1956年以来，上海地铁历经筹备研究、初期建设、快速成网、持续发展四个阶段，地铁网络规模快速增长，客流量持续增加，已成为我国城市地铁建设与发展的典范。目前，采用高铁和城市轨道交通已无法满足上海高密度人流量与发车的需求。例如，网络客流量、公交占比、运营时间等指标在持续提升，列车运行间隔不断减小。上海迫切需要应用城际轨道交通等智能基础设施，推进交通智慧化“新基建”，协同城郊、中心城区乃至整个长三角的交通快速化与城市发展公交化。
上海地铁仍面临着一定的挑战，存在着建设安全风险高度集聚，运营安全压力持续较大，信息安全威胁零容忍等问题。以同济大学、上海申通地铁集团有限公司为代表的学术界、产业界矢志不渝地解决技术与业务痛点，秉承“管理规范、推进有序、成本可控、资源共享”智慧化治理理念，以统一的标准规范和安全策略为保障，先后采用了物联网、大数据、移动互联网、人工智能等技术，在地铁的建设、运营、维保等业务中实时掌控上海地铁健康状态，探索了一系列技术与工程创新的试点应用。目前，上海地铁正在研究新一代机电系统集成云平台的可信策略与零信任安全架构，期望满足轨道交通信息化、智能化的应用需求，研究工控系统信息安全与功能安全融合的核心技术，满足轨道交通工控系统信息安全等级保护要求。这也是上海智慧地铁发展计划中信息安全防护的核心研究内容。
响应《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》的建设重点，上海智慧城轨的发展将高屋建瓴地通过智能技术与全领域业务层面的联动融合，推动地铁管理、运营、治理能力的全方位升级。上海智慧城轨的发展图谱总体呈现一个地铁中枢轴（负责综合业务状态监视、综合决策下达、跨业务综合决策支持和指标评价）、一个地铁云，三个智慧领域（实现智慧建设、智慧运维、智慧服务）、五层技术架构和N类智能设备。如图1所示，在关键技术上，采用各种人工智能技术在城市轨道交通各业务领域的应用，以提升业务执行的安全和质量。在业务发展上，实现数据驱动业务，一个业务的执行状态或执行结果直接触发其他业务的执行或执行方式，从而提升业务执行的效率和效益。上海智慧城轨通过持续的技术创新与工程实践，以安全、智慧、绿色为目标，贯彻落实乘客服务、运输组织、能源系统、列车运行、技术装备、基础设施、运维安全、网络管理等方面的智慧发展，引领全国轨道交通行业的安全高质建设与发展。
图1 城市轨道交通技术与业务图谱
智能基础设施
上海智慧城轨的建设充分利用了全生命周期管理的BIM（建筑信息建模）/CIM（城市信息建模）技术。BIM/CIM技术能够提取城市与轨道交通建筑构件的几何与属性信息，根据信息数据及其模型对城轨系统做出合理的规划，并通过互联网与云平台技术把机器、任务、结构有效结合，提升上海城轨部门的运维效率。通过搭建基于BIM/CIM的智能基础设施运营管理平台，建立以BIM/CIM模型为核心的智慧城轨基础设施资产管理平台，实现数字资产移交、建设和运营的深度融合。
运用BIM/CIM数据精化和轻量化，降低对硬件系统和云平台的储存压力、与项目管理深度融合、拓展全建设运维过程的全员操作成本。在图像视觉等人工智能技术的引入后，能够提前解决城轨线网的各专业间管线碰撞。同时，通过BIM/CIM的工程量复核，能够精准感知与控制原材料、建设、运营和治理成本，实现基于BIM/CIM技术的城市轨道交通全生命周期信息管理，优化设计方案和设计成果，控制施工进度，并在运维阶段BIM/CIM应用提高运维管理水平。例如，上海地铁以17号线为契机，将BIM/CIM融入物联网、大数据、人工智能等相关技术，开展列车状态信息智能运维系统的建设，实现列车大数据的智能采集与处理，形成一个具有自动演进功能的闭环检修管理的工程应用模式。由此可见，以BIM/CIM为技术基座来支撑智慧基础设施的各项关键技术，突破了城市轨道交通行业的发展瓶颈，率先实现上海城市轨道交通的智慧基础设施技术的标准化建设与发展。
智能列车运行
