5G智慧轨道交通车辆基地一体化创新应用研究.pdf

第2期2 0 2 4年3月N o.2M a r.2 0 2 4研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 4)0 2-0 0 1 8-0 5 5 G智慧轨道交通车辆基地一体化创新应用研究王 科(上海地铁维护保障有限公司,上海 2 0 0 2 3 2)摘 要:上海轨道交通规模不断发展,车辆基地数量不断增加。随着体量的快速扩张,车辆基地作为承担车场运营生产组织、行车组织、检修施工实施及应急指挥的车场控制中心,存在着业务繁多和岗位一体化协同问题、传统关键设备的监测能力和自动化水平较低问题以及基地间信息孤岛等问题,这些问题亟待解决。通过对问题的分析,提出了5 G+车辆基地一体化创新应用实践研究1,利用人工智能、数字孪生、物联网和5 G专网、全光网络等前沿技术,实现了设备的自动化控制和优化调度,提高设备的利用率,完成了对车辆基地的高效管理,降低了运营成本并提供实践参考。不同岗位的工作人员可以实时共享信息、协同工作,提高生产效率。在轨道交通领域数字化转型升级中提供了可行的实践案例。关键词:城市轨道交通;5 G专网;数字孪生;智慧基地;物联网;全光网络中图分类号:U 2 3 9.5 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 4.0 2.0 0 4S t u d y o n I n t e g r a t e d I n n o v a t i o n a n d A p p l i c a t i o n o f 5 G I n t e l l i g e n t R a i l T r a n s i t V e h i c l e B a s eWANG K e(S h a n g h a i M e t r o M a i n t e n a n c e C o.,L t d.,S h a n g h a i 2 0 0 2 3 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s c a l e o f S h a n g h a i r a i l t r a n s i t c o n t i n u e s t o d e v e l o p,a n d t h e n u m b e r o f v e h i c l e b a s e s c o n t i n u e s t o i n c r e a s e.W i t h t h e r a p i d e x p a n s i o n o f v o l u m e,t h e v e h i c l e b a s e,a s t h e c o n t r o l c e n t e r o f d e p o t r e s p o n s i b l e f o r d e p o t o p e r a t i o n a n d p r o d u c t i o n o r g a n i z a t i o n,d r i v i n g o r g a n i z a t i o n,m a i n t e n a n c e a n d c o n s t r u c t i o n i m p l e m e n t a t i o n a n d e m e r g e n c y c o mm a n d,h a s s o m e p r o b l e m s,s u c h a s n u m e r o u s b u s i n e s s e s a n d p o s t i n t e g r a t i o n a n d c o o r d i n a t i o n,l o w s u r v e i l l a n c e c a p a b i l i t y a n d a u t o m a t i o n l e v e l o f t r a d i t i o n a l k e y e q u i p m e n t,a n d i s o l a t e d i n f o r m a t i o n i s l a n d s b e t w e e n b a s e s,w h i c h n e e d t o b e s o l v e d u r g e n t l y.T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e p r o b l e m s,t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d t h e p r a c t i c a l r e s e a r c h o n t h e i n n o v a t i v e a p p l i c a t i o n o f 5 G+v e h i c l e b a s e i n t e g r a t i o n.B y u s i n g c u t t i n g-e d g e t e c h n o l o g i e s s u c h a s