智慧高鐵綜合交通樞紐構建探討

蔡虹，覃澤宏

（1.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230041；2.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055）

0 引言

經過20年的快速發展，我國高鐵正從“四縱四橫”邁進“八縱八橫”時代。2019年底我國高鐵已達到3.5萬km，2020年高鐵將覆蓋、連接80%以上的城市，高鐵車站是高鐵路網的重要節點，在部分大中城市作為高鐵綜合城市交通樞紐（簡稱高鐵樞紐），統籌、銜接、融合城市軌道交通、公交系統以及公路、民航和港口等各種交通方式，日益成為所在大中城市的地標，而這些城市大部分在國家“智慧城市”［1］試點之列。

智慧交通是智慧城市建設的核心部分，伍朝輝等［2］提出在交通強國背景下智慧交通要與新興技術深度融合，智慧交通發展趨勢以決策科學、管理精細、服務精準、主動安全為目標；蔡翠［3］認為智慧交通指建設4個“智慧中心”，其中“智慧運輸綜合服務中心”是指以客運場站公共交通為重點，包括高鐵樞紐；張曉春等［4］面向未來城市梳理提煉得出全息感知城市、在線推演城市、精明管控城市和全程服務城市（4C）的新一代智慧交通整體構思；董瑩等［5］認為從技術內涵來說，智慧交通是感知交通、數字交通、掌上交通的集合體；丁國勝等［6］指出應不斷吸納智慧城市理念深化城鄉規劃理論，發展“智慧規劃”，運用新信息技術對城鄉數據收集分析、模擬和預警、評估和行動計劃制定等；王昊等［7］指出了高鐵綜合交通樞紐既是高鐵時代的輝煌，又存在與城市相互分離的困惑，一次性投資與長期管理成本巨大、缺乏可持續性；陸建［8］也提出目前高鐵樞紐存在規劃欠合理、投資主體多、權責不明晰、設計不精細、建設不合拍、管理部門多、協調成本高、城市難融合等問題。如何構建智慧高鐵綜合交通樞紐成為日益關注的問題。

1 我國高鐵樞紐現狀

（1）規模大、結構復雜、設備設施龐雜、投資巨大。高鐵樞紐規模越建越大，如2010年號稱亞洲第一大站的南京南站，其地鐵在內配套設施為6萬m2，投資12億元；2019年底開通的江蘇淮安東高鐵站，其站前廣場空間開發的面積達20萬m2，投資達20億元。在世界范圍內，尤其是先于我國40年建設高鐵的日本，幾乎找不到如此規模宏大的“交通綜合體”。

（2）站點多、投資方多為地方城市政府委托的投資公司。全國已建成高鐵站505座，到2020年將達到735座［7］，北京南站、南京南站、上海虹橋站、重慶北站、西安北站、合肥南站等一、二線城市的高鐵樞紐多由鐵路部門以外的各城市地方投資、地方政府委托的投資公司與鐵路部門共同建設。由于投資建設主體多而權責不明晰，缺乏產權設計，我國高鐵樞紐仍以交通功能為主，停留在普鐵門戶時代，而國外及中國香港的樞紐建設者一開始就定位為地產開發商與運營商，考慮場站建設與維護成本，并利用交通設施帶來道口效益，提升商業地產價值。

（3）缺失“智慧化”頂層規劃設計。一方面由于高鐵樞紐多為地方出資、規劃、設計，在涉及與鐵路線路、站房的空間銜接上，考慮不周全，設計粗糙，交叉問題多，BIM技術的運用也不是強制性的；另一方面，投資方缺乏“智慧城市”理念與“智慧交通”意識，缺少相應智慧化設計規范及法規，造成“智慧化”頂層規劃設計缺失。

