基于 ETC 门架系统的高速公路智慧应用关键技术研究及应用

275

理者能快速掌握管辖路段偷逃费态势，业务人员输入车牌号即可获取系统自动补全的车辆完整轨迹

及完整证据链，极速处理部省下发的稽核工单；此外，还能通过数据分析开展日常稽查，通过 AI

模型实现稽核分析，通过业务规则实现工作监测，由此大幅提升稽核工作效率，有效解决收费路网

变大、环节增多、逃费手法更新迭代的情况下，人工操作无法满足稽核工作需求的问题，让高速收

费稽核变得更加精准高效。

四、高速公路管理专项分析

基于门架数据，融合包括收费数据、治超数据、通行费数据、收费站过站数据，以及综合监控

系统、交调系统、ETC 发行系统结算系统里的所有数据等进行分析。通过融合数据，可以建立实现

高速公路专项分析，一个是全路网的综合分析，一般都是按月，半年，全年作为周期。另外，专项

分析主要有几个板块，包含养护施工的影响分析、区域货运量分析、收费站车道压力及车道设置的

分析、ETC 车道运营分析、新开通路段交通影响分析等。

实践：助力高速公路数字化建设

2022 年，同盾科技运用数字化、智能化技术手段协助某高速公路建设实施了“ETC 门架数据的

综合应用”项目。该项目围绕“128”即“一中心、两平台、八应用”进行设计，以“安全、有序、

畅通”作为指导精神，从“人、车、路、环境”四个方面开展建设。“一中心”为数据交换共享中

心，“两平台”为安全管控平台和营运管理平台，“八应用”为“两客一危”车辆安全管控、肇事

车辆快速筛查、管控措施影响评估、道路拥堵评估预测、系统运行监测、收费稽核辅助、收费数据

分析和设备管理应用模块。

一中心：数据交换共享中心

数据交换共享平台是数字化平台的底座。该高速公路运营公司前期已建设完成多个信息化系统，

但各个系统之间的数据无法共享，产生了一个个数据孤岛，不利于数据价值的充分发挥。因此，本

项目将建设数据交换共享平台，打破数据孤岛，方便系统间的数据交换共享，让数据价值最大化。

两平台之安全管理平台

安全管理平台满足公司对高速公路安全管控需求，包含“两客一危”车辆安全管控、肇事车辆

快速筛查、管控措施影响评估、道路拥堵评估预测。

（一）“两客一危”车辆安全管控

“两客一危”是道路运输行业安全监管的重中之重，当前利用科技手段加强“两客一危”运输

智能交通产品与技术应用汇编

276

监管，成为预防和化解道路交通安全风险的关键。针对“两客一危”重点车辆，系统充分整合利用

现有平台数据，建立车辆特征库和名单库，并依托 ETC 门架等设备对车辆运行状态进行实时监管，

对出现的行驶轨迹异常（超速、超时、长时间行驶、快车道行驶等）、特殊点位（服务区、隧道等）

进行信息显示预警以及完整的车辆轨迹跟踪，并将异常信息及时推送给相关部门。

（二）肇事车辆快速筛查

随着该高速公路交通流量增加，交通事故的数量也有所增加，肇事逃逸现象时有发生，利用数

字化手段快速筛查肇事车辆，可有效提高高速安全管控的效率。针对因车辆违法（如货车超高超标、

抛洒物等）导致的事故、装损等安全事件，系统充分利用大数据分析技术，从时间段、车型等多个

维度，快速缩小目标车辆的范围；并在人工排查过程中，系统自动关联前后门架及监控视频，减轻

人工排查的工作量，提高筛查效率。

（三）管控措施影响评估

目前在国内外高速公路管理中应用的主动交通管控措施主要有：主动匝道控制、精细化车道管

理、合乘车道、排队预警、货车限制、交通事件管理等措施，而这些管控措施的实施需要有配套的

智慧感知系统、数据分析系统来实时分析评估和预测道路交通运行状态。结合该高速公路现状和管

理需要，基于 ETC 门架系统数据可展开高速公路交通主动管控平台研究和建设，在准确评估和预测

道路交通运行状态的基础上，通过对历史交通数据的分析，结合管控前后车流量的变化，利用智慧

算法对管控措施进行效益评估，为后续的主动管控措施提供数据决策支持。

（四）道路拥堵评估预测

该项目运营公司作为整条路段拥有者和管理者，需要对路段各个站点和路段的交通情况进行全

面的了解，同时还可对公众发布拥堵指数，优化公众出现选择道路，对管理部门加强交通管控也起

到较好作用。系统通过 ETC 门架数据实现全路网断面（百米桩）的实时车流、车速及拥堵指数分析，

通过算法对可能出现的拥堵进行预警，并提醒管理者及时介入管理，主动预防可能出现的交通拥堵。

两平台之营运管理平台

营运管理平台满足该项目运营公司日常管理的需求，包含系统运行监测、收费稽核辅助、收费

数据分析和设备管理这 4 个功能模块。

（一）系统运行监测

当前，联网收费运营和服务规程定义了较多的指标，部联网平台和省中心平台均在对 ETC 门架、

车道设备和收费服务进行监测和通报，为此，该项目需建立相应的监测系统和机制，实时处置设备

故障。本系统除了满足部省平台通报指标之外，还可自定义监控指标，满足项目日常运营需要。此

外，本系统还将实时提供 ETC 门架和车道设备的运行状态给“设备管理系统”，供其进行统一的设

备管理。

基于 ETC 门架系统的高速公路智慧应用关键技术研究及应用

277

（二）收费稽核辅助

取消省界收费站实施自由流收费后，收费路网变大，收费环节增多，收费逐步从人工转为系统

自动为主，车辆通行费是否足额结算，判断难度大幅度增加，本系统将配合部省稽核平台，提供由

ETC 门架数据生成的完整证据链，减少人工操作，提高打偷逃的效率。此外，同盾科技根据逃费场

景定制化开发多个逃费稽核算法模型，自动对海量车辆通行数据、交费数据进行分析，在这一基础

上，稽核决策平台全面提升收费全过程、全要素稽核能力，最终实现智能稽核、精准执法、快速追

逃，让每辆车的每笔费用都应征不漏。

（三）收费数据分析

为满足新收费模式下收费日常分析的需要，本系统向运营人员提供多维度（实时和定期、收费

和通行等）的、易用灵活的收费运营数据分析统计报表系统，提高收费数据查询和统计的准确率和

效率。

（四）设备管理

基于全公司的设备生命周期管理的需求，搭建设备台账、备件管理、维护计划和维护管理等功

能模块，满足无纸化和移动化办公需求。

该落地项目中，同盾科技以 ETC 门架系统数据为基础，针对高速公路实际需求，落地了路网

运行监测系统、驾驶行为分析系统以及收费稽查管理系统等创新应用，分别对多个模型进行测试和

验证，并达到预期目标。

在 ETC 门架数据应用发展过程中，同盾科技也将继续探索数字技术的创新，为整个 ETC 门架

数据应用提供更好的分析服务，助力各高速公路公司路网信息系统的综合服务基础设施，为交通安

全提供强有力的支撑，为行业管理和社会服务提供更多应用支撑。

智能交通产品与技术应用汇编

278

民航空管新技术研究与应用——智慧空管建设

279

智慧民航篇

智能交通产品与技术应用汇编

280

民航空管新技术研究与应用——智慧空管建设

民航局空管局技术中心

一、

“一带一路”沿线国家航空运输一体化信息协同环境

支撑技术与应用示范

（一）背景

“一带一路”沿线国家航空运输业正处于发展阶段，但沿线国家普遍面临基础设施薄弱、跨地

区协同困难、航空资源管理落后等难题，难以有效保证飞行安全和效率，制约了区域的经济发展。

随着“一带一路”战略及“空中丝绸之路”沿线国家航空发展战略的逐步实施，极大带动沿线国家

经济发展，同时必将为区域民航运输发展带来更大的市场空间和发展机遇。

面对跨地区、复杂环境下的航空运输问题，本项目重点研究航空运输信息协同环境构建方法与

技术，突破基于“网—云—端”模式的信息协同体系构建、航空安全领域的跨域信息交换、跨国界

分布式航空信息服务、跨区域航班运行态势感知与监控、长航程航班轨迹协同规划与协商等关键技

术，构建分布式航空运输信息协同环境跨国界验证平台，研制广域航班运行态势监控系统、长航程

航班跨区域协同运行系统，其验证节点如图 1 所示，实现“一带一路”沿线国家航空运输信息的综

合管理与服务。

图 1 “一带一路”航空运输一体化信息协同环境示范验证节点

民航空管新技术研究与应用——智慧空管建设

281

（二）研究主要内容

针对当前航空运输领域“点到点”连接为主的信息交换存在的弊端，民航局空管局技术中心承

担的航空运输一体化信息智能服务技术研究主要面向服务架构下的航空信息管理新方法，建立支持

“一带一路”沿线航空运输一体化运行的信息服务新机制（图 2），解决应用系统灵活接入、数据精

准获取、信息可信共享等问题，为各参与方提供及时、准确及定制化的运行信息。

图 2 航空运输一体化信息协同环境体制框架

根据“一带一路”沿线不同国家/类型航空用户信息需求的差异性，从空中交通参与方工作职责

和业务流程入手，结合不同国家/地区的运行特点、运行概念发展趋势，研究基于用户角色与任务特

征的信息行为建模方法，建立用户—任务—事件—信息之间的多维度映射关系，实现用户个性化信

息需求的精准感知，构建支持适应用户需求的航空信息服务架构。通过构建和应用服务描述概念模

型提升信息服务发现的准确性，基于知识图谱与语义理解的信息搜索技术，形成从语义理解的角度

分析和处理检索请求的能力，建立资源优化选择与结果融合机制，实现分布式架构下的准确信息获

取；分析跨国界环境下航空信息服务架构的特点，从网络、服务和数据等层面识别航空运输信息跨

域交换过程中潜在的安全风险，综合网络节点的物理特性、应用等级、用户权限、适用环境等要素，

建立完善的用户身份认证与授权机制，防止外部用户的非法访问；采用信息完整性验证技术保证数

据的跨域传输安全，建立网络安全态势感知与评估模型，实现航空运输信息服务的安全可控。

（三）意义及未来前景

本项目与东非、德国等国家在航空运输管理领域展开深入合作，开展“一带一路”大区域多个

飞行情报区之间的航空信息有效协同示范验证，推动区域互联互通，打通“空中丝绸之路”，对提

升“一带一路”沿线国家航空运输服务水平、推动我国产品与技术向国际市场推广具有重要的现实

意义。同时，该项目有助于推进我国合作共赢的主张，提高“一带一路”合作水平与效率，提升国

家的国际软实力和影响力，切实落实“一带一路”峰会精神与政府间合作备忘录的要求，是对“一

带一路”倡议的重要支撑。

“一带一路”沿线国家大多为航空业发展欠发达地区，空管基础设施相对薄弱。通过项目建设，

智能交通产品与技术应用汇编

282

进一步完善、丰富我国航空运输领域产品线，建立起区域航空产业发展的新模式，将我国航空运行

管理理念、技术和产品推广至“一带一路”沿线国家，带动发展中国家航空体系建设。同时，还可

提升我国空管产品的国际竞争力，创造自主知名品牌。未来 5—10 年，预计可实现收入规模达 15—

20 亿元人民币。预计远期，我国空管产品占国际空管市场 25—30%份额，实现与法国泰雷兹、西班

牙英德拉等国际大公司同台竞技。

二、民航空管集成塔台系统

（一）背景

为提升塔台管制工作的信息化、智能化水平，推进“智慧交通”在民航空管领域的应用，自 2017

年起，民航局空管局技术中心联合中国电子科技集团公司第二十八研究所、中国民用航空华东地区

空中交通管理局、中国民用航空中南地区空中交通管理局开展了下一代智能数字空管塔台技术研究。

项目从塔台管制的“全面感知”、“高度互联”、“多方协同”、“广泛共享”的智慧化需求出发，

针对现有空管塔台多系统孤立运行、功能冗余、设备繁多、接口标准不一导致的信息分散、设备集

约化程度低、感知协同难等问题，攻坚克难，采用多种创新性技术手段，整合集成空管塔台监视、

航班计划、航空气象、航行情报、飞行流量等多元关键信息，构建了塔台管制智能化监控平台，实

现了空管塔台“管制信息处理集中化、设备配置集约化、态势告警联动化、监控指挥一体化”，保

障了机场场面航空器安全、有序、高效运行，降低了塔台管制员工作负荷，有力推动了“智慧空管”

