智慧城市背景下的智慧地铁建设

徐会照

（青岛市地铁一号线有限公司，山东 青岛 260001）

0 引言

随着科技的发展和城市化进程的加快，城市建设面临着交通拥堵、能耗过高、环境污染等问题。为应对这些挑战，大规模的城市建设和发展已经全面展开，智慧城市成为新的发展方向。智慧城市主要是利用先进的信息通信技术，对城市的各个方面进行优化管理，以提高城市的可持续性和居民的生活质量。地铁是重要的城市交通工具，在此背景下，实现地铁智慧化和现代化建设成为关键。

1 智慧城市概述

智慧城市是一种基于信息技术和数字化手段，将城市管理、公共服务和市民生活紧密结合的城市发展模式。近年来，我国政府积极推动智慧城市建设，旨在提高城市治理水平、改善市民生活质量和推动经济发展。当前，智慧城市发展迅速崛起，政府、企业和市民之间的合作关系越来越密切。我国智慧城市的发展目标分为三个阶段：信息化、智能化和可持续发展。信息化阶段主要是推动宽带网络、物联网、大数据等信息基础设施的建设和应用；智能化阶段注重提高市民生活水平和城市治理水平，加强公共服务等领域的智能化建设；可持续发展阶段致力于环境保护、可再生能源利用等，以实现绿色发展和生态文明建设。

2 智慧地铁建设

目前，智慧地铁建设已成为我国城市公共交通系统发展的主要方向，其目标是提高运输效率、增强安全性和改善乘客体验。智慧地铁建设需要借助大数据、云计算、物联网、人工智能等核心技术，实现对地铁系统的全面优化升级。

第一，智能调度。通过实时数据分析和预测，智能调度系统可以根据乘客流量、列车运行状况等因素动态调整列车发车间隔，提高运输效率和运力。第二，乘客信息服务。利用大数据和人工智能等技术，为乘客提供实时的出行建议、换乘指导、到站预测等信息，以提高乘客的出行体验。第三，安全监控。通过部署各类传感器和摄像头，实时监测地铁车站、列车等设施的运行状况和安全状态，便于及时采取措施以进行预防和应急处理。第四，能源管理。利用物联网和大数据技术，实现对地铁系统能源的实时监测和优化调度，降低能耗，提高能源利用效率。第五，智能票务。采用移动支付、二维码识别、刷脸支付等技术，简化乘客购票、进出站等环节，提升乘客体验。第六，无障碍服务。通过语音导航、盲文标识、无障碍设施等措施，确保残疾人等特殊人群能够方便地享受地铁服务。

3 基于智慧城市的智慧地铁建设意义

3.1 提高城市交通效率，缓解拥堵问题

智慧地铁建设能够有效提高城市公共交通系统的运行效率，缓解道路拥堵压力。通过智能调度系统，地铁运营方可以实时监控列车运行状况，根据实际乘客流量动态调整列车发车间隔，调剂运力配置，提高综合运力。此外，智能地铁线路规划和换乘指导等服务可以为乘客提供最佳出行方案，缩短换乘时间，提高出行效率。从宏观层面看，智慧地铁有助于引导市民选择绿色、环保的公共交通方式，减少私家车出行，减少道路拥堵现象，提高城市交通效率。

3.2 满足民众多样化出行需求，提高生活品质

智慧地铁建设紧密贴合民众的出行需求，通过提供个性化、便捷的服务，大幅度提高乘客的出行体验。例如，通过实时列车位置信息、到站预测等功能，乘客可以提前规划出行时间，避免在车站等待。智能票务系统，如移动支付、二维码识别、刷脸支付等技术，为乘客提供便捷的购票、进出站等服务，节省时间，提高乘客满意度。此外，针对老人、残疾人等特殊人群，智慧地铁能够提供无障碍服务，如语音导航、盲文标识等，确保其能够方便地使用地铁服务。综合来看，智慧地铁能够满足民众多样化的出行需求，有效提高城市居民的生活品质[1]。

3.3 推动城市可持续发展，实现绿色出行

在智慧城市背景下，智慧地铁建设有助于推动城市的可持续发展，实现绿色出行。地铁作为一种低碳、环保的公共交通方式，能够有效降低城市交通对环境的负面影响。智慧地铁通过精细化能源管理，可实现对能源消耗的实时监测和优化调度，降低能耗，提高能源利用效率。从长远来看，智慧地铁有助于引导市民养成绿色出行习惯，助力城市实现绿色、低碳、可持续发展目标。

