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物联网下轨道运输新思维

物联网下轨道运输新思维

 
从19世纪初英国开通世界第一条蒸汽火车铁路开始,轨道运输历经200多年的发展,已经成为陆上交通最有效的运输方式。如今,轨道产业走向自动化、智能化已成必然趋势,未来智能轨道运输系统在行车安全、运输管理、旅客服务上扮演举重若轻的角色,利用先进的管理决策、通讯及自动控制等技术,让讯息的收集处理更有效率,借助物联网与大数据应用,让轨道运输系统革新升级,确保轨道服务质量,而在其架构下,尤以旅客安全为重要课题。
 
本文将从台湾目前最具先进智能轨道系统的台北市政府公交工程局、交通部高速铁路工程局,以及中华大学运输科技与物流管理学系兼任教授张辰秋的角度,试图分析智能轨道系统的关键要素,从中激发轨道营运之创新思维,进而催生新的应用技术服务。
 
4G通讯迎接智能轨道技术变革
 
轨道交通是城市运输的主要动脉,在智能城市的大架构下,轨道运输系统作为支撑城市经济社会发展的基础建设,肩负每日人流输送转运的重责大任,也间接推动城市的快速发展。
 
现任高雄市高阶经营管理协会理事长张辰秋,同时也在中华大学教授相关课程,曾担任前桃园捷运公司总经理、高雄捷运公司营运副总经理、台北市政府捷运工程局机电系统工程处总工程司,现正致力推动CBTC通讯式列车控制(Communication-based Train Control),利用高解析技术侦测列车位置,并以4G通讯方式完成行车监控功能,台北捷运文湖线与桃园国际机场捷运线即采用此系统。4G通讯不但能乘载CBTC讯号,也能解决带宽问题,适合高速移动,有助于影像传输的质量及稳定性,因此,4G网络的布建成为智能轨道运输的重要推手。
 
布建4G小型基地台
 
轨道系统若要达到讯号传输的稳定性,必须优化信号车载(Carborne)软件,让无线通信系统正常运作,同时强化信号设备的检修和维护。4G的CBTC备援建置,除可做为现行的行车控制系统外,亦能将PIS(月台信息系统)和监控摄影机整合为单一系统做有效管理,让监控设备画质更清晰,传输速度更快,有益于朝向可视化、语音化的操作平台发展,借助统一集中管理,提供高效率、高质量的CBTC讯号,以维持通讯稳定度。
 
而要维持无线传输的稳定度,4G基地台的普及是首要目标。然而建置一座4G基地台需投入百万元台币,即便台湾通讯传播委员会(NCC)于两年前启动台湾4G建设大计,加速4G讯号涵盖率,联机质量却不见改善。欲解决基地台不足问题,替代之道是在车站、车体及轨道沿线布建小型4G基地台,针对重要路段设置多点覆盖,以防单一基地台故障后不至于失去讯号。外部的小型基地台数量建置足够后,另外在车厢内部装设无线传输设备,可支持GPS定位,作为车辆调度与行进轨迹的追踪;此外,亦能将4G讯号转换为Wi-Fi网络,为乘客提供上网服务,甚至延伸为O2O(Online to Offline)电子商务营销模式,完成车上下单、下车取货的贴心服务。
 
网络管理单一化
 
张辰秋强调,智能型轨道运输应该使用最精简的人力,将其功能发挥至最大化,达到最完整的监控功能。除了通讯,无人驾驶也是智能轨道运输的必要元素,但无人驾驶需做配套措施,4G平台可望达成完整监控的目标。网络管理单一化,规划详细的SOP流程,使操作人员确实明了如何处理、应付各种情况,这些都需要稳定的网管系统。4G作为一种媒介,虽然不如有线讯号来得稳定,但碍于有线网络建置所费不赀,且会随着时间推移产生线路老旧问题,4G网络势必成为整合通讯相关系统,形成高效率、可靠稳定网络管理的首选。
 
4G移动通讯让轨道交通的各方面性能得以提升,提供更多样化的服务内容,以及更简易的操作管理。国际上轨道交通运输已经迎来4G时代,未来对于数据传输、影像监控等应用,将揭开无线网络技术新篇章。
 
