出了智慧城轨发展战略：在自主创新基础上，围绕数字化、智能化、网络化，大力应用新技术革命成果并与城轨交通深度融合，要“一手抓智能化，一手抓自主化”，通过持续不断的智能化和自主化建设，完成城轨交通由高速发展向高质量发展转变，强力助推交通强国建设[1]。
南京地铁运营有限责任公司以“交通强国，城轨担当”的使命感、责任感和紧迫感，积极响应《纲要》战略部署，推动城市轨道交通由高速发展转向高质量发展，着眼于智慧安全风险管控发展方向，联合南京派光智慧感知信息技术有限公司，以智能检测、监测技术装备研发为切入点和主要抓手，对运营安全风险要素感知新模式进行探索研究，积极促进新兴技术与城轨交通深度融合，通过打造城市轨道交通运营安全多要素智能感知系统，提升运维效率，减少巡检维护人员作业强度，提升安全运营能力，并最终形成设备设施日常监测、预测预警和应急处置为一体的城轨交通运维安全综合保障体系，实现运营维保工作的数字化、智能化、网络化。
2.建设规划
系统以“痛点调研－设备研发－平台搭建－示范验证”为总体研究与建设思路，从运维一线工作需求与痛点入手，构建风险演变机理、风险等级划分原则与应急响应的理论模型，形成系统整体功能架构体系；基于多源感知技术展开面向人－机－环－管多要素安全风险感知设备研制工作，构建适用于城轨场景的智能感知设备架构；搭建了多专业融合的综合管理平台，直观展示各项风险特征数据及真实场景图像信息，实现大范围复杂轨道交通场景安全多要素智能化自主协同感知。
3.技术选型
系统综合考虑城市轨道交通列车运行场景特征以及运维模式特点，针对轨行区限界要求、关键作业人员工作的专注度要求、传统人工巡检模式的非连续性与质量分散的特性，并同步考虑既有线路改造经济性要求，决定采取以沿线既有通信光缆作为感知+传输神经，融合了图像、雷达等多源感知技术，形成覆盖城市轨道交通多风险多要素的前端感知神经网络，并基于云边端协同技术架构，综合利用多参量模式识别、大数据分析、数字孪生等技术手段，构建了安全风险智能感知与管控系统平台，实现了数据协同、服务协同、管理协同。
3.1 感知神经网络建设
城市轨道交通沿线已建设通信光缆，且大多有充足的冗余备份，通过城轨沿线既有通信光缆的“一芯两用”，构建城轨沿线感知和传输一体的神经网络：赋予既有光缆冗余光纤感知能力，实现城轨沿线多参量多维度实时监测，同时构建全线自主的通信通道，形成综合感知网络体系，承载机器视觉、三维点云、激光测距等点式感知设备，与城轨通信专线无缝对接，实现基础设备设施状态、周界入侵、异物侵限、自然环境、车体状态、列车运行状态、关键作业集中监控等安全风险要素的全方位实时监测等。
3.2 系统平台建设
基于多源感知的系统前端感知网络架构，带来了高实时性的应急响应需求以及多源异构海量数据的处理需求，为有效减少设备端与云端吞吐压力，提高数据分析响应效率，采用云边端协同的计算资源调度技术和分布式异构数据管理技术，搭建高性能可视化平台，另外针对轨道交通系统安全多要素感知数据的多源异构特性，对不同数据结构进行定义和约束，构建多模态感知数据的统一规范，并通过多参量模式识别、大数据分析、数字孪生等技术手段，以统一规范和交互机制的轨道交通系统安全多要素感知数据为基础，将物理对象的行为、状态或流程以数字化的形式进行实时的动态呈现，全方位地表达并管理各场景风险信息，从而实现基于数字孪生的风险动态评估和综合研判，建立“感－联－知－用－融”一体化的应急调度指挥决策高性能可视化平台。
4.实施过程及系统内容
4.1 系统研发与实施过程
为推进项目开展，南京地铁运营有限责任公司联合南京派光智慧感知信息技术有限公司组成联合开发团队，自2018年起展开研究与建设工作，历时5年，于2022年12月在南京地铁S7号线完成系统示范验证。
项目团队贯彻“痛点调研－设备研发－平台搭建－示范验证”的总体思路进行系统研发与实施工作：
4.1.1痛点调研
项目团队首先对各专业日常工作中的难点、痛点进行调研，对主要风险场景进行划分，并对七大类风险场景的功能需求进行了梳理，形成了包含二十余项功能需求的系统功能框架。
4.1.2设备研发