的建设和发展。

“集成塔台系统开发与示范”项目在研究塔台管制运行流程的基础上，考虑了场面复杂环境和

运行规则，面向场面航空器运行冲突预警及解脱、管制员运行态势掌控不明及“错、忘、漏”等问

题，攻克了基于模糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化显示技术，实现了机场动态环境信息与

塔台工作界面相融合的可视化展现；提出基于管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术，

给出风险消解措施及提示，有效实现了场面运行风险预警防控，减轻了管制员的工作负荷，提升了

安全和效率。

（二）系统创新点

1. 基于 TOGAF 架构理念的塔台系统集成框架设计

针对塔台设备繁多、空间有限、功能冗余、信息关联集成度低等问题，对整个塔台管制业务的

数据流及业务流进行梳理、构建、定制、输出，框定了系统基线。采用 TOGAF 架构设计理念重构

系统框架，围绕塔台管制内外因素，构建物理、数据、应用三个视图，研制了以安全管制为前提、

以高度适配型功能为主体、以标准化规程为支撑的组件化模块。通过 The Open Group 的标准 TOGAF

架构框架，以构建块的方式输出和管理成果，模块化的松耦合设计模式实现塔台管制需求的业务与

技术的灵活配置。在物理层面上实现各类资源的配置化管理，满足多需求建设需要。将技术要素与

管理要素协同设计，从根本上提高了塔台业务系统的应用水平，推动了业务模式的创新，节约了建

设成本，为全面的数字转型设计奠定基础。

民航空管新技术研究与应用——智慧空管建设

283

2. 与其他空管系统信息交换接口规范化应用

塔台管制作为整体空管服务保障的核心节点，与相邻管制单位、机场保障运行单位之间的协同

交互日益增多，之前系统间点对点、杂乱无章、效率低下的信息交互方式已远不能满足要求。通过

本课题研究及建立集成塔台系统，梳理提炼出塔台系统与管制自动化、机场业务、流量管理、协同

决策等系统在飞行数据交互、管制移交、停机位分配、灯光控制、流控信息和放行信息发布等方面

的交互接口及内容。信息交互是集成式塔台管制的基底，塔台管制服务信息系统接口交互规范定义

了一种全新的可涵盖塔台、机场、航空公司等业务主体的多种类型的交互数据格式和接口交互标准，

实现了系统间的互联互通，改善了信息分散、平台独立的现状，极大的提高了运行效率。

3. 基于模糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化集成显示技术

针对机场运行必须关注的气象、动态情报等环境信息不能直接在塔台工作屏幕上图示化直观展

现问题，提出了基于历史运行结果智能分析学习的环境信息数字化技术，研制了以机场场面运行图

为背景的层次性控制显示手段，实现了机场动态环境信息与塔台工作界面相融合的可视化展现，其

识别匹配率达 80%以上，减轻了管制员的脑力工作。数字化集成显示技术为管制员提供智慧大脑，

结合数字孪生技术，构建多级数据闭环赋能体系，实现精细化场面地图与机场环境数字信息的叠加，

通过信息的精准感知、数据实时分析、智能化告警等手段，为管制员智能决策、运筹帷幄的管制指

挥提供帮助。

4. 基于管制意图与态势情景相结合的场面运行风险防控技术

针对仅依靠场面监视信息判断场面冲突，未结合管制员意图信息的现状，研究提出了管制意图

与态势情景相结合的场面运行风险防控技术。该技术基于管制指令等意图以及精确位置及趋势信息，

考虑场面环境状况和运行规则，进行信息关联并快速智能判断，给出预警、告警信息，并提供具体

的风险消解措施或提示，实现管制意图与态势运行情景关联结合的场面运行风险预警防控。该技术

通过内置的冲突检测算法对场面机动区内活动目标间的冲突进行预警，同时利用电子进程单感知管

制员的意图信息。通过将两种信息综合研判后给出预警，辅助管制员进行日常管制，如图 3 所示。

图 3 集成塔台智能化场面运行风险防控功能

智能交通产品与技术应用汇编

284

（三）系统总体解决方案

集成塔台系统以提高机场飞行区交通安全、顺畅需求为牵引，围绕塔台管制许可放行、地面、

塔台管制席位间协调指挥难、信息共享难、设备集约化水平低等重大技术瓶颈问题，在指挥控制、

计算机科学、信息科学等理论方法支持下，首创提出塔台管制一体化集成框架，创新性突破基于模

糊匹配及智能学习的机场环境信息数字化集成显示技术，攻克基于管制意图与态势情景相结合的场

面运行风险防控技术，制定塔台管制系统标准规范，形成集成塔台系统产品，在北京大兴国际机场

等国家级重大工程中推广应用，提高了塔台管制的安全性，提升了机场飞行区交通运行的顺畅度。

项目着眼于塔台管制业务要求及行业发展规划，基于塔台管制运行流程，采用新架构从物理、

数据、应用三个层面构建了信息化的集成框架，形成一体化、集成式塔台管制系统解决方案，减少

设备、优化管制流程，从根本上降低管制负荷，提高运行效率。集成塔台系统以塔台管制业务为主

线，覆盖塔台各运行流程，将各系统的功能重新整合，装载建设一体化的塔台管制工作平台。

集成塔台系统展示如图 4 所示。首先，集成塔台系统从物理设备层面进行集成，改变之前各自

独立的设备平台，减少冗余设备；其次，集成塔台系统通过梳理塔台管制所需信息，从信息源头分

类考虑，建立统一信息中转平台，采用数据对接的方式获取系统应用所需信息，并进行信息集成；

最后，集成塔台系统立足塔台管制业务流程，从减少重复操作、优化流程角度进行功能集成，采用

模块化功能组块，用于支撑不同规模的塔台管制工作。集成塔台系统以塔台管制业务为主线，覆盖

塔台管制运行全流程，将高级场面活动引导与控制、电子进程单、数字空管放行、数字自动化航站

信息通播、管制综合信息显示系统等各类塔台信息系统进行深度有机融合，通过为各类管制工作席

位提供差异化、高效集成的界面显示信息，支撑塔台管制运行。

图 4 集成塔台系统展示

（四）系统实际应用效果

目前，集成塔台系统已成功应用于北京大兴（图 5）、南京禄口、兰州中川等机场塔台，实现了

设备集成、功能集成、信息集成的塔台管制系统新模式。据统计，系统实现了 18 类信息的集成及异

民航空管新技术研究与应用——智慧空管建设

285

构系统的交互，相比于传统塔台运行系统，智能安全告警类别增加 10%，信息集成度提高 30%，设

备数量减少 50%，有效解决了塔台管制信息化、数字化、自动化及智能化技术应用的难题，提升了

空管运行的安全和效率。

图 5 集成塔台系统在北京大兴机场的应用

智能交通产品与技术应用汇编

286

民航华北地区流量管理技术研究与应用

华北空管局 南京莱斯信息技术股份有限公司

一、引言

随着航空运输业快速发展，空域资源供需矛盾导致的航班延误多发、旅客群体性事件频发等，

已经成为社会关注的热点问题。空中交通流量管理以平衡空域容流关系为目标，是提升空域资源利

用率、提高服务品质的重要手段。我国已将流量管理信息系统列为国家空管系统建设的重点内容。

因此，民航流量管理技术的研究不仅是国家战略保障的需要，同时也是民航高质量发展的需要。

民航华北地区流量管理技术研究及应用项目以解决华北地区航班运行及流量管理中的问题为目

标，采用系统论方法构建了基于工作流、信息化、智能化的流量管理解决方案。自 2013 年 11 月以

来，华北空管局与南京莱斯深度合作，以实际运行需求为牵引，全面促进流量管理技术落地应用。

该项目构建了战略分析、预战术调整、战术运行优化及事后统计分析的全过程流量管理框架，攻克

了“点-线-面-体”多维度流量预测、气象影响量化分析等关键技术，建立了时空相结合的精细化放

行模型，计算生成合理稳定的航班放行时隙，为运行人员提供智能化的快速决策工具。该项目是全

国民航首套地区级流量管理系统，在国内率先解决了地区特色的流量管理问题，拥有多项自主知识

产权，填补了国内空白。

二、流量管理系统概述

华北流量管理系统是华北空管局进行空中交通流量管理及多机场协同决策放行的重要系统，其

应用现场如图 1 所示。华北流量管理系统围绕流量管理全过程，通过信息集成融合处理，提供多维

度运行分析，提前辨识分析问题场景特性，提供多种决策工具，实现多种模式下的仿真决策；辅助

流量管理人员制定有针对性的流量管理措施，实现全华北地区统筹决策，提供适用于各类运行场景

的最佳方案。系统可以有效支撑战略流量管理、预战术流量管理、战术流量管理、事后统计分析四

个管理阶段，保障华北区域空中交通流的安全、顺畅、高效。

（一）一体化运行系统体系

华北流量管理系统平台引接了华北地区内 80 多类外部信息，管理全区近 40 个高空扇区、4 个

民航华北地区流量管理技术研究与应用

287

中低空扇区、5 个终端/进近区、近 200 条航路、60 多个重要机场、396 个航路交叉点的流量分析及

