軌道交通生態(tài)智能車輛基地設(shè)計探討及創(chuàng)新

張邦力

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

引言

隨著我國生態(tài)、環(huán)保重視程度提高，軌道交通智能化工裝設(shè)備快速化發(fā)展，軌道交通車輛基地作為車輛維保重要保障基地[1]，其生態(tài)化、智能化設(shè)計成了近年來探討的熱點。在綠色生態(tài)建設(shè)方面，除強化綠化景觀、綠色建筑設(shè)計外，也正在積極探究海綿城市、可再生能源利用等在車輛基地設(shè)計中的應(yīng)用，如深圳長圳車輛段引入了海綿城市設(shè)計理念[2]，上海航頭車輛基地嘗試了太陽能-燃氣熱水系統(tǒng)設(shè)計等，為車輛基地綠色生態(tài)設(shè)計探索提供了參考。在智能化建設(shè)方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)等進行有效集成和應(yīng)用，為車輛基地智能檢測、智能維修等系統(tǒng)搭建提供了支撐，如廣州地鐵鎮(zhèn)龍車輛段實現(xiàn)了洗車機無人值守，上海朱家角停車場成功運用智能軌旁設(shè)備等[3]。

國內(nèi)以北京、上海、廣州、深圳等為代表的城市軌道交通正在積極探索車輛基地生態(tài)化、智能化方面建設(shè)，但目前尚處于理念或單一方面的探索實踐之中，生態(tài)智能車輛基地設(shè)計缺少系統(tǒng)化、具體化研究，且缺少相關(guān)標準及規(guī)定[4]。以上海市軌道交通崇明線陳家鎮(zhèn)車輛基地為例，進行生態(tài)化、智能化設(shè)計探究。

陳家鎮(zhèn)車輛基地選址于“世界級生態(tài)島”崇明島上，通過對《崇明世界級生態(tài)島綠色生態(tài)城區(qū)規(guī)劃建設(shè)導(dǎo)則》中生態(tài)建設(shè)與環(huán)境保護、綠色交通、綠色建筑、水環(huán)境保護、海綿城市建設(shè)等研究分析，并結(jié)合車輛基地功能、布置情況，探索了車輛基地在綠色建筑、光伏發(fā)電、海綿車輛基地等方面設(shè)計及研究分析。

同時，基于本線全自動駕駛UTO(Unattended Train Operation)設(shè)計要求并結(jié)合國內(nèi)軌道交通智能檢修工裝發(fā)展，研究了全方位在線檢測裝置、智能巡檢機器人、鷹眼系統(tǒng)等智能化工裝的應(yīng)用設(shè)計及分析。

1 陳家鎮(zhèn)車輛基地簡介

陳家鎮(zhèn)車輛基地設(shè)有運用庫、綜合樓、物資分庫及搶險物資庫、調(diào)機及工程車庫、材料棚、洗車庫、動態(tài)檢測棚等16個功能建筑，總建筑面積約4.6萬m2，占地約19.07 hm2，總平面布置如圖1所示。

圖1 陳家鎮(zhèn)車輛基地設(shè)計效果

設(shè)停車列檢24列位，周月檢2列位，臨修1列位，調(diào)機及工程車庫線2股道，卸料及平板車存放線各1股道，試車線1條，牽出線兼信號轉(zhuǎn)換軌1條等。

2 綠色生態(tài)設(shè)計

2.1 綜合樓綠色設(shè)計

綜合樓位于車輛基地的西南角并臨近主出入口處設(shè)置，由班組用房、設(shè)備房、食堂、司乘休息室、應(yīng)急搶險管理樓等組成，總建筑面積約1萬m2，如圖2所示。受崇明島規(guī)劃18 m限高要求，綜合樓設(shè)計為地上4層，高約17.5 m，其綠色設(shè)計要點分析如下。

