深圳城际铁路客站绿色节能系统设计

张亚伟，杨国元，陈瑞凤，白 伟，伍柳伊，王小书

2019年中共中央、国务院印发《粤港澳大湾区发展规划纲要》，明确指出构建现代化的综合交通运输体系，构筑大湾区快速交通网络，以连通内地与港澳以及珠江口东西两岸为重点，构建以高速铁路、城际铁路和高等级公路为主体的城际快速交通网络。同时，加快智能交通系统建设，推进物联网、云计算、大数据等信息技术在交通运输领域的创新集成应用。城际铁路客站是乘客跨城出行的重要交互窗口，随着信息化发展及交通行业创新发展模式的提出，客站服务智能化、功能多样化、站区商圈化已成为车站发展建设的重要方向，新信息技术的发展为客站的智能化建设提供支撑，其他行业智能化建设的成功案例为客站的智能化发展指明道路，将客站业务与新信息技术相结合，打造世界领先的智能城际铁路客站，已成为我国城际铁路的发展趋势。研究围绕深圳城际铁路出行需求，紧密结合车站乘客购票、进站、出站、换乘等业务环节，运用物联网技术，构建智能城际铁路客站绿色节能系统[1]。

1 需求分析

深圳城际铁路客站绿色节能系统将信息化新技术与业务进行深度融合，重点面向运营阶段生产作业，对城际铁路设备控制、运营维护、环境舒适业务内容进行梳理和总结，提炼智能化的功能需求，通过环境要素监控和设备按需运行，构建绿色节能的客站[2]。结合深圳城际铁路客站建设需求，绿色节能系统主要运用能效管控技术达到节能效果。

能效管控针对客站不同类型的主要能耗设备(如车站照明、电梯、导向屏、空调等)进行能耗统计，并绘制能耗运行曲线，结合近1～3 年的客站设备耗能情况给出对应的能耗结果。根据能耗结果，将不同类别客站设备的耗能情况划分不同能耗等级，分析其对应的节能措施，同时有针对性地制订节能控制策略，生成自动和人工2 种节能控制计划。其中，自动计划结合城际铁路列车运行特点、开行方式、实时列车运行计划、晚点等异常事件持续时长、客流量分布情况、客流密度情况等，提供可主动调节、自动配置的客站设备节能控制计划；而人工调节则依靠客运工作人员，根据客站设备实际运行情况手动配置并下发计划；如果自动计划与手动下发计划冲突，则以人工下发的计划为准[3]。

2 功能设计

针对城际铁路客站设备、环境等要素，对绿色节能业务方向进行功能设计，包括客站/枢纽设备能耗监测、智能照明、智能导向屏、设备设施运维、风水联动等功能，有效降低城际铁路客站运营成本，提升乘客候乘环境。

2.1 设备能耗监测

对客站主要能耗设备进行监测，实现能源安全监测，提高用能效率。对分类、分项设备用能进行采集、统计、综合分析，结合客站业务制定合理的设备运用计划和控制策略，生成自动和人工2 种节能控制计划，实现设备的自动化和智能化节能控制，达到设备按需运行和用能精细化管理。另外，可以基于5G 数据通信网络，对客站设备进行远程控制。针对车站配电间、变电所、供水设备间等末端区域的智能电报、智能水表采集到的能耗数据，进行数据同比、环比分析，为优化控制策略提供数据支持[4]。

2.2 智能照明

根据车站站厅、车站出入口、车站站台和设备区等区域的照明需求特点及要求，提出感应调光的智能照明控制策略，增加人体感应探测器和光照度感应器，实现区域的灯光自适应调节，节省维护成本，并提高能源利用率，实现车站照明系统的节能优化。

针对站台照明，利用列车到发时间定时控制照明开关。根据区域、时段、季节、列车编组等不同情境，配置对应的开关灯模式，主要是通过对不同站台、不同类型的列车设置车来前的开灯指令和车走后的关灯指令，整体实现车来开灯、车走关灯的效果，合理控制照明开关，最终达到节能降耗的目的。针对没有列车运营的区域或时段，可以通过定时方式决定灯的开关，有效减少设备的开启时间[5]。

2.3 智能导向屏

根据列车到发自动控制站台的导向屏，当列车进站时，导向屏开启并显示车次信息，当列车出站后导向屏关闭以节省电能。对于站内需要长期显示的导向屏，通过感光模块感应环境亮度，并将环境亮度值反馈给节能系统，系统根据环境亮度值自动调节导向屏亮度，以达到节能目的。

