面向双碳战略的城市轨道交通运营综合效能提升技术研究

李 樊

（中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

1 引言

在建设交通强国的时代背景下，城市轨道交通（以下简称“城轨”）凭借其运量大、速度快、安全性高等优点，成为我国城市交通运输体系的重要组成部分，获得了迅速发展。截至2021年12月底，我国内地共有50个城市开通运营城轨线路，运营里程9 192.62 km[1]。

为加快我国节能减排的步伐、引导绿色技术创新、提高产业经济的全球竞争力，我国政府相继发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[2]和《2030年前碳达峰行动方案》[3]，制定了实现碳达峰、碳中和（以下简称“双碳”）目标的总体战略和政策指引；对于交通运输行业，提出了加快推进低碳交通运输体系建设、推广节能低碳型交通工具、积极引导低碳出行的要求。

城轨作为用能大户，需站在实现双碳目标征程的前列。为此，建设智慧城轨势在必行。这一举措旨在推进智慧赋能，通过智能技术高效管理城轨建设、运营相关的核心业务，解决传统城轨运营过程中出现的短板，从而实现城轨网络化运营，达到降低运营成本及能耗、提高服务质量及运营综合效能的目标。为此，中国城市轨道交通协会于2020年3月发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[4]（以下简称《纲要》），阐述了智慧城轨的内涵，描绘了智慧城轨建设的蓝图。

如何抓住当前的重大发展机遇，利用智慧化技术，提升城轨运营综合效能，在推进《纲要》落地实施的同时实现双碳战略目标，是目前城轨发展面临的重大课题。

2 城轨运营现状分析

城轨正常运行消耗的能源量相当大，但是按照同等运力计算，其仅为小汽车的1/9，公共汽车的1/2[5]，加之其占地面积小、运营成本低，因此大力发展城轨对节能减排具有重要意义。

然而，目前在推进城轨网络化、绿色发展的进程中，仍存在以下问题。

（1）车站综合运营管理水平亟需提升。车站在城轨网络中发挥着重要的衔接作用，对其进行有效的监控与管理是城轨高效运营的保障，但目前其存在专业设备部署分散、信息资源共享程度低、业务流程协同效率不高、智能化综合管控难以实现、能源基础数据整合困难等问题。

（2）能耗监测手段有待提高。城轨车站内仍采用传统方式统计能耗，数据更新周期长；冷却水、风机装置的运转目前采用定时任务模式，风水联动系统无法智能化联动，存在进一步优化空间；工作人员难以及时发现和处理电表、水表等发生的故障；人工抄表存在数据错漏、重复统计修正、无法实时统计和上报等问题。上述问题均导致运营过程中大量人力及资源的耗费。

（3）乘客服务与引流措施仍需改进。目前从进站到出站的全链条式服务不完善，乘客“出行即服务”的精准性、个性化有待提高；特大城市的城轨线网对潮汐客流的引流、分流效果较弱，中小城市的城轨对乘客的吸引力不足。

（4）运营综合效能评价体系有待完善。目前，城轨运营相关的新系统、新设备层出不穷，智慧功能不断叠加。在这种情况下，缺乏一套行之有效的综合能效评价体系，对各系统、各功能的实际效能进行评估，难以依照现有应用场景和现实需求平衡成本、能耗、智慧化元素之间的关系。

为解决传统城轨运营中存在的上述数据孤岛、信息离散、能源综合管控能力弱等问题，应增强城轨运营管理的多态场景适应性，构建网络化运营管理、智能化能源监测与管控、全系统全要素资源优化配置等系统，实现设备维护、运营管理、乘客服务的安全化、高效化和绿色化。其具体途径就是以大数据、人工智能、物联网、云计算等新技术为基础，构建智慧能耗管理、智能线网运营调度等平台，对车站及线网的运营、调度、能耗等实施智慧化管理，以求在节能降耗的同时，提高城轨运营综合效能。