(1)屋面采用“屋頂綠化+退臺式建筑”型式，不僅提升了建筑的綠色創(chuàng)意設(shè)計，對建筑隔熱起到積極作用，也給工作人員提供了休憩、觀景場所。

(2)立面采用“立體綠化+格柵”設(shè)計[5-7]，不僅豐富了建筑立面，也起到了調(diào)節(jié)凈化空氣，降低室內(nèi)溫度的作用。

圖2 綜合樓綠色設(shè)計效果

(3)“多體塊+大平窗”建筑布置型式，保證各功能單元布局的分明性及各房間良好的通風、采光。

(4)L形樓交接處一層采用鏤空手法，不僅將庭院的綠化空間引入到建筑中，也對建筑的自然通風起到了促進作用，增加了舒適性。

(5)綜合樓周邊以綠禾景觀為核心，采用低維護、場地記憶、低消耗的“3L”設(shè)計理念打造“韌性景觀”設(shè)計，結(jié)合石籠擋墻和景觀草、濕生植物設(shè)計，展現(xiàn)了自然生態(tài)之美。

(6)海綿廣場設(shè)計，采用“雨水花園”“透水鋪裝”等海綿設(shè)施，加大雨水下滲力度，通過采用滲透、儲存、調(diào)節(jié)、截污凈化等方式有效控制徑流總量，實現(xiàn)雨水資源再利用。

2.2 大跨度拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計型式

通常自動駕駛區(qū)每2股道為一個作業(yè)安全分區(qū)，致使柱網(wǎng)、樁基、承臺數(shù)量較多，拉大了庫房寬度，增加了占地面積及土建綜合造價[8]。經(jīng)研究分析，雙T板拼裝屋架[9]、預(yù)應(yīng)力混凝土折線性屋架、鋼結(jié)構(gòu)屋架[10]3種方案較適用于大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計，各方案優(yōu)缺點分析如表1所示。

表1 大跨度拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計型式比較

陳家鎮(zhèn)車輛基地運用庫上蓋設(shè)有光伏發(fā)電設(shè)施，其跨度設(shè)計在滿足庫內(nèi)股道工藝布置要求、設(shè)備荷載、起重設(shè)備配置及土建造價經(jīng)濟合理的前提下，經(jīng)綜合比較分析后可知，雙T板拼裝結(jié)構(gòu)型式具有明顯優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)了非標準跨度設(shè)計要求，也滿足了最大27 m寬的四線跨工藝布置及起重設(shè)備懸掛要求等。與常規(guī)的兩線跨框架結(jié)構(gòu)相比，每跨寬度可縮減1～1.2 m，面積可減小336～403 m2，運用庫規(guī)模越大，面積減少越多。

車輛基地主要庫房采用大跨度雙T板拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計型式，不僅有效降低了工程造價及施工難度，也提升了綠色建筑設(shè)計水平，響應(yīng)了生態(tài)建設(shè)要求。

2.3 光伏發(fā)電設(shè)施

陳家鎮(zhèn)基地運用庫、調(diào)機及工程車庫屋頂設(shè)計在滿足室內(nèi)自然采光前提下，研究了光伏發(fā)電設(shè)施設(shè)計，提升可再生能源的收集利用[11]，響應(yīng)綠色生態(tài)建設(shè)要求。

由于兩單體采用大跨度雙T板拼裝結(jié)構(gòu)設(shè)計型式，為太陽能光伏板支架的基礎(chǔ)設(shè)計提供了較好條件。經(jīng)過對兩單體屋頂光伏方陣布置后，測得可鋪設(shè)光伏方陣的面積約1.2萬m2，并在運用庫輔助用房內(nèi)設(shè)置光伏發(fā)電變電房間，用于電能的變換、存儲、控制、輸配等。

光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化率為13%～15%，實際發(fā)電效率約65%，經(jīng)計算，陳家鎮(zhèn)車輛基地太陽能光伏發(fā)電站最大裝機量為1.5 MW，年發(fā)電量為100～110萬kW·h，生產(chǎn)的電能用于基地內(nèi)綜合樓、生產(chǎn)廠房、輔助用房、路燈等照明設(shè)施，每年可節(jié)約電費80余萬元。

2.4 海綿車輛基地設(shè)計

海綿車輛基地設(shè)計并無明確指標，基本參照海綿城市設(shè)計及建設(shè)標準[12-13]。但車輛基地作為功能性的工業(yè)建筑，往往其指標不能滿足城市海綿設(shè)計標準。

