城市軌道交通智能化、可持續(xù)發(fā)展的思考

城市軌道交通智能化、可持續(xù)發(fā)展的思考

1總結(jié)隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，公共交通已經(jīng)成為解決當(dāng)前城市交通問題的主要手段。2發(fā)展現(xiàn)狀2.1線網(wǎng)級調(diào)度指揮中心的建設(shè)將信息化、大數(shù)據(jù)分析和人工智能(AI)等智能化技術(shù)應(yīng)用到城市軌道交通行業(yè)的目的是使其管理更高效，在提高其運(yùn)營、維護(hù)、安全和服務(wù)水平的同時(shí)降低成本。目前，城市軌道交通智能化技術(shù)應(yīng)用主要涉及以下方面。(1)提高系統(tǒng)的安全性、可用性和可靠性。例如，研制智能化列車，提高列車相關(guān)系統(tǒng)的自主在線診斷、自主運(yùn)行控制以及遠(yuǎn)程控制能力；探究靈活編組列車的可實(shí)施性，以運(yùn)營成本和乘客出行時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建列車開行方案模型(2)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營調(diào)度。由于城市軌道交通線路數(shù)量不斷增加，部分城市逐步構(gòu)建了成規(guī)模的線路網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱“線網(wǎng)”)，為提升運(yùn)輸組織效率，要求對各條線路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營。為此，需要應(yīng)用更合理的優(yōu)化算法和更可靠的通信技術(shù)，建立智能化的線網(wǎng)級調(diào)度指揮中心，實(shí)現(xiàn)線路間的聯(lián)動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營調(diào)度。雖然，目前部分城市已實(shí)現(xiàn)相同制式線路的共線管理，如上海地鐵3號、4號線的共線運(yùn)營，以及重慶市軌道交通多條線路列車的共線運(yùn)行(3)采集多源客流監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建智慧客流分析及預(yù)測系統(tǒng)。依托物聯(lián)網(wǎng)、城軌云、大數(shù)據(jù)平臺(tái)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測客流狀況，對采集的客流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)對短期、長期及特殊時(shí)期客流的預(yù)測、預(yù)警，并自動(dòng)輸出客流疏、導(dǎo)、管、控解決方案，如根據(jù)客流量確定列車每站的停靠時(shí)間、發(fā)車間隔和頻次等(4)提升機(jī)電設(shè)備、車輛和軌道設(shè)施的自動(dòng)化檢測和診斷水平，促進(jìn)設(shè)備設(shè)施的維保由“故障修”“計(jì)劃修”向“狀態(tài)修”“預(yù)測修”轉(zhuǎn)變(5)實(shí)現(xiàn)安全保障工作的智能化。智能化巡檢和綜合監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用是當(dāng)前行業(yè)安全保障智能化的主要體現(xiàn)。例如，將激光雷達(dá)、雷達(dá)和圖像自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)用于對隧道、道床、鋼軌和扣件的自動(dòng)化巡檢，以及對侵入車輛限界異物的快速識(shí)別(6)實(shí)現(xiàn)服務(wù)的便捷化及人性化。例如，實(shí)現(xiàn)有閘機(jī)條件下的售檢票電子化；基于狀態(tài)感知、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，構(gòu)建智能環(huán)境控制系統(tǒng)，對車廂、站廳、站臺(tái)的溫度、濕度、燈光照度等進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，提高乘客的舒適度；推進(jìn)基于實(shí)名制、個(gè)人信用體系的跨平臺(tái)、跨場景乘車票務(wù)服務(wù)，利用生物識(shí)別、無感支付等技術(shù)，提高售檢票及乘車的智能化水平2.2可持續(xù)城市軌道交通的發(fā)展目前，城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展主要聚焦在降低運(yùn)營過程中的能源消耗(以下簡稱“能耗”)，其主要涉及以下方面。(1)現(xiàn)有研究重點(diǎn)在城市軌道交通領(lǐng)域，節(jié)能型照明光源及智能化控制系統(tǒng)、列車再生制動(dòng)能量的吸收和利用、列車的“節(jié)能惰行”運(yùn)行模式、列車的輕量化、永磁牽引技術(shù)的應(yīng)用、根據(jù)環(huán)境感知實(shí)時(shí)進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、變頻自動(dòng)扶梯、磁懸浮壓縮機(jī)等是目前研究應(yīng)用的焦點(diǎn)(2)城市軌道交通能耗評估和計(jì)量的方法由于目前在城市軌道交通前期施工及后期運(yùn)營管理過程中缺乏全面的計(jì)量措施，因此建設(shè)和運(yùn)營單位在評估城市軌道交通能耗時(shí)存在一定的困難。為降低能耗，需要完善各用能環(huán)節(jié)的能耗計(jì)量，從而為節(jié)能評估奠定基礎(chǔ)。目前較為先進(jìn)的能耗計(jì)量技術(shù)包括遠(yuǎn)程無人計(jì)量、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。