李 樊

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

1 引言

在建設(shè)交通強(qiáng)國的時代背景下，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）憑借其運(yùn)量大、速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，成為我國城市交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，獲得了迅速發(fā)展。截至2021年12月底，我國內(nèi)地共有50個城市開通運(yùn)營城軌線路，運(yùn)營里程9 192.62 km[1]。

為加快我國節(jié)能減排的步伐、引導(dǎo)綠色技術(shù)創(chuàng)新、提高產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的全球競爭力，我國政府相繼發(fā)布《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》[2]和《2030年前碳達(dá)峰行動方案》[3]，制定了實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標(biāo)的總體戰(zhàn)略和政策指引；對于交通運(yùn)輸行業(yè)，提出了加快推進(jìn)低碳交通運(yùn)輸體系建設(shè)、推廣節(jié)能低碳型交通工具、積極引導(dǎo)低碳出行的要求。

城軌作為用能大戶，需站在實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)征程的前列。為此，建設(shè)智慧城軌勢在必行。這一舉措旨在推進(jìn)智慧賦能，通過智能技術(shù)高效管理城軌建設(shè)、運(yùn)營相關(guān)的核心業(yè)務(wù)，解決傳統(tǒng)城軌運(yùn)營過程中出現(xiàn)的短板，從而實(shí)現(xiàn)城軌網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，達(dá)到降低運(yùn)營成本及能耗、提高服務(wù)質(zhì)量及運(yùn)營綜合效能的目標(biāo)。為此，中國城市軌道交通協(xié)會于2020年3月發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[4]（以下簡稱《綱要》），闡述了智慧城軌的內(nèi)涵，描繪了智慧城軌建設(shè)的藍(lán)圖。

如何抓住當(dāng)前的重大發(fā)展機(jī)遇，利用智慧化技術(shù)，提升城軌運(yùn)營綜合效能，在推進(jìn)《綱要》落地實(shí)施的同時實(shí)現(xiàn)雙碳戰(zhàn)略目標(biāo)，是目前城軌發(fā)展面臨的重大課題。

2 城軌運(yùn)營現(xiàn)狀分析

城軌正常運(yùn)行消耗的能源量相當(dāng)大，但是按照同等運(yùn)力計(jì)算，其僅為小汽車的1/9，公共汽車的1/2[5]，加之其占地面積小、運(yùn)營成本低，因此大力發(fā)展城軌對節(jié)能減排具有重要意義。

然而，目前在推進(jìn)城軌網(wǎng)絡(luò)化、綠色發(fā)展的進(jìn)程中，仍存在以下問題。

（1）車站綜合運(yùn)營管理水平亟需提升。車站在城軌網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要的銜接作用，對其進(jìn)行有效的監(jiān)控與管理是城軌高效運(yùn)營的保障，但目前其存在專業(yè)設(shè)備部署分散、信息資源共享程度低、業(yè)務(wù)流程協(xié)同效率不高、智能化綜合管控難以實(shí)現(xiàn)、能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整合困難等問題。

（2）能耗監(jiān)測手段有待提高。城軌車站內(nèi)仍采用傳統(tǒng)方式統(tǒng)計(jì)能耗，數(shù)據(jù)更新周期長；冷卻水、風(fēng)機(jī)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)目前采用定時任務(wù)模式，風(fēng)水聯(lián)動系統(tǒng)無法智能化聯(lián)動，存在進(jìn)一步優(yōu)化空間；工作人員難以及時發(fā)現(xiàn)和處理電表、水表等發(fā)生的故障；人工抄表存在數(shù)據(jù)錯漏、重復(fù)統(tǒng)計(jì)修正、無法實(shí)時統(tǒng)計(jì)和上報(bào)等問題。上述問題均導(dǎo)致運(yùn)營過程中大量人力及資源的耗費(fèi)。

（3）乘客服務(wù)與引流措施仍需改進(jìn)。目前從進(jìn)站到出站的全鏈條式服務(wù)不完善，乘客“出行即服務(wù)”的精準(zhǔn)性、個性化有待提高；特大城市的城軌線網(wǎng)對潮汐客流的引流、分流效果較弱，中小城市的城軌對乘客的吸引力不足。