安排，支撑每天近 20000 条航班动态数据处理，提供 2000 多架航班跨度未来 24 小时的预排序及放

行管理工作，最大同时 5 组流量管理措施的仿真推演能力，智能生成策略建议的时间不超过 30 秒。

图 1 华北流量管理系统应用现场

华北地区已实现以华北流量管理系统为核心、应用于华北生产中心、区管、终端区、首都机场

塔台以及大兴机场塔台，与天津分局、河北分局、山西分局、内蒙分局等分局站 CDM 系统互联配

套，由区内小机场远程席位终端协同支撑的大型区域级一体化运行平台，遵守全国流量系统的上级

决策，完成流控上报下传及航班放行时隙的应用，整体提升了华北地区的运行效率。

（二）系统主要功能

华北流量管理系统是华北空管局进行空中交通流量管理及多机场协同决策放行的重要系统。系

统可以辅助管制员制定流量管理策略，实现华北地区多机场的统一协同决策放行，有效解决航空器

关舱门后长时间等待的问题。华北流量管理系统的主要功能如下。

1. 运行监控

运行监控模块主要是为当日运行的交通态势、未来一定时间段（如 6 小时）的流量预测以及容

流平衡分析进行实时监控，便于流量管理人员能够实时直观地了解运行现状，及时发现未来可能发

生的超容问题并制定对应的流量管理策略。运行监控模块主要包括态势监控、容流分析等功能。

1）态势监控

态势监控功能主要对空域信息、态势监视信息、飞行数据、航行情报与资料、气象信息、空域

通行能力信息等进行业务处理，以二/三维图形以及文字图表等形式直观、实时地显示，向用户提供

最直观最全面的综合态势信息（如气象叠加、呼吸灯、关联走向、生命周期流程等），同时提供灵活

便捷的人机交互方式。态势监控系统界面如图 2 所示。

2）容流分析

容流分析功能支持基于 4D 轨迹的预测结果，可对某一空域范围内（机场、扇区、航路段、航

路点等）、未来一定时间段内的飞行需求进行科学的统计和推测计算，为用户提供直观全面的未来流

量变化趋势以及空域使用状态信息，为流量管理人员提供决策依据。系统支持根据流量预测信息和

智能交通产品与技术应用汇编

288

空域运行容量信息，分析计算未来 VSP 时间（最大可以到达系统预测时间的终点）内各类监视单元

的容流匹配关系，判断空域单元是否达到预先设定的超容阈值，定位超容事件发生的空域单元、超

容程度以及持续时间，为航班实时运行管理措施制定提供决策依据。

图 2 态势监控

2. 预战术流量管理

预战术流量管理功能支持提前一天对次日运行情况进行提前分析，可对次日指定时间段、指定

空域单元的运行情况进行预估。系统以掌握的次日气象、环境变化为条件，以次日航班安排为基准，

进行空域单元的流量预测、容流对比分析，并进行不同场景下的容流平衡情况分析与告警。系统可

基于未来 1 至 7 天的计划信息，制定相对应的预战术策略，包括航班的调整或者消减建议项。系统

根据天气影响程度决定是否发布 MDRS，以及制定 ADP 进行发布。预战术流量管理系统界面如图 3

所示。

图 3 预战术流量管理

民航华北地区流量管理技术研究与应用

289

3. 战术流量管理

战术流量管理模块支持流量管理人员针对容流不平衡的监控单元制定 MIT、GDP、AFP、GS 等

流量管理策略，系统可对流量管理人员制定的策略预案进行流量分析、策略分析以及各方向流量分

析等多维度仿真评估，辅助流量管理人员评估制定流量管理策略。支持流量管理人员进行 MIT、GDP、

AFP、GS 等策略制定、策略申请、策略审批工作；系统具备一套完善的可承接华北地区空管局及各

分局站的策略审批流程，实现电子化办公；支持对已发布策略进行查询、修改、策略关联航班、策

略关联态势、策略分析等功能。支持对华北地区受控航班统一计算起飞时隙 CTOT，放行管理界面

显示未来两小时离港航班的放行信息，可对航班放行信息进行查看和相关操作，包括进行航班排序

高度、过点时间修改，航班人工豁免、锁定、解锁，设置航班前后间隔、撤销、重排，与塔台进行

CTOT 交互、放行方向等。放行管理系统界面如图 4 所示。

图 4 放行管理

4. 事后分析

流量管理事后分析是空中交通流量管理的最终环节，也是流量管理下一个循环周期的开始，与

流量管理运行过程的其它阶段形成闭环和相互衔接，是流量管理单元提升流量管理方案科学性、有

效性，实现持续改进的重要工作。事后分析模块主要包括运行分析和复盘分析功能。

1）运行分析

运行分析功能主要是基于历史航班运行数据进行统计报表分析，包括：流量统计、正常性、

延误统计、流控统计、跳变分析、容流分析、机场运行分析、执行情况分析、准确性分析、报

表分析等，通过统计指标发现问题，辅助流量人员定位问题原因和提出改进办法。运行分析系统界

面如图 5 所示。

2）复盘分析

复盘分析功能支持对历史某一时段范围内，基于气象数据、飞行计划、雷达航迹、策略管理方

案、空域环境基础数据等历史运行数据进行复盘，为流量管理各阶段提供定制化指标分析，可智能

生成复盘报告以及对应的复盘档案记录等功能，为流量管理人员持续优化改进现有工作机制和流程

智能交通产品与技术应用汇编

290

提供工具支持和参考依据，防止不合理流量管理方案的再次实施，提高流量管理的安全性和有效性。

图 5 运行分析

三、主要技术创新点应用

（一）基于图形轮廓跟踪技术的气象雷达信息与空域结构数据叠加处理与显

示技术

针对恶劣天气对空域资源影响的量化监测难题，研究通过反射率反映天气的覆盖范围、强度及

随时间变化的信息，多普勒雷达处理程序通过图像坐标转换、背景剔除、轮廓跟踪、碎部删除等方

法，将多普勒雷达图进行处理，结果数据网格化，采用等值线图彩色填充法，在态势地图上叠加显

示，反映当前天气状况对飞行的影响。首次取得气象信息从“可见”到“影响评价”的重要突破。

符合国际民航组织气象处理 2 级决策能力，达到行业领先水平。

（二）自动化辅助流量管理人员进行多组合流控策略制定及策略多维度仿真

评估技术

针对经验管制手段难以应对复杂多变运行情况的问题，建立发现问题，策略制定，仿真分析，

策略审批，策略监控，事后分析的流量管理过程，支持对策略方案进行推演，通过预测运行情况，

分析未来瓶颈问题，并提供辅助措施建议，构建指标分析体系，对策略运行效能进行评估，一揽子

解决现有运行程序问题。首次支持尾随间隔管理（MIT）、地面延误程序（GDP）、空域流量管理程

序（AFP）、地面停止程序（GS）、改航（RR）等主流流控及其组合策略。

（三）基于流控对象单元分类的全局性航班总量分解的协同放行排序技术

针对空域交通复杂性与管制员工作负荷难以平衡的问题，提出基于流控对象单元分类的全局性

民航华北地区流量管理技术研究与应用

291

航班总量分解的协同放行排序方法，对华北地区时间片内的总量按照流控对象进行逐层、分类分解，

在保障大流量运行的同时，使各地享有一定比例的放行自主权；此外，将某一机场航班时间调整引

起的队列跳变限定在分量范围内，在一定程度上控制了航班 CTOT 抖动的传递。在运行层面首次实

现全区一体统筹，中低空、高空协同流量管理模式的跨越。

（四）基于大数据分析技术的事后多维深度综合分析技术

针对管制运行效果评估难题，构建面向华北范围内多层级用户（地区级流量单位、分局站级流

量单位等）的综合多维数据分析体系，提出不同统计对象（机场、扇区、航路点、航段、FEA 等）

数据挖掘分析指标体系。支持同一对象不同时间变化趋势分析、相同时间不同对象横向比较分析、

典型场景复盘分析等功能，实现飞行计划、策略、气象、航迹、航行情报、日志等 6 大类、上百项

数据运行数据的存储，可维持每年 600G 以上的数据存储增长量。

四、结束语

华北地区流量管理系统于 2020 年 1 月正式启用，经过 1 年以来的运行，华北地区超容运行小时

数下降 80%，提高了空管安全系数；航空公司机组超时服务量平均减少 13%-15%，地面平均滑行时

间平均减少 8%-12%；机场方面，通过系统平台可及时向相关单位提供跑道、滑行道等相关设施的

运行状况，华北地区主要 5 个民航机场航班正常率提高了 3.8%，进离港航班在终端区内延误时间平

均缩短近 3 分钟，对确保航班安全有良好的作用。

流量管理系统是空管体系中的核心系统，它的建设和发展将大大提高我国航空运输业的整体效

率，使航班安排更为科学合理，减少因航班安排不当所造成的延误、飞行冲突事件的发生，促进民

航事业持续、快速、健康地发展。

智能交通产品与技术应用汇编

292

智慧机场数字孪生应用技术与解决方案

中国民航信息网络股份有限公司

杜晓铭 吴啟彪 浦 黎

一、项目背景

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺

度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射

系统。[1]