智能列车运行是衡量城市轨道交通智慧化的技术标杆。近年来，地铁列车从完全依赖进口的初代直流传动列车，过渡到第二代交流传动列车；从第三代的国产节能绿色环保列车，进化到拥有自主设计的第四代标准化全自动驾驶智能列车。轨道交通全自动驾驶技术是基于全时段的轨道交通运营场景识别、系统功能及联动控制。轨道交通信号系统采用高冗余设计，使得系统具有可推广性、高可用性，主备系统均具备ATP（列车自动保护装置）/ATO（列车自动运行系统）功能，且主备系统故障能够不停车无缝切换至备用系统，如图2所示。同时，需要具备高RAMS（可靠性、可用性、维修性及安全性）要求，即在多维独立第三方评估、运营无感在线维护、多重冗余设计、智能高可用等方面具有较高技术要求。我国正在自主研发适用于互联互通的全自动运行系统，上海地铁列车也在不断朝着人性化、智能化、标准化的方向发展。
图2 智能列车技术发展路线图
上海地铁正在全面实现更高开行密度、更高自主化程度、更强应急处置能力、更高冗余度、更全面的安全完整性SIL（安全完整性等级）指标要求。例如，10号线是全国首条实现全自动驾驶的地铁线路，上海地铁正实现着再次升级全自动驾驶技术应用，包括自动唤醒、自动发车、列车自检等一系列全自动无人驾驶功能，而运营质量表现均大幅优于人工驾驶列车。18号线是上海首批开通即具备最高等级（GOA4）全自动驾驶模式的运营线路。15号线同样采用该最高等级，列车设有障碍物探测功能、脱轨检测功能和弓网检测系统等功能，使得列车的自我检测能力全面提升。14号线也是如此。在智能列车运行方面，上海地铁发布了《上海轨道交通全自动运行线路运营策划》《上海轨道交通全自动运行运营场景及功能分配》两份标准文件。同时，《核心机电系统（信号、车辆、综合监控、通信、站台门）用户需求书范本》已编制完成，《上海轨道交通全自动运行技术规范》也正在编制中。这些技术成就和工程运营实践，将成为我国乃至全世界的发展示范。
智能运维安全
为保证城市轨道交通的智能运维安全，应全面建设智能运维和安全保障体系，提升运维智能化和安全运行水平。一是建设车辆、能源、通信、信号智能运维系统并在全行业推广，建立结合全自动运行系统的信号系统的智能运维体系，完成上海地铁车辆智能运维系统行业示范；二是建设与智能调度体系协调联动的运营保障系统；三是研发互联互通的智能运维分析决策系统；四是构建城轨运营设备大数据监测安全评估系统；五是完善智能化巡检系统；六是优化线网级的综合协调与应急指挥系统；七是建立基于BIM/CIM为技术基座的综合运维监管系统。
上海智慧地铁中的智能运维安全旨在实现各专业的智慧运维，完成上海地铁车辆智能运维系统行业示范。目前，已构建的车辆智能运维系统平台实现了车辆的智慧运维，该平台分为车辆运维多维数据采集系统、车辆智能运维专家系统、运维基础数据管理系统和平台服务互通系统四大子系统。其中，车辆运维多维数据采集系统是迭代系统，该系统包含车联网系统、轨旁车辆智能综合检测系统和维修信息管理系统。车联网系统可实现实时监控和故障远程下载，轨旁车辆智能综合检测系统可覆盖60%以上人工目视检查作业，减少38.57%的人工检查工时，准确率达90%以上。车辆智能运维专家系统为新建系统，主要包含车辆知识库模块、检修作业支持模块、列车服务评估模块，可进行故障诊断和数据分析。运维基础数据管理系统为已建系统，主要进行主数据的管理和车型协议解析。平台服务互通系统应是“智慧化”的集中体现，上海地铁正在利用全息感知、大数据分析、深度挖掘和智能诊断等技术，构建涵盖集通信信号设施设备实时状态感知、综合监视、智能运维维修为一体的综合性工业物联网信息安全平台。
例如，上海地铁地面监控系统能完成15种车型，296列车的实时运行数据获取，朱家角基地、金桥基地轨旁监测系统已完成建设，点巡检系统覆盖日检作业，鹰眼系统完成5座基地建设，能够实现车辆专业的全面智能运维。信号5S系统包含CBTC系统、通信信号机、道岔转辙机、计轴系统、环境系统，通号智能运维系统实现了41%列控系统、3%行车辅助系统接入，智能模型2637个，形成“1个首页+4中心”的功能板块，能够实现安全效率、维修模式、成本效益的显著提升。
城轨大数据与云控平台