對陳家鎮(zhèn)車輛基地內(nèi)功能布置分析后，在綠地、綜合樓廣場等地可進行海綿化設(shè)計，通過采用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水收集池、雨水回用系統(tǒng)、溢流雨水口、生態(tài)汽車停車場等多種低影響開發(fā)措施進行組合設(shè)計，來實現(xiàn)對雨水的“滲、滯、蓄、凈、用、排”設(shè)計功能，其設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)設(shè)計流程

經(jīng)綜合計算分析，其設(shè)計指標及效益如下。

(1)約束性指標：集中綠地率為25%，單位硬化面積蓄水量263.9 m3/ha。

(2)鼓勵型指標：雨水資源利用率為7.1%，下凹式綠地率12.85%。

(3)徑流量指標：場地年徑流總量控制率約為62.6%。

(4)環(huán)境效益：削減了雨水管洪峰值流量，削弱了對周邊排水管網(wǎng)及河流的生態(tài)沖擊影響。

(5)經(jīng)濟效益：可回收利用雨水量約1.2萬m3/年，可節(jié)省水費約6萬元/年。

(6)社會效益：響應(yīng)了崇明島生態(tài)建設(shè)要求，對所在區(qū)域海綿城市建設(shè)起到積極促進作用。

3 智能工裝應(yīng)用設(shè)計分析

3.1 智能安全設(shè)施設(shè)計

停車列檢庫為全自動駕駛區(qū)，按1線2列位100%柱式檢查坑設(shè)計，且每兩股道(不超過4個列位)劃分為一個安全分區(qū)，各分區(qū)間采用圍蔽及門禁等設(shè)施進行物理隔離[14-16]。在全自動駕駛區(qū)庫前平過道下方設(shè)置地下通道，通往每個安全分區(qū)入口處設(shè)門禁及智能人臉識別系統(tǒng)，人員持授權(quán)門禁卡及經(jīng)智能人臉識別系統(tǒng)雙重核驗后才能進入相應(yīng)的分區(qū)。

同時，在門禁口處設(shè)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其終端設(shè)于DCC(Depot Control Center)室內(nèi)，可實時監(jiān)控人員進出庫內(nèi)情況。對非授權(quán)人員進入時，可自動進行語音警告且在終端進行提示并記錄，有效保障庫內(nèi)UTO區(qū)域的安全。門禁口處還設(shè)有區(qū)域作業(yè)防護開關(guān)SPKS(Staff Protection Key Switch)，作業(yè)人員進入某一分區(qū)作業(yè)時，需先啟動相應(yīng)分區(qū)的SPKS，以防止本區(qū)域列車動車，充分保障人身安全，也避免了干擾其他分區(qū)車輛進出庫。

3.2 全方位在線檢測裝置

在入段線動態(tài)檢測棚內(nèi)設(shè)全方位在線檢測裝置，其由軌邊基本檢測單元、現(xiàn)場控制室、遠程控制室3部分組成[17-18]，可對運行列車車頂、車側(cè)、走行部、車底等可視部位形成360°高清圖像采集，如圖4所示。

圖4 全方位在線檢測裝置示意

通過圖像分析技術(shù)、模式識別技術(shù)等自動識別車頂、車側(cè)車體、車底等關(guān)鍵部件變形、缺失等異常情況。可有效解決現(xiàn)行作業(yè)中人工作業(yè)時間長、作業(yè)強度大等問題。提高了檢修工藝水平的智能化，有利于日檢向4日檢、8日檢過渡。

3.3 智能巡檢機器人

停車列檢庫每股道A、B端檢查坑內(nèi)均設(shè)升降裝置，可供機器人由-1.0 m縱向通道進出-1.7 m檢查坑內(nèi)，進行車底檢查作業(yè)。在庫的尾部設(shè)有控制站，可對智能巡檢機器人進行控制、信息傳輸[19]、充電、停放等。