2.4 设备设施运维

对客站客运服务设备，以及电梯、空调、照明等机电设备进行全生命周期管理，实现车站设备设施的资产管理、状态监控和辅助决策评价等功能。

以物联网为内核，应用云计算、大数据、人工智能等多种技术，围绕设备设施健康管理，融合设备运维服务专家经验，采集设备运行状态信息和历史信息，提取关键特征并获得特征数据集，基于AI 算法模型，分析计算得到设备关键部件剩余寿命，科学合理安排设备的维修时间和计划，由计划维修过渡到状态维修再过渡到预测维修，对设备进行适时、适度的维修管理，实现客站自动售检票系统(AFC)、电梯、照明、环控、屏蔽门等设备设施的主动运维保养，降低设备的损坏率，降低运维成本[6]。

2.5 风水联动

通过采集设于车站内各处的温湿度传感器、二氧化碳传感器以及可吸入颗粒物的数据，结合车站客流变化、列车行车组织变化、室内新风负荷变化等，完成车站冷负荷最低化的运转以及通风空调系统运行能耗最低化的运行方案，并制定设备控制策略，使车站公共区域在达到设计环境温度的目标值的前提下车站通风空调系统能效比达到最大值，实现车站内空调水系统、风系统间的全局优化控制与管理，以提高整个通风空调系统的运行效率，降低系统的运行能耗水平，实现车站温湿度、气体等环境参数的自动调控，并提高乘客候乘舒适度。节能的实现方式如下。

（1）对冷却水系统、冷冻水系统、电动蝶阀等设备进行监测与控制。

（2）当任何一台冷水机组、冷却塔风机、冷冻泵、冷却泵、补水泵组运行故障时，发出故障报警。

（3）群控系统能够分别对各主要设备(冷机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、冷却水补水泵)进行手动/自动群控切换。设备运行在群控系统自动控制模式时，群控系统按照时间表参数以及预制的控制逻辑自动控制各个机电设备的运行。

（4）通过智能视频分析技术统计区域内人群密度，根据人群密度智能分析该区域的空调设定值，并反馈给新风系统，由新风系统完成终端调节。动态监测区域内的空气质量，当空气质量不达标时，反馈给新风系统进行通风净化工作[7]。

2.6 节能测算

在采用节能方式和非节能方式的条件下，运行相同的天数，分别对其能耗进行测试、记录和比较，通过计算得到节能率。例如，在相邻2 d 基本相同工况条件下，在原控制状态下运行1 d，在被控节能状态下运行1 d，对其能耗进行记录和比较，计算出在运行节能控制设备后的节电率，以此算作1次测量。1个季度共计测量1次，求出季平均节电率。如果由于相邻工况条件变换太大或其他原因影响测试效果，则调整时间重新测试[8]。

季度典型工况下，节能率计算公式为

式中：Yi为季节能率，%；Wf为系统非控制日用电量，kW·h；Wk为系统控制日用电量，kW·h。

当季控制日节电量计算公式为

当季非控制日节电量计算公式为

式中：Wfj为当季非控制日总节电量，kW·h；Wyf为当季非控制日总用电量，kW·h。

季绝对节电量计算公式为

式中：Wyj为当季绝对节电量，kW·h。

年绝对节电量计算公式为

式中：Wnj为年绝对节电量，kW·h；Wyj1，Wyj2，Wyj3，Wyj4为各季绝对节电量，kW·h。

以功能设计中的智能照明为例，采用智能照明控制每日用电量为500 kW·h，不采用智能照明控制每日用电量为800 kW·h，则节能率为37.5%。当季节电量为54 000 kW·h，1 年节电量为216 000 kW·h。按每度电1 元计算，则1 年车站照明费用节省21.6万元。

2.2.3 两季稻合计产量比较 对照黄华占产量为12 736.44 kg／hm2，居第七位，比对照增产的品种有 6个，产量由高到低依次是天两优953、黄广油占、甬优4949、两优33、黄科香1号、黄科香2号，其中天两优 953 产量最高，为 14 481.09 kg／hm2，比对照增产 13.70%；A 优 338产量最低，比对照减产 9.02%。

3 系统架构

深圳城际铁路客站绿色节能系统架构如图1 所示，分为设备感知层、网络传输层、中台层、业务应用层和展示层。

（1）设备感知层。系统通过开放、统一、规范的接口接入站内导向屏、屏蔽门、空调、环境传感器、电表、水表、照明设备、电梯设备等，自动获取设备实时状态及能耗信息，全面掌握设备能耗情况。设备感知层是构建绿色节能系统的基础，信息的实时采集和多协议是其重要特征。

（2）网络传输层。系统通过客服外网、生产网、管理网、物联网、5G 等多种网络通信技术，搭建联通站内各信息节点的数据传输网络，汇集设备感知层采集的各类信息并传输至中台层，为系统和前端设备的互联互通提供高效稳定的物理支撑条件。网络传输层是构建绿色节能系统的关键，数据传输通道的全覆盖和网络种类的多样化是其重要特征。