(3)城市軌道交通用能精準(zhǔn)分析通過建立合理的能耗評價(jià)指標(biāo)體系，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠以采集的能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對城市軌道交通用能進(jìn)行精準(zhǔn)分析，從而從“技術(shù)節(jié)能”和“管理節(jié)能”2方面不斷實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。目前，雖然國家和一些地方已制定了相關(guān)的城市軌道交通能耗評價(jià)指標(biāo)體系，但在數(shù)據(jù)采集和評價(jià)模式數(shù)字化尚未實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)實(shí)條件下，此項(xiàng)工作還有待進(jìn)一步完善。3關(guān)于期待和建議基于上述現(xiàn)狀分析，本節(jié)展望了城市軌道交通智能化及可持續(xù)發(fā)展的五大方向，并分別對各個(gè)方向進(jìn)行討論，提出相關(guān)建議。3.1設(shè)施設(shè)備完善的必要性列車全自動(dòng)駕駛是指通過列車自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)喚醒、自動(dòng)行駛、精確停車、站臺(tái)自動(dòng)化作業(yè)、無人折返、自動(dòng)運(yùn)行調(diào)整等功能，以減少人員介入，降低人工成本及減少人為失誤。然而，目前該項(xiàng)技術(shù)還存在以下問題：①尚無全壽命周期內(nèi)的成本數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行成本比較；②隨著設(shè)施設(shè)備服役年限的增長，其可靠性會(huì)逐步降低，其在缺乏合理管理和維護(hù)情況下存在的風(fēng)險(xiǎn)與人為失誤造成的風(fēng)險(xiǎn)孰大孰小，目前難以評估；③許多城市在中心城區(qū)均規(guī)劃建設(shè)城市軌道交通線網(wǎng)，若全自動(dòng)運(yùn)營線路上發(fā)生故障而不能快速恢復(fù)運(yùn)營，勢必對整個(gè)線網(wǎng)的運(yùn)行造成影響。因此，在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的背景下，應(yīng)在發(fā)展和完善全自動(dòng)駕駛技術(shù)的同時(shí)，不斷收集和對比相關(guān)數(shù)據(jù)，做好設(shè)施設(shè)備全壽命周期的運(yùn)維管理，以確保其可靠性，并綜合分析全自動(dòng)駕駛線路的壽命周期成本，通過數(shù)據(jù)證明全自動(dòng)駕駛技術(shù)的價(jià)值。3.2車線信息互換的變化城市軌道交通互聯(lián)互通不只是實(shí)現(xiàn)設(shè)備接口協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)備的信息互換，其實(shí)質(zhì)在于列車跨不同線路的過軌運(yùn)行，這將改變原有城市軌道交通以單線為基礎(chǔ)的行車調(diào)度指揮模式?；ヂ?lián)互通具有以下2方面的優(yōu)勢。(1)場地和設(shè)備的減少具體如下：①不僅可減少整個(gè)線網(wǎng)的車輛數(shù)量，而且用于停放、維修和檢測車輛的場地和設(shè)備也隨之減少；②由于互聯(lián)互通線路的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，因此可對車輛、供電、信號、站臺(tái)門等系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)、采購、存儲(chǔ)、安裝、調(diào)試和維保，從而降低相關(guān)成本(其中包括人員培訓(xùn)、跨專業(yè)融合、工時(shí)均衡統(tǒng)籌等人力成本)。(2)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃設(shè)想互聯(lián)互通的實(shí)現(xiàn)能夠減少換乘次數(shù)，縮短乘客乘車時(shí)間；采用快、慢車混跑的運(yùn)營組織模式，可滿足不同乘客的乘車需求，提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。然而，目前互聯(lián)互通的實(shí)現(xiàn)受以下條件的制約：①線路的互聯(lián)互通適合在城市軌道交通的建設(shè)期統(tǒng)籌謀劃，最好是多條線路同時(shí)建設(shè)，并為其制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以便實(shí)現(xiàn)最大的規(guī)模效應(yīng)；②制定的標(biāo)準(zhǔn)須具有前瞻性，原因在于先建線路一旦建成，后續(xù)線路也將采用與其相統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，從而犧牲一定的靈活性，例如，后續(xù)采用更經(jīng)濟(jì)、更適用技術(shù)的可行性會(huì)降低；③已運(yùn)營線路的互聯(lián)互通改造宜在其進(jìn)入大修期時(shí)統(tǒng)籌考慮，因此對于城市軌道交通線網(wǎng)已成規(guī)模的城市，實(shí)現(xiàn)的周期比較長；④需要解決“跨線運(yùn)營”問題。解決上述問題的根本方法是建立城市軌道交通行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，為車輛、信號、供電和站臺(tái)門等系統(tǒng)制定成套的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，則城市軌道交通互聯(lián)互通問題將迎刃而解。3.3決策模型的建立智能運(yùn)維是通過對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、加工，分析和判斷數(shù)據(jù)信息與設(shè)備的健康狀態(tài)是否吻合，并輸出判斷的結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對維修策略的指導(dǎo)(圖1)。