轨道交通生态智能车辆基地设计探讨及创新

张邦力

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

引言

随着我国生态、环保重视程度提高，轨道交通智能化工装设备快速化发展，轨道交通车辆基地作为车辆维保重要保障基地[1]，其生态化、智能化设计成了近年来探讨的热点。在绿色生态建设方面，除强化绿化景观、绿色建筑设计外，也正在积极探究海绵城市、可再生能源利用等在车辆基地设计中的应用，如深圳长圳车辆段引入了海绵城市设计理念[2]，上海航头车辆基地尝试了太阳能-燃气热水系统设计等，为车辆基地绿色生态设计探索提供了参考。在智能化建设方面，随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展，将先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术、计算机技术和系统综合技术等进行有效集成和应用，为车辆基地智能检测、智能维修等系统搭建提供了支撑，如广州地铁镇龙车辆段实现了洗车机无人值守，上海朱家角停车场成功运用智能轨旁设备等[3]。

国内以北京、上海、广州、深圳等为代表的城市轨道交通正在积极探索车辆基地生态化、智能化方面建设，但目前尚处于理念或单一方面的探索实践之中，生态智能车辆基地设计缺少系统化、具体化研究，且缺少相关标准及规定[4]。以上海市轨道交通崇明线陈家镇车辆基地为例，进行生态化、智能化设计探究。

陈家镇车辆基地选址于“世界级生态岛”崇明岛上，通过对《崇明世界级生态岛绿色生态城区规划建设导则》中生态建设与环境保护、绿色交通、绿色建筑、水环境保护、海绵城市建设等研究分析，并结合车辆基地功能、布置情况，探索了车辆基地在绿色建筑、光伏发电、海绵车辆基地等方面设计及研究分析。

同时，基于本线全自动驾驶UTO(Unattended Train Operation)设计要求并结合国内轨道交通智能检修工装发展，研究了全方位在线检测装置、智能巡检机器人、鹰眼系统等智能化工装的应用设计及分析。

1 陈家镇车辆基地简介

陈家镇车辆基地设有运用库、综合楼、物资分库及抢险物资库、调机及工程车库、材料棚、洗车库、动态检测棚等16个功能建筑，总建筑面积约4.6万m2，占地约19.07 hm2，总平面布置如图1所示。

图1 陈家镇车辆基地设计效果

设停车列检24列位，周月检2列位，临修1列位，调机及工程车库线2股道，卸料及平板车存放线各1股道，试车线1条，牵出线兼信号转换轨1条等。

2 绿色生态设计

2.1 综合楼绿色设计

综合楼位于车辆基地的西南角并临近主出入口处设置，由班组用房、设备房、食堂、司乘休息室、应急抢险管理楼等组成，总建筑面积约1万m2，如图2所示。受崇明岛规划18 m限高要求，综合楼设计为地上4层，高约17.5 m，其绿色设计要点分析如下。

(1)屋面采用“屋顶绿化+退台式建筑”型式，不仅提升了建筑的绿色创意设计，对建筑隔热起到积极作用，也给工作人员提供了休憩、观景场所。

(2)立面采用“立体绿化+格栅”设计[5-7]，不仅丰富了建筑立面，也起到了调节净化空气，降低室内温度的作用。

图2 综合楼绿色设计效果

(3)“多体块+大平窗”建筑布置型式，保证各功能单元布局的分明性及各房间良好的通风、采光。

(4)L形楼交接处一层采用镂空手法，不仅将庭院的绿化空间引入到建筑中，也对建筑的自然通风起到了促进作用，增加了舒适性。

(5)综合楼周边以绿禾景观为核心，采用低维护、场地记忆、低消耗的“3L”设计理念打造“韧性景观”设计，结合石笼挡墙和景观草、湿生植物设计，展现了自然生态之美。

(6)海绵广场设计，采用“雨水花园”“透水铺装”等海绵设施，加大雨水下渗力度，通过采用渗透、储存、调节、截污净化等方式有效控制径流总量，实现雨水资源再利用。

2.2 大跨度拼装结构设计型式

通常自动驾驶区每2股道为一个作业安全分区，致使柱网、桩基、承台数量较多，拉大了库房宽度，增加了占地面积及土建综合造价[8]。经研究分析，双T板拼装屋架[9]、预应力混凝土折线性屋架、钢结构屋架[10]3种方案较适用于大跨度结构设计，各方案优缺点分析如表1所示。

表1 大跨度拼装结构设计型式比较

陈家镇车辆基地运用库上盖设有光伏发电设施，其跨度设计在满足库内股道工艺布置要求、设备荷载、起重设备配置及土建造价经济合理的前提下，经综合比较分析后可知，双T板拼装结构型式具有明显优势，不仅实现了非标准跨度设计要求，也满足了最大27 m宽的四线跨工艺布置及起重设备悬挂要求等。与常规的两线跨框架结构相比，每跨宽度可缩减1～1.2 m，面积可减小336～403 m2，运用库规模越大，面积减少越多。