（3）中台层。中台层包括数据中台、AI 中台、业务中台和技术中台等。①数据中台对采集到的数据进行清洗、融合、加工、分类和存储，实现不同类型、不同结构数据的规范化、集成化管理，对外提供数据处理、数据探索、数据挖掘、多维分析、自助化报表等服务，以快速实现数据价值。跨系统接口数据由云脑平台提供，各系统不再独立建立接口通道，统一由云脑平台提供接口服务。②AI 中台通过大数据、人工智能、数学建模、平行计算等技术，构建智能化分析算法库、模型库，为各个业务领域提供基础性、场景性、通用性的AI 服务能力，支撑车站具体业务应用的智能化需求。其中，公共基础AI 算法模型由云脑平台提供，客站AI 中台对云脑平台提供的公共模型算法，结合车站业务场景，对其进行适配性增删和调优[9]。③业务中台提供业务通用服务能力，以服务化形式提供模块化、组件化、插件化、可解耦的公共业务组件，为客站各业务场景提供稳定、高效、安全的共享服务，快速响应业务需求，实现业务能力协同，为客运业务赋能[10]。④技术中台整合和封装开源的微服务开发框架、DevOps 平台、容器云、PaaS 平台以及其他应用各种技术的中间件，为数据中台、业务中台、AI中台提供简单、易用、快捷的基础技术服务。

（4）业务应用层。在中台层的支撑下，开发满足车站实际业务需求的具体应用，实现乘客个性化温馨服务、生产－人员－设备的协调联动以及全天候的绿色节能。

（5）展示层。提供集成化展示、可视化指挥和三维数字化漫游功能，利用BIM、GIS+MR 等技术构建车站1∶1 实景3D 模型，对车站概览、设备信息、能耗状态、环境信息等多种数据进行集成化、模块化的直观展示，以3D 可视化车站实景布局图为载体，实现车站运行数据的可视化展示和可操作化指挥，实现基于3D模型的生产要素实时可视化监控、能耗运行异常情况预警/报警、可视化远程指挥等[11-12]。

4 数据架构

深圳城际铁路客站绿色节能系统方案采用集中部署模式，以更好地实现数据的统一管理、接口的统一规范、应用的集中部署，将数据全面集成存储在云脑平台数据中心，仅在逻辑上分为中心级和线路级，为站车、站间、线路间的一体化、协同化、集成化生产组织和乘客服务提供数据平台支撑。深圳城际铁路客站绿色节能系统数据架构如图2所示。

图2 深圳城际铁路客站绿色节能系统数据架构Fig.2 Green energy saving system data architecture of Shenzhen intercity railway passenger station

（1）线网中心。在线网中心分别设置中心级平台和线路级平台，分别包含生产和分析数据库，其存储能力由云脑平台数据中心提供，并按照实际要求进行动态调配，线路级数据库的日常管理和维护由线路中心负责。中心级平台的生产数据库包括基础信息配置、线路间共享数据以及从云脑平台获取的路内数据；分析数据库存储各类支撑线网中心部门进行决策的统计和分析数据。线路级平台的生产数据库包括从车站经过预处理的生产数据、基础配置数据和一体化计划数据；分析数据库存储各类支撑线路中心部门进行决策和指挥的统计和分析数据。线路级平台将清洗后的原始数据上传到中心级平台，中心级平台通过统一接口将数据上传至云脑平台，并通过统一接口获取云脑平台中存储的设备、环境等数据，同时对线路级平台共享所需数据[13-14]。

（2）线路中心。不在线路中心设置生产数据库，仅配置必要的数据管理工具，支撑车站数据、中心数据的接入及部分信息展示功能，不对数据进行长期存储。

（3）车站。不在车站设置生产数据库。车站采集到的环境、设备和人员状态数据，经过预处理后直接通过网络传输至线网中心线路级的数据库，部分数据传输至线路中心进行展示。为提高车站的灾难备援和应急处理能力，在车站设置应急数据库，与线路级数据库进行实时同步，并在应急结束后进行数据上传，避免线网中心后台瘫痪或网络中断导致的车站业务中断[15]。

5 结束语

围绕粤港澳大湾区现代化综合交通运输发展需求，以深圳城际铁路客站的智能化建设为目标，设计绿色节能系统。从生产运营的角度分析绿色节能的业务需求，并提出相关功能点。在此基础上，设计由设备感知层、网络传输层、业务应用层等构成的物联网架构体系。数据存储结构采用线网中心集中部署，车站、线路中心汇聚上传的两级架构模式，依靠外部云脑平台完成大数据分析任务。深圳城际铁路客站绿色节能系统可以有效降低车站能耗，降低开支，智能化的设备调控方式不仅提升了铁路信息化、智能化水平，也提高了乘客舒适化、智能化出行体验。