智慧单轨交通总体发展展望

魏宏伟 夏 昕

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

1 研究背景

2020 年初,中国城市轨道交通协会遵循“推进城轨信息化,发展智能系统,建设智慧城轨”的建设主线,组织编制并发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》(以下简称《纲要》)[1],提出智慧城轨建设目标、重点任务等,各城市顺应纲要的要求,纷纷开展智慧城轨的建设[2-5]。跨座式单轨作为城市轨道交通中的一员,也需进行智慧化研究工作[6-10]。

跨座式单轨属于中等运量轨道交通系统,具有建设成本低、适应性强、噪声低、转弯半径小、爬坡能力强等优点。目前,已有30 余座城市将跨座式作为城市交通干线并进行线网规划[11-13],许多学者对跨座式单轨的适应性、线网的规模、线路的走向、站位的设置、系统的组成等方面进行研究[14-16],但较少对单轨智慧化建设进行深入探讨,以下将针对智慧单轨的发展进行研究。

2 跨座式单轨主要特点分析

跨座式单轨与传统地铁有以下区别。

(1)运输能力及适用范围不同

跨座式单轨根据不同的车型和编组,单向高峰小时输送能力为1 万人～3 万人,特别适用于:①中等城市(中心城区人口100 万～300 万)的轨道交通干线;②大城市(中心城区人口300 万以上)的轨道交通加密线;③地形复杂、道路资源紧张的交通线路;④旅游观光线路;⑤对噪声、振动等环境指标要求高的大型社区和组团内部交通线路。

(2)功能及投资不同

目前,除重庆市将跨座式单轨作为了城市轨道交通的加密线路外,其它在建或计划修建的城市基本都将中运量跨座式单轨作为了城市的交通干线,这些城市均为经济较为发达的中型城市,与建设地铁的经济发达、人口众多的大型城市有显著区别,同时两者的建设投资差异巨大,跨座式单轨造价为3 亿元/km 左右,而地铁通常为(6 亿元～8 亿元)/km。

(3)建设规模不同

一般情况下,规划或建设跨座式单轨的城市,其线网规模要远小于地铁建设城市,通常由6～8 条市区线路及2～4 条市域线路组成,总体规模多为10～15 条,规划里程多为300～400 km;而进行地铁建设的城市,线网规模多为20～30 条,规划里程达1000 km 以上。

(4)智慧化程度差异

跨座式单轨建设起步较晚,但其建设先进程度后来居上,如芜湖跨座式单轨采用全自动运行技术方案,而地铁全自动运行技术应用普及率较低。

3 智慧单轨研究思路

(1)中运量的跨座式单轨通常为高架方式敷设,运量较地铁小,车站规模也较小,故在地铁中进行的地下区间监测、车站内导航等在智慧单轨中可以省去;另外,由于跨座式单轨整体投资较低,应以方便日常运维,降低后期维护成本为目标。

(2)跨座式单轨规划建设的城市初期通常仅有1～2 条线路开工建设,后续建设速度也不如地铁,故在智慧化应用中,城轨云及大数据平台建设宜分步进行。

(3)跨座式单轨规模小、投资低,故需要技术先进、自动化程度高的智慧方案,以减少日常的运营、维修、维护工作,并进一步降低成本。

(4)跨座式单轨具有中低运量的特性,客流总量及普通车站的客流密度与常规城市轨道交通有很大差别。因此对票务、安检等与乘客服务深度相关的设备系统的智慧化研究,可建立在低客流密度的基础上,对一些地铁应用加以优化创新,再纳入到智慧单轨建设。

(5)跨座式单轨应用较少,单轨车辆的生产制造厂家也较少,故传统单轨车辆的标准化、系列化程度较低,造成车辆运营、运维、检修差异化大,相关配套的运营设备、运维设备、检修设备都存在差异性,进而导致设备数量及管理难度增加。

总体而言,智慧单轨的主要建设目标是以较少的工程建设成本、运营维护成本取得较大的经济社会效益,故需要将其建设为高度集成化、自动化、智慧化的单轨系统。

4 智慧单轨主要建设内容

智慧单轨的建设应遵循《纲要》要求,即铺画1 张智慧单轨发展蓝图,创建智慧单轨乘客服务、智能单轨运输组织、智能单轨能源系统、智能单轨列车运行、智能单轨技术装备、智能单轨基础设施、智能单轨运维安全和智慧网络管理8 大体系,建立1 个单轨云与大数据平台,制定1 套中国智慧单轨技术标准体系(即“1-8-1-1”布局)。智慧单轨主要研究体系及内容见图1。