上海智慧城轨建设需建设自主可控、功能完备、技术领先、安全可靠、可持续发展的城轨大数据与云控平台。这有助于加强城轨的网络安全，扩大城轨的智能创新应用，以及实现对城轨业务应用的统一部署承载和资源动态分配。上海申通地铁集团成立的大数据中心在全国范围内率先搭建了城市轨道交通综合云平台，推出了以高速存储、高端网络、高密服务器以及下一代防火墙等为核心的城轨云解决方案。
目前，地铁站台站厅实时客流量监控、地铁站内换乘客流量分析、地铁精准清分清算、地铁进出站客流量监控等大数据分析平台已被广泛应用。城市轨道交通的云控平台，应需要满足虚拟化、弹性计算、高等级安全等要求，承载安全生产网、内部管理网、外部服务网中的各种业务，为客户提供安全、可靠、智能的云平台，如图3所示。云控平台也需要协调各控制中心及各运营主体，实现信息集中、协调指挥、应急处理、信息共享及应急发布，为上海城市轨道交通线网的统一运营协调与管理提供支持，为轨道交通线网提供应急处理措施。
图3 轨道交通云控平台关键技术部署
智慧运输组织与乘客服务
为实现上海城市轨道交通运能运量精准匹配、线网运输互联互通、乘客出行快捷便利的智能化运输组织要求，应构建网络化智能运输组织体系和线网运营调度指挥中心。一是建造集调度指挥和应急响应为一体的线网运营调度（应急）指挥中心。上海轨道交通网络运营调度指挥中心作为上海轨道交通全线网运营的指挥中枢，具备路网整体监控、集中调度、运营协调、应急指挥和辅助决策的功能，能够精准满足运量，高效组织管理网络化运输。二是深化研究综合交通协同调度，以及市区城轨、市域快轨、城际铁路“三网”运输功能定位及与铁路、民航、公交等多种运输方式之间的协调衔接。虹桥综合交通枢纽的建成实现了铁路、航空、公路、城市轨道等多种交通方式之间的有效衔接与转换，实现了对外交通与市内交通、区域交通与市域交通、市域交通与城区交通等的有机衔接与高效转换，奠定了“长三角一体化”的基础。
为提升上海市轨道交通乘客智能化服务水平，应创建完整、可靠的指挥乘客服务体系。一是提升票务服务的智能化水平。上海地铁完善了自动售检票系统，引入生物特征识别人脸检票、掌纹检票、语音购票等新型智能购票方式，增加乘客进站、出站方式，实现手机扫码过闸的全覆盖，促进长三角公共交通二维码的互联互通，有效提高乘客售检票和乘车智能化水平。二是提供智慧出行咨询服务。上海地铁利用语音识别、图像识别、体感等技术，引入客服机器人、交互屏等智能设备，为乘客提供如车站概况、站内设施、便民服务、路线推荐、站内导航等信息的问询和查阅服务，提高站内乘客服务质量。三是研发智慧客流管理系统。上海地铁“一网统管”平台通过视频分析、数据融合测算出一辆列车上的实时客流密度，并主动联系地铁工作人员，通过智慧客流引导系统，预判大客流，进行精准限流，实现客流智慧管理。四是研发智慧车站系统。上海地铁建设设备智能运转与人员精准管控的地铁网络节点平台，运用综合监控系统功能，实现无人驾驶各场景下设备综合联动等智能化目标，建设轨道交通运营保障智慧平台，采用三维可视智能管理平台监控全场景时空融合环境，全方位打造信息化、智能化、安全化的智慧车站。
总结与展望
随着我国轨道交通技术及其装备的自主化开发、建设与运营，中国正在领跑国际市场。有消息称，截至2020年底，上海地铁运营规模、车辆保有量双双居世界第一。因此，实时高效的列车通信技术，多源大数据挖掘分析及处理，以及多信息智能融合的轨道交通各子系统深度集成与全自动全生命周期运营是未来我国轨道交通智慧化发展的内在需求与必然趋势。
上海城市轨道交通如何引领“十四五”智慧发展？上海城市轨道交通应宏观地着眼于完善长三角区域的综合交通协调发展体系，率先建立长三角区域的交通枢纽分工合作模式，充分配置长三角一体化带来的城市与交通资源要素，为长三角轨道交通一体化发展提供技术、建设、运维和治理的高质量保障。
注：（1）一并致谢本文参考与引用的所有期刊、论文、报道、新闻以及学者和政府发文。（2）感谢中国科学院何积丰院士的学术指导与研究贡献。（3）一并致谢本文撰写、修改、审校过程中的专家、学者和其他工作人员。（4）*本文通讯作者：张雷，reizhg@tongji.edu.cn
（作者张鑫尹、宁正、欧冬秀就职于同济大学交通运输工程学院；作者张雷就职于同济大学交通运输工程学院、上海自主智能无人系统科学中心；张立东、张菁博、宋键就职于上海申通地铁集团有限公司技术中心）
