氢燃料电池轻轨的智慧交通运营研究——以佛山高明世界首条商业运营氢能有轨电车为例

文｜中车青岛四方机车车辆股份有限公司 巩巧琴 万年坊,中国城市科学研究会/智慧城市联合实验室/中城智慧（北京）城市规划设研究院有限公司 杜青峰 李玲玲 陈慧文 王菁

在环境友好等能源技术作用下，城市功能组织的集聚—扩散，交通出行需求的变化增加了城市空间结构的复杂性，城市意象的数字媒介传递则促进了现实空间与虚拟空间的交融。而智慧城市则是一种具有美好愿景的规划范式，依托信息技术关注空间效率的提升，发展和组织城市空间，使得各层次空间适应性提高，回归到以人为中心的基本价值观，通过减少本地化的碳排放，最终实现地区发展的可持续性。

一、研究背景和意义

国内交通运输业占全国能耗和碳排放比近几年来略高，能耗和碳排放分别占社会总能耗和总排放的36%和20%以上。建设资源节约型、环境友好型交通运输行业，需要突破产业化，推进成熟适用的智能交通技术的规模化应用，至少实现轻量化部署。在应用、科技和商业模式的合力下带动智能交通发展，氢燃料电池轻轨交通系统，因其具有能量转化效率高、噪音低、零排放等优点，使之成为车用燃料电池的主流选择。智慧交通系统技术创新、示范试点和产业发展模式，企业要更多考虑信息技术、商业模式和服务创新。本文以佛山高明世界首条商业运营氢能有轨电车为例研究智慧交通的运营。

二、燃料电池轻轨交通系统研究现状

燃料电池于1839年由威尔士科学家威廉·格罗夫发明出的原型。然而燃料电池车首次成为焦点是在20世纪70年代—石油危机推动了氢燃料电池在汽车上的应用。丰田在2014年推出了全球第一辆商业化的燃料电池车，燃料电池车开始驱动未来汽车变化。从2014年开始至今，中国、美国、日本及欧洲的一些国家开始着力于推动氢燃料电池技术的发展。

美国、日本、西班牙、德国都进行了轨道交通氢能源的研究应用。欧洲的轨道交通线路，有接近50%还是非电气化的线路，氢燃料电池完全有能力帮助欧洲实现温室气体、空气污染和降噪的目标。预测2030年，欧洲新购买每5 辆火车就有1 辆可以用氢提供动力。

图1 燃料电池反应原理

三、燃料电池轻轨交通工作原理

3.1 燃料电池工作原理

燃料电池是通过化学反应，将燃料及氧化剂中蕴含的化学能转换为电能的装置。燃料电池反应原理如下：氢气首先进入燃料电池的氢电极（称为阳极）（步骤1），然后氢气与覆盖在阳极上的催化剂反应，释放电子形成带正电荷的氢离子（步骤2），氢离子穿过电解液到达阴极（步骤3）。然而，电子不能通过电解液，相反，电子流入电路，形成电流，产生电能（步骤4）。在阴极，催化剂使氢离子与空气中的氧结合形成水，水是燃料电池反应中的唯一副产品（步骤5）。

燃料电池可以简单的根据电解液分不同的类别，主要的燃料电池类型包括：质子交换膜燃料电池（“PEM”），碱性燃料电池（“AFC”），磷酸燃料电池（“PAFC”），固体氧化物燃料电池（“SOFC”）以及熔融碳酸盐燃料电池（“MCFC”）。对不同燃料电池进行了对比。

3.2 燃料电池轻轨的工作阶段

以中车四方开发氢燃料有轨电车为例：

有三个阶段，第一个是原型车开发，第二代试验车开发，第三代商业运营车开发。第一代原型车，氢动力系统包含了燃料电池、锂离子电池和超级电容器，采用150 千瓦的燃料电池，450Wh 超级电容器。第二代试验车，采用燃料电池和锂离子电池混合动力的系统架构。取消了超级电容，增加了锂电池电量，同时增加了散热量、增加了储氢量，优化了系统结构。对于运营车，保留了燃料电池和锂离子电池的混动架构。这是燃料电池模块、锂离子电池模块和DCDC 变换器，这是储氢和冷却系统模块，对于冷却系统可以是现在环境温度40 摄氏度时，300 千瓦的散热量。对于储氢系统采用6 支III 型气瓶，35Mpa 公压力。这是具体有轨列车的参数，车辆使用寿命是30年，燃料电池系统能够达到该寿命还未知，运营速度是70 公里，续航超过100 公里，载客量是380 人。

图2 五种氢燃料电池对比

四、燃料电池轻轨交通系统运营数据分析

4.1 氢能及燃料电池汽车产业发展的佛山模式研究

2019年佛山高明区发布《氢能及燃料电池汽车产业发展的佛山模式研究》和《佛山市高明区氢能源产业发展规划》，同年11月世界首条商业运营氢能有轨电车正式在佛山高明上线，并以“中国氢城”为建设愿景，力争建设成为氢能源产业先行示范区。

该项目运营车辆起始站点分别为沧江路站—智湖站，并且采用以氢能源为动力的100%低地板、铰接式现代有轨电车。该线路长约6.5km，10 座车站，其中换乘站1 座，运营车辆在氢动力系统上具有明显优势，能源清洁，氢的来源丰富，极易燃烧，热值是汽油的3 倍多，氢动力系统替代传统的弓网受流，综合建设成本大幅降低。运营车辆采用3 节编组，车厢内部设有60个座位，可载客最大容量为270 人，车辆头尾两端均设驾驶室，可双向行驶，且兼具观光功能。佛山高明根据规划发展，预计到2030年，高明区氢能源产业引育氢能及燃料电池龙头企业达，占新兴产业总产值的35%。