（4）建設期協調難度大。高鐵樞紐規模體量巨大、專業多、參建單位多，同時受與高鐵同期開通的工期要求局限，建設期協調難度極大。

（5）運營維管時間長，成本大。高鐵樞紐建成投入使用后，用戶多，運營維護長達“百年”，但由于體制與理念的問題，使高鐵樞紐巨大的資產由各方分據，建、管階段信息分離，運行效率低且成本大。如淮安東站19萬m2特大型樞紐建設期間的BIM成果也未能服務于運營維護期間。

綜上所述，高鐵樞紐存在的問題主要有：規劃欠合理、設計不精細，建設時序與城市發展不匹配，缺乏產權設計、建管脫離，運維成本大，站城難融合［8］。因此，新建高鐵樞紐應融入“智慧城市”建設，構建“規劃—設計—建設—運營—管理”一體化的精明管控架構體系，從全生命周期出發，通過智慧化建設，整合資源、融合城市信息、提升管理與運營效率，實現高鐵樞紐建成后百年的綠色、低碳、可持續運營。

2 智慧化高鐵樞紐管控體系構建

智慧化高鐵樞紐是集成城市大數據、云計算和物聯網、BIM等新一代信息技術，實現對高鐵樞紐體系中各種要素的全面感知、泛在互聯、協同運行、高效服務和可持續發展［2］，達到智慧規劃、智慧設計、智慧建設、智慧運營管理。

2.1 智慧規劃

高鐵樞紐的“智慧規劃”［9］是每個城市智慧規劃的重要體現，建立在城市中不同行業、部門、屬性以及統計口徑的數據整合、信息共享基礎上，只有利用城市公共信息大數據平臺［6］，才能使高鐵樞紐的規劃愿景與城市發展相接近。我國未來面臨新建及改建的高鐵客運站中有一半以上是縣級城市，其經濟實力欠發達，如何兼顧地方經濟的同時實現高鐵樞紐的功能優化與升級，彌補運營經驗不足，值得重點關注［7］。

2.2 智慧設計、智慧建設

高鐵樞紐要銜接高鐵、高速公路、地鐵各類場站，結構異常復雜，涉及各種專業，采用BIM建模統一設計是最高效、最先進的方法，也是協調建設過程中進度、質量各種問題最有利的手段。城市建設管理部門應明確規定，投資建設單位在高鐵樞紐的設計與建設中必須運用BIM技術，而且要將BIM成果延伸運用到后期百年的運營管理中。

2.3 智慧運營管理

利用設計與建設過程中建立的BIM模型，結合城市大數據平臺、采用云計算和物聯網技術，將樓宇自動化、安防管理、消防管理、能耗管理、統計分析等各智能設備整合，集成于BIM運維管理平臺，實現整個高鐵樞紐的“集約建設、資源共享、規范管理”以及“提高工作效率、保證運營品質、降低運營能耗”的目標。

3 智慧化高鐵樞紐的關鍵技術

3.1 建立智慧樞紐公共信息服務平臺

國外智慧交通已發展多年，多有政府主導與政府資金的注入，而我國的智慧交通統籌能力不足，“散”的問題十分突出，無論是規劃建設還是技術標準、政策法規方面［10］。這個問題體現在高鐵樞紐的建設中也尤其明顯，如南京南站及新建徐連高鐵沿線車站依然采用傳統的靜態標識及站內公交、地鐵公司自建的旅客信息系統，服務方式、服務內容、服務質量相對都處于較低水平。

2008年上海就建設了交通綜合信息平臺，北京、深圳等也相繼建設了智慧交通體系［10］，高鐵樞紐需接入這些智慧交通體系，構建樞紐信息平臺。只有充分利用大數據技術，將道路交通信息、門戶網站出行信息、交通聯網售票、交通流量引導、停車引導、3D地圖、出租車網約等信息進行整合、挖掘，才能為旅客提供多種出行方式信息與智慧化交通疏導，實現一站式服務、客運換乘“零距離”。