智能轨道核心:安全与服务
 
近几年国际间恐怖攻击等意外事件层出不穷,人潮聚集的交通枢纽成为明显标的,高铁亦曾于2013年面临列车被放置爆裂物的威胁,因此,如何维护旅客安全,为其创造一个安全无忧的搭乘环境,成了高铁在建置智能轨道运输系统时最重视的课题。满足基本的安全条件后,通过物联网技术结合旅客服务,也将是智能轨道下一步发展核心。
 
高铁工程局总工程司钟维力为智能轨道系统下定义,一是达到旅客安全,二是旅客服务满意最大化。轨道智能化最终朝向自动列车控制(Automatic TrainControl,ATC),其子架构分为三大面向:列车自动驾驶(Automatic Train Operation,ATO)、列车自动监控(Automatic Train Supervision,ATS) , 以及其列车自动保护(Automatic Train Protection,ATP)。要达到列车自动控制,需具备自动防碰撞保护设备(ATP),以及稳定的ATO和ATS。高铁由于行驶速度快、站距长,必须配置司机员做列车加速控制与到站停准,在ATC行车控制模式下保障安全的减速则由计算机判断,无法人为介入操作。
 
另外,通过旅客信息服务的PIDS(旅客信息显示系统,Passenger Information Display System),结合自动广播系统,让乘客能在搭乘列车的同时掌握车辆动态、到站时间及旅游信息,包含手机App查询相关信息,或者班车延误或取消时发送通知,未来如机场捷运线亦可提供航班信息,规划托运行李和海关受检的时间,更能从容不迫地搭机出游。
 
体认到行车安全的重要性,高铁计划增加实时影像监控的架设数量,涵盖沿线轨道区域,以防止人员或动物之侵入。监控系统涉及到讯号传递,高铁现阶段智能控制朝向基本设施功能的提升,通过完整的骨干网络在沿线布建4G,将所有信息传输至行控中心。新的监控摄影机除实时监控旅客在月台上的移动,现也开始针对防暴积极建立脸部表情识别的大数据数据,从旅客进入车站识别其行为,判别有无携带危险物品,是否有滞留物,摄影机随时不间断扫描,发现异常行为时即发出告警,马上通知相关安全人员追踪,这些都是高铁目前的初步实验,借助人脸识别达到预防效果。
 
另外,警政单位也正开始建置同步监控中心,将来在紧急事件处理上相信会更有效率、做好更充足的应变准备。
 
无人驾驶打造智能轨道运输愿景
 
轨道运输朝向无人驾驶系统已是国际间重要趋势,其原因在于影响轨道运输营运安全风险的最大肇因是人为因素,根据国际间轨道运输事故统计,人为疏失约占60%以上,无人驾驶因而成为一门显学,甚至逐步落实无人汽车、无人飞机的新型应用。所谓的轨道运输智慧化,即是不需要人为去控制或做判断,全部计算机化,对于列车的运行控制、调度指挥高度自动化,可大幅提升系统可靠度与效率,节省人力成本。
 
台北捷运已经走向无人驾驶,包含文湖线及未来的环状线、台中捷运等中运量(单方向运量5,000~30,000人次/小时)系统,捷运工程局机电系统设计处处长苏瑞文说明,台北捷运可依据高低峰时间自动调整发车班距与运行车辆数,不会有明显加速或减速的感觉,自动化技术的重点是无人驾驶,而安全是保障系统长期成功运行的核心。无人驾驶轨道运输系统主要是通过行控中心,以先进的监控与通讯系统,监视、调度整个轨道系统的运作,其优点在于借助全自动监控技术,保持列车安全的行车距离,避免如错误启动、加速及超速等人为操作失误问题,统一由行控中心做出应变措施。
 
虽然如此,对于高运量(单方向运量30,000以上人次/小时)在营运时间仍会配置司机员,仅负责察看乘客上下车及月台开关门情形,并在系统出现异常时即刻处理,列车的启动及运行皆为信号计算机自动驾驶,不需人手动控制,尤其郑捷事件发生后,司机员的配置有助于先行了解车厢内状况,再通报至行控中心做后续处理。
 