a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e,d i g i t a l t w i n n i n g,I n t e r n e t o f T h i n g s,5 G p r i v a t e n e t w o r k a n d a l l-o p t i c a l n e t w o r k,t h e a u t o m a t i c c o n t r o l a n d o p t i m a l s c h e d u l i n g o f e q u i p m e n t a r e r e a l i z e d,t h e u t i l i z a t i o n r a t e o f e q u i p m e n t i s i m p r o v e d,t h e e f f i c i e n t m a n a g e m e n t o f v e h i c l e b a s e i s c o m p l e t e d,t h e o p e r a t i n g c o s t i s r e d u c e d a n d p r a c t i c a l r e f e r e n c e i s p r o v i d e d.W o r k e r s i n d i f f e r e n t p o s i t i o n s c a n s h a r e i n f o r m a t i o n i n r e a l t i m e,w o r k t o g e t h e r a n d i m p r o v e p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y.I t p r o v i d e s a f e a s i b l e p r a c t i c a l c a s e i n t h e d i g i t a l t r a n s f o r m a t i o n a n d u p g r a d i n g o f r a i l t r a n s i t.K e y w o r d s:u r b a n r a i l t r a n s i t;5 G p r i v a t e n e t w o r k;d i g i t a l t w i n n i n g;w i s d o m b a s e;i n t e r n e t o f t h i n g s;a l l-o p t i c a l n e t w o r k收稿日期:2 0 2 3-0 5-2 5第一作者:王 科(1 9 9 3),男,助理工程师。1 建设背景上海轨道交通网络化规模不断扩大,截至2 0 2 2年底,上海轨道交通共运营线路2 0条(含磁浮),运营线路总长度8 3 1 k m,配合运营的车辆基地达到3 0座。在此背景下,车辆基地作为承担车场运营生产组织、行车组织、检修施工实施及应急指挥车场控制中心,以及负责车场后勤保障、仓储环境、治安秩序及消防管控的5 G智慧轨道交通车辆基地一体化创新应用研究 王 科物业管理中心的轨道交通重要场所,在应对基地高效综合管理中面临三大困难:(1)一体化协同车辆基地业务繁多,岗位需要一体化协同融合,各基地之间系统、应用、管理存在数据孤岛,需要更新传统的管理模式,利用信息化管理系统,使基地内不同岗位人员协同办公,提高业务运行效率。(2)设施设备智能化感知车辆基地传统设计中关键设备的监测能力、安全性监管手段及自动化水平较为缺乏,车场生产、生活的管理多为人工防范为主,管理手段亟待有效改进。(3)缺乏统一调度管理平台车辆基地各个管理系统缺少融合,主要靠人工对信息进行协同整合,急需搭建一体化平台对各个基地管理信息进行融合,分析处理并自动生成部分生产计划、报表、告警、实时总览信息等。利用物联网、大数据、云计算、5 G专网、数字孪生等新型数字化技术2,通过集成的智慧基地核心平台对基地的人、车、资产设施进行全联接,实现数据全融合。2 5 G智慧车辆基地建设规划和关键技术2.1 整体架构轨道交通车辆基地作为轨道交通车辆停放、检查、维修的专门场所以及人员后勤保障、仓储环境、治安秩序的重要场所,依托5 G组网建设、数字孪生多维展现、物联感知监测、大数据综合分析,实现对车辆基地安防、资产、基础设施、能效、环境、空间等管理领域的关键指标的综合监测分析,辅助管理者全面掌握车辆运行态势,实现基地人、车、资产的统一管理,综合运营态势通过一屏掌握。2.2 架构分析5 G+智慧车辆基地建设需要满足不同管理层次的需要,既包括对基地基础设施的监测和管理,又包括对基地人员生活服务和安全保障以及对车辆检修的协同,通过高速网络实现基地内互联互通以及多基地的互联互通,实现对整个车辆基地的智慧化、一体化管理。网络建设方面将基地各个管理节点利用光纤进行打通,形成基地内的“全光网络”3和智慧园区2模式。依托车辆基地的5 G专网以及基地内网,根据基地管理中的各类管理数据、设备数据、人员数据形成不同的数据集进行分析,为智慧车辆基地管理提供可视化的实时监测及数据分析报告。