车辆基地主要库房采用大跨度双T板拼装结构设计型式，不仅有效降低了工程造价及施工难度，也提升了绿色建筑设计水平，响应了生态建设要求。

2.3 光伏发电设施

陈家镇基地运用库、调机及工程车库屋顶设计在满足室内自然采光前提下，研究了光伏发电设施设计，提升可再生能源的收集利用[11]，响应绿色生态建设要求。

由于两单体采用大跨度双T板拼装结构设计型式，为太阳能光伏板支架的基础设计提供了较好条件。经过对两单体屋顶光伏方阵布置后，测得可铺设光伏方阵的面积约1.2万m2，并在运用库辅助用房内设置光伏发电变电房间，用于电能的变换、存储、控制、输配等。

光伏发电转化率为13%～15%，实际发电效率约65%，经计算，陈家镇车辆基地太阳能光伏发电站最大装机量为1.5 MW，年发电量为100～110万kW·h，生产的电能用于基地内综合楼、生产厂房、辅助用房、路灯等照明设施，每年可节约电费80余万元。

2.4 海绵车辆基地设计

海绵车辆基地设计并无明确指标，基本参照海绵城市设计及建设标准[12-13]。但车辆基地作为功能性的工业建筑，往往其指标不能满足城市海绵设计标准。

对陈家镇车辆基地内功能布置分析后，在绿地、综合楼广场等地可进行海绵化设计，通过采用透水铺装、下凹式绿地、雨水收集池、雨水回用系统、溢流雨水口、生态汽车停车场等多种低影响开发措施进行组合设计，来实现对雨水的“渗、滞、蓄、净、用、排”设计功能，其设计流程如图3所示。

图3 低影响开发雨水系统设计流程

经综合计算分析，其设计指标及效益如下。

(1)约束性指标：集中绿地率为25%，单位硬化面积蓄水量263.9 m3/ha。

(2)鼓励型指标：雨水资源利用率为7.1%，下凹式绿地率12.85%。

(3)径流量指标：场地年径流总量控制率约为62.6%。

(4)环境效益：削减了雨水管洪峰值流量，削弱了对周边排水管网及河流的生态冲击影响。

(5)经济效益：可回收利用雨水量约1.2万m3/年，可节省水费约6万元/年。

(6)社会效益：响应了崇明岛生态建设要求，对所在区域海绵城市建设起到积极促进作用。

3 智能工装应用设计分析

3.1 智能安全设施设计

停车列检库为全自动驾驶区，按1线2列位100%柱式检查坑设计，且每两股道(不超过4个列位)划分为一个安全分区，各分区间采用围蔽及门禁等设施进行物理隔离[14-16]。在全自动驾驶区库前平过道下方设置地下通道，通往每个安全分区入口处设门禁及智能人脸识别系统，人员持授权门禁卡及经智能人脸识别系统双重核验后才能进入相应的分区。

同时，在门禁口处设有视频监控系统，其终端设于DCC(Depot Control Center)室内，可实时监控人员进出库内情况。对非授权人员进入时，可自动进行语音警告且在终端进行提示并记录，有效保障库内UTO区域的安全。门禁口处还设有区域作业防护开关SPKS(Staff Protection Key Switch)，作业人员进入某一分区作业时，需先启动相应分区的SPKS，以防止本区域列车动车，充分保障人身安全，也避免了干扰其他分区车辆进出库。

3.2 全方位在线检测装置

在入段线动态检测棚内设全方位在线检测装置，其由轨边基本检测单元、现场控制室、远程控制室3部分组成[17-18]，可对运行列车车顶、车侧、走行部、车底等可视部位形成360°高清图像采集，如图4所示。

图4 全方位在线检测装置示意

通过图像分析技术、模式识别技术等自动识别车顶、车侧车体、车底等关键部件变形、缺失等异常情况。可有效解决现行作业中人工作业时间长、作业强度大等问题。提高了检修工艺水平的智能化，有利于日检向4日检、8日检过渡。

3.3 智能巡检机器人

停车列检库每股道A、B端检查坑内均设升降装置，可供机器人由-1.0 m纵向通道进出-1.7 m检查坑内，进行车底检查作业。在库的尾部设有控制站，可对智能巡检机器人进行控制、信息传输[19]、充电、停放等。

智能巡检机器人通过采用机器人技术、自主导航技术、高清光学成像技术、自主充电技术等，来实现对车底进行全景扫描、关键部件拍照，通过智能算法及分析系统对关键部件是否异常进行判断，并提供诊断结果。对于部件诊断结果中显示异常的，检修人员可先调阅相关图片进行线上核查，线上无法确认或确认需现场检修时，只需检修人员对所检测出的故障部位进行重点检查、故障处理。

按照目前常规日检作业方式，检修1列车需要3人同时作业，作业时间40～50 min[20]。通过智能巡检机器人技术应用，其作业时间不超过30 min，有效解决了人工检修作业强度大、效率低等问题，降低了人工成本。