高鐵樞紐提升信息服務要實現智能列車車顯，智能公告、智能服務引導、智能指路、智能動態標識，如結合BIM模型建立的3D空間立體導航系統（見圖1），彌補平面地圖的空缺、實景指路，為旅客提供大數據信息處理后、更實時高效的公共信息廣播提示、更精準人性化的旅客決策支持（語音實景指路）和服務建議（智能線路規劃）、就地簡潔化查詢與無須下載APP簡單掃碼即可開啟的查詢。

圖1 3D空間立體導航系統

3.2 全實景交通監控、資源共享，消防安全聯控

高鐵樞紐建成后將有公交、大巴、商鋪等多家單位入駐運營，而其監控設備、消防設備分散于各家區域，比如南京南站配套市政部分僅1套消防報警系統1個泵房卻分3家運營單位管理，安全隱患多。應結合BIM技術、自主研發5G網下的集成平臺，將交通車流信息、停車數據、安全監測、消防設施的實時信息統籌于同一管理平臺而不是分散于各家實體，才能提高整體管理效率。

當出現緊急事件或故障時，指揮中心大屏上將快速反應并通過BIM模型快速定位到事件位置，同時系統自動顯示事件實時情況，并調出對應的解決方案以及一系列聯動的數據信息，讓管理人員可以快速應對、快速指揮、快速解決突發問題。

3.3 利用BIM建模，規劃、設計、建設、運營、管理一體化

高鐵樞紐應實現BIM數字化管理，將設計、施工、養護、運營各階段的信息，以多維信息的可視化形式展現，通過BIM+GIS的集成融合、三維可測實景技術，多源智能監測傳感信息實時融合、實現樞紐全生命周期資產管理、基礎設施安全、精明管控的百年運營［2］。

淮安東站高鐵樞紐施工中成功運用BIM技術，創造了20萬m2、20億元投資的超大型高鐵樞紐365 d安全完工開通的紀錄，但是由于重建設輕運用，BIM成果無法繼續服務于運維。

3.4 建立BIM運維綜合管理平臺

基于BIM技術、利用大數據、云計算、和物聯網技術，研究開發BIM智慧運維管理平臺，將高鐵樞紐運維管理的核心任務、樓宇自動化、安防管理、消防管理、能耗管理、統計分析等各智能設備系統的控制管理集成在一個統一的管理界面上，提高高鐵樞紐運營維護管理水平與整體監測與控制能力，降低能耗，降低運維成本、實現“無人化、少人化”運維。

3.4.1 BIM+SOA構建維護管理平臺框架

建設階段的BIM成果可以實現高鐵樞紐全信息域的準確化三維模擬，將通風空調、給排水、發供電、防護、監視、報警等各個功能子系統的各種異構數據庫（數據表）統一到BIM平臺。Service Oriented Architecture（SOA）架構體系特別適合在分布式計算環境中動態地描述、發布、發現和調用，憑借著BIM數據庫的統一，SOA架構結構的開放，可構建靈活的維護管理服務平臺，可以無縫地融合多系統，也可方便地實現功能升級，形成高鐵樞紐可持續拓展的維護管理平臺。

BIM運維綜合管理平臺包括綜合管理端與移動終端（含APP端與微信端）。綜合管理端主要是基于平臺的C/S與B/S的混合架構，實現基于BIM模型的本地與遠程的運維與管理；移動終端則主要是基于市場的主流操作系統（包括Android與IOS），實現移動式的運維與管理功能（見圖2）。

圖2 BIM運維管理平臺系統架構

3.4.2 場景自動巡檢功能

在平臺場景自動巡檢功能下可自動漫游展示，可全景360°自由瀏覽，自主操作，也可模擬人物在場景中以第三人稱視角進行場景漫游，可以直觀看到設備的報警狀態、運行參數。

3.4.3 設備數據庫與聯動運維、電子巡更

對樞紐內各系統的設施設備建立檔案庫，提供全生命周期的數據記錄，由系統根據設備的唯一性生成二維碼或RFID等數據，建立其獨立的臺賬記錄，以供巡查檢修人員在最短的時間內對設施設備計算出最有效的維護手段。BIM平臺建立設備全生命周期設備數據庫、聯動運維見圖3。