随着四型机场建设的不断深入，目前很多机场在完善信息化的基础上，正在往智能化机场迈进。

由信息化到智能化，数字化转型是必经之路，而数字孪生就是数字化转型的高级阶段。数字孪生机

场是通过 GIS/BIM 系统、物联网、云平台、移动互联、AI 等技术组合，利用历史数据、实时数据

以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程，以数字化方式实现机场合约、

业务流程、系统设备等生产资料全要素由物理空间（Physical）向信息空间（Cyber）转型虚拟实体。

在数字孪生机场构建过程中，主要面临以下问题：

（1）利用多源异构数据融合技术解决实时监控

（2）机场业务模型管理和智能算法复用

（3）基于实时数据进行全方位仿真预测

（4）机场数据和业务赋能平台与业务场景融合问题

（5）机场数字孪生智能协同平台建设问题

为充分挖掘数据价值、赋能智慧机场，本方案从数据融合、业务优化、智能算法、技术创新等

角度，探索机场合约、业务流程、系统设备等生产资料全要素管理，以可视化为纽带，实现空侧、

陆侧一体化管理，进一步强化串联机场飞行区、航站楼各功能区域、各业务部门、各业务流程的信

息共享与服务贯通，从整体上优化机场业务流程，促进运行模式、服务模式、管理模式创新，实现

容量提升、高效运行、真情服务，逐步建立以旅客为中心的四型机场协同发展的未来机场顶层设计

和项目落地整体规划，为搭建枢纽机场和机场集团智慧机场信息平台，初步实现智慧机场信息化建

设的能力沉下去、效率提上来的建设目标，让行业大数据变成活数据，实现智慧机场数字孪生，实

现数据赋能智慧机场。

智慧机场数字孪生应用技术与解决方案

293

二、总体思路和解决方案

（一）系统总体思路

全时空、全要素数据感知，全周期、全岗位运管可视，全流程、全链条业务模型，全方位、全

场景仿真预测是智慧机场数字孪生的基本特征，通过数据赋能，构建以物联网为基础的多源数据汇

集网络，统筹物理世界感知体系，实现数据整合与共享。通过平台赋能，构筑机场智慧中台能力，

以中台为信息底座，实现数字机场、物理机场镜像运行。通过模型演进，将人工智能的研究方法与

机场运行的物理模型、数据模型、规则模型，旅客服务行为模型的预测、规划、管理相融合，建构

数字孪生机场，并最终实现数字机场对物理机场的数智化管理。为实现上述目标，本项目整合机场

运营关键要素，建设统筹感知体系，形成飞行区、航站区、空中全域覆盖、动静结合、智能全联接

的机场未来的神经中枢。系统架构图见图 1：

图 1 数字孪生整体架构

基础支撑层：屏蔽掉运行环境和开发环境的技术细节，为前端应用提供简单一致、易于使用的

能力接口、接入规范、治理规范，形成开放服务体系，为机场的数据、服务、应用和能力提供可视、

可管、可控的统一管理平台。

数据交互层：以数据中台为底座，聚焦业务数据化，协助机场建立规范的数据治理体系，

接入机场“旅客流、飞机流、物流、车流、财物流”等数据资产，建立一致性的数据规范与统

一的模型容器，建立数据湖、专题库、数据域和主题库，提供快捷高效的数据服务，确保数据

一致性。基于航信丰富的业务实践，协助机场从数据治理、系统治理相结合的角度，全面提升

机场数据质量，改善数据与业务“形合神离”的行业痛点。

孪生构建层：围绕机场物理空间，航班流、旅客流、行李流核心业务流程，放行时隙、保

障人员、跑道、机位、安检口等关键资源模型维护，支持动态实时数据输入，实现动态仿真，

并支持仿真结果赋能前端业务。

智能交通产品与技术应用汇编

294

应用生态层：提供数据互联、流程衔接、服务贯通、业务协同的协同、智能、互联、可视、个

性、精细的智慧机场整体方案。

用户呈现层：基于微服务架构，提供一个网页、一个 APP、一块屏的应用融合界面。

（二）解决方案

中国航信智慧机场数字孪生全要素管理平台有以下要素组成：一张泛在接入网、一个机场中台、

一个机场全域全要素数字化管理平台、一张运行管理图、一个跨平台 APP。

泛在接入网是基础支撑层，是机场云平台、ITC 管理体系，用于机场多源数据采集（如物联网、

视频分析、高清定位、人工上报等采集手段）以及向网络端发送。

机场中台是数据交互层和技术支撑层，实现孪生机场的数据治理、通用模型构建、共性能力抽

取等基础赋能。机场中台是中国航信为响应民航机场信息系统整体规划，避免烟囱式和单体式架构

设计的重复建设，实现全场一张网的发展要求，打造的基于机场本场的信息集成和业务支撑，兼具

算法赋能，并以服务的方式提供共享能力的平台产品。平台为机场打造内外部系统之间通畅的信息

交互渠道，使各类不同的业务系统以统一、标准的方式进行数据交互和业务协同，支撑各种新的业

务功能需求和流程。

● 技术中台

基于云原生技术打造开放式技术中台，提供个性化应用开发和灵活配置，为业务提供体系化的

通用技术底座。

● 数字中台

数据中台对航班，旅客，行李，货运，机场运营等民航领域的全时空数据进行标准数据治理，

构建基于行业的数据标准体系。

● 业务中台

业务中台实现全国机场的业务云化互通，有效将机场运行指挥和旅客服务业务进行合理的抽象

和沉淀形成原子化服务，通过服务编排能力快速孵化支撑新的业务场景，将航信全域的数据优势转

化为场景化的能力优势。

● 能力中台

以 SaaS 云服务、H5、小程序、SDK、API 等多样化的形式给机场产品和业务场景赋能，减少

不同业务场景中相同业务模块的重复建设，加速创新，以多样化的方式助力机场业务数字化。

● 移动中台

跨平台 APM 采取业务组件化+跨平台模式，为组件化架构的服务端支撑，负责组件库迭代，账

户权限同步，以及 APP 权限树的动态配置和监控，一次组件开发，适配多个系统，各层级接口隔离，

支持跨平台快速开发，实现机场 APP 融合发展。

机场全域全要素数字化管理平台是数字孪生体的核心，是数字孪生的业务应用层和模拟仿真层，

包括以下组成：

● 机场运营全景视图

基于机场基础设施泛在联网，以机场运营可视化为基础，实现飞行区、航站楼，乃至公共区、

货运区的合约（如各个组织的职责、组织的管理体系和机制等）、流程（如航空器流程、旅客流程、

行李流程等）、资产（如设备、系统等）一体化、智能化、可视化管理，生各业务板块在预测、主动

智慧机场数字孪生应用技术与解决方案

295

服务、协同运作等方面达到智能化水平。机场大屏、PC 端、移动 APP 多屏互动示意图见图 2。

图 2 一块屏、一个网页、一个 APP 的机场运营全景视图

● 空地一体化子系统

本模块以 A-CDM 为基础，实现与空管系统的融合，将机场、空管、航空公司、地服公司等相

关方的信息集成至机场中台，打造涵盖 A-CDM、AODB、地面保障、可视化管理、旅客服务的一体

化产品方案，实现空侧航班运行、陆侧旅客服务数据贯通、场景融合、流程衔接、业务协同，更灵

活适配机场运行模式、服务模式、管理模式变革。在满足 A-CDM 行业规范的前提下，通过机场中

台、移动中台合理架构设计和技术选型，实现数据共享、地面服务里程碑监控、运营监管、协同决

策以及手持终端、使用智能机位分配、计算可变滑行时间、保障能力动态调整、离港推出排序建议

等新算法来提升精细化管控要求，提前发现问题，协调不合理情况，将资源更有效的调配，使保障

效率增高，准确性增强，事先发现并解决问题，践行民航未来机场发展理念，提高机场运行智能化，

实现空地一体的运行模式。

● 楼坪一体化模块

态势感知、运行管理、协同协作、决策支持为核心，实现航站楼内各单位“数据协同”、“业

务协同”和“决策协同”，从而达到提升机场航站楼运行保障能力、跨部门协作能力、安全能力、

旅客服务能力的目标。为高质量的航站楼服务提供重要保障，为航站楼运营的智能化、专业化、精

细化提供有力支撑，可极大提升机场航站楼运行品质和服务水平。在此基础上，通过获得旅客时空

分布数据与历史分布规律，对旅客到达规律预测登机完成时间，从而进一步提高对 TOBT 的预测。

机场机坪、航站楼一体化建模设计图见图 2.

● 飞行区管理子系统

满足机场飞行区管理需求，提升飞行区空防安全的裕度，实现飞行 区日常运行的标准化建设，

为机场飞行区风险管控及管理品质提升，提供数据支撑。从 “安全，管理，高效”入手，最终实现

飞行区的全流程、全场景、全要素的数据展示；基于“统一监管+实时查看+数据分析”的管理机制，

为飞行区管理部和各驻场单位、机 坪作业员工搭建联系通道，协调解决各类生产运行请求，并对各

业务模块生产信息进行 科学化统计，实现飞行区标准化、精细化、智能化管理。飞行区管理设计图

见图 4.

智能交通产品与技术应用汇编

296

图 3 楼坪一体化

图 4 飞行区管理

● 应急管理子系统

集成安保、全景视频、FOD、SMS、追逃等业务系统和数据，实现贯穿机场应急管理的事前准

备、事中处置、事后评估整个过程，应用于机场日常应急管理、员工培训、突发事件处置和应急演

练，为机场打造立体的安全防护、应急管理的 SMS 平台。

● 模拟仿真子系统

利用智能感知、实时解析、即时表达、动态演变和即时仿真等技术，对机场进行多视角、多维

度、全覆盖的感知与分析，实现枢纽机场运行优化。以航空器滑行规划模型为了，建模过程见图 5.

