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1. 前言

随着全球城市化进程的加速和可持续发展理念的深入人心，轨道交通作为大容量、高效率、低能耗的公共交通方式，已成为现代城市交通体系的骨干。然而，传统的轨道交通系统在面对日益增长的客运需求、复杂的运营环境以及严格的安全标准时，正面临着效率提升、成本控制和安全保障等多重挑战。智慧轨道交通，正是以新一代信息技术为核心，对轨道交通系统的全要素、全过程进行数字化、网络化和智能化升级的必然产物。

智慧轨道交通旨在通过深度融合人工智能（AI）、云计算、物联网（IoT）、大数据、5G通信等前沿技术，实现从基础设施、列车运行、运营管理到乘客服务的全方位感知、泛在互联、智能决策和精准控制。这不仅是轨道交通行业的技术革新，更是推动其向更高安全、更高效率、更优服务、更低能耗目标迈进的关键路径。

本综述将系统性地梳理智慧轨道技术体系，从技术基础、核心系统、支撑技术、应用实践与案例分析、发展趋势与展望等方面进行深入探讨，旨在为行业内研究人员和从业者提供一个全面、详尽的参考框架。

2. 智慧轨道技术基础

智慧轨道交通的实现，首先依赖于坚实的技术基础，即对物理世界信息的全面感知和高效传输，以及对轨道交通基础设施的彻底数字化。

2.1. 数据采集与传输

数据是智慧轨道系统的“血液”。其采集的广度和精度，以及传输的实时性和可靠性，直接决定了上层智能应用的效能。

2.1.1. 数据采集

数据采集主要通过部署在列车、轨道、车站、供电和通信等系统中的各类传感器实现。这些传感器包括但不限于：

●车载传感器：用于实时监测列车运行状态、牵引系统、制动系统、车门状态以及乘客数量等，例如通过车载数据中心单元（DDU）采集总线上的状态数据。

●轨道旁传感器：用于监测轨道几何状态、轮轨关系、道岔状态、接触网状态等，例如光纤传感技术可用于实时监测轨道结构健康。

●环境与客流传感器：包括高清视频监控、红外热成像、激光雷达（LiDAR）以及基于Wi-Fi/蓝牙探针的客流统计系统，实现对环境安全和客流密度的精准感知。

2.1.2. 数据传输

海量数据的实时传输对通信网络提出了极高的要求。

●专用通信网络：传统的轨道交通通信系统（如GSM-R）主要满足列车控制和语音通信需求。

●5G/工业Wi-Fi：新一代智慧轨道系统正加速引入5G技术，以其高带宽、低时延、大连接的特性，支撑列车运行控制、高清视频回传、车载设备远程诊断等实时、大流量应用。例如，5G可实现列车运行数据的毫秒级传输，为基于感知的列车运行控制系统（PB-TACS）提供通信保障。

●数据中心与云平台：采集到的数据通过传输网络汇聚到边缘计算节点和中心数据平台，为后续的存储、处理和分析提供基础。西门子等公司已致力于构建基于工业物联网和云计算的轨道交通生态系统。

2.2. 轨道交通基础设施数字化

基础设施数字化是智慧轨道系统的基石，它将物理资产映射到数字空间，实现全生命周期的管理和优化。

2.2.1. 数字孪生

数字孪生技术是基础设施数字化的核心，它在虚拟空间中构建一个与物理轨道交通系统实时同步、高保真的数字模型。

●应用范围：涵盖线路、车站、隧道、桥梁、车辆等所有资产。

●核心价值：通过数字孪生，可以进行实时状态监测、故障预测、应急预案仿真演练（如基于突发事件场景的数字化预案研究）、运营优化和资产管理。例如，在设计、规划、施工和运营等各个阶段实现数据的无缝集成和协同。

2.2.2. 建筑信息模型（BIM）与地理信息系统（GIS）

●BIM：在轨道交通工程的设计和建设阶段，BIM技术用于创建三维参数化模型，实现工程信息的集成管理，提高设计质量和施工效率。在运维阶段，BIM模型成为资产管理和空间定位的基础。

●GIS：GIS技术为轨道交通系统提供空间数据管理和可视化能力，特别是在线路规划、应急指挥和资产的地理空间定位方面发挥关键作用。将BIM模型与GIS平台结合，可以构建宏观地理环境下的精细化数字基础设施。

3.智慧轨道核心系统技术

智慧轨道交通的核心系统是实现安全、高效、智能运营的关键，主要包括列车运行控制系统、智能运维管理系统和智能客运服务系统。

3.1. 列车运行控制系统

列车运行控制系统是保障行车安全和提高运输效率的“大脑”。智慧化升级主要体现在从传统的基于轨道的信号系统向基于通信的控制系统（CBTC）和更先进的自主运行系统演进。