其通過物聯(lián)網(wǎng)和不同功能的算法模塊實(shí)現(xiàn)，而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于以下2點(diǎn)：①搭建強(qiáng)大且可靠的數(shù)據(jù)采集及終端回饋系統(tǒng)，包括傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)庫；②開發(fā)科學(xué)合理的分析算法，包括依據(jù)目標(biāo)要求設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和決策模型。然而，目前城市軌道交通智能運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)面臨如下挑戰(zhàn)：①采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)耗資巨大，數(shù)據(jù)的廣泛采集與有限使用的矛盾突出；②投資與收益存在不匹配的情況；③投資價(jià)值在不同的城市也不盡相同。為解決上述問題，應(yīng)當(dāng)在建立智能運(yùn)維基礎(chǔ)平臺(tái)之初就將數(shù)據(jù)應(yīng)用作為主要方向，樹立“數(shù)據(jù)采集是為輸出成果服務(wù)”的理念，將數(shù)據(jù)與設(shè)備的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(ReliabilityAvailabilityMaintainabilityandSafety，RAMS)進(jìn)行充分關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上對維修策略進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化(即管理創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng))，找到基于RAMS的最優(yōu)壽命周期成本(LifeCycleCosts，LCC)，并通過合理的LCC來保證RAMS的實(shí)現(xiàn)，最后形成RAMS&LCC最優(yōu)方案報(bào)告，以指導(dǎo)城市軌道交通的智能運(yùn)維。例如，天津地鐵在搭建線網(wǎng)云的同時(shí)，提出加強(qiáng)信息化與運(yùn)維業(yè)務(wù)雙向融合的工作模式，通過雙向融合、雙向設(shè)計(jì)，縮短獲得RAMS&LCC最優(yōu)方案報(bào)告的時(shí)間。3.4智慧化建設(shè)需要明確的幾個(gè)問題智慧的內(nèi)涵是感知、記憶、理解、分析、判斷、升華等能力，其在城市軌道交通行業(yè)里涉及最多的領(lǐng)域是服務(wù)與調(diào)度，如智慧客服、智慧安檢、智慧應(yīng)急指揮、一鍵開關(guān)站、客流監(jiān)測與引導(dǎo)、無感支付等(圖2)。目前，上海、廣州和深圳等城市的軌道交通率先建立了智慧車站示范站，在行業(yè)里起到了良好的帶動(dòng)作用。隨著中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》然而，在加速城市軌道交通智慧化建設(shè)的同時(shí)，還需要認(rèn)真思考“城市軌道交通智慧服務(wù)不是為智慧而智慧”這道命題，即對以下問題進(jìn)行深入探討：(1)智慧解決了哪些問題；(2)智慧滿足了誰的需求；(3)這些需求是否具有普遍性和迫切性；(4)需求中是否混入“認(rèn)為的需求”和“偽需求”；(5)是否值得動(dòng)用資源去滿足所有的需求。只有對上述問題有了深刻認(rèn)識(shí)之后，才能明晰哪些智慧化建設(shè)舉措應(yīng)該繼續(xù)加速推進(jìn)、哪些需要緩行、哪些需要暫停等待、哪些需要適可而止，這樣才能保證新技術(shù)在行業(yè)中具有長久的生命力。這是智慧化示范工程沒有在城市軌道交通行業(yè)全面推廣的原因，也是目前行業(yè)需要思考的問題。3.5城市軌道交通節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀在城市軌道交通智能化發(fā)展進(jìn)程中，節(jié)約能源、降低二氧化碳排放對于行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。目前，節(jié)能技術(shù)(如光伏、永磁電機(jī)、車輛輕量化、智慧照明、能源管理、風(fēng)水聯(lián)動(dòng)等)在單個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為深入，并已在一定范圍內(nèi)推廣(圖3)。實(shí)踐證明，這些日趨完善的技術(shù)在節(jié)能減排的同時(shí)，還能夠降低城市軌道交通全壽命周期成本。然而，目前節(jié)能新技術(shù)的推廣速度仍比較慢，其原因在于：①新建線路對建設(shè)期投資規(guī)模的重視程度高于LCC；②對運(yùn)營線路進(jìn)行技術(shù)改造的難度和成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對新建線路進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)和選型；③運(yùn)營成本的壓力加大了節(jié)能技術(shù)在運(yùn)營線路推廣的難度。隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”被寫入《2021年政府工作報(bào)告》，政策引領(lǐng)已經(jīng)非常明確，在未來發(fā)展中，節(jié)能減排必將突破單個(gè)領(lǐng)域的限制，系統(tǒng)地納入城市軌道交通全產(chǎn)業(yè)鏈。4城市軌道交通未來發(fā)展方向目前，城市軌道交通已成為大中型城市的動(dòng)脈、城市發(fā)展的引領(lǐng)、城市公共交通的主導(dǎo)。隨著行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及運(yùn)營線路數(shù)量的快速增加，其運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)壓力也在不斷增大，智能化及可持續(xù)發(fā)展已成