魏宏偉 夏 昕

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景

2020 年初,中國城市軌道交通協(xié)會遵循“推進城軌信息化,發(fā)展智能系統(tǒng),建設(shè)智慧城軌”的建設(shè)主線,組織編制并發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡稱《綱要》)[1],提出智慧城軌建設(shè)目標、重點任務(wù)等,各城市順應綱要的要求,紛紛開展智慧城軌的建設(shè)[2-5]?？缱絾诬壸鳛槌鞘熊壍澜煌ㄖ械囊粏T,也需進行智慧化研究工作[6-10]。

跨座式單軌屬于中等運量軌道交通系統(tǒng),具有建設(shè)成本低、適應性強、噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強等優(yōu)點。目前,已有30 余座城市將跨座式作為城市交通干線并進行線網(wǎng)規(guī)劃[11-13],許多學者對跨座式單軌的適應性、線網(wǎng)的規(guī)模、線路的走向、站位的設(shè)置、系統(tǒng)的組成等方面進行研究[14-16],但較少對單軌智慧化建設(shè)進行深入探討,以下將針對智慧單軌的發(fā)展進行研究。

2 跨座式單軌主要特點分析

跨座式單軌與傳統(tǒng)地鐵有以下區(qū)別。

(1)運輸能力及適用范圍不同

跨座式單軌根據(jù)不同的車型和編組,單向高峰小時輸送能力為1 萬人～3 萬人,特別適用于:①中等城市(中心城區(qū)人口100 萬～300 萬)的軌道交通干線;②大城市(中心城區(qū)人口300 萬以上)的軌道交通加密線;③地形復雜、道路資源緊張的交通線路;④旅游觀光線路;⑤對噪聲、振動等環(huán)境指標要求高的大型社區(qū)和組團內(nèi)部交通線路。

(2)功能及投資不同

目前,除重慶市將跨座式單軌作為了城市軌道交通的加密線路外,其它在建或計劃修建的城市基本都將中運量跨座式單軌作為了城市的交通干線,這些城市均為經(jīng)濟較為發(fā)達的中型城市,與建設(shè)地鐵的經(jīng)濟發(fā)達、人口眾多的大型城市有顯著區(qū)別,同時兩者的建設(shè)投資差異巨大,跨座式單軌造價為3 億元/km 左右,而地鐵通常為(6 億元～8 億元)/km。

(3)建設(shè)規(guī)模不同

一般情況下,規(guī)劃或建設(shè)跨座式單軌的城市,其線網(wǎng)規(guī)模要遠小于地鐵建設(shè)城市,通常由6～8 條市區(qū)線路及2～4 條市域線路組成,總體規(guī)模多為10～15 條,規(guī)劃里程多為300～400 km;而進行地鐵建設(shè)的城市,線網(wǎng)規(guī)模多為20～30 條,規(guī)劃里程達1000 km 以上。

(4)智慧化程度差異

跨座式單軌建設(shè)起步較晚,但其建設(shè)先進程度后來居上,如蕪湖跨座式單軌采用全自動運行技術(shù)方案,而地鐵全自動運行技術(shù)應用普及率較低。

3 智慧單軌研究思路

(1)中運量的跨座式單軌通常為高架方式敷設(shè),運量較地鐵小,車站規(guī)模也較小,故在地鐵中進行的地下區(qū)間監(jiān)測、車站內(nèi)導航等在智慧單軌中可以省去;另外,由于跨座式單軌整體投資較低,應以方便日常運維,降低后期維護成本為目標。

(2)跨座式單軌規(guī)劃建設(shè)的城市初期通常僅有1～2 條線路開工建設(shè),后續(xù)建設(shè)速度也不如地鐵,故在智慧化應用中,城軌云及大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)宜分步進行。

(3)跨座式單軌規(guī)模小、投資低,故需要技術(shù)先進、自動化程度高的智慧方案,以減少日常的運營、維修、維護工作,并進一步降低成本。

(4)跨座式單軌具有中低運量的特性,客流總量及普通車站的客流密度與常規(guī)城市軌道交通有很大差別。因此對票務(wù)、安檢等與乘客服務(wù)深度相關(guān)的設(shè)備系統(tǒng)的智慧化研究,可建立在低客流密度的基礎(chǔ)上,對一些地鐵應用加以優(yōu)化創(chuàng)新,再納入到智慧單軌建設(shè)。

