智慧單軌交通總體發展展望

魏宏偉 夏 昕

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 研究背景

2020 年初,中國城市軌道交通協會遵循“推進城軌信息化,發展智能系統,建設智慧城軌”的建設主線,組織編制并發布了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》(以下簡稱《綱要》)[1],提出智慧城軌建設目標、重點任務等,各城市順應綱要的要求,紛紛開展智慧城軌的建設[2-5]。跨座式單軌作為城市軌道交通中的一員,也需進行智慧化研究工作[6-10]。

跨座式單軌屬于中等運量軌道交通系統,具有建設成本低、適應性強、噪聲低、轉彎半徑小、爬坡能力強等優點。目前,已有30 余座城市將跨座式作為城市交通干線并進行線網規劃[11-13],許多學者對跨座式單軌的適應性、線網的規模、線路的走向、站位的設置、系統的組成等方面進行研究[14-16],但較少對單軌智慧化建設進行深入探討,以下將針對智慧單軌的發展進行研究。

2 跨座式單軌主要特點分析

跨座式單軌與傳統地鐵有以下區別。

(1)運輸能力及適用范圍不同

跨座式單軌根據不同的車型和編組,單向高峰小時輸送能力為1 萬人～3 萬人,特別適用于:①中等城市(中心城區人口100 萬～300 萬)的軌道交通干線;②大城市(中心城區人口300 萬以上)的軌道交通加密線;③地形復雜、道路資源緊張的交通線路;④旅游觀光線路;⑤對噪聲、振動等環境指標要求高的大型社區和組團內部交通線路。

(2)功能及投資不同

目前,除重慶市將跨座式單軌作為了城市軌道交通的加密線路外,其它在建或計劃修建的城市基本都將中運量跨座式單軌作為了城市的交通干線,這些城市均為經濟較為發達的中型城市,與建設地鐵的經濟發達、人口眾多的大型城市有顯著區別,同時兩者的建設投資差異巨大,跨座式單軌造價為3 億元/km 左右,而地鐵通常為(6 億元～8 億元)/km。

(3)建設規模不同

一般情況下,規劃或建設跨座式單軌的城市,其線網規模要遠小于地鐵建設城市,通常由6～8 條市區線路及2～4 條市域線路組成,總體規模多為10～15 條,規劃里程多為300～400 km;而進行地鐵建設的城市,線網規模多為20～30 條,規劃里程達1000 km 以上。

(4)智慧化程度差異

跨座式單軌建設起步較晚,但其建設先進程度后來居上,如蕪湖跨座式單軌采用全自動運行技術方案,而地鐵全自動運行技術應用普及率較低。

3 智慧單軌研究思路

(1)中運量的跨座式單軌通常為高架方式敷設,運量較地鐵小,車站規模也較小,故在地鐵中進行的地下區間監測、車站內導航等在智慧單軌中可以省去;另外,由于跨座式單軌整體投資較低,應以方便日常運維,降低后期維護成本為目標。

(2)跨座式單軌規劃建設的城市初期通常僅有1～2 條線路開工建設,后續建設速度也不如地鐵,故在智慧化應用中,城軌云及大數據平臺建設宜分步進行。

(3)跨座式單軌規模小、投資低,故需要技術先進、自動化程度高的智慧方案,以減少日常的運營、維修、維護工作,并進一步降低成本。

(4)跨座式單軌具有中低運量的特性,客流總量及普通車站的客流密度與常規城市軌道交通有很大差別。因此對票務、安檢等與乘客服務深度相關的設備系統的智慧化研究,可建立在低客流密度的基礎上,對一些地鐵應用加以優化創新,再納入到智慧單軌建設。

(5)跨座式單軌應用較少,單軌車輛的生產制造廠家也較少,故傳統單軌車輛的標準化、系列化程度較低,造成車輛運營、運維、檢修差異化大,相關配套的運營設備、運維設備、檢修設備都存在差異性,進而導致設備數量及管理難度增加。

總體而言,智慧單軌的主要建設目標是以較少的工程建設成本、運營維護成本取得較大的經濟社會效益,故需要將其建設為高度集成化、自動化、智慧化的單軌系統。

4 智慧單軌主要建設內容

智慧單軌的建設應遵循《綱要》要求,即鋪畫1 張智慧單軌發展藍圖,創建智慧單軌乘客服務、智能單軌運輸組織、智能單軌能源系統、智能單軌列車運行、智能單軌技術裝備、智能單軌基礎設施、智能單軌運維安全和智慧網絡管理8 大體系,建立1 個單軌云與大數據平臺,制定1 套中國智慧單軌技術標準體系(即“1-8-1-1”布局)。智慧單軌主要研究體系及內容見圖1。