智能巡檢機器人通過采用機器人技術(shù)、自主導(dǎo)航技術(shù)、高清光學(xué)成像技術(shù)、自主充電技術(shù)等，來實現(xiàn)對車底進行全景掃描、關(guān)鍵部件拍照，通過智能算法及分析系統(tǒng)對關(guān)鍵部件是否異常進行判斷，并提供診斷結(jié)果。對于部件診斷結(jié)果中顯示異常的，檢修人員可先調(diào)閱相關(guān)圖片進行線上核查，線上無法確認或確認需現(xiàn)場檢修時，只需檢修人員對所檢測出的故障部位進行重點檢查、故障處理。

按照目前常規(guī)日檢作業(yè)方式，檢修1列車需要3人同時作業(yè)，作業(yè)時間40～50 min[20]。通過智能巡檢機器人技術(shù)應(yīng)用，其作業(yè)時間不超過30 min，有效解決了人工檢修作業(yè)強度大、效率低等問題，降低了人工成本。

3.4 鷹眼系統(tǒng)

鷹眼系統(tǒng)具有地鐵檢修監(jiān)控視頻智能分析報警功能，由高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)、報警提示聯(lián)動系統(tǒng)2部分組成，分為前端設(shè)備、傳輸設(shè)備和控制中心設(shè)備3部分。運用模式識別和計算機視覺等高新技術(shù)，對攝像機畫面質(zhì)量、進出人員、維修人員的安全防護和供電系統(tǒng)狀態(tài)等進行檢測和報警；對實際作業(yè)進行精準寫實，對各種重點保護設(shè)備的入侵目標和火災(zāi)隱患進行實時檢測和報警。所有報警均可聯(lián)動跳屏，管理人員可實時了解異常情況，及時有效處置突發(fā)事件。

(1)庫內(nèi)軌道資源檢測系統(tǒng)

具有識別車號、監(jiān)控并識別庫內(nèi)軌道資源占用情況等，將數(shù)據(jù)實時反饋至自動排程系統(tǒng)及DCC管理平臺。

(2)人臉識別系統(tǒng)

在生產(chǎn)車間主要出入口，安裝人臉識別系統(tǒng)，對每個進入人員自動抓拍和人臉識別。經(jīng)檢測、比對后，自動放行允準人員，非允準人員通過時，系統(tǒng)自動報警并給予阻攔，并可精準掌握人員出入庫時間。

(3)安全監(jiān)護系統(tǒng)

主要對檢修作業(yè)人員安全設(shè)置的佩戴情況及作業(yè)安全保障設(shè)施的狀態(tài)進行監(jiān)視。

(4)設(shè)備監(jiān)護系統(tǒng)

對車輛主要部件如空調(diào)、受電弓等檢修維護作業(yè)時，是否有踩踏現(xiàn)象等進行監(jiān)視，對檢修作業(yè)后遺留在現(xiàn)場的檢修工具進行檢測報警等。

鷹眼系統(tǒng)有效解決了運營及維保對庫內(nèi)檢修人員作業(yè)情況及設(shè)備設(shè)施狀態(tài)進行實時、有效監(jiān)控，極大提升了安全性及可追溯性。

4 車頂作業(yè)安全懸掛裝置創(chuàng)新設(shè)計

地鐵A、B型車高度約3.9 m，加之周月檢庫內(nèi)地面高度為-1.0～-1.2 m之間，車頂?shù)降孛娴目偢叨冗_4.9～5.1 m，與墜落高度基準面遠超過2 m，車頂檢修作業(yè)人員須懸掛安全帶。但目前基本將安全帶的懸掛鎖鉤系到已斷電的DC1500 V接觸網(wǎng)導(dǎo)線上，來保障人身安全。

由于接觸網(wǎng)每隔一定距離設(shè)有豎向拉鎖，致使安全帶懸系不能在整車長度范圍內(nèi)連續(xù)貫通。不但影響車頂檢修作業(yè)效率，而且在避讓接觸網(wǎng)拉鎖過程中，安全帶處于無處懸系狀態(tài)，存在人身安全隱患。

根據(jù)周月檢庫管線、設(shè)備設(shè)施布置情況，結(jié)合檢修作業(yè)平臺創(chuàng)新設(shè)計了一種通長型安全帶專用懸掛裝置[21]，由主梁、槽鋼導(dǎo)軌和走行小車組成。槽鋼導(dǎo)軌每8 m長為1個組裝單元，每組裝單元設(shè)2個主梁，用于支撐槽鋼導(dǎo)軌，如圖5所示。