（4）運(yùn)營綜合效能評價體系有待完善。目前，城軌運(yùn)營相關(guān)的新系統(tǒng)、新設(shè)備層出不窮，智慧功能不斷疊加。在這種情況下，缺乏一套行之有效的綜合能效評價體系，對各系統(tǒng)、各功能的實(shí)際效能進(jìn)行評估，難以依照現(xiàn)有應(yīng)用場景和現(xiàn)實(shí)需求平衡成本、能耗、智慧化元素之間的關(guān)系。

為解決傳統(tǒng)城軌運(yùn)營中存在的上述數(shù)據(jù)孤島、信息離散、能源綜合管控能力弱等問題，應(yīng)增強(qiáng)城軌運(yùn)營管理的多態(tài)場景適應(yīng)性，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營管理、智能化能源監(jiān)測與管控、全系統(tǒng)全要素資源優(yōu)化配置等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維護(hù)、運(yùn)營管理、乘客服務(wù)的安全化、高效化和綠色化。其具體途徑就是以大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智慧能耗管理、智能線網(wǎng)運(yùn)營調(diào)度等平臺，對車站及線網(wǎng)的運(yùn)營、調(diào)度、能耗等實(shí)施智慧化管理，以求在節(jié)能降耗的同時，提高城軌運(yùn)營綜合效能。

3 運(yùn)營綜合效能提升重點(diǎn)方向

3.1 提升車站運(yùn)營效能

建設(shè)智慧車站以提升車站運(yùn)營效能，是提高城軌運(yùn)營綜合效能的重要抓手。應(yīng)秉持“安全可靠、需求導(dǎo)向、經(jīng)濟(jì)合理”的原則，在洞悉乘客、企業(yè)、政府等多元主體內(nèi)在需求的基礎(chǔ)上，根據(jù)車站功能需求和技術(shù)條件，實(shí)現(xiàn)各種智慧車站應(yīng)用場景，打造人工與智能系統(tǒng)全方面協(xié)同聯(lián)動的新型車站。智慧車站應(yīng)具備智能客服、無感支付、全息感知、智能導(dǎo)向、一鍵開/關(guān)站、智能站務(wù)管理等基礎(chǔ)功能，以及智慧安防、客流監(jiān)測與預(yù)警、能源管理、電扶梯智能監(jiān)控、乘客異常行為分析等拓展功能。

智慧車站可依托采集到的數(shù)據(jù)，評估車站當(dāng)前的運(yùn)營效能、設(shè)備能耗情況，并據(jù)此自動更新升級車站內(nèi)部管理機(jī)制及設(shè)備節(jié)能措施，增強(qiáng)城軌運(yùn)營管理的多態(tài)場景適應(yīng)性，改善傳統(tǒng)車站運(yùn)營中的數(shù)據(jù)孤島、信息離散、平臺封閉、響應(yīng)被動等問題，達(dá)到節(jié)能降耗、減員增效、提高管理及服務(wù)水平的目的。其系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖 1所示。

圖1 智慧車站系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.2 提升車站能耗管理效率

智慧能耗管理平臺是城軌實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要系統(tǒng)。其可對城軌車站的耗能設(shè)備（如照明、空調(diào)等系統(tǒng)）進(jìn)行管理，在采集、記錄、分析各專業(yè)設(shè)備能耗量的基礎(chǔ)上，結(jié)合車站內(nèi)運(yùn)營需求及政策要求制定合理的節(jié)能計(jì)劃。其具體功能如下：根據(jù)城軌列車早/晚的發(fā)車/停運(yùn)信息，結(jié)合車站客流預(yù)測、監(jiān)測情況，制定和動態(tài)調(diào)整照明、空調(diào)等設(shè)備的能效管控策略，并控制上述設(shè)備執(zhí)行相關(guān)節(jié)能措施；通過采集不同區(qū)域、不同設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，并據(jù)此分析各類各項(xiàng)能耗情況，為能效評估提供數(shù)據(jù)支撐，同時根據(jù)歷史數(shù)據(jù)制定一段時間內(nèi)的設(shè)備能耗計(jì)劃，并在設(shè)備實(shí)際能耗超出閾值時進(jìn)行報(bào)警，提示工作人員查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到降低能耗的效果，如圖2所示。

圖2 智慧能耗管理平臺功能圖

此系統(tǒng)可以幫助車站管理人員更加全面深入地了解車站設(shè)備的能耗情況，通過分析能源供應(yīng)的安全性以及設(shè)備運(yùn)行能耗的合理性，評估設(shè)備節(jié)能效果，挖掘設(shè)備節(jié)能潛力，并提出節(jié)能策略，從而實(shí)現(xiàn)對能源從輸配到消耗全過程、多方位的管理。