全世界都朝向无人驾驶发展,捷运也全面自动化,为何捷运文湖线还需增派随车人员?自动化的目的即是节省人力成本,现行做法似乎有违系统建置的初衷。针对此问题,苏瑞文无奈表示,捷运文湖线每年确实花费诸多经费聘请随车人员,此预算也常遭议会质询,即使随车人员与无人驾驶系统背道而驰,但囿于台北捷运加入国际捷运组织CoMET及Nova轨道运输标竿联盟,每年在世界评比中皆取得不错的成绩与评价,其中系统是否稳定、障碍是否能在短时间排除更是其中一项指标,为提升北捷在国际间的竞争力,随车人员变成必要之恶。
 
此外,国情问题也是另一项主因,大众对于公共运输系统出错零容忍,过去捷运发生列车故障、系统异常造成班次延迟时,往往引起极大的舆论和反响,却未思考自动驾驶的目的为安全第一,当列车有安全疑虑时,系统便设定自动停驶,待操作人员排除故障。未来中运量捷运必定可以达到全面性无人驾驶,但依现行文湖线所面临的种种难题,随车人员的存在仍是稳定民心不可或缺的重要角色。
 
智慧联网下 轨道运输新商机
 
要引领轨道交通再升级,创造便捷交通网,必须拥有完善的智能轨道运输系统。智能轨道运输结合系统的智能与人的智慧,运用物联网、云端运算做诸如行车安全、运输管理、旅客服务或外部合作等加值应用,在智能城市的目标下,带动轨道运输市场商机。
 
如同钟维力提及,旅客安全与服务是成就智能轨道运输的重要核心,高铁在防灾应变上具备智能联网技术,其灾害监测系统以Google earth与GIS整合实时防救灾地理空间信息,在轨道沿线布建传感器(Sensor)搜集监控轨道周边,并连结外部气象、水文、交通机具等实时查询信息,提供防台、落石、地震等灾后回报与查检功能。
 
轨道运输首重旅客安全,考虑高铁车站人潮聚集,易成恐怖份子犯案地点,高铁因应日渐升高的暴力犯罪问题,为提升安全监控系统,正与中科院合作进行实验计划,运用智能影像分析技术对进出站旅客做脸部表情识别,或就旅客之异常滞留或奔跑、留置物品等实时分析是否潜藏犯罪行为,通过网络传输予警政单位事先加以防范。台北捷运也正着手通过网通技术,将高运量车厢内的实时影像直接传送至行控中心,而无须再经由车内司机员得知现场情形。
 
在智慧联网之下,传输的稳定性将愈形重要,高铁目前已计划在沿线原有的光纤、漏波电缆等骨干网络之下,持续更新系统组件,以及增加4G无线网络的应用,未来可通过4G通讯进行实时告警影像传输。
 
另外,高铁新设的苗栗、彰化、云林等三站,已把车站与设备等所有系统信息转为数字影像,并将建筑信息模型(BIM)技术与维修管理系统(MMS)整合,从设计规划、施工、完工至交付营运单位,全部予以图像化,藉此建立维修管理数据库,监测设备何时该汰旧换新,甚至与备品采购及会计登帐做到同步更新。
 
综观上述,可以了解安全是轨道运输一致重视的核心议题,但要达成完整、完善的智能轨道运输系统,背后需要许多尚待耕耘的技术与应用设备环环相扣。从张辰秋所谈的4G通讯平台、备援系统,到钟维力分享的智能影像分析、App旅客服务,以及苏瑞文提出将监视摄影机实时传输至行控中心等,这些都要结合无线通信基地台的建置,更高分辨率的影像画质,以及通过传感器收集数据做大数据运算,最后产生足够的安全参数以完备智慧分析技术。捷运及高铁在系统的软硬件方面已拥有先进技术,而轨道运输纳在智慧城市底下,旅客的安全与服务将备受重视,成为可发展的重点商机。
 
无人驾驶已经不是问题,重点是人在其中所扮演的角色,作为智能城市里的重要应用,轨道与人的生活紧密联系在一起,将小区、出游、购物、通勤通通打包;物联网串联的不仅是物与物,还有人与人之间的关系。轨道运输系统因为新科技的注入而产生智慧,唯有持续开发传感器、智能分析技术、大数据及后端整合平台,实际应用在轨道运输系统上,可靠度与稳定度都安全无虞,业主才会真正有感,逐步实践更安全、舒适、便利的智能轨道运输服务。

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