圖5 安全懸掛裝置示意(單位：m)

槽鋼導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)2個具有自鎖功能的免維護軸承走行小車，其下面設(shè)有安全帶懸系吊鉤，可在導(dǎo)軌內(nèi)沿著列車長度方向自由平移。可根據(jù)作業(yè)范圍長度需求進行多單元拼裝，槽鋼導(dǎo)軌外表面底部距車頂≮1.85 m，吊鉤最低點與接觸網(wǎng)導(dǎo)線水平距離≮0.2 m，與車輛頂部距離≮1.6 m。采用拼裝安裝方式，可根據(jù)不同車型及作業(yè)范圍需求進行長度調(diào)整，適應(yīng)性較強。

該設(shè)計有效解決了目前地鐵車輛基地檢修庫內(nèi)車頂檢修作業(yè)時人員的安全帶無法通長型懸掛的問題，提高了作業(yè)效率，保障了人員作業(yè)安全。

5 結(jié)論

(1)通過對建筑造型、建筑布置、立面設(shè)計等運用多種綠色創(chuàng)新手法，并對綜合樓周圍景觀設(shè)計提出“3L”設(shè)計理念，打造海綿式“韌性綠禾景觀”，提升了綜合樓綠色生態(tài)設(shè)計。

(2)綜合比較分析，雙T板拼裝結(jié)構(gòu)型式不僅滿足了非標準跨度設(shè)計要求，也實現(xiàn)了最大27 m寬的四線跨工藝布置及起重設(shè)備懸掛要求等。較常規(guī)兩線跨框架結(jié)構(gòu)，每跨寬度可縮減1～1.2 m，面積可減小336～403 m2，廠房規(guī)模越大，面積減少越多，可有效降低工程造價，拼裝式也體現(xiàn)、提升了建筑綠色設(shè)計水平。

(3)研究了光伏發(fā)電設(shè)施在車輛基地主要生產(chǎn)廠房屋頂布置及應(yīng)用設(shè)計的可行性，經(jīng)分析計算，其最大裝機量為1.5 MW，年發(fā)電量為100～110萬kW·h，可節(jié)省電費80余萬元/年。

(4)通過多種低影響開發(fā)措施進行組合分析、設(shè)計了具有“滲、滯、蓄、凈、用、排”功能的海綿車輛基地，探究了海綿車輛基地量化指標及效益分析等，年徑流總量控制率達62.6%，可實現(xiàn)雨水資源利用率為7.1%，可回收利用雨水量約1.2萬m3/年，節(jié)省水費用約6萬元/年。

(5)通過對門禁系統(tǒng)、智能人臉識別系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、SPKS等智能設(shè)施設(shè)計，提升了庫內(nèi)UTO區(qū)域及檢修人員的安全性。

(6)通過對全方位在線檢測裝置、智能巡檢機器人、鷹眼系統(tǒng)等智能工裝應(yīng)用設(shè)計分析，列檢可實現(xiàn)由機檢代替人檢，檢修周期可向4日檢、8日檢過渡，作業(yè)效率提高約40%，同時也實現(xiàn)了對現(xiàn)場狀態(tài)及作業(yè)人員工作情況實時有效監(jiān)控，提升了管理水平，保障了作業(yè)安全，降低了人工成本，提升了車輛基地智能化設(shè)計水平，為解決“運營成本日益增加的壓力”問題提供了支撐。

(7)創(chuàng)新設(shè)計了一種通長型拼裝式安全懸掛裝置，有效解決了現(xiàn)行車頂檢修作業(yè)時安全帶無處或無法通長懸系問題，充分保障了人身安全，提高了作業(yè)效率。

車輛基地生態(tài)化、智能化設(shè)計目前尚處于探索階段，缺乏相關(guān)標準及規(guī)定，建議盡早編制“生態(tài)智能車輛基地”設(shè)計及建設(shè)相關(guān)標準規(guī)定。