3.3 完善全出行鏈乘客服務(wù)

完善全出行鏈乘客服務(wù)是城軌運(yùn)營效能提升的重要表現(xiàn)形式。其具體內(nèi)容包括：對于新建綜合客運(yùn)樞紐中的各種運(yùn)輸方式，應(yīng)集中布局、融合發(fā)展，打造一體化換乘環(huán)境；繪制全出行鏈的乘客畫像，通過對乘客出行全鏈條服務(wù)需求的主動感知和精準(zhǔn)分析，提供多樣化服務(wù)并創(chuàng)新服務(wù)模式；開發(fā)涵蓋智慧票務(wù)服務(wù)、站務(wù)服務(wù)、乘客服務(wù)等智慧化場景的解決方案并研發(fā)相關(guān)系統(tǒng)，在進(jìn)站、安檢、售票、檢票、換乘、出站全過程中為乘客提供便捷、舒適、人性化、多樣化的出行服務(wù)；通過客流監(jiān)測、客流密度分析等方式完善城軌客流導(dǎo)向功能，提升線路、車站的客流疏導(dǎo)能力；運(yùn)用碳積分等方式鼓勵乘客選擇城軌出行，提高城軌對客流的吸引力，如圖3所示。

圖3 智慧乘客服務(wù)功能

3.4 提升線網(wǎng)運(yùn)營效能

提高城軌線網(wǎng)運(yùn)能和運(yùn)量的匹配度是實(shí)現(xiàn)其運(yùn)營效能提升的核心，也是降低城軌運(yùn)營能耗的關(guān)鍵。其具體內(nèi)容包括：圍繞網(wǎng)絡(luò)化行車調(diào)度、線網(wǎng)應(yīng)急指揮與協(xié)調(diào)、運(yùn)行圖自動編制、運(yùn)能運(yùn)量動態(tài)評估等核心業(yè)務(wù)，構(gòu)建線網(wǎng)級智能運(yùn)營調(diào)度平臺，優(yōu)化城軌運(yùn)營方式和組織模式，建立覆蓋車站-線路-線網(wǎng)的“點(diǎn)、線、面”3級運(yùn)營體系，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的運(yùn)營組織、調(diào)度聯(lián)動、應(yīng)急指揮、運(yùn)營策劃、乘客服務(wù)，推進(jìn)城軌網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，如圖4所示；圍繞實(shí)際運(yùn)營中的客流預(yù)測、運(yùn)行圖動態(tài)編制與調(diào)整等需求，采用多維度、多粒度城軌客流預(yù)測技術(shù)，以客流驅(qū)動線網(wǎng)運(yùn)力運(yùn)量的自動調(diào)整匹配，同時利用線網(wǎng)運(yùn)能運(yùn)量動態(tài)適應(yīng)技術(shù)，輔助網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的決策管理；通過線網(wǎng)互聯(lián)互通以及共線、跨線運(yùn)營組織，提高網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營效率，有效減小換乘站客流組織壓力，降低列車空駛率，提升線網(wǎng)運(yùn)輸效能。

圖4 線網(wǎng)級智能運(yùn)營調(diào)度平臺架構(gòu)

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 城軌物聯(lián)監(jiān)測技術(shù)

城軌物聯(lián)監(jiān)測技術(shù)是利用信息傳感、射頻識別、定位等技術(shù)，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對城軌照明、通風(fēng)、電扶梯、站臺門、視頻監(jiān)控、乘客信息、自動售檢票等各系統(tǒng)的海量狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知、采集、匯聚、分析，實(shí)現(xiàn)信息的跨設(shè)備、跨系統(tǒng)、跨區(qū)域傳輸以及人、機(jī)、物等要素的全面互聯(lián)，從而支撐城軌各類生產(chǎn)要素的泛在連接和高效配置。利用該技術(shù)可對客流量、環(huán)境、能耗、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析，對各專業(yè)子系統(tǒng)開展智能化集成監(jiān)控，對城軌信息資源進(jìn)行融合調(diào)配和智能管理。