4 基于智慧城市的智慧地铁建设措施

4.1 建设智能交通指挥系统

在智慧城市背景下，智慧地铁建设是一个复杂且具有挑战性的工程。其中关键的一步是建设智能交通指挥系统，利用最新的信息技术、通信技术以及交通管理技术，实现交通运输系统的智能化、网络化和信息化。以下是智能交通指挥系统建设的关键步骤：

4.1.1 设计高精度的地铁线路规划系统

利用GIS（地理信息系统）技术，结合深度学习和大数据分析，创建智能的地铁线路规划系统。例如，可以使用600mm 精度的高分辨率卫星图像数据，结合城市建筑物道路信息，计算出最佳的地铁线路规划方案。在规划过程中，系统会考虑城市人口分布、交通需求、地质条件和环保要求等多种因素。

4.1.2 构建实时地铁运行监控系统

利用传感器、无线通信技术和云计算，打造出实时地铁运行监控系统。例如，在每列地铁上安装用于检测速度、位置、环境条件等信息的传感器，如基于MEMS 技术的3 轴加速度计，其精度可达到±0.01g，且尺寸小，如LIS3DH 模型的尺寸仅为3×3×1（mm）。此外，可以在地铁线路上安装RFID（无线频率识别）标签，配合车载RFID 读取器（如Alien Technology 的Higgs-3 型号，工作频率为860～960MHz）实现对地铁位置实时的跟踪[2]。

4.1.3 建立智能地铁运行调度系统

通过AI 和机器学习技术，建立智能地铁运行调度系统。系统能够根据地铁的实时运行情况、乘客需求情况等，自动计算出最优运行和调度方案。例如，通过分析地铁运行数据，预测在接下来的一小时内每个站台的乘客流量情况，然后根据预测结果，自动调整地铁运行频率和速度，最大限度地提高运输效率和乘客满意度。

4.2 自动售检票与无人驾驶地铁列车

4.2.1 自动售检票机

结合智慧城市建设背景，在智慧地铁建设中需应用自动售检票技术打造自动售检票机，为乘客提供更加便捷的购票和进出站体验，同时有效提高运营效率和安全性。第一，自动售票机应具备高效的用户交互能力和数据处理能力，利用人工智能技术，通过触摸屏、语音交互等方式，为乘客提供便捷的购票服务。第二，自动检票闸机应具备高精度的票卡识别能力和乘客检测能力。例如，使用NXP 的MIFARE 系列RFID 读 取 器 芯 片（如MFRC522，工 作 频 率 为13.56MHz），配合RFID 票卡，实现快速的票卡识别。同时，检票闸机可以安装高精度的红外传感器和摄像头，用于检测和记录乘客的进出站情况。当前，采用的“一卡通”手机扫码进站—上车—乘车—下车—扫码出站的方式即为一个很好的解决方案。

4.2.2 无人驾驶地铁列车技术

无人驾驶列车的自动化运行控制系统需能根据预设的运行计划，自动控制列车的起停、速度调整、门的开闭等。例如，可以使用基于ARM Cortex-M7 核心的微控制器（如STM32F767，工作频率达到216 MHz），实现高效的运行控制[3]。无人驾驶列车还需装备一系列的传感器，用于监测列车的运行状态和环境情况。例如，可以使用基于MEMS 技术的六轴惯性测量单元（如Bosch Sensortec 的BMI088，精度可达到±0.01g），监测列车的运动状态；使用激光雷达或者摄像头，监测列车前方的障碍物和站台情况。此外，无人驾驶列车还需具备稳定的通信能力，方便实时与调度中心和其他列车进行信息交换。例如，可以使用基于4G/5G 通信技术的车载通信模块（如Quectel 的AG550Q，支持5G NR/LTE-FDD/LTE-TDD/HSPA+通信），实现高速的无线通信。

4.3 智能能源管理与节能措施

4.3.1 智能能源管理

智能能源管理系统应包括以下几个部分：

第一，能源监控设备。在地铁车辆和设施上安装电能表和其他能源监测设备，实时采集能源消耗数据。比如，使用如Schneider Electric 的PM8000 系列电能表（精度达到±0.2%），实现高精度的电能监测。