应用服务和展现方面依托中台的建设和赋能,实现日常巡检、仓库管理、能耗监控、人员管理、安防管理、应急处置等各种应用的可视化和有效监管,实现5 G智慧车辆基地一体化的综合管理。2.3 关键技术2.3.1 5 G专网技术轨交行业对于安全性和可靠性要求极高,在试点建设梅陇基地的5 G专网覆盖中,需要1张5 G专网切片,5 G切片逻辑网络如图1所示,其他业务导致的网络冲击不能对基地切片造成影响,保证5 G网络隔离安全性。图1 5 G专网切片 5 G切片能够在一个物理网络之上构建多个专用的、虚拟的、隔离的、按需定制的逻辑网络,可以满足不同业务对网络能力的不同要求。基于5 G专网的建设,覆盖了车辆基地监控的死角和盲点,打通了车辆基地管理的最后一公里,实现了基于无线+全光的全基地高速网络覆盖,在车辆检修、园区监控、仓库管理等各方面有效提升了管理效能。2.3.2 全光网络技术除了5 G网络的补盲覆盖,车辆基地还采用S D-WAN(S o f t w a r e D e f i n e d W i d e A r e a N e t w o r k)专线方案连接地铁基地分布广泛的企业网络、数据中心、互联网应用及云服务。上海城市轨道交通基地生活网(蒲汇塘、石龙路等多个基地)网络拓扑如图2所示,各分支节点采用P ON型S DWAN网关接入基地各种数字基地业务,如出入口管理、A R高点全景、道口防护、环91第6 1卷第2期2 0 2 4年3月境监控、后厨监控等,同时叠加I P S E C加密能力,保证业务数据的安全。图2 基地S D-WA N网络架构2.4 方案优势传统5 G方案适用于移动设备和应用,提供高速、大带宽和低时延的网络连接。传统5 G通过5 G卡传输到基站,基站到运营商的接入层汇聚成到核心网,整个信息数据要在运营商的整个汇聚层,不利于生产信息数据的安全。通过建设5 G专网,从手持终端到基站,基站直接利用宽带到大数据服务中心,形成一套专属的生产网和生产管理网,这样数据是不出车辆基地的,直接在内部进行数据落地。在智慧基地一体化的情景下,并非设备都需要移动性和全基地的覆盖。5 G专网方案可以满足移动设备的大带宽、低时延和即时通信需求,如数字哨兵、A R巡检等。它具备网络切片技术,可以根据不同设备的要求提供定制化的网络服务,增强网络的灵活性和适应性。全光网络方案能够满足固定设备的高速、大带宽的数据传输需求,如道闸、A R摄像机等。它具备稳定性和可靠性,适合支持实时视频传输和大规模数据处理。通过综合利用5 G专网和全光网络方案,可以实现智慧基地一体化的网络需求,同时满足移动设备和固定设备的特定需求。这样的方案能够提供高效的数据传输和连接,支持智慧基地内各种应用和设备的运行和管理。3 5 G智慧车辆基地一体化平台3.1 5 G融合专网5 G网络具有大带宽、低时延、广连接的特性,而在实际的车辆基地综合管理中并不是所有设备都需要5 G网络,因而在建设5 G智慧车辆基地一体化过程中,综合考虑利用全光网络满足基地内的高速组网,服务于道闸、A R摄像机等固定设备的高速、大带宽网络需求,以5 G专网的方式满足数字哨兵、A R巡检等移动式设备的大带宽、低时延网络需求3,进而整合形成全面覆盖各基地,使各基地间相互融合打通,作为智慧车辆基地的数字化底座。3.2 数字孪生底图运用数字孪生技术将基地内的建筑单体以及重要设施设备进行数字化处理,将在线监测设备相关数据库与模型绑定,创建轨道交通车辆基地三维信息空间4。基于车辆基地一体化平台开放接口,集成开发各种智慧应用场景,并实现各个应用场景数据的互联互通,形成基地管理应用智能化。同时依托物联中台集中管理各类设备,依托数据中台进行数据的综合分析,依托视频中台实现各基地的安防无死角监控,实现区域全要素基地管理的可视化集成、精细化管理、产业化推广5。3.3 数字化应用3.3.1 能耗管理通过智能电表和智能水表等实时监测并远程进行无线数据的传输,采集各用电、用水单元的用能情况数据,既能避免由人工抄表带来的漏抄、误抄等现象,又能减小人员维修设施设备的压力,避免巡检盲区,利用025 G智慧轨道交通车辆基地一体化创新应用研究 王 科数字孪生基地可以方便的进行数据在线管理,实现用能情况智能分析。3.3.2 设备运行状态管理通过全覆盖的5 G专网,让无线压力、水位、温湿度等传感器设备对生产设备实现状态感知和实时状态监控,监控设备数据涵盖但并不限于:设备生产运行信息、设备监控信息、设备维护信息、设备历史数据以及管理信息。利用数字孪生对设备生产工艺过程进行可视化管理,而且在设备发生故障报警时,可以精准定位至报警点,并提供故障及维修案例库,获得设施设备异常预警,实现设备运行状态的一图总览。3.3.3 视频管理系统以高点、道闸、道路视频画面形成的实景地图为载体,在数字孪生基地空间5完成标签与已有摄像机的关联,能够实现监控资源的可视化、实景化。通过视频标签联动技术6,在发生异常时,既关注整体又兼顾局部,高低联动,打造立体化监控模式。3.3.4 人员管理对基地进出人员、访客进行管理,接入智能人脸门禁系统7,通过对基地的人员在出入口进行人脸识别管控,同时对人员出入情况、访客情况进行实时记录,加强车辆基地的安全。特殊的施工区域需要进行额外的管理,利用5 G网络的便捷性,通过灵活部署数字哨兵、人脸门禁等设备,有效的保障人员、数据安全。3.3.5 车辆管理对进入车辆基地的车辆进行抓拍对比车牌白名单,对基于卡口每天获取海量的车辆数据进行更深一步的挖掘与利用。