项目团队围绕系统功能框架进行总结归纳，以沿线既有通信光缆的感知功能开发工作为研究重点，同步展开隧道状态、桥墩状态、道岔状态、异物侵限、人员入侵、自然灾害、车辆状态、列车轨迹、关键作业人员工作状态等感知系统的研发工作，组建了“1+N”的车地一体感知+传输神经网络。
4.1.3平台搭建
项目团队围绕城市轨道交通运营安全态势感知与应急联动平台的搭建进行研究，针对前端感知神经网络监测到的多源异构数据进行数据积累与算法开发，打造千万级风险事件样本库、案例库，形成溯源定位、实时诊断、趋势预测、评价分析4大类智能算法，同时搭建覆盖城市轨道交通工务、通号、供电、机电、车辆、乘务、运管、后勤等8大专业需求的一体化管理平台，实现人、车、线、站、网的有效协同。
4.1.4示范验证
项目团队考虑南京地铁S7号线沿线途经大量农田荒地及建筑工地，容易出现异物侵限的风险，为了有效保障地铁沿线的运营安全，监测非法入侵事件，决定在南京地铁S7号线进行系统的示范验证。系统自2019年起开始实施，于2021年4月建设完成并投入使用，覆盖范围达30km。
4.2 系统内容
4.2.1系统架构
系统总体设计基于“感－联－知－用－融”的总体框架，分为五层架构，依次为风险感知层、网络传输层、数据服务层、系统应用层和前端展示层，如图1所示。
图1系统总体架构
（1）风险感知层
风险感知层基于光纤、图像、激光、点云等多源感知技术，研发多类前端感知设备，构建“1+N”的车地一体感知+传输神经网络，实现基础设备设施、周界入侵、异物侵限、自然环境、车体状态、列车运行状态、关键作业集中监控等七大类城市轨道交通风险场景的智能感知监测。
（2）网络传输层
网络传输层主要涵盖前端物联网感知网络及信息交换共享传输网络，网络依托4G/5G、光纤、无线局域网、专网等，在确保信息安全的条件下开展数据传输。
（3）数据服务层
数据服务层主要实现城市轨道交通运营安全多要素智能感知数据的全面汇聚与处理，为综合监测预警业务应用提供数据支撑服务。通过云计算与车载、地面边缘计算深度融合充分发挥云计算的大数据处理能力和边缘计算的实时性、低延迟优势，为地铁运营提供更加智能化、高效化的应急联动方案。
（4）系统应用层
系统应用层从应急联动一体化场景应用出发，实现监控管理、巡检管理、作业管理、预警管理、趋势分析、知识引擎等多项功能，为运维人员提供便捷的智能运维服务。
（5）前端展示层
前端展示层通过在通号、工务、供电、机电、车辆、乘务、运管、后勤等专业设置操作终端，同时结合手机终端以及车载终端，实现感知与控制的数据协同、服务协同、管理协同。
4.2.2功能框架
通过对各专业痛点需求调研结果进行总结，将城市轨道交通七大类风险场景的功能需求点进行了细化，共计二十七个。如图2所示：
4.2.3“1+N”车地一体感知+传输神经网络
提出以光纤感知为主、多技术融合的大范围超视距感知方案，实现对载运工具、作业人员、运行环境、路轨状态的全域实时感知、准确辨识、快速预警、相互协同的“1+N”车地一体感知+传输神经网络，如图3所示。
⑤光纤复合围栏 | |
图5列车运行环境感知设备
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4.2.4运营安全态势感知与应急联动平台
①通号工作台，还包含管理图、自动巡检等内容。 | |
③供电工作台，还包含接触网下锚监测在线情况、接触式测温装置在线情况、管理图、电缆温度监测列表、接触网下锚巡检、电缆接头温度实时监测、电缆接头温度趋势分析等内容。 | ④机电工作台，还包含天气情况、雨量监测、风速监测、地图等内容。 |
⑤车辆工作台，还包含库门状态统计、库门状态监测－车辆基地等内容。 | ⑥乘务工作台，还包含今日分析、车辆入网率、车辆在线率、今日告警次数时段分析、今日告警类型占比分析、车辆图、告警分类排行榜TOP5、平均车辆告警数TOP10等内容。 |
⑦运管工作台，还包含管线图、自动巡检等内容。 | ⑧后勤工作台，还包含自动巡检、实时监测等内容。 |
5.建设成效
图10典型告警案例
6.建设经验总结
来源：南京地铁运营有限责任公司、城市轨道信息化