第二，数据收集和传输设备。使用基于4G/5G 通信技术的数据传输设备，将采集到的能源数据实时传输至数据中心[4]。

第三，数据分析和优化系统。利用大数据和人工智能技术，对收集到的能源数据进行分析和优化。

4.3.2 节能管理措施

第一，优化运行策略。例如，地铁可以根据乘客流量的变化，动态调整运行频率和速度，以减少能源消耗。此外，地铁在非高峰时段，可以采用节能模式运行，如减少空调的运行，降低照明的亮度等。

第二，使用高效的设备和材料。例如，地铁车辆可以使用高效的电机和变频器，以降低能源消耗。车辆的设计也应考虑到能源效率，如使用轻质材料、优化空气动力学设计等。地铁站点和设施也可以使用LED 照明、太阳能供电等节能技术。

第三，能源回收利用。在地铁运行过程中，可以通过能源回收技术，将部分能源回收利用。例如，当地铁列车制动时，可以通过能源回收系统，将制动能量转换为电能存储起来，供其他设备使用[5]。

4.4 乘客出行信息服务平台

4.4.1 构建实时动态信息发布系统

凭借传感器网络、无线通信和云计算技术，可基于智慧城市背景，建设出实时动态信息发布系统。这个系统可以实时采集地铁运行数据，包括列车的运行状态、位置、速度等，并将这些信息发布到乘客出行信息服务平台上。例如，列车可以装配具有GPS 定位功能的通信模块，如Telit 的LE910C1-NF 模块（支持LTE Cat 1 和EGPRS 通信），用以获取列车的实时位置信息。

4.4.2 建立智能行程规划和推荐系统

通过人工智能和大数据分析技术，构建出智慧地铁行程规划和推荐系统。这个系统可以根据乘客的出行需求和实时的地铁运行情况，为乘客提供最优的出行路线和时间建议。例如，系统可以预测在接下来的一小时内，每个站台的乘客流量情况，然后根据预测结果，为乘客推荐最佳的出行时间和路线。

4.4.3 发展多渠道的信息服务模式

为了让更多的乘客能方便地获取出行信息，需发展多渠道的信息服务模式。例如，除了在地铁站内设置信息显示屏和自助查询机外，还可以开发手机APP和网页，通过网络为乘客提供信息服务。例如，可以在华为、小米等主流手机平台上发布乘客出行信息服务APP，使乘客能够在手机上随时查看地铁运行情况和获取出行建议。

4.4.4 引入个性化的信息服务

通过用户行为分析和个性化推荐技术，在此合理运用大数据分析技术以及云计算技术，为每个乘客提供个性化的出行信息服务。例如，服务平台可以根据乘客的出行习惯和喜好，提供个性化的出行建议和服务，如定制的行程提醒、个性化的站点推荐等。

4.5 实施安全监测与紧急应对系统

智慧地铁建设必须注重安全监测与紧急应对系统的建设，以确保地铁运行的安全与稳定，及时应对可能出现的各种紧急情况。以下是在智慧城市背景下实施安全监测与紧急应对系统的一些关键措施：

4.5.1 安全监测系统

对于地铁运行的实时监控至关重要，可以实时了解地铁的运行状态和安全状况。例如，在智慧地铁建设过程中，可安装各种传感器和监控设备，如温度传感器、振动传感器、摄像头等，用于监测地铁的运行状态和车辆设备的工作状态。

4.5.2 数据分析和预警系统

通过AI 和大数据技术，对收集到的监测数据进行实时分析和预警。例如，系统可以识别异常的温度或振动信号，预警设备可能出现的故障。此外，AI 技术也可以用于分析摄像头采集到的图像，识别可能的安全风险，如车厢内的异常行为、站台的拥挤情况等。

4.5.3 紧急应对系统

当预警系统发出警报时，紧急应对系统需要能够快速地作出响应，以最小化可能造成的损失。例如，当预警系统发现设备可能出现故障时，紧急应对系统可以立即通知维修人员进行检修；当发现车厢或站台内有异常情况时，紧急应对系统可以立即启动应急预案，如紧急制动、疏散乘客等。此外，紧急应对系统还需要有与警方、消防等应急部门的联动机制，以便在发生重大安全事件时，能够及时得到支援。

5 结语

综上所述，智慧地铁是智慧城市的重要组成部分，通过科技的力量，可有效提升城市地铁运行效率，降低能源消耗，提供更优质的乘客服务及更强大的安全保障。然而，智慧地铁的建设并非一蹴而就，需要不断探索、尝试和优化。同时，需要政策的引导和支持，以及社会各方的积极参与，逐步将智慧地铁打造为城市新名片。