3 运营综合效能提升重点方向

3.1 提升车站运营效能

建设智慧车站以提升车站运营效能，是提高城轨运营综合效能的重要抓手。应秉持“安全可靠、需求导向、经济合理”的原则，在洞悉乘客、企业、政府等多元主体内在需求的基础上，根据车站功能需求和技术条件，实现各种智慧车站应用场景，打造人工与智能系统全方面协同联动的新型车站。智慧车站应具备智能客服、无感支付、全息感知、智能导向、一键开/关站、智能站务管理等基础功能，以及智慧安防、客流监测与预警、能源管理、电扶梯智能监控、乘客异常行为分析等拓展功能。

智慧车站可依托采集到的数据，评估车站当前的运营效能、设备能耗情况，并据此自动更新升级车站内部管理机制及设备节能措施，增强城轨运营管理的多态场景适应性，改善传统车站运营中的数据孤岛、信息离散、平台封闭、响应被动等问题，达到节能降耗、减员增效、提高管理及服务水平的目的。其系统功能架构如图 1所示。

图1 智慧车站系统功能架构

3.2 提升车站能耗管理效率

智慧能耗管理平台是城轨实现节能的重要系统。其可对城轨车站的耗能设备（如照明、空调等系统）进行管理，在采集、记录、分析各专业设备能耗量的基础上，结合车站内运营需求及政策要求制定合理的节能计划。其具体功能如下：根据城轨列车早/晚的发车/停运信息，结合车站客流预测、监测情况，制定和动态调整照明、空调等设备的能效管控策略，并控制上述设备执行相关节能措施；通过采集不同区域、不同设备的能耗数据，并据此分析各类各项能耗情况，为能效评估提供数据支撑，同时根据历史数据制定一段时间内的设备能耗计划，并在设备实际能耗超出阈值时进行报警，提示工作人员查看设备的运行状态，达到降低能耗的效果，如图2所示。

图2 智慧能耗管理平台功能图

此系统可以帮助车站管理人员更加全面深入地了解车站设备的能耗情况，通过分析能源供应的安全性以及设备运行能耗的合理性，评估设备节能效果，挖掘设备节能潜力，并提出节能策略，从而实现对能源从输配到消耗全过程、多方位的管理。

3.3 完善全出行链乘客服务

完善全出行链乘客服务是城轨运营效能提升的重要表现形式。其具体内容包括：对于新建综合客运枢纽中的各种运输方式，应集中布局、融合发展，打造一体化换乘环境；绘制全出行链的乘客画像，通过对乘客出行全链条服务需求的主动感知和精准分析，提供多样化服务并创新服务模式；开发涵盖智慧票务服务、站务服务、乘客服务等智慧化场景的解决方案并研发相关系统，在进站、安检、售票、检票、换乘、出站全过程中为乘客提供便捷、舒适、人性化、多样化的出行服务；通过客流监测、客流密度分析等方式完善城轨客流导向功能，提升线路、车站的客流疏导能力；运用碳积分等方式鼓励乘客选择城轨出行，提高城轨对客流的吸引力，如图3所示。

图3 智慧乘客服务功能

3.4 提升线网运营效能

提高城轨线网运能和运量的匹配度是实现其运营效能提升的核心，也是降低城轨运营能耗的关键。其具体内容包括：围绕网络化行车调度、线网应急指挥与协调、运行图自动编制、运能运量动态评估等核心业务，构建线网级智能运营调度平台，优化城轨运营方式和组织模式，建立覆盖车站-线路-线网的“点、线、面”3级运营体系，实现统一的运营组织、调度联动、应急指挥、运营策划、乘客服务，推进城轨网络化运营，如图4所示；围绕实际运营中的客流预测、运行图动态编制与调整等需求，采用多维度、多粒度城轨客流预测技术，以客流驱动线网运力运量的自动调整匹配，同时利用线网运能运量动态适应技术，辅助网络化运营的决策管理；通过线网互联互通以及共线、跨线运营组织，提高网络化运营效率，有效减小换乘站客流组织压力，降低列车空驶率，提升线网运输效能。