(5)跨座式單軌應用較少,單軌車輛的生產(chǎn)制造廠家也較少,故傳統(tǒng)單軌車輛的標準化、系列化程度較低,造成車輛運營、運維、檢修差異化大,相關(guān)配套的運營設(shè)備、運維設(shè)備、檢修設(shè)備都存在差異性,進而導致設(shè)備數(shù)量及管理難度增加。

總體而言,智慧單軌的主要建設(shè)目標是以較少的工程建設(shè)成本、運營維護成本取得較大的經(jīng)濟社會效益,故需要將其建設(shè)為高度集成化、自動化、智慧化的單軌系統(tǒng)。

4 智慧單軌主要建設(shè)內(nèi)容

智慧單軌的建設(shè)應遵循《綱要》要求,即鋪畫1 張智慧單軌發(fā)展藍圖,創(chuàng)建智慧單軌乘客服務(wù)、智能單軌運輸組織、智能單軌能源系統(tǒng)、智能單軌列車運行、智能單軌技術(shù)裝備、智能單軌基礎(chǔ)設(shè)施、智能單軌運維安全和智慧網(wǎng)絡(luò)管理8 大體系,建立1 個單軌云與大數(shù)據(jù)平臺,制定1 套中國智慧單軌技術(shù)標準體系(即“1-8-1-1”布局)。智慧單軌主要研究體系及內(nèi)容見圖1。

圖1 智慧單軌主要研究體系及內(nèi)容

應將有利于顯著提高乘客體驗度和服務(wù)水平、體現(xiàn)智慧單軌建設(shè)以人為本的先進性的技術(shù),以及有利于顯著提高運營維保自動化或者智慧化程度的、減員增效的技術(shù)應用作為主要方向。

4.1 智慧單軌乘客服務(wù)體系建設(shè)

以乘客需求為核心,在智能診斷和科學決策的基礎(chǔ)上,針對乘客的進站—引導—安檢—購票—進站過閘—上車—乘車—下車—換乘—出站引導—出站過閘全過程出行鏈,依靠各類智能終端,提供精準化、智能化、個性化的全過程出行服務(wù)。實現(xiàn)公眾出行感受更美好便捷。主要包括以下幾部分內(nèi)容。

(1)智慧出行

針對乘客出行的需求,提供多平臺、多終端、多功能的全出行鏈引導服務(wù)。

(2)智慧安檢

采用新型智能化安檢設(shè)備,結(jié)合檢票/安檢一體化的需求,建立一套基于實名信用體制的新型安檢模式。

(3)智慧票務(wù)

進一步優(yōu)化票種,實現(xiàn)無感支付、快速通過,提高票務(wù)管控力度,減少人工作業(yè)量。采用新型終端設(shè)備實現(xiàn)與輕量化車站的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

(4)智慧乘車

實現(xiàn)候車、乘車兩個場景智慧化的乘車引導、乘車服務(wù)以及一些應急響應服務(wù)。

(5)智慧客服

通過智慧化手段,提高客服中心工作效率,提升乘客的服務(wù)體驗,減少運營人力耗費。包含票務(wù)事務(wù)處理、應急、招援、便民服務(wù)等功能。

(6)智慧保障

通過提高車站對車站環(huán)境、設(shè)備、乘客異常事件等信息的感知能力,實現(xiàn)智能化的環(huán)境動態(tài)調(diào)控,以及應急事件的迅速響應處置。

4.2 智能單軌運輸組織體系建設(shè)

通過考慮深層次互聯(lián)互通要求,進行互通運營組織模式設(shè)計、交路和配線設(shè)計、技術(shù)設(shè)備選型設(shè)計等,實現(xiàn)運能運量精準匹配、線網(wǎng)運輸互聯(lián)互通、乘客出行快捷便利、網(wǎng)絡(luò)化運輸組織高效等要求。

(1)智能單軌互聯(lián)互通運輸組織多層次的需求分析。包括城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展態(tài)勢、互聯(lián)互通需求、國外城市軌道交通互聯(lián)互通發(fā)展的經(jīng)驗借鑒、互聯(lián)互通的層次及其特征等。

(2)智能單軌互聯(lián)互通運輸組織的適用范圍和適用條件。包括跨座式單軌系統(tǒng)的種類與主要技術(shù)特征,互聯(lián)互通的主要技術(shù)障礙、互聯(lián)互通的先決條件以及智能單軌互聯(lián)互通運輸組織的適用范圍及適用條件。