机场运行管理图是系统的展示层，基于多屏互动、前端界面融合技术，支持大屏、PAD、PC 端

多种展示方式，为机场管理层提供多维度、智能化决策支持。对机场经营管理建立基于机场运行大

数据 BI 分析模型。

智慧机场数字孪生应用技术与解决方案

297

图 5 基于 A*算法的航空器冲突预警模型

三、总结

数字孪生机场是智慧机场的典型实现路径，它将信息化技术与传统基建有机融合，以云计算、

大数据、物联网、人工智能、5G 通信为核心技术手段，抓住新一轮科技革命、技术革新机遇，推动

我国机场高质量发展、跨越式进阶。通过模型算法的构建和演进，增强机场的预测预知能力，为机

场管理、运营、应急提供决策依据和行动指导。最终建成整合机场运营关键要素，具有统筹感知能

力的数字孪生机场，形成飞行区、航站区、空中全域覆盖、动静结合、智能全联接的机场未来的神

经中枢，从管理理念、系统价值、适用性等方面适应未来发展，将系统提高到更高层级，不断寻求

航班运行的最优解，实现推进业务变革。

参考文献：

[1]于勇，范胜廷，彭关伟，戴晟，赵罡.数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨[J]．航空制

造技术．2017

智能交通产品与技术应用汇编

298

行李全程跟踪系统

中国民用航空局第二研究所

宋洪庆

一、项目背景

长久以来，机场托运行李破损、丢失、迟运、托运过程“黑匣子”等是整个行业及广大旅客都

迫切希望能够解决的问题，根据资料显示，2021 年全球共约 22.8 亿名旅客出行，而每 1000 名旅客

的错运行李数为 4.35 件。国际航空运输协会（IATA）通过决议期望实现旅客行李的单件追踪，有效

降低整个行业的行李错运率。中国民用航空局近年来也积极推广行李全程跟踪系统以提升行李运输

服务水平，并将该项工作列入 2021 年“我为群众办实事”任务清单，通过分步走的方式，在十四五

期间最终实现全行业行李运输差错和破损率的降低，缩短行李提取时间，让旅客托运更放心。

行李处理过程相比快递行业中快件与货物处理的过程，其即时性、准确性要求均很高，若使用

类似于快递行业的手持设备来采集信息，会降低行李处理效率，严重时甚至会延误航班起飞以及旅

客提取行李的时间。采用射频识别技术（RFID）的行李跟踪系统则能在实现行李跟踪的同时，提升

行李处理效率，有效解决行李处理和运输过程中的即时性和准确性问题。

二、解决方案和系统实现

（一）系统目标

行李全程跟踪系统（BTS）覆盖了始发机场托运行李到目的机场提取行李的全部 12 个节点 18

个环节，有效降低行李破损、丢失、迟运等情况的发生频率，并增强提供行李业务保障功能，在行

李误分拣报警、延误预警、非常规行李拉下、辅助人工分拣等多个方面提高行李处理效率，进一步

减少行李差错和破损。

（二）系统组成

行李全程跟踪系统前端设备主要基于射频识别技术对行李处理过程进行监控，后台软件基于采

集数据、行李分拣信息、航班信息、旅客进出港信息等，对行李运输全过程进行实时分析、处理，

为工作人员和旅客实时提供行李运输状态，实现行李误分拣报警、延误报警、非常规行李拉下等实

行李全程跟踪系统

299

用功能，并利用射频识别技术的高识别率帮助行李自动分拣系统降低 80%以上的弃包率，提升搬运

工人 20%以上的行李装载效率。系统整体架构如图 1 所示。

图 1 系统架构图

（三）系统特点

1. 覆盖行李运输全过程 12 个节点的 18 个环节，不留跟踪死角；

2. 软硬件实现自主可控，拥有自主知识产权 12 项，关键指标国际领先；

3. 与行李分拣系统高度融合，人工分拣效率提升 20%，自动分拣减少减少 80%弃包行李；

4.“行李码+照片”的码照模式，支持快速定位查找行李、拉下行李、登机口行李等非常规行李

处理；

5. 可灵活部署和扩展，在大型、中型、小型机场均能应用；

6. 支持机场集团、航空公司的中心化部署模式，组件行李数据中心。

（四）主要功能介绍

1. 行李处理节点跟踪

对值机托运、安检、行李传输、分拣、装车、出港运输、装机、卸机、进港运输、进港、提取、

中转行李处理的 12 个节点的旅客托运行李实时跟踪，主要采用以下基于超高频识别技术的设备完成

上述功能：

1）RFID 通道识别设备

RFID 通道识别设备（见图 2）是以龙门架形式安装在值机收集线、分拣机注入口、到达输送线

（转盘）等位置，自动完成行李条码、行李照片等信息的采集工作，实现 360 度读取行李信息并与行

李照片绑定，并对行李完成前后精准排序：在行李间隔 350 毫米、皮带速度 2m/s 的情况下，识别绑

定率≥99%。

2）可视化辅助分拣设备

可视化辅助分拣设备（见图 3）的使用可提升人工分拣效率 20%以上，设备在离港人工分拣转

盘安装应用，行李完整信息投映在显示设备上，实现行李位置与显示信息实时对应，也可以通过操

智能交通产品与技术应用汇编

300

作工位上对应的液晶显示屏，显示详细的工位对应航班的行李装载信息，协助装卸人员完成行李装载

图 2 RFID 通道识别设备

图 3 可视化辅助分拣设备

3）简易式 RFID 识别设备

简易式 RFID 识别设备（见图 4）与通道识别设备功能一致，自动完成行李条码、行李照片等

信息的采集工作，该设备适用于物理空间受限区域，能适用于各类皮带输送机，只需替换原有位置

的侧挡板，无需架设龙门架、无需更换输送机承重板。

4）传送车 RFID 识别终端

传送车 RFID 识别终端（见图 5）安装在行李装卸机的皮带传送车两侧，不会影响行李输送。

当行李经过行李皮带传送车，设备将识别的信息与离港信息作对比，若为本航班的行李，则将行李

信息同步传输至行李全程跟踪系统平台；若非本航班的行李，发出蜂鸣声或光亮告警，提醒地服人

员，避免行李错上飞机，装卸机完成后可自动对比行李数据，确认数量是否正确。

行李全程跟踪系统

301

图 4 简易式 RFID 识别设备

图 5 传送车 RFID 识别终端

5）智能交接终端

智能交接终端（见图 6）通过整版扫描行李小联，获取“装车/箱”环节的行李数据。该设备能

批量实现行李交接确认，采样时间≤1s，批量采集成功率≥99%，减少人工核对错误率，还能自动

打印交接单，代替人工制单，可实现行李快速查找，可量化分拣员工作量，可单独部署到现有行李

系统中，也可作为光学——RFID 过渡期内的辅助交接手段。

6）RFID+拍照混合识别设备

RFID+拍照混合识别设备（见图 7）应用于进港、中转、托盘导入口行李自动识别，具备 RFID

识别及图像条码识别功能，可以对 RFID 行李条和非 RFID 行李条进行精确自动识别，可与行李系

统对接，配合行李系统实现行李输送的控制功能。该设备具备优异的标签识别能力，综合（RFID+

拍照识别）标签识别率≥99.5%；支持行李图片和行李条码绑定功能；能够适应 0~2m/s 的传送带速

度；相机的防护等级不低于 IP67，配备电缆和相应的镜头盖；识别时间＜0.5 秒。

智能交通产品与技术应用汇编

302

图 6 智能交接终端

图 7 RFID+拍照混合识别设备

2. 行李运输全流程管控

行李全程跟踪管理系统平台（见图 8、图 9）可实现旅客托运行李在本场的全流程管控，包含航

班的离港、到港和中转行李。通过对行李运行全流程监控、预警、报警等功能，降低行李差错率，

提升行李运行保障能力和管理效能，并结合机场运行实际，进行应用功能的扩展延伸，以更好的支

持运行保障单位和其他单位之间的业务协同，既促进一线业务保障能力提升，又兼顾各层级管理需

求，促进机场运行管理变革，全面提升运行品质和服务质量。

行李全程跟踪系统

303

图 8 行李全程跟踪管理系统平台 1

图 9 行李全程跟踪管理系统平台 2

三、典型机场应用案例

民航二所行李全程跟踪系统在大兴机场、首都机场、天府机场、重庆机场、杭州机场、贵阳机

场、中国国航等 19 个机场（集团）和航司已有实际应用案例。

（一）重庆江北国际机场

重庆江北国际机场行李全程跟踪系统始建于 2014 年，2017 年 8 月正式投用，是国内第一个使

用 RFID 技术完成行李分拣与行李跟踪的机场，其在值机、分拣、存储、装车、装机、中转、到达

等多个关键环节实现了信息的自动采集与跟踪，得益于 RFID 技术的高识别率和全流程跟踪的有利

保障，行李综合处理差错率从以前的万分之一降低到了不足十万分之一。重庆江北国际机场行李全

智能交通产品与技术应用汇编

304

程跟踪系统现场情况如图 10 所示。

图 10 重庆江北国际机场行李全程跟踪系统

（二）北京大兴国际机场

北京大兴国际机场于 2017 年 8 月开始建设，2019 年 9 月完工。建设节点完整，包括值机、安

检、分拣、中转、装车、装机、卸机、到达等多个关键节点，最终形成和输出行李完整传输链路，

实现行李在大兴机场的全程跟踪。设备均采用全冗余热备份，保障 7*24 小时运行，可靠性更高，同

时大兴机场也是全球第一个单纯只使用 RFID 技术完成行李处理的机场，针对不同类型的行李条码

识别绑定率稳定在 99.3%以上，已达到国际领先水平。北京大兴国际机场行李全程跟踪系统现场情

况如图 11 所示。

图 11 北京大兴国际机场行李全程跟踪系统

行李全程跟踪系统

305

（三）成都天府国际机场

成都天府国际机场于 2019 年 2 月开始建设，2021 年 6 月施工完成。全程跟踪系统建设节点包

括值机、安检、存储、分拣、装车、装机、卸机、中转、到达等多个关键节点，解决了行李追踪和

记录，同时天府机场针对城市值机、贵宾值机、大件值机的行李同样能实现上述环节的追踪和记录。

成都天府国际机场行李全程跟踪系统现场情况如图 12 所示。

图 12 成都天府国际机场行李全程跟踪系统

智能交通产品与技术应用汇编

306

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

307

智能轨道交通篇

智能交通产品与技术应用汇编

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智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组