3.1.1. 基于通信的列车运行控制系统（CBTC）

CBTC系统利用双向无线通信实现列车与轨旁设备间的数据传输，以移动闭塞取代传统的固定闭塞，从而实现更小的列车间隔和更高的运行密度。

●关键技术：高可靠无线通信、精确定位技术（如DMI、里程计、GPS/北斗融合定位）、车载和轨旁控制单元的冗余设计。

●发展方向：全自动运行（FAO）是CBTC的高级阶段，实现列车自动唤醒、自动发车、自动运行、自动停车、自动折返和自动休眠，显著提升运营效率和自动化水平。

3.1.2. 基于感知的列车运行控制系统（PB-TACS）

PB-TACS是新一代列车运行控制系统的代表，它融合了多源感知技术和人工智能，旨在解决CBTC系统在复杂场景下的局限性。

●核心优势：通过车载视觉、雷达、激光雷达等感知设备，实时获取线路环境信息，实现列车自主感知、自主决策、自主控制。

●应用潜力：可实现列车在线路上任意地点折返，在突发事件时依据调度指令自动完成折返换端，减少对地面集中设备的依赖，提高系统柔性和应急处置能力。

3.2. 智能运维管理系统

智能运维（IOM）是智慧轨道交通“降本增效”的核心驱动力，其目标是从传统的事后维修和定期检修转向状态修和预测性维护（PdM）。

3.2.1. 基础设施健康监测与预测性维护

●技术手段：利用物联网传感器、高速数据采集系统和大数据分析平台，对轨道、桥梁、隧道、供电、信号等关键基础设施进行实时、连续的健康监测。

●预测性维护：通过建立设备故障预测模型（如多项式线性回归预测算法），结合历史故障数据和实时运行状态，提前预警设备潜在故障，实现“故障发生前”的精准维护，大幅降低非计划停运风险和维护成本。例如，铁路信号大模型智能诊断系统可以整合监测数据，构建全维度智能监控与诊断体系。

3.2.2. 智能巡检与机器人应用

●智能巡检：利用无人机、智能巡检机器人等设备，替代人工进行高风险、重复性的巡检任务。例如，在车辆基地，智能巡检机器人可以自动驶入列车下，对车底的可视部件进行自主巡检，并能应对坡道或障碍物。

●数据分析：巡检数据（如高清图像、热成像图、声学数据）通过AI视觉识别和深度学习算法进行分析，自动识别缺陷和损伤，提高巡检效率和准确性。

3.3. 智能客运服务系统

智能客运服务旨在提升乘客的出行体验、安全保障和信息获取的便捷性。

3.3.1. 智能票务系统（AFC）

●多模态支付：从传统的磁卡/IC卡票务系统发展到支持移动支付、人脸识别、数字人民币等多种支付方式的融合票务平台。

●收益管理：非现金类收益管理已成为票务工作的核心，通过大数据分析乘客流量和购票行为，优化票价策略和收益管理。

3.3.2. 智能信息服务与客流引导

●实时信息推送：通过车站和车载的智能显示屏、移动应用，实时推送列车运行状态、换乘信息、突发事件预警等，实现信息的精准、个性化服务。

●客流预测与疏导：利用视频分析、Wi-Fi/蓝牙探针等技术实时监测站内客流密度，结合AI模型预测客流趋势，为运营方提供科学的客流疏导策略，确保大客流情况下的安全和秩序。

4. 智慧轨道支撑技术

智慧轨道交通的实现离不开新一代信息技术的强力支撑。

4.1. 人工智能（AI）

AI是实现轨道交通系统“智慧化”的核心技术。

●应用领域：

●列车运行优化：基于深度强化学习的列车节能优化控制，实现最小能耗下的精准停车和运行图兑现。

●故障诊断与预测：利用机器学习和深度学习模型，从海量传感器数据中识别故障模式，实现预测性维护。

●安防与客流分析：基于计算机视觉的人脸识别、异常行为检测、客流统计和拥堵预警。

4.2. 云计算与边缘计算

●云计算：提供强大的弹性计算、海量存储和大数据处理能力，支撑智能运维平台、运营管理中心等核心系统的运行。例如，构建基于云平台的轨道交通生态系统。

●边缘计算：将部分计算和数据处理能力下沉到列车、车站等数据源头，实现数据的实时处理和快速响应，尤其适用于列车运行控制、实时视频分析等对时延要求极高的场景。

4.3. 物联网（IoT）

物联网技术是实现轨道交通系统全要素感知和泛在互联的基础。

●核心作用：通过部署大量的智能传感器和终端设备，构建一个覆盖基础设施、车辆、环境和乘客的感知网络。

●数据汇聚：IoT平台负责管理海量终端设备，并汇聚、清洗、预处理采集到的多源异构数据，为上层应用提供统一的数据接口。

5.智慧轨道应用实践与案例分析

智慧轨道技术已在全球范围内得到广泛应用，尤其是在中国，多个城市已将智慧化作为城市轨道交通建设和运营的重点方向。

5.1. 智能运维的实践：青岛地铁6号线与智能巡检

青岛地铁6号线作为全国首条应用基于感知的车车通信列车运行控制系统（PB-TACS）的地铁线，其智能化实践具有代表性。

l智能巡检机器人：在抓马山车辆基地，智能巡检机器人能够根据预设程序，自动对停放在车库的列车车底可视部件进行自主巡检。机器人具备环境感知能力，能自主规避障碍物，实现了对传统人工巡检的替代，大幅提高了巡检效率和安全性。