(3)不同速度等級、不同停站方案的智能單軌互聯(lián)互通運輸組織模式。包括對線路能力、旅行時間、換乘系數(shù)、候車時間、配線布置等方面的影響分析。

(4)網(wǎng)絡(luò)化智能運輸組織體系和線網(wǎng)運營調(diào)度(應急)指揮中心的研究設(shè)計。

4.3 智能單軌能源系統(tǒng)建設(shè)

通過智能化技術(shù)促進分布式光伏發(fā)電、配電網(wǎng)絡(luò)能耗動態(tài)監(jiān)測在智慧單軌能源系統(tǒng)中的應用,各系統(tǒng)應貫徹綠色理念實施,對設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)測與控制,全生命周期管理,設(shè)備故障及時上報,智能運維、節(jié)能管理,以支撐軌道交通系統(tǒng)綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展。

(1)分布式光伏發(fā)電

采用光伏組件,將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的分布式發(fā)電系統(tǒng),是一種新型的、具有廣闊發(fā)展前景的發(fā)電和能源綜合利用方式,結(jié)合智能化技術(shù),實時采集發(fā)電量、用電量等數(shù)據(jù),實現(xiàn)電能的有效配置,不僅能提高同等規(guī)模光伏電站的發(fā)電量,還能有效解決電力在升壓長途運輸中的損耗問題。

(2)配電網(wǎng)絡(luò)能耗動態(tài)監(jiān)測

利用智能化、大數(shù)據(jù)技術(shù)采集各用電信息,如用電量、電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、停電累計時間等參數(shù),以及用戶是否處于正常用電狀況等信息,實現(xiàn)電能質(zhì)量自動化管理及決策,確保電網(wǎng)運行安全、可靠、經(jīng)濟。

此外,設(shè)置各種負荷統(tǒng)計和管理界面,對全線負荷進行分析和統(tǒng)計,便于對各種用電負荷進行考核管理,并制定相應的節(jié)能管理制度。

4.4 智能單軌列車運行系統(tǒng)

(1)基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)互聯(lián)互通工程規(guī)范和全自動運行系統(tǒng)技術(shù)、建設(shè)指南,深入研究跨座式單軌在網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)互通全自動運行方面的頂層設(shè)計。

(2)通過對列車自主運行系統(tǒng)進行分析研究,結(jié)合跨座式單軌工程特點及運營需求,分析并提出適用于跨座式單軌的列車自主運行系統(tǒng)及設(shè)備配置方案。跟蹤列車虛擬編組的研究進展,分析其在跨座式單軌應用的可行性。

通過深入研究智慧城軌發(fā)展綱要,結(jié)合實際項目運營需求和系統(tǒng)設(shè)置,提出適用于跨座式單軌的互聯(lián)互通全自動運行方案,進一步深化共線、跨線、越行等運營場景設(shè)計,提升線網(wǎng)級資源共享水平,提升列車運行效率和運營靈活度。為后續(xù)跨座式單軌信號系統(tǒng)工程設(shè)計提供技術(shù)支撐。

4.5 智能單軌技術(shù)裝備體系建設(shè)

研究智能化、新能源單軌交通制式的車輛、機電設(shè)備(電梯門等)以及智能通信平臺、車地旅客向?qū)畔⒁惑w化和基于云架構(gòu)、大數(shù)據(jù)、4G/5G+的人臉識別、智能分析、智能視頻感知的智能視頻系統(tǒng)。

4.6 智能單軌基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展

研究基于BIM 技術(shù)的協(xié)同可視化設(shè)計,基于云平臺的多元數(shù)據(jù)融合及施工組織、資產(chǎn)管理和運營維護等服務(wù),基于智能制造設(shè)備的自動化加工,基于智能感知設(shè)備的信息自動化采集和分析,建立智慧單軌礎(chǔ)設(shè)施資產(chǎn)管理平臺,融合BIM、物聯(lián)網(wǎng)、移動應用等技術(shù)賦能基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,全面提升設(shè)計、建造和運維管理的效率與質(zhì)量。

4.7 智能單軌運維安全體系建設(shè)

研究針對車輛、車輛檢修設(shè)備、道岔、供配電、接觸軌、通信、信號以及車站機電設(shè)備等系統(tǒng)的智能運維體系;研究設(shè)備故障預測與健康管理系統(tǒng),實現(xiàn)設(shè)備全生命周期的管理;研究設(shè)備日常監(jiān)測、預測預警和應急處置為一體的單軌交通運維安全綜合保障體系;研究以三維模型為數(shù)據(jù)載體、全壽命周期的綜合運維監(jiān)管。