线路中的应用

新誉庞巴迪信号系统有限公司

胡 海 仲晓辉 曾梦宇 吴 超

摘要：城市轨道交通的客流指标是评估线路运力的重要因素之一，当前固定编组列车已然不能

满足线路运力的发展变化要求，社会效益与经济效益的平衡越来越受到高层重视。因此，灵活编组

列车的需求已在部分线路初期，近期，远期规划中部署。城市轨道交通信号系统基于灵活编组列车

需求，为了更好地适应场景需求并提高运营性能，如：灵活编组列车在不同停站位置按照不同时序

开关门；灵活编组列车按照不同时序在两侧开关门；关门受阻再开关门；故障门对位隔离；灵活编

组列车车门与站台门基于车地无线通信的直接通信等。本文针对这些应用场景，提出了使用智能门

控柜与站台门系统接口的解决方案，在城市轨道交通灵活编组线路中取得了成功应用。

关键词：城市轨道交通；信号系统；灵活编组；智能门控柜；站台门

一、灵活编组线路运营场景

针对轨道交通线路的客流，有变化地开行不同编组的列车，既能保证列车满载率，减少空跑，

同时又能提高发车频率和服务水平，并可在一定程度上节省运营成本。

本文结合成都天府国际机场旅客自动捷运（APM）系统项目，系统采用全自动运行模式，满足

4 辆灵活编组列车运营要求，在信号系统与站台门系统接口设计时需考虑灵活编组列车灵活停站时

的开关门要求。

天府国际机场也称为成都新机场，选址位于成都市中心东南方向约 50 千米处。成都天府国际机

场 APM 系统一期项目，全部为地下线，连接 T1-T2 航站楼，在 T1 航站楼地下层设置 T1 站，站后

区间穿越地铁线路下方，进入 T2 航站楼地下层设置 T2 站。一期工程线路全长约 0.8km，系统利用

双车道穿梭系统连接 T1 和 T2，如图 1 所示：

每个站台长度满足停靠 4 辆编组列车，列车停站时，车门与站台门的位置对应。

在每侧站台，灵活编组列车的停站可能有几种位置，如图 2 所示：

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

309

空侧站台 陆侧站台 空侧站台

陆侧站台

陆侧站台

T2站 T1站

运行方向

运行方向

图 1 成都天府国际机场 APM 系统一期线路图

3编组列车停车位置

2编组列车停车位置

站台

2编组列车停车位置

2编组列车停车位置

3编组列车停车位置

4编组列车停车位置

图 2 灵活编组列车停站位置

二、信号系统与站台门系统接口设计

（一）传统固定编组线路信号系统与站台门系统接口

传统固定编组线路，列车在站台的停车位置是固定的。如图 3 所示。

站台

图 3 固定编组列车停车位置

信号系统接收站台门系统提供的“门关闭且锁紧”和“互锁解除”信息，按每侧向站台门系统

提供开/关门命令。

站台门系统接收信号系统提供的开/关门命令，按每侧向信号系统提供“门关闭且锁紧”和“互

锁解除”信息。

此方案的特点是：通过联锁 CI 或区域控制器 ZC 实现与站台门系统接口；接口仅采用继电电路

方式，继电器采用安全型继电器；接口数量少。如图 4 所示。

（二）灵活编组线路信号系统与站台门接口

灵活编组线路需要实现列车停靠不同站台位置时，开关对应的车门/站台门；车门/站台门关门

受阻时，只重新开关受阻的车门/站台门；车门/站台门故障时，实现对位隔离功能等；接口数量多，

接口功能复杂。

传统的固定编组线路信号系统与站台门系统接口方案已然不满足以上需求，这时我们使用一种

智能交通产品与技术应用汇编

310

新型先进的智能门控柜产品。

联锁CI

或

区域控制器ZC

配

线

柜

信号系统实施 站台门系统实施

开门命令

关门命令

互锁解除

分界点

配

线

柜

开门命令

关门命令

门关闭且锁紧

互锁解除

继

电

器

组

合

柜

开门命令

关门命令

门关闭且锁紧

互锁解除

车载

ATC

车地

无线通信

DCS

数据通信

系统

门关闭且锁紧

图 4 信号系统与站台门系统接口（传统固定编组线路）

智能门控柜完全独立于联锁和区域控制器，采用 2 乘 2 取 2 冗余结构，可靠性高，安全完整性

等级达到 SIL4 级。

1. 站台门分组

以成都天府国际机场 APM 项目作为示例，由于灵活编组列车对于整个站台的停靠位置是全覆

盖的，需要将站台门分为 4 组，每组对应 1 辆编组列车的车门和 2 扇站台门，分组编号与站台门编

号对应关系如表 1 和图 5 所示。若其他线路（如 4/6 编组混跑，停靠固定位置）执行不同的停靠方

案，视情况可将站台门灵活分组。

表 1 分组编号与站台门编号对应关系

分组编号 站台门编号

1 1~2

2 3~4

3 5~6

4 7~8

3编组列车停车位置

2编组列车停车位置

分组1 分组2 分组3 分组4

8

8

7

7

1 2 3 4 5 6

站台A

站台B

1 2 3 4 5 6

2编组列车停车位置

2编组列车停车位置

3编组列车停车位置

4编组列车停车位置

站台门

站台门

图 5 分组编号与站台门编号对应关系（以岛式站台为例）

2. 接口界面

智能门控柜按每侧站台门分组向站台门系统发送 4 组“门使能”命令，站台门系统按每侧向智

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

311

能门控柜发送 4 组“门关闭且锁紧”信号，1 个“互锁解除”，1 个“非预期开门复位”信号。

以上接口为安全信息，采用安全硬线回路双断设计，符合故障－安全原则。

另外有 1 个非安全网络接口，采用 Modbus 协议，用于智能门控柜和站台门系统互相传输非安

全信息，如开/关门命令、开/关门预告和站台门状态等信息。

以上接口信息如图 6 所示：

智能门控柜 配线柜

门使能（分组1）

Modbus网络接口

门使能（分组2）

门使能（分组3）

门关闭且锁紧（分组1）

门关闭且锁紧（分组2）

门关闭且锁紧（分组3）

互锁解除

门使能（分组4）

门关闭且锁紧（分组4）

非预期开门复位

信号系统实施 站台门系统实施

分界点

车载

ATC

车地

无线通信

DCS

数据通信

系统

图 6 使用智能门控柜的信号系统与站台门系统接口

三、接口描述

（一）物理接口

“门使能”，“门关闭且锁紧”，“互锁解除”，“非预期开门复位”信息使用物理硬线连接。

1. 门使能

“门使能”命令是安全命令，它通过硬线接口从智能门控柜发送到站台门系统。站台门系统使

用该命令打开开门回路的电子锁，如果没有检测到“门使能”命令，站台门系统将忽略智能门控柜

通过网络接口发送的开门命令。

“门使能”命令是连续信号，并保持高电平有效，直到智能门控柜发出关门命令为止。

2. 门关闭且锁紧

站台门系统通过硬线提供“门关闭且锁紧”安全信息给智能门控柜，智能门控柜用此信息来

确保每组站台门是关闭且锁紧状态。只有当所有 4 组站台门均为关闭且锁紧状态，智能门控柜

才判断该侧站台门为关闭且锁紧，该信息作为开放允许信号的条件，保证列车在进站和离站过程中

智能交通产品与技术应用汇编

312

的安全性。

“门关闭且锁紧”信息是连续信号，并保持高电平有效。

3. 互锁解除

站台门由于不能关闭，而无法发送“门关闭且锁紧”信息给智能门控柜时，在人工保证安全的

情况下，可以通过就地控制盘上的自复位旋钮旁路掉“门关闭且锁紧”信息，此时信号系统收到“互

锁解除”信息，允许列车进站和离站。

4. 非预期开门复位

当站台门非预期（非正常）打开时，信号系统会对站台区域设置行车限制，这时需要一个复位命令

来恢复运营。复位命令由人工按压站台门系统就地控制盘上的“非预期开门复位”按钮进行激活。

（二）网络接口

智能门控柜使用 PLC（可编程逻辑控制器）与站台门系统的 PLC 通信，采用 Modbus 协议，站

台门系统负责控制站台门。通过网络接口可以进一步实现不同停车位置的开关门，重新开关受阻的

车门/站台门，实现对位隔离，检测站台门状态等功能。

详细的网络接口信息如表 2 所示：

表 2 智能门控柜与站台门系统网络接口信息

信号 源地址 目标地址 定义

站台 ID 智能门控柜 站台门系统 用来定义目标站台。

站台门开/关命令 智能门控柜 站台门系统 对应位是 1 代表请求开门，是 0 代表请求关门。

每个站台门占用 1 位。

站台门关门预告 智能门控柜 站台门系统 对应位是 1，代表站台门即将关闭。

每个站台门占用 1 位。

站台门开门预告 智能门控柜 站台门系统 对应位是 1，代表站台门即将开门。

每个站台门占用 1 位。

站台 ID 站台门系统 智能门控柜 站台门系统用此 ID 标识自身所控制的站台侧。

站台门系统健康状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表健康；0 代表故障。

每侧站台门占用 1 位。

站台门健康状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表健康；0 代表故障。

每个站台门占用 1 位。

系统电源状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表健康；0 代表故障。

每侧站台门占用 1 位。

本地控制模式 站台门系统 智能门控柜

对应位是 1，代表站台门系统是在本地控制模式，表示站台门

通过就地控制盘人工控制。

每侧站台门占用 1 位。

站台门关闭状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表站台门完全关闭。

每个站台门占用 1 位。

站台门完全打开状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表站台门完全打开。

每个站台门占用 1 位。

站台门人工解锁状态 站台门系统 智能门控柜

对应位是 1，代表站台门手动解锁，或者手动打开、关闭（当

此位是 1 时，表示站台门可以手动打开、关闭）。

每个站台门占用一位。

站台门切除状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表站台门是隔离状态（站台门机械锁闭，站台

门系统无法控制）。

站台门障碍物检测状态 站台门系统 智能门控柜 对应位是 1，代表站台门通道有障碍物。

每个站台门占用 1 位。

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

313

四、接口功能

（一）智能门控柜直接与车载 ATC 通信

智能门控柜完全独立于联锁和区域控制器，车载 ATC 通过它实现与站台门系统的通信和安全

判断，避免了传统固定编组线路采用继电电路需经过组合柜继电器励磁的中间过程，极大降低了与

站台门系统接口的延时，实现了站台门的快速响应。在站停时间不变的情况下，增加了乘客上下车

时间，提升用户体验；或者在乘客上下车时间不变的情况下，可以缩短站停时间，进而提高运营行

车能力。

（二）开/关门

当列车停在站台停车点并且车载 ATC 检测到零速，切除牵引，施加制动的情况下，智能门控柜

会发送“门使能”命令给站台门系统。乘客上下车时间是从站台门完全打开到站台门开始关闭的时

间，该时间结束后，智能门控柜发送关门命令。在收到所有“门关闭且锁紧”信息后，列车才允许

离开站台。开/关门动作时序如下：

1）初始状态，站台门处于关闭且锁紧状态；

2）智能门控柜接收到车载 ATC 发送的门使能和开门命令，发送给站台门系统，控制站台门开

始动作直到完全打开；

3）站台门保持开门直到收到关门命令，乘客在此期间上下车；

4）根据“门使能”命令是否用于站台门系统的动作电机的开关信号，有下面两种情况，用户可

自行选择：

（a）智能门控柜接收到车载 ATC 发送的关门命令，撤销“门使能”命令，发送给站台门系统，

控制站台门开始动作直到完全关闭，见图 7（a）；

（b）“门使能”命令保持到站台门完成关门动作，智能门控柜收到站台门“关闭且锁紧”信号

后撤销“门使能”命令，见图 7（b）；

5）回到初始状态，站台门处于关闭且锁紧状态。

1

0

1

0

1

0

开

关

站台门关闭且锁紧

站台门动作

开/关门

门使能命令

1） 2） 3） 4） 5）

（a）

1） 2） 3） 4） 5）

（b）

图 7 开/关门时序图

智能交通产品与技术应用汇编

314

将以上开/关门时序用图 8 过程图表示如下：

智能

门控柜

站台门

控制柜 站台门

门关闭且锁紧

Modbus

门使能

车载ATC

门使能

开门

开门 开门

关门

Modbus

关门

关门

门关闭且锁紧 门关闭且锁紧

图 8 开/关门过程图

（三）再开/关门

当某扇车门关门时受阻，车载 ATC 只会重发该扇车门和对应站台门的开/关门命令，给车门和

智能门控柜。此时只会重新开/关该受阻的车门和对应的站台门，其他未受阻的车门和对应的站台门

保持关闭。如果重新开/关门超过规定的次数，车载 ATC 将发送开门命令，使该车门和对应的站台

门保持打开，等待后续操作（根据运营规程，如人工介入使用重关门命令）。

当某扇站台门关门时受阻，智能门控柜只会重发该扇站台门重新开/关门命令，给站台门系统。

此时只会重新开/关该受阻的站台门，车门和其他未受阻的站台门保持关闭。如果重新开/关门超过

规定的次数，智能门控柜将向车载 ATC 发送“超过限制”信息，车载 ATC 将发送开门命令，使该

站台门和对应的车门保持打开，等待后续操作（根据运营规程，如人工介入使用重关门命令）。

再开/关门循环操作过程如图 9 所示。

（四）站台门非预期打开检测和复位

智能门控柜能判断站台门的非预期（非正常）打开。如果智能门控柜没有发送过“门使能”命

令给站台门系统，而站台门系统发来的 “门关闭且锁紧”信息丢失时，智能门控柜判断该侧站台门

为非预期打开。列车不允许进出站，保证安全。

当“门关闭且锁紧”信息恢复时：

1）需要人工确认现场安全后，按压站台门系统就地控制盘上的“非预期开门复位”按钮。这时

方可允许列车进出站作业。

2）如果未按压“非预期开门复位”按钮，不允许列车进出站作业。

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

315

智能

门控柜 车门 车载ATC 站台门

关门受阻

重开 重开 重开

关门受阻

重开

重关 重关 重关...

重关

...