对来往的车牌号码、车流量统计、车辆轨迹等进行统计分析,提供多样化的研判分析和应用功能,利用大数据对车辆管理全面掌握应用。3.3.6 周界防范管理利用视频分析及视频监控联动技术8,实现闯入点位的识别、定位、跟踪、监控和管理,实现车辆基地周界的有效可视化管理。3.3.7 应急事件管理对接基地的已有系统实现对意外事故的提前预警,一旦出现超过阈值或有超过趋势,会进行提前预警,明确事故内容、地点、级别、时间等重要信息,全程记录,并将信息在平台上展示,便于指挥人员对事故进行处理和远程现场监管。3.3.8 人员/资产定位管理在基地方位内采用5 G、北斗等多种方式进行融合定位,实现不同管控层面给的高、低精度定位。在人员经常流动,管理等级较高的场地如人员禁止出入区块、工作作业区域等,使用高精度定位。3.3.9 5 G+A R远程维修通过5 G+A R远程技术9,可实现各基地的维修人员进行远程连线、会诊,通过A R智能眼镜第一视角实时分享车辆定位画面和数据,因而专家可以指导维修人员快速进行故障确认和维修,大大提高了故障处理效率。4 建设成效4.1 数字化转型解决协同问题以5 G专网+全光网络在基地组成的融合网络,突破传统应用单点部署下,场景应用之间呈现“数据孤岛”的窘境,形成系统的平台化部署,真正意义上实现人、设备、资产等生产要素的全连接,为传统车辆基地数字化转型提供了系统支撑,也为轨道交通行业的数字化转型的规模化、产业化融合应用提供了典型示范。4.2 智能感知提升处置效能传统管理模式的日常运维费用约占基地建设费用的2 0%,包含运维人员人力成本、能源消耗成本、设施设备维护成本、秩序维护成本等,其中日常运维人力成本约占日常运维总成本的2 0%。在车辆基地智能感知监测和智能分析管理下,在线监测及分析手段的应用,逐步实现安防管理的智能化,在基地运维管理中实现安防、物业检修等业务出少人化、智能化的趋势,进一步将日常运维人力成本降低到1 0%以下。4.3 智慧车辆基地一体化初见成效利用数字孪生技术搭建虚拟空间的车辆基地基础设施,实现了车辆基地设施平台化管理,依托5 G融合网络打通不同基地、不同建筑的信息通信,通过数据分析对车辆基地各类数据进行分析,进而实现对轨道交通车辆基地的各类建筑、车辆、人员、设备进行统一规划、统一治理,一个平台管理多个基地,实现数据、业务共享,智慧赋能。建成后的5 G智慧车辆基地一体化平台将助力轨交车辆基地安全、可靠、高效运营,发挥基地运营的“指挥中枢”作用,提高突发事件处置能力,对轨道交通的后勤保障、安全营运具有重大意义。5 总结本文依托多个上海轨道交通车辆基地的数字化建设实践,依托5 G专网、数字孪生、人工智能等技术,实现了多基地网络的全面打通、无死角覆盖和数字孪生基地建设,利用完善的网络、数字孪生设施、物联感知终端打造了轨道交通行业的5 G智慧车辆基地一体化管控平台1 0。12第6 1卷第2期2 0 2 4年3月将物联网、云计算、大数据、人工智能等前沿技术同轨道交通基地痛点难点相结合,形成科技感强的基地管理模式,提升了企业形象。同时,优化基地服务、提升基地环境、增强运行效率也大大提升了企业员工的获得感和幸福感。为轨道行业的基地管理树立了标杆,也推动了上海轨道交通数字化转型的发展。参考文献:1 樊雪纯,刘佳琳,陈惠妮.5 G+智慧园区建设及案例浅析J.中国建设信息化,2 0 2 0(2 2):5 4-5 5.F AN X u e c h u n,L I U J i a l i n,CHE N H u i n i.5 G+s m a r t p a r k c o n-s t r u c t i o n a n d c a s e a n a l y s i sJ.C h i n a C o n s t r u c t i o n I n f o r m a t i z a-t i o n,2 0 2 0(2 2):5 4-5 5.2 胡康.基于B I M的智慧园区运维管理信息系统研究D.合肥:合肥工业大学,2 0 1 7.3 陈峰华,孟继轲.光纤传感器及其应用研究J.太原科技大学学报,2 0 0 5,2 6(2):9 9-1 0 1,1 0 6.C HE N F e n g h u a,ME NG J i k e.R e s e a r c h o n f i b r e o p t i c s e n s o r s a n d t h e i r a p p l i c a t i o n sJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 0 5,2 6(2):9 9-1 0 1,1 0 6.4 李德仁.数字孪生城市智慧城市建设的新高度J.中国勘察设计,2 0 2 0(1 0):1 3-1 4.L I D e r e n T h e n e w h e i g h t o f s m a r t c i t y c o n s t r u c t i o n i n d i g i t a l t w i n c i t i e sJ.C h i n a S u r v e y a n d D e s i g 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