4.2 城軌云腦平臺

城軌云腦平臺以云計(jì)算和人工智能（AI）等新技術(shù)為基礎(chǔ)，通過城軌業(yè)務(wù)、城軌數(shù)據(jù)、城軌AI、數(shù)字孿生等中臺打破城軌各專業(yè)子系統(tǒng)之間的傳統(tǒng)信息壁壘，對城軌運(yùn)營全過程、全系統(tǒng)、全要素進(jìn)行感知與賦能。通過城軌云腦平臺推演模擬能耗關(guān)聯(lián)場景，建立設(shè)備能耗模型、性能演化分析仿真模型、多孿生體系統(tǒng)協(xié)同控制模型等各類機(jī)理模型及預(yù)測算法模型；基于海量的運(yùn)營能耗數(shù)據(jù)和實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體之間的能耗數(shù)據(jù)融合與協(xié)同，以及對城軌運(yùn)營綜合能耗的趨勢分析和節(jié)能綜合管控，從而有效降低城軌運(yùn)營成本。

4.3 設(shè)施設(shè)備智能故障診斷技術(shù)

城軌設(shè)施設(shè)備眾多，某些設(shè)備一旦出現(xiàn)負(fù)荷超載、性能衰減、故障，可能造成能耗快速異常增加，影響城軌的正常運(yùn)營，甚至危及城軌的運(yùn)營安全。城軌設(shè)施設(shè)備智能故障診斷技術(shù)可基于設(shè)施設(shè)備運(yùn)行機(jī)理提取特征參數(shù)，并利用統(tǒng)計(jì)方法、時間序列、數(shù)據(jù)挖掘等多種算法模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)施設(shè)備健康狀況的量化評估。

5 對策

為進(jìn)一步提升城軌運(yùn)營綜合效能，建設(shè)面向雙碳戰(zhàn)略的智慧城軌，本文提出如下對策。

5.1 構(gòu)建城軌運(yùn)營綜合效能評價體系

從改善乘客服務(wù)、提高設(shè)備管理水平、增強(qiáng)應(yīng)急處理能力、打造車站智能站務(wù)、提升運(yùn)營組織效率、實(shí)現(xiàn)智慧迭代等多個維度構(gòu)建城軌運(yùn)營綜合效能評價體系。該評價體系以提升城軌運(yùn)營綜合效能為總目標(biāo)，以城軌各專業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、有效性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性為衡量指標(biāo)，可運(yùn)用關(guān)聯(lián)分析法分析各因素的關(guān)聯(lián)情況，為企業(yè)相關(guān)部門提供有利的參考依據(jù)，從而保障智慧城軌規(guī)劃藍(lán)圖和頂層架構(gòu)的高質(zhì)量落地實(shí)施。

5.2 完善城軌用能和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系

明確、量化及有針對性的用能和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)是評價城軌各專業(yè)節(jié)能降碳成果的重要依據(jù)。應(yīng)根據(jù)城軌行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展預(yù)期，針對不同專業(yè)設(shè)備、系統(tǒng)，科學(xué)設(shè)定能效基準(zhǔn)水平，建立相應(yīng)的能耗評價標(biāo)準(zhǔn)及不同場景下的能耗關(guān)聯(lián)指標(biāo)體系；對于城軌車站，應(yīng)分區(qū)域、分功能、分類別地確立精準(zhǔn)化、差異化的能耗指標(biāo)和監(jiān)管原則，以優(yōu)化車站的用能和節(jié)能措施。

5.3 充分利用智慧城軌相關(guān)建設(shè)成果

為了為城軌運(yùn)營綜合效能提升、節(jié)能降耗提供全方位技術(shù)支撐，應(yīng)充分利用智慧城軌建設(shè)成果，如智慧車站系統(tǒng)、綜合能耗管理系統(tǒng)、精確匹配運(yùn)能運(yùn)量技術(shù)、多交路運(yùn)營組織技術(shù)、通風(fēng)空調(diào)智能調(diào)控技術(shù)等，并將節(jié)能增效與運(yùn)營生產(chǎn)管理進(jìn)一步緊密結(jié)合，制定科學(xué)合理的運(yùn)營管理方案，推動智慧化技術(shù)在城軌領(lǐng)域的應(yīng)用，促進(jìn)城軌可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展。

6 結(jié)束語

雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施對城軌行業(yè)既是巨大的挑戰(zhàn)，更是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇，行業(yè)應(yīng)著眼現(xiàn)狀和未來發(fā)展的全局，將智慧城軌元素與節(jié)能環(huán)保的理念深度融合，加快提升城軌運(yùn)營綜合效能，為乘客營造舒適、綠色、安全、便捷的出行體驗(yàn)，為推進(jìn)我國雙碳戰(zhàn)略及交通強(qiáng)國戰(zhàn)略助力。