对应的车门/站台门保持打开，等待后续操作

对应的车门/站台门保持打开，等待后续操作

超过限制 超过规定次数

重开 重开 重开

超过规定次数

重开 重开 重开

图 9 再开/关门循环操作过程

（五）故障门对位隔离

在站台开/关门作业时，当车载 ATC 收到某个车门故障信息，或者智能门控柜收到站台门系统

发来的某个站台门故障信息，车载 ATC 不会发对应车门/站台门的开门命令，对应的车门/站台门不

会打开，从而实现故障门对位隔离功能。

（六）不同站台按不同车厢开/关门

图 10 以 T1 站为例，2 辆编组列车停在站台中间，1 辆车厢为空侧车厢，另 1 辆车厢为陆侧车

厢。空侧车厢只开关空侧站台侧的车门/站台门，陆侧车厢只开关陆侧站台侧的车门/站台门。

陆侧站台

T1站

空侧车厢 陆侧车厢

空侧站台

陆侧站台

上下客

上下客

分组1 分组2 分组3 分组4

分组1 分组2 分组3 分组4

图 10 不同站台按不同车厢开/关门

智能交通产品与技术应用汇编

316

针对该场景，智能门控柜通过向站台门系统发送表 3 的信息即可实现相关功能：

表 3 不同站台按不同车厢开/关门时智能门控柜发送给站台门系统的信息

信息 目的

空侧站台 ID

空侧站台门使能（分组 2）命令

空侧站台门（编号 3、4）开/关门命令

实现空侧车厢只开关空侧站台侧的车门/站台门

陆侧站台 ID

陆侧站台门使能（分组 3）命令

陆侧站台门（编号 5、6）开/关门命令

实现陆侧车厢只开关陆侧站台侧的车门/站台门

（七）监测站台门状态

根据本文表 2 网络接口信息，智能门控柜通过接收站台门系统发送的站台门健康状态、站台门

系统电源状态、本地控制模式、站台门关闭状态、站台门完全打开状态、站台门人工解锁状态、站

台门切除状态、站台门障碍物检测状态等，实现对站台门系统状态的实时监测。接口信息定位到单

个站台门，便于故障时维护人员快速查找故障点。

（八）开/关门预告

根据本文表 2 网络接口信息，智能门控柜通过网络接口，向站台门系统发送站台门关门预告，

开门预告信息，实现与站台乘客进行信息交互的功能。

五、结束语

本文介绍了一种新型先进的智能门控柜，独立于联锁和区域控制器，采用 2 乘 2 取 2 冗余结构，

可靠性高，安全完整性等级达到 SIL4 级。智能门控柜直接与车载 ATC 通信，通过物理硬线和网络

直接与站台门系统接口，避免了传统固定编组线路采用继电电路需经过组合柜继电器励磁的中间过

程，实现站台门的快速响应，可以使乘客体验到全自动驾驶系统级别的流畅控制过程和提高行车能

力。实现了灵活编组列车灵活停站时各种复杂场景下的开/关门作业需求。同时，该方案实现了故障

门对位隔离、同一车站同一列车不同站台不同车厢控制、监测站台门状态、开/关门预告等多种传统

固定编组线路不具备的功能。

智能门控柜可用于各种灵活编组或固定编组线路与站台门系统接口，可适配不同类型的站台门

和接口，另外通过网络接口可根据用户需求扩展更多功能。目前已成功应用于芜湖轨道交通 1、2

号线（单轨，4/6 辆编组混跑）、深圳机场旅客自动捷运（APM）系统、成都天府国际机场旅客自动

捷运（APM）系统，在国内轨道交通全自动控制领域处于领先地位。

智能门控柜在城市轨道交通信号系统灵活编组线路中的应用

317

六、参考文献

【1】国家标准《城市轨道交通信号系统通用技术条件》（GB/T 12758-2004）

【2】行业规范《城市轨道交通 CBTC 信号系统行业技术规范-需求规范》

【3】《城市轨道交通灵活编组运营组织研究》唐玉川

【4】《不同编组列车混跑情形下信号与屏蔽门接口设计》张治梁

【5】《基于门控柜的站台门联动方案分析》 马海波

【6】《地铁信号系统与屏蔽门/安全门接口浅析》 陈浩莹

【7】《南京地铁宁溧线信号控制 4_6 节编组列车混合运行技术方案》李云

【8】《胶轮路轨自动旅客运输系统车辆灵活编组设计》 王振

智能交通产品与技术应用汇编

318

基于大数据的城市轨道交通智慧服务平台

北方工业大学

王志建

1、技术架构总览

平台采用微服务架构体系，如图 1 所示，各服务模块之间没有绝对依赖，模块可组合也可独立

运行，实现了模块间的解耦。微服务治理采用 SpringCloud 框架，微服务模块采用 SpringBoot 框架

开发，同时采用 SpringCloudAlibaba 的部分模块。

图 1 系统架构

2、平台功能

2.1 城市轨道交通信息服务

2.1.1 车站客流预测

基于城轨车站进、出及内部乘客数据，融合天气、日期、大型活动等外部数据，通过 AI 建模，

基于大数据的城市轨道交通智慧服务平台

319

利用大数据分析以及智能预测等算法实现对站点客流、线路客流、线网客流、断面客流等进行精准

预测。

2.1.2 车站拥挤度分析

通过获取车站内部的客流量以及变化程度，分析客流时空变化特征，实现对车站内的拥挤程度

进行分析与评价，拥挤度的评价从行人的速度、密度、走行时间等多个角度进行，评价指标体系包

括拥挤的规模、拥挤的持续时间、拥挤区域行人的损失时间和拥挤区域行人的平均速度等。同时将

各个地铁站的拥挤情况以热力图的形式实时反应，便于采取措施进行客流疏导。系统界面如图 2 所

示。

图 2 车站客流预测界面

2.1.3 出行信息发布

通过地铁车站客流预测以及地铁车站的拥挤度分析，充分考虑地铁乘客的出行行为特征，确定

地铁出行信息发布的时间和内容，合理引导地铁乘客进行路线选择与决策，保障出行者的出行效率

和地铁运营效率和安全。

2.2 轨道交通智慧运维

2.2.1 轨道交通机电基础设施资产数据管理

以轨道交通机电基础设施资产管理为主线，基于相关标准规范、专著及专家经验，结合建设档

案、机电设施标准编码、机电设施构件标准解构、地理坐标等，建立机电设备库、故障信息库、故

障成因库、故障处置库等轨道交通机电设备故障监测专业知识库。系统界面如图 3 所示。

2.2.2 轨道交通机电设备故障预测

通过对轨道交通机电设备数据的精准获取与分析，采用数据清洗、汇集、转换以及匹配等方式，

对数据进行预处理，获取标准化数据格式的多源异构数据，建立基于主题的轨道交通机电设备故障

数据仓库。基于该数据仓库对故障设备信息进行分类，根据故障类型、故障次数、故障原因、设备

运行状态等信息，构建故障预测模型算法，辅助制定预养护计划，为轨道交通机电设备维护人员提

供有效地决策支持。

智能交通产品与技术应用汇编

320

图 3 轨道交通资产管理界面

2.2.3 轨道交通机电设备故障准确定位

根据现场轨道交通机电设备现状，建立机电设备在系统中的上下游逻辑关系模型，实现机电设

备逻辑上的上下游关联，并将关联信息集成至数字孪生系统中。建立机电系统的定性影响关系网络，

对于各类机电设备，确定每一故障的输出表征，从自身故障和非自身故障引起（由输入异常等引起）

的故障出发，对机电设备故障分类，实现故障的逐级推理，从系统的角度进行故障溯源及故障定位。

系统界面如图 4 所示。

图 4 故障定位界面

2.2.4 轨道交通机电设备故障成因分析

结合设备历史故障信息及相关部件实时状态，利用故障诊断模型，分析可能的故障原因，提供

故障处理建议。同时根据故障对列车运行的影响程度，将事件类型划分为一般事件和紧急事件，分

别进行日常维护管理或应急调度指挥。

2.2.5 轨道交通机电设备故障分级

针对不同的多发性故障，能准确区分出轻重缓急，依据轨道交通机电系统网络拓扑特性以及对

基于大数据的城市轨道交通智慧服务平台

321

轨道交通运营的影响程度，对故障资源修复紧迫性进行评估，建立轨道交通机电设备故障分级标准，

高效地发挥有限资源解决多发性故障，提高可靠性管理水平。

2.2.6 轨道交通机电设备故障管理

记录投入运行的轨道交通机电设备故障发生的时间、上报时间、故障内容、故障原因等内容，

将每一次的故障编码形成故障库，同时针对每一次的故障形成有效的维修方案，保存在专门的故障

处置数据库里，形成企业的设备运维知识库，综合故障库、知识库等，形成企业的知识资产。系统

界面如图 5 所示。

图 5 故障管理界面

2.2.7 全生命周期数据管理

通过构建设备全生命周期档案数据库，包括设备编码、设备型号、生产日期及厂家、投用日期

和预期使用年限等设备基础数据，以及在设备运行期间动态更新的监测数据、预警数据、诊断数据

和维修数据等，建立城轨运营全生命周期数据管理功能，实现对任意阶段的运维数据进行实时监测