樞紐BIM平臺可制定維護保養計劃，設定提醒時間，自動推送計劃到相關負責單位（或負責人）的移動終端上，派送巡查工單。可在模型中設置電子巡更點，可直接調取對應巡更點所有的歷史記錄。在BIM運維平臺上可直接定位到設備，顯示該設備實時參數等，保持現場一致的設備外觀及點位，動態形式展示水流方向、設備運行狀態及液位，出現故障，集成系統給出操作建議。

圖3 BIM平臺建立設備全生命周期設備數據庫、聯動運維

3.4.4 集成視頻監控系統、門禁系統，并形成聯動

BIM平臺可集成視頻監控系統，將監控設備（攝像頭）直觀地加載在BIM模型中，點擊任一攝像頭設備，可以直接查看其實時畫面。平臺可集成門禁系統并與視頻監控系統聯動，點擊任一門禁設備，能夠直觀地展現門禁設備的空間布局情況，查看出入情況。當出現異常報警時，平臺能夠快速定位到異常的設備位置，通知管理人員，聯動附近攝像頭。

3.4.5 集成照明系統與停車系統聯動、與入侵報警聯動

BIM平臺上對接照明系統，管理者可在照明系統首頁點擊任意一層進入單層照明場景，可聯動視頻監控，實時查看現場的畫面，讓管理者更加高效地管理運維，達到節能的目的。

平臺上通過停車管理單層，停車位數目、當前停車位數目、當前車輛停放數目等信息實時地顯示在BIM平臺上，方便管理人員對車位的調度。用戶可通過微信掃二維碼即可實現步行導航、停車位導航與反向尋車，讓停車、找車變得輕松簡單。智能照明系統與入侵報警系統的聯動見圖4。

圖4 智能照明系統與入侵報警系統的聯動

3.4.6 BIM觸摸式服務平臺

平臺內展示整個建筑BIM模型及相關信息，來訪客戶可以通過服務平臺在建筑內漫游，瀏覽整個建筑，了解整個建筑大樓信息，可以通過服務平臺快速定位建筑內的各個位置，并自動規劃行走路線。BIM觸摸式服務平臺見圖5。

3.4.7 BIM移動終端

移動終端與BIM運維平臺相對接，運維指揮人員通過平臺發布任務或相關信息，信息推送到運維人員的移動終端，運維人員通過移動終端接收到任務或信息進行實際操作或查看（見圖6）。

以上基于BIM的智慧運維管理平臺，功能比傳統的樓宇自動化更強大、更實用、更先進。如：設備管線等三維可視化地精確維護，基于移動終端的現場隱蔽工程顯式化，應急處置下的三維可視化預覽和演練、智能化系統運行的實時提示；報警的工單自動派發、工單派發后的自動流出管理、工單完成后的情況統計和任務評估，其中工單不僅僅限于智能化系統，而是整個高鐵樞紐的所有機電系統；高鐵站資產管理和三維可視化展示和報告、能耗綜合分析與節能建議；可實現子系統間聯動：視頻監控系統和入侵報警系統的聯動（入侵報警觸發后視頻進行云臺、焦距等自動調整并開啟全時錄像功能，入侵報警取消或處理后，視頻恢復原狀態），視頻監控系統與停車場管理系統的聯動，停車場管理系統與智能照明系統的聯動，信息發布系統與入侵報警系統的聯動，智能照明系統與入侵報警系統的聯動。

圖5 BIM觸摸式服務平臺

圖6 移動終端首頁

4 結束語

高鐵站綜合樞紐數量、規模與其核心地位與日俱增，但是存在“重項目、輕規劃”“重建設、輕應用”［11］等諸多的問題，只有通過強制性推行“智慧化”城市理念，充分運用BIM集成技術、大數據、物聯網等新信息技術，減少各方資源割據與建管分離，真正意義的智慧規劃、智慧設計、智慧建設、智慧運營與管理，才能實現合理的規劃、統籌集約的建設、精細的運營。