針對單軌道岔,采用數(shù)據(jù)采集及圖像分析技術(shù)對道岔梁、鎖定機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進行在線監(jiān)測與診斷,并將監(jiān)測結(jié)果傳送給綜合維修系統(tǒng),提高提升道岔診斷的自動化水平、降低人工檢測作業(yè)難度、提高診斷檢測準確率、減少安全事故的發(fā)生。

針對單軌車輛,建立車輛智能檢測綜合管理系統(tǒng),包括車載智能檢測功能、軌旁智能檢測功能、車輛履歷管理功能,實現(xiàn)對車輛本身運行數(shù)據(jù)的采集管理分析。同時,為車輛檢修的車輛基地構(gòu)建智能場段管理模塊,實現(xiàn)對車輛的檢修管理、檢修設(shè)備本身的運維管理以及作業(yè)人員的管理。

采用非接觸式3D 成像技術(shù)、高精度傳感測量技術(shù)、機器視覺圖像處理等技術(shù),對接觸軌技術(shù)參數(shù)進行測量并監(jiān)測靴軌運行狀態(tài),采集的數(shù)據(jù)及日常維護信息可自動上傳至信息管理系統(tǒng),以提高運檢效率、降低檢修成本。

4.8 智慧網(wǎng)絡(luò)管理

單軌智慧網(wǎng)絡(luò)管理研究內(nèi)容主要為構(gòu)建一套智慧運營的管理系統(tǒng)。

智慧運營管理系統(tǒng)包括但不限于設(shè)備管理、財務(wù)管理、人力資源、客戶關(guān)系管理、企業(yè)信息管理、工程項目管理、工程數(shù)據(jù)管理、資產(chǎn)管理等。

通過建設(shè)智慧運營管理系統(tǒng),能為智慧企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化管理提供全面支撐。

4.9 單軌云與大數(shù)據(jù)平臺

單軌云與大數(shù)據(jù)平臺是智慧單軌的基礎(chǔ),是各類智慧化應用的載體。針對單軌的特點,分別研究其單軌云、大數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)方案,比選出適合單軌交通實際需要的單軌云與大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計方案。

研究的關(guān)鍵點是單軌云與大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的模式,即自主建設(shè)還是租用公有云。對于線網(wǎng)線路數(shù)量較少的單軌建設(shè)城市,尤其是初期通常僅有1～2 條線路,云平臺的優(yōu)勢無法充分體現(xiàn),同時云平臺的建設(shè)與運營維護成本較高,面對單軌整體的投資來說,占比較大。此時可以考慮租用公有云或者與當?shù)刂腔鄢鞘械脑破脚_合建等方式,尤其是后者,可以直接將數(shù)據(jù)與智慧城市的平臺打通,完善智慧城市智慧交通的板塊內(nèi)容。

在單軌云的平臺建設(shè)中,綜合考量各系統(tǒng)的系統(tǒng)特點及功能性,考慮信號系統(tǒng)關(guān)乎行車安全等重要職責,確定信號系統(tǒng)應獨立建設(shè)。

信號系統(tǒng)海量運行數(shù)據(jù)是云系統(tǒng)的重要信息來源,各系統(tǒng)以此執(zhí)行下步各項操作。應打通云平臺與信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路,又要保證雙方系統(tǒng)的安全性,需設(shè)置一個中轉(zhuǎn)平臺,中轉(zhuǎn)平臺由接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、存儲設(shè)備、交換設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備組成。

云平臺與信號系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)并不直接通信,通過中轉(zhuǎn)平臺的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備,在中轉(zhuǎn)平臺接口、數(shù)據(jù)服務(wù)器中傳輸處理,在存儲設(shè)備中保存,再通過各自的服務(wù)器對中轉(zhuǎn)平臺的數(shù)據(jù)進行調(diào)用。

5 結(jié)語

分析跨座式單軌的特點,基于跨座式單軌與傳統(tǒng)地鐵的差異,提出跨座式單軌智慧化建設(shè)的方向,從乘客服務(wù)、智能單軌運輸組織、智能單軌能源系統(tǒng)、智能單軌列車運行、智能單軌技術(shù)裝備、智能單軌基礎(chǔ)設(shè)施、智能單軌運維安全、智慧網(wǎng)絡(luò)管理、單軌云與大數(shù)據(jù)平臺等方向分析智慧化發(fā)展的目標,對未來智慧單軌技術(shù)標準體系建設(shè)具有參考和借鑒價值。