与管理，达到系统管理正常运维的目的。

2.2.8 运维状态实时跟踪及运维评价

项目应实现基于流程引擎的自动化运维状态实时跟踪，完成对运维服务质量以及人员工作效率

等评价，为机电运维评测提供依据。

智能交通产品与技术应用汇编

322

基于虚拟现实技术的城市轨道交通突发灾害

事件应急演练平台

北京大象科技有限公司

摘 要 地铁作为一个城市的公益性服务行业，直接服务于大众，安全是其运营的永恒主题，

突发灾害事件时高效的应急组织能在事件发生时最大程度的挽救人民群众的生命财产。本文分析当

前城市轨道交通组织架构及应急预案，研究开发一套基于网络的分布式平台，模拟不同应急角色所

处的虚拟环境，借助计算机图形学及游戏引擎仿真突发事件的发生与演变过程，将不同应急角色的

岗位学员同步到突发灾害事件的场景与应急过程主线中，在检验已有突发事件应急预案有效性的同

时，对多角色协同应急与决策能力进行培训与提高。

关键词 城市轨道交通；虚拟现实；应急演练；多角色协同

一、引言

随着近年来我国轨道交通飞速发展，大规模城市轨道交通路网在全国许多城市都日趋成熟，带

来方便的同时，也是对于城市轨道交通行业在灾害事件发生时应急处置能力的巨大考验，水淹、火

灾、毒气泄漏等灾害事件虽然发生的概率小，一旦发生突发事件，其社会影响力、政治影响和国际

影响力都十分巨大，如郑州地铁 5 号线“720 事件”造成了重大人员伤亡。

地铁运营单位训练地铁各岗位工作人员面临灾害事件的方法一般采用应急演练的方式，对各种

灾害事件进行预演，使得地铁运营单位能够较好地应对灾害事件。

而针对目前的应急演练情况，仍然存在以下问题：

（1）现有应急演练方式以桌面推演、模拟仿真、简单实战演练为主，途径比较单一，导致

培训难；

（2）实战依赖运营线路，受场地影响较大，实训效率低，演练效果差；

（3）仅部分应急故障场景可以进行现场演练，对很多应急故障现象不能进行现场演练，很难达

到应急演练目标；

（4）缺少有效考核与评价体系，导致评估难以进行。

为解决以上问题，能够让地铁各岗位工作人员及时有效的完成相应的应急演练，利用 VR 技术

还原“真实”的虚拟场景进行应急仿真与演练是提升地铁运营单位应急处置能力的新方向。

基于虚拟现实技术的城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台

323

应用虚拟现实技术开发的应急演练平台能给用户更多的观察自由度，逼真的展现水淹、火灾、

毒气泄漏等应急事件中积水遵循重力条件流动、可燃烧物的燃烧、热空气、毒气体的流动，用户通

过“实际参与”的形式体会应急事件的发生、发展、蔓延、逃生、报警和信息反馈过程，为城市轨

道交通行业各工作岗位工作人员应急技能水平的提升、应急实战经验的丰富、促进行业人员应急处

置的标准制定和能力评估具有十分重要的意义。

二、发展现状

在民航领域应急救援方面，国内多侧重于基于 GIS（地理信息系统）构建民航突发事件应急演

练辅助决策支持系统。欧美在民航应急救援方面，英国杜伦大学率先提出使用计算机游戏引擎来建

立虚拟环境原型的思想，并建立了火灾撤离虚拟演练系统。美国达特茅斯大学的学者采用游戏引擎

来实现飞机坠毁造成多人员伤亡的虚拟演练场景，并构建了基于 WEB 网的演练系统，以及开展了

地物模型、人物模型构建及行为仿真研究。

在地铁火灾应急救援方面，国内学者关注点更多地在于场景构建的本身。2009 年唐方勤利用

GIS 技术搭建虚拟现实原型系统 AutoEscape，包括数字可视化模块、虚拟现实图形平台、疏散计算

引擎以及火场模拟模块，其中火场模拟模块是基于 FDS（Fire Dynamics Simulator）火灾数值模拟软

件搭建的；虚拟现实图形平台基于 Vega 虚拟场景搭建。该研究在国内虚拟现实火灾疏散研究中开始

较早，搭建技术难度较大，成本较高。2019 年周博为首次以广州地铁燕塘站为例，通过对站内设备

设施的空间布局调研以及结合设计图纸搭建地铁站物理模型，利用 Unity3D 开发虚拟现实场景。组

织参与者进行燕塘站虚拟现实疏散测试，记录实验者数据，分析疏散过程中参与者流线的瓶颈点以

及安全隐患。

三、模拟仿真

（一）功能设计

关于地铁车站内的紧急疏散，绝大多数国家都根据自身轨道交通的特点制定了相应的规范标准

我国的地铁行业总规范为《地铁设计规范》（GB 50157—2013）。

我国《地铁设计规范》、《城市轨道交通工程设计规范》根据国内外已发生的地铁灾害事故，综

合考虑安全与经济等方面因素，均提出了相同规定，以火灾为例：一条地铁线或者一座换乘车站以

及该车站的相邻区间考虑同一时间内只有一处发生灾害。例如，站台公共区火灾时，不考虑站厅公

共区火灾；公共区火灾时，不考虑设备管理区火灾。基于此设计灾害工况时，仅考虑站台公共区某

一处发生灾害的情况。

我国《地铁设计规范》对疏散安全区进行了定义：安全区一般为地下封闭车站配备了事故通风

系统，能为站台或轨行区列车灾害工况下乘客疏散提供保护的场所，或站台上部为敞开空间或能形

成自然排烟、排气的空间。《地铁设计防火标准》指出站厅公共区内可燃物极少，封闭地下车站均设

置事故通风排烟系统，若站台层或区间隧道发生灾害，站厅公共区在一定的时间内能为疏散人员提

智能交通产品与技术应用汇编

324

供较高的安全保障。

综合考虑地铁设计规范、疏散原则，并对照真实作业的案例采集、模型搭建、岗位职责梳理是

虚拟仿真软件开发前期的主要工作。通过对车站环境、车站岗位职责、通风设施、消防设备进行尺

寸测量、原理学习、拍摄现场、采访具备丰富经验的高级工程师等方式，充分了解应急预案各岗位

职责、作业安全注意事项，总结归纳形成适用于城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台需求。

（二）架构设计

针对城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台，还原地铁列车、隧道和站台等空间环境以及水

淹、火灾、毒气泄漏等自然现象发生和发展的情景是其基础功能，将影响乘客疏散结果的因素作为

可输入变量改变虚拟仿真平台的实验结果是其核心功能，基于可编辑文本技术，建立好各个实验的

功能模块库，构建城市轨道交通突发灾害事件应急演练平台的基本逻辑，除了为关键步骤设立触发

节点外，需要为相应的操作赋分。因此应急演练平台采用 Client/Server 架构，通过局域网和广域网

连接实现分布式虚拟环境，整个系统由客户机、应用服务器和数据库服务器组成，“客户机”支持

客户对虚拟场景模型的交互和浏览，“应用服务器”是联系“客户机”和“数据库服务器”的纽带，

负责处理各种应用，进行系统功能的调度和实现，“数据库服务器”用于存放用可编辑文本实现的

步骤数据库和评估分数库。

（三）地铁车站场景还原

根据真实作业案例采集素材，对人物、设备及环境进行等比建模，确保仿真对象的真实性，采

用 3d Max、Maya 模型制作工具，基于三维引擎构建真实的车站站台层、站厅层、隧道；分析地铁

车站站台层、站厅层、隧道区域设备设施、引导标识设置，设计虚拟场景中可交互的虚拟设备、标

识信息的设置位置。采用动态光线算法和实时阴影高级渲染技术，计算光照和阴影，从而增加场景

的表现力。

（四）灾害场景还原

为了达到接近真实的灾害效果，粒子系统细节的设置非常重要，要充分根据真实场景中自然粒

子的规律，结合实际设置粒子以何种方式投射到屏幕上，了解自然粒子的物理特性以设置粒子的大

小、速度、自旋角度、颜色、分布情况等以及设置这些属性随着时间的推移而发生的变化。这些细

节设置在发射器下的具体模块中。概括可以分为：属性设计、投射设计、演变设计。另外在粒子系

统的设计中要充分考虑到物理因素，这样才能使得仿真效果更加逼真。作为粒子贴图的图形称为粒

子图元，恰当的选择粒子图元可以使渲染效果更佳。

粒子系统的每个发射器下有会有很多的模块，根据需要添加、删除以及设置属性参数值以达到

预期的水流、火灾、毒气蔓延模拟效果。

（五）灾害场景下微观行人模型构建

依据既有研究对行人 Agent 进行分类，为不同类别的 Agent 赋予尺寸、运动、感知方面的参

数，使多智能体系统具备异质性；并基于有限状态机理论与 C#面向对象编程技术，设定 Agent 在

仿真过程中的四种状态，并对每种状态中的 Agent 行为以及状态的整合与切换进行编程实现。