图4 线网级智能运营调度平台架构

4 关键技术

4.1 城轨物联监测技术

城轨物联监测技术是利用信息传感、射频识别、定位等技术，通过工业互联网，对城轨照明、通风、电扶梯、站台门、视频监控、乘客信息、自动售检票等各系统的海量状态数据进行感知、采集、汇聚、分析，实现信息的跨设备、跨系统、跨区域传输以及人、机、物等要素的全面互联，从而支撑城轨各类生产要素的泛在连接和高效配置。利用该技术可对客流量、环境、能耗、设备运行状态等数据进行智能化分析，对各专业子系统开展智能化集成监控，对城轨信息资源进行融合调配和智能管理。

4.2 城轨云脑平台

城轨云脑平台以云计算和人工智能（AI）等新技术为基础，通过城轨业务、城轨数据、城轨AI、数字孪生等中台打破城轨各专业子系统之间的传统信息壁垒，对城轨运营全过程、全系统、全要素进行感知与赋能。通过城轨云脑平台推演模拟能耗关联场景，建立设备能耗模型、性能演化分析仿真模型、多孪生体系统协同控制模型等各类机理模型及预测算法模型；基于海量的运营能耗数据和实时监测数据，实现数字孪生体之间的能耗数据融合与协同，以及对城轨运营综合能耗的趋势分析和节能综合管控，从而有效降低城轨运营成本。

4.3 设施设备智能故障诊断技术

城轨设施设备众多，某些设备一旦出现负荷超载、性能衰减、故障，可能造成能耗快速异常增加，影响城轨的正常运营，甚至危及城轨的运营安全。城轨设施设备智能故障诊断技术可基于设施设备运行机理提取特征参数，并利用统计方法、时间序列、数据挖掘等多种算法模型对数据进行综合分析，从而实现对设施设备健康状况的量化评估。

5 对策

为进一步提升城轨运营综合效能，建设面向双碳战略的智慧城轨，本文提出如下对策。

5.1 构建城轨运营综合效能评价体系

从改善乘客服务、提高设备管理水平、增强应急处理能力、打造车站智能站务、提升运营组织效率、实现智慧迭代等多个维度构建城轨运营综合效能评价体系。该评价体系以提升城轨运营综合效能为总目标，以城轨各专业系统的稳定性、安全性、有效性、经济性和环保性为衡量指标，可运用关联分析法分析各因素的关联情况，为企业相关部门提供有利的参考依据，从而保障智慧城轨规划蓝图和顶层架构的高质量落地实施。

5.2 完善城轨用能和节能标准体系

明确、量化及有针对性的用能和节能标准是评价城轨各专业节能降碳成果的重要依据。应根据城轨行业特点和发展预期，针对不同专业设备、系统，科学设定能效基准水平，建立相应的能耗评价标准及不同场景下的能耗关联指标体系；对于城轨车站，应分区域、分功能、分类别地确立精准化、差异化的能耗指标和监管原则，以优化车站的用能和节能措施。

5.3 充分利用智慧城轨相关建设成果

为了为城轨运营综合效能提升、节能降耗提供全方位技术支撑，应充分利用智慧城轨建设成果，如智慧车站系统、综合能耗管理系统、精确匹配运能运量技术、多交路运营组织技术、通风空调智能调控技术等，并将节能增效与运营生产管理进一步紧密结合，制定科学合理的运营管理方案，推动智慧化技术在城轨领域的应用，促进城轨可持续、高质量发展。

6 结束语

双碳战略的实施对城轨行业既是巨大的挑战，更是实现高质量发展的机遇，行业应着眼现状和未来发展的全局，将智慧城轨元素与节能环保的理念深度融合，加快提升城轨运营综合效能，为乘客营造舒适、绿色、安全、便捷的出行体验，为推进我国双碳战略及交通强国战略助力。