lPB-TACS应用：该系统通过车载感知设备和车车通信，实现了列车在任意地点的自动折返，提高了线路运营的柔性和应急处置能力，是列车运行控制系统向高级智慧化迈进的典型案例。

5.2. 智能客运服务的实践：苏州轨道交通AFC系统

苏州轨道交通在自动售检票（AFC）系统的智能化升级方面走在前列。

l多模态支付集成：苏州轨道交通的AFC系统及互联网票务平台，不仅支持传统的刷卡和移动支付，还新增了与数字人民币的业务接口，实现了数字人民币在轨道交通支付场景的应用 。

l服务升级：这种智能化实践以提升乘客体验为核心，通过提供更便捷、多元化的支付方式，兼顾了运营效率和建设成本，体现了智能客运服务系统的发展方向。

5.3. 信号系统智能诊断：和利时“和行”大模型

在铁路信号系统的智能运维领域，国内企业已开始应用人工智能大模型技术。

l“和行”轨道交通大模型：和利时推出的“和行”轨道交通大模型智能诊断系统，旨在打造铁路信号智能运维的“超级医生”。

l全维度智能监控：该系统整合了海量的信号监测数据，利用大模型的强大分析能力，实现集中管理和规则判断，并扩展了实时监测功能，如道岔受力分析、信号机故障预测等，构建了一个全维度的智能监控与诊断体系，显著提升了信号系统的可靠性和维护效率。

6. 智慧轨道技术发展趋势与展望

智慧轨道交通的发展是一个持续演进的过程，未来将呈现出更加深入的融合、更高的自动化水平和更强的可持续性。

6.1. 深度融合与高级智慧化

未来轨道交通将从目前的“低级智慧化”向“高级智慧化”阶段迈进。

l技术融合：人工智能、数字孪生、云计算、5G等支撑技术将不再是孤立的应用，而是深度融合，共同构建一个全息感知、自主决策、精准控制的智慧生态系统。

l数字孪生全生命周期应用：数字孪生技术将贯穿轨道交通的规划、设计、建设、运营和维护全生命周期，实现物理世界与数字世界的实时、高保真同步，为运营优化和应急管理提供最可靠的仿真和决策支持。

6.2. 绿色化与可持续发展

“绿色化”已成为城市轨道交通发展的另一大新趋势。

l能源管理优化：随着新能源技术的快速发展，将光伏等新能源纳入城市轨道交通系统的案例将越来越多。未来将形成“源、网、储、车”一体化的管理模式，通过地面储能技术和智能调度，实现能源的高效利用和回收，降低系统能耗。

lTOD模式深化：以公共交通为导向的开发（TOD）模式将进一步深化，通过轨道交通站点周边土地的综合开发，为城轨的可持续发展提供经济支撑，实现交通与城市的和谐发展。

6.3. 运营与服务体系创新

l信号系统升级：未来的城市轨道交通信号系统将加速融入5G、人工智能等技术，以解决当前存在的网络运行自动化水平不足和资源共享率低等问题，实现更高级别的自动化和互联互通。

l智慧运维的普及：预测性维护将成为行业标准，通过更精准的故障预测和更高效的智能巡检，实现维护成本的降低和设备可用性的提高。

l客运服务个性化：基于大数据和AI的客流分析将实现更精细化的客流引导和个性化的信息服务，例如，根据乘客的出行习惯和实时位置，提供定制化的出行建议和信息推送。

7. 结论

智慧轨道交通是全球轨道交通行业发展的必然方向，它以数字化、网络化为基础，以智能化为核心，旨在构建一个更安全、更高效、更便捷、更绿色的现代化轨道交通体系。从技术基础的数据采集与传输、基础设施数字化，到核心系统的列车运行控制、智能运维和智能客运服务，再到支撑技术的人工智能、云计算和物联网，智慧轨道技术体系已日趋成熟，并在全球范围内涌现出大量成功的应用实践。展望未来，随着技术的进一步融合和创新，特别是数字孪生、大模型AI和绿色能源管理的应用，智慧轨道交通将迈向高级智慧化阶段，为城市的可持续发展和居民的高品质出行提供坚实保障。