图1 智慧单轨主要研究体系及内容

应将有利于显著提高乘客体验度和服务水平、体现智慧单轨建设以人为本的先进性的技术,以及有利于显著提高运营维保自动化或者智慧化程度的、减员增效的技术应用作为主要方向。

4.1 智慧单轨乘客服务体系建设

以乘客需求为核心,在智能诊断和科学决策的基础上,针对乘客的进站—引导—安检—购票—进站过闸—上车—乘车—下车—换乘—出站引导—出站过闸全过程出行链,依靠各类智能终端,提供精准化、智能化、个性化的全过程出行服务。实现公众出行感受更美好便捷。主要包括以下几部分内容。

(1)智慧出行

针对乘客出行的需求,提供多平台、多终端、多功能的全出行链引导服务。

(2)智慧安检

采用新型智能化安检设备,结合检票/安检一体化的需求,建立一套基于实名信用体制的新型安检模式。

(3)智慧票务

进一步优化票种,实现无感支付、快速通过,提高票务管控力度,减少人工作业量。采用新型终端设备实现与轻量化车站的协调统一。

(4)智慧乘车

实现候车、乘车两个场景智慧化的乘车引导、乘车服务以及一些应急响应服务。

(5)智慧客服

通过智慧化手段,提高客服中心工作效率,提升乘客的服务体验,减少运营人力耗费。包含票务事务处理、应急、招援、便民服务等功能。

(6)智慧保障

通过提高车站对车站环境、设备、乘客异常事件等信息的感知能力,实现智能化的环境动态调控,以及应急事件的迅速响应处置。

4.2 智能单轨运输组织体系建设

通过考虑深层次互联互通要求,进行互通运营组织模式设计、交路和配线设计、技术设备选型设计等,实现运能运量精准匹配、线网运输互联互通、乘客出行快捷便利、网络化运输组织高效等要求。

(1)智能单轨互联互通运输组织多层次的需求分析。包括城市轨道交通网络化发展态势、互联互通需求、国外城市轨道交通互联互通发展的经验借鉴、互联互通的层次及其特征等。

(2)智能单轨互联互通运输组织的适用范围和适用条件。包括跨座式单轨系统的种类与主要技术特征,互联互通的主要技术障碍、互联互通的先决条件以及智能单轨互联互通运输组织的适用范围及适用条件。

(3)不同速度等级、不同停站方案的智能单轨互联互通运输组织模式。包括对线路能力、旅行时间、换乘系数、候车时间、配线布置等方面的影响分析。

(4)网络化智能运输组织体系和线网运营调度(应急)指挥中心的研究设计。

4.3 智能单轨能源系统建设

通过智能化技术促进分布式光伏发电、配电网络能耗动态监测在智慧单轨能源系统中的应用,各系统应贯彻绿色理念实施,对设备运行状态实时监测与控制,全生命周期管理,设备故障及时上报,智能运维、节能管理,以支撑轨道交通系统绿色环保的可持续发展。

(1)分布式光伏发电

采用光伏组件,将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统,是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式,结合智能化技术,实时采集发电量、用电量等数据,实现电能的有效配置,不仅能提高同等规模光伏电站的发电量,还能有效解决电力在升压长途运输中的损耗问题。

(2)配电网络能耗动态监测

利用智能化、大数据技术采集各用电信息,如用电量、电压、电流、有功、无功、功率因数、停电累计时间等参数,以及用户是否处于正常用电状况等信息,实现电能质量自动化管理及决策,确保电网运行安全、可靠、经济。

此外,设置各种负荷统计和管理界面,对全线负荷进行分析和统计,便于对各种用电负荷进行考核管理,并制定相应的节能管理制度。

4.4 智能单轨列车运行系统

(1)基于无线通信的列车运行控制系统互联互通工程规范和全自动运行系统技术、建设指南,深入研究跨座式单轨在网络化互联互通全自动运行方面的顶层设计。

(2)通过对列车自主运行系统进行分析研究,结合跨座式单轨工程特点及运营需求,分析并提出适用于跨座式单轨的列车自主运行系统及设备配置方案。跟踪列车虚拟编组的研究进展,分析其在跨座式单轨应用的可行性。

通过深入研究智慧城轨发展纲要,结合实际项目运营需求和系统设置,提出适用于跨座式单轨的互联互通全自动运行方案,进一步深化共线、跨线、越行等运营场景设计,提升线网级资源共享水平,提升列车运行效率和运营灵活度。为后续跨座式单轨信号系统工程设计提供技术支撑。