佛山市较早推进氢燃料电池汽车示范运行，也在国内优先布局和发展氢能及燃料电池汽车产业。截止2019年底佛山市投入运营的氢燃料电池公交车达到1000 辆，布局及建设推进加氢站等基础设施15 座。目前佛山市正在引领中国氢燃料电池汽车规模化商用浪潮。

图3 中车四方开发的氢燃料电池列车

以示范应用为带动，佛山市氢能及燃料电池汽车产业发展进程不断提速，成为华南最大的燃料电池动力系统和燃料电池客车生产基地，燃料电池系统和整车年产能均达到5000 套(辆)。依托良好的产业、市场、环境、企业和区域优势，已形成南海、高明以及佛山(云浮)产业转移工业园三大氢能及燃料电池汽车产业基地，产业链覆盖氢燃料电池系统及电堆、关键零部件及整车、加氢站建设及运营、产品示范运行、检测试验等环节，产业链初步完善并形成一定规模。

4.2 佛山氢能及燃料电池轻轨交通系统运营数据

本项目位于高明区东部组团，线路位于荷城街道辖区，基本呈南北走向。项目主要工程线路连接荷城城区、西江新城及富湾片区，线路对于客流集散区考虑了荷城的交通需求、新旧城区城市面积、高明区整体城市形态、和线网形态,以及地形对线网规模的影响，能够有力支撑着西江新城发展，是组团内部串联新旧城区的重要交通纽带。

4.2.1 佛山市高明区基本情况

图4 佛山高明区发布氢能发展规划（2019年-2030年）

图5 高明区有轨电车示范线首期工程线路示意图一期

佛山市高明区总面积938 平方公里，该区域位于广东省中部，据2019年数据常住人口45 万，下辖荷城街道、杨和镇、明城镇、更合镇和西江产业新城，共77 个行政村（社区）。

4.2.2 有轨电车情况

运营和数据分析脱离不开关系。于2017年建成的高明区有轨电车线路全长约17.4 公里，设车站20 座。

其中，首期（沧江路站－智湖站）线路长约6.5 公里，设车站10 座，平均站间距约640 米，设停车场1 座，加氢站1 座，加氢站位于停车场范围内。施工期达18 个月，运营期划分为初期2020年、近期2027年、远期2042年三个阶段，全天运营18小时，6：00am-12：00pm，截至2020年，客流量将达2 万人次/日。

4.2.3 基本票价

2019年12月1日起，全程票价每人每次2 元单一票制。票价优惠政策如表1。

岭南通、广佛通和羊城通普通票享受9.5 折优惠。

此外，对重度残疾人、享受抚恤补助的优抚对象、义务兵、革命伤残军人、因公致残的人民警察、盲人实行免费；对三四级残疾人实行基本票价5 折优惠；身高1.2 米(含1.2 米）以上的儿童乘车必须购票。每一名成人乘客可以免费携带一名身高不足1.2 米的儿童乘车，超过一名的按超过人数购票。

4.2.4 用户活跃

精细化分析佛山高明区的运行趋势用户活跃是佛山高明区轻轨运营的核心阶段。

表1

根据不同的活跃状态，将产品使用者划分出不活跃用户、活跃用户、忠诚用户、新增用户等几个群体，不同群体的数据构成产品的总用户量。健康的产品，流失用户占比不应该过多，且新增用户量要大于流失用户量。

4.2.5 客户/用户价值指数

用户价值指数指的是衡量历史到当前用户贡献的收益。通过佛山高明区的用户数量分析其用户价值，发现如果对不同价值的用户采取不同策略可以优化用户数量，从而优化用户价值指数。

通过RMF 模型可模拟精细化运营数据。如图：R 代表（最近一次消费时间），M 代表（总消费金额），F 代表（消费频次），建立立方体模型，将用户划分成多个群体。不同群体即代表了不同的价值指数。

图6 使用模型

图7 RMF 模型

佛山高明区应该在运营分析时候建立图7模型，能够更好的实现对价值客户的把控。

五、发展策略

5.1 关注技术和产业政策

产业政策是各种指向产业的特定政策，当市场调节发生障碍时，由政府采取的一系列补救的政策或产业赶超政策。高明区政府要更多的考虑政策创新，特别是政府关于氢能源、轻轨发展等相关的运营信息公开，完善交通运营方面公平公正的市场环境，这样有利于运营环境良好发展，合理利用智慧城市相关的新型技术提高决策的科学化水平，更多的考虑技术发展和服务创新，探索商业模式创新、完善市场化运作机制，合理明确定位佛山高明区在粤港澳大湾区发展的定位。

5.2 积极主导和参与重要的国际标准制修订工作

美国、日本等发达国家都把参与制定国际标准提升到战略竞争的高度，不断增加科技投入，产生更多专利、诞生更多标准，努力将本国的企业、行业、国家标准上升为国际标准，旨在将先进技术上升为国际层面的高水平标准。根据现有数据在ISO、IEC、ITU 国际标准领域，欧美都居于主导地位，特别是对标准制高点的争夺非常激烈，大国博弈之间的争夺中我们还处于弱势地位。

标准化不仅是提供良好服务的基础，更是产业化的基本条件，要加快智慧交通领域标准制定的工作，长期以来，由于我国的技术标准工作与发达国家存在着明显差距，这就需要我们更加包容和开放的去发展国际标准。