3.4 鹰眼系统

鹰眼系统具有地铁检修监控视频智能分析报警功能，由高清视频监控系统、报警提示联动系统2部分组成，分为前端设备、传输设备和控制中心设备3部分。运用模式识别和计算机视觉等高新技术，对摄像机画面质量、进出人员、维修人员的安全防护和供电系统状态等进行检测和报警；对实际作业进行精准写实，对各种重点保护设备的入侵目标和火灾隐患进行实时检测和报警。所有报警均可联动跳屏，管理人员可实时了解异常情况，及时有效处置突发事件。

(1)库内轨道资源检测系统

具有识别车号、监控并识别库内轨道资源占用情况等，将数据实时反馈至自动排程系统及DCC管理平台。

(2)人脸识别系统

在生产车间主要出入口，安装人脸识别系统，对每个进入人员自动抓拍和人脸识别。经检测、比对后，自动放行允准人员，非允准人员通过时，系统自动报警并给予阻拦，并可精准掌握人员出入库时间。

(3)安全监护系统

主要对检修作业人员安全设置的佩戴情况及作业安全保障设施的状态进行监视。

(4)设备监护系统

对车辆主要部件如空调、受电弓等检修维护作业时，是否有踩踏现象等进行监视，对检修作业后遗留在现场的检修工具进行检测报警等。

鹰眼系统有效解决了运营及维保对库内检修人员作业情况及设备设施状态进行实时、有效监控，极大提升了安全性及可追溯性。

4 车顶作业安全悬挂装置创新设计

地铁A、B型车高度约3.9 m，加之周月检库内地面高度为-1.0～-1.2 m之间，车顶到地面的总高度达4.9～5.1 m，与坠落高度基准面远超过2 m，车顶检修作业人员须悬挂安全带。但目前基本将安全带的悬挂锁钩系到已断电的DC1500 V接触网导线上，来保障人身安全。

由于接触网每隔一定距离设有竖向拉锁，致使安全带悬系不能在整车长度范围内连续贯通。不但影响车顶检修作业效率，而且在避让接触网拉锁过程中，安全带处于无处悬系状态，存在人身安全隐患。

根据周月检库管线、设备设施布置情况，结合检修作业平台创新设计了一种通长型安全带专用悬挂装置[21]，由主梁、槽钢导轨和走行小车组成。槽钢导轨每8 m长为1个组装单元，每组装单元设2个主梁，用于支撑槽钢导轨，如图5所示。

图5 安全悬挂装置示意(单位：m)

槽钢导轨内设2个具有自锁功能的免维护轴承走行小车，其下面设有安全带悬系吊钩，可在导轨内沿着列车长度方向自由平移。可根据作业范围长度需求进行多单元拼装，槽钢导轨外表面底部距车顶≮1.85 m，吊钩最低点与接触网导线水平距离≮0.2 m，与车辆顶部距离≮1.6 m。采用拼装安装方式，可根据不同车型及作业范围需求进行长度调整，适应性较强。

该设计有效解决了目前地铁车辆基地检修库内车顶检修作业时人员的安全带无法通长型悬挂的问题，提高了作业效率，保障了人员作业安全。

5 结论

(1)通过对建筑造型、建筑布置、立面设计等运用多种绿色创新手法，并对综合楼周围景观设计提出“3L”设计理念，打造海绵式“韧性绿禾景观”，提升了综合楼绿色生态设计。

(2)综合比较分析，双T板拼装结构型式不仅满足了非标准跨度设计要求，也实现了最大27 m宽的四线跨工艺布置及起重设备悬挂要求等。较常规两线跨框架结构，每跨宽度可缩减1～1.2 m，面积可减小336～403 m2，厂房规模越大，面积减少越多，可有效降低工程造价，拼装式也体现、提升了建筑绿色设计水平。

(3)研究了光伏发电设施在车辆基地主要生产厂房屋顶布置及应用设计的可行性，经分析计算，其最大装机量为1.5 MW，年发电量为100～110万kW·h，可节省电费80余万元/年。

(4)通过多种低影响开发措施进行组合分析、设计了具有“渗、滞、蓄、净、用、排”功能的海绵车辆基地，探究了海绵车辆基地量化指标及效益分析等，年径流总量控制率达62.6%，可实现雨水资源利用率为7.1%，可回收利用雨水量约1.2万m3/年，节省水费用约6万元/年。

(5)通过对门禁系统、智能人脸识别系统、视频监控系统、SPKS等智能设施设计，提升了库内UTO区域及检修人员的安全性。

(6)通过对全方位在线检测装置、智能巡检机器人、鹰眼系统等智能工装应用设计分析，列检可实现由机检代替人检，检修周期可向4日检、8日检过渡，作业效率提高约40%，同时也实现了对现场状态及作业人员工作情况实时有效监控，提升了管理水平，保障了作业安全，降低了人工成本，提升了车辆基地智能化设计水平，为解决“运营成本日益增加的压力”问题提供了支撑。

(7)创新设计了一种通长型拼装式安全悬挂装置，有效解决了现行车顶检修作业时安全带无处或无法通长悬系问题，充分保障了人身安全，提高了作业效率。

车辆基地生态化、智能化设计目前尚处于探索阶段，缺乏相关标准及规定，建议尽早编制“生态智能车辆基地”设计及建设相关标准规定。