4.5 智能单轨技术装备体系建设

研究智能化、新能源单轨交通制式的车辆、机电设备(电梯门等)以及智能通信平台、车地旅客向导信息一体化和基于云架构、大数据、4G/5G+的人脸识别、智能分析、智能视频感知的智能视频系统。

4.6 智能单轨基础设施建设发展

研究基于BIM 技术的协同可视化设计,基于云平台的多元数据融合及施工组织、资产管理和运营维护等服务,基于智能制造设备的自动化加工,基于智能感知设备的信息自动化采集和分析,建立智慧单轨础设施资产管理平台,融合BIM、物联网、移动应用等技术赋能基础设施领域,全面提升设计、建造和运维管理的效率与质量。

4.7 智能单轨运维安全体系建设

研究针对车辆、车辆检修设备、道岔、供配电、接触轨、通信、信号以及车站机电设备等系统的智能运维体系;研究设备故障预测与健康管理系统,实现设备全生命周期的管理;研究设备日常监测、预测预警和应急处置为一体的单轨交通运维安全综合保障体系;研究以三维模型为数据载体、全寿命周期的综合运维监管。

针对单轨道岔,采用数据采集及图像分析技术对道岔梁、锁定机构、驱动机构、电气控制系统等关键部件进行在线监测与诊断,并将监测结果传送给综合维修系统,提高提升道岔诊断的自动化水平、降低人工检测作业难度、提高诊断检测准确率、减少安全事故的发生。

针对单轨车辆,建立车辆智能检测综合管理系统,包括车载智能检测功能、轨旁智能检测功能、车辆履历管理功能,实现对车辆本身运行数据的采集管理分析。同时,为车辆检修的车辆基地构建智能场段管理模块,实现对车辆的检修管理、检修设备本身的运维管理以及作业人员的管理。

采用非接触式3D 成像技术、高精度传感测量技术、机器视觉图像处理等技术,对接触轨技术参数进行测量并监测靴轨运行状态,采集的数据及日常维护信息可自动上传至信息管理系统,以提高运检效率、降低检修成本。

4.8 智慧网络管理

单轨智慧网络管理研究内容主要为构建一套智慧运营的管理系统。

智慧运营管理系统包括但不限于设备管理、财务管理、人力资源、客户关系管理、企业信息管理、工程项目管理、工程数据管理、资产管理等。

通过建设智慧运营管理系统,能为智慧企业网络化管理提供全面支撑。

4.9 单轨云与大数据平台

单轨云与大数据平台是智慧单轨的基础,是各类智慧化应用的载体。针对单轨的特点,分别研究其单轨云、大数据平台的建设方案,比选出适合单轨交通实际需要的单轨云与大数据平台设计方案。

研究的关键点是单轨云与大数据平台建设的模式,即自主建设还是租用公有云。对于线网线路数量较少的单轨建设城市,尤其是初期通常仅有1～2 条线路,云平台的优势无法充分体现,同时云平台的建设与运营维护成本较高,面对单轨整体的投资来说,占比较大。此时可以考虑租用公有云或者与当地智慧城市的云平台合建等方式,尤其是后者,可以直接将数据与智慧城市的平台打通,完善智慧城市智慧交通的板块内容。

在单轨云的平台建设中,综合考量各系统的系统特点及功能性,考虑信号系统关乎行车安全等重要职责,确定信号系统应独立建设。

信号系统海量运行数据是云系统的重要信息来源,各系统以此执行下步各项操作。应打通云平台与信号系统的数据链路,又要保证双方系统的安全性,需设置一个中转平台,中转平台由接口服务器、数据服务器、存储设备、交换设备及网络安全设备组成。

云平台与信号系统的各类数据并不直接通信,通过中转平台的网络安全设备,在中转平台接口、数据服务器中传输处理,在存储设备中保存,再通过各自的服务器对中转平台的数据进行调用。

5 结语

分析跨座式单轨的特点,基于跨座式单轨与传统地铁的差异,提出跨座式单轨智慧化建设的方向,从乘客服务、智能单轨运输组织、智能单轨能源系统、智能单轨列车运行、智能单轨技术装备、智能单轨基础设施、智能单轨运维安全、智慧网络管理、单轨云与大数据平台等方向分析智慧化发展的目标,对未来智慧单轨技术标准体系建设具有参考和借鉴价值。