圖1 智慧單軌主要研究體系及內容

應將有利于顯著提高乘客體驗度和服務水平、體現智慧單軌建設以人為本的先進性的技術,以及有利于顯著提高運營維保自動化或者智慧化程度的、減員增效的技術應用作為主要方向。

4.1 智慧單軌乘客服務體系建設

以乘客需求為核心,在智能診斷和科學決策的基礎上,針對乘客的進站—引導—安檢—購票—進站過閘—上車—乘車—下車—換乘—出站引導—出站過閘全過程出行鏈,依靠各類智能終端,提供精準化、智能化、個性化的全過程出行服務。實現公眾出行感受更美好便捷。主要包括以下幾部分內容。

(1)智慧出行

針對乘客出行的需求,提供多平臺、多終端、多功能的全出行鏈引導服務。

(2)智慧安檢

采用新型智能化安檢設備,結合檢票/安檢一體化的需求,建立一套基于實名信用體制的新型安檢模式。

(3)智慧票務

進一步優化票種,實現無感支付、快速通過,提高票務管控力度,減少人工作業量。采用新型終端設備實現與輕量化車站的協調統一。

(4)智慧乘車

實現候車、乘車兩個場景智慧化的乘車引導、乘車服務以及一些應急響應服務。

(5)智慧客服

通過智慧化手段,提高客服中心工作效率,提升乘客的服務體驗,減少運營人力耗費。包含票務事務處理、應急、招援、便民服務等功能。

(6)智慧保障

通過提高車站對車站環境、設備、乘客異常事件等信息的感知能力,實現智能化的環境動態調控,以及應急事件的迅速響應處置。

4.2 智能單軌運輸組織體系建設

通過考慮深層次互聯互通要求,進行互通運營組織模式設計、交路和配線設計、技術設備選型設計等,實現運能運量精準匹配、線網運輸互聯互通、乘客出行快捷便利、網絡化運輸組織高效等要求。

(1)智能單軌互聯互通運輸組織多層次的需求分析。包括城市軌道交通網絡化發展態勢、互聯互通需求、國外城市軌道交通互聯互通發展的經驗借鑒、互聯互通的層次及其特征等。

(2)智能單軌互聯互通運輸組織的適用范圍和適用條件。包括跨座式單軌系統的種類與主要技術特征,互聯互通的主要技術障礙、互聯互通的先決條件以及智能單軌互聯互通運輸組織的適用范圍及適用條件。

(3)不同速度等級、不同停站方案的智能單軌互聯互通運輸組織模式。包括對線路能力、旅行時間、換乘系數、候車時間、配線布置等方面的影響分析。

(4)網絡化智能運輸組織體系和線網運營調度(應急)指揮中心的研究設計。

4.3 智能單軌能源系統建設

通過智能化技術促進分布式光伏發電、配電網絡能耗動態監測在智慧單軌能源系統中的應用,各系統應貫徹綠色理念實施,對設備運行狀態實時監測與控制,全生命周期管理,設備故障及時上報,智能運維、節能管理,以支撐軌道交通系統綠色環保的可持續發展。

(1)分布式光伏發電

采用光伏組件,將太陽能直接轉換為電能的分布式發電系統,是一種新型的、具有廣闊發展前景的發電和能源綜合利用方式,結合智能化技術,實時采集發電量、用電量等數據,實現電能的有效配置,不僅能提高同等規模光伏電站的發電量,還能有效解決電力在升壓長途運輸中的損耗問題。

(2)配電網絡能耗動態監測

利用智能化、大數據技術采集各用電信息,如用電量、電壓、電流、有功、無功、功率因數、停電累計時間等參數,以及用戶是否處于正常用電狀況等信息,實現電能質量自動化管理及決策,確保電網運行安全、可靠、經濟。

此外,設置各種負荷統計和管理界面,對全線負荷進行分析和統計,便于對各種用電負荷進行考核管理,并制定相應的節能管理制度。

4.4 智能單軌列車運行系統

(1)基于無線通信的列車運行控制系統互聯互通工程規范和全自動運行系統技術、建設指南,深入研究跨座式單軌在網絡化互聯互通全自動運行方面的頂層設計。

(2)通過對列車自主運行系統進行分析研究,結合跨座式單軌工程特點及運營需求,分析并提出適用于跨座式單軌的列車自主運行系統及設備配置方案。跟蹤列車虛擬編組的研究進展,分析其在跨座式單軌應用的可行性。

通過深入研究智慧城軌發展綱要,結合實際項目運營需求和系統設置,提出適用于跨座式單軌的互聯互通全自動運行方案,進一步深化共線、跨線、越行等運營場景設計,提升線網級資源共享水平,提升列車運行效率和運營靈活度。為后續跨座式單軌信號系統工程設計提供技術支撐。

4.5 智能單軌技術裝備體系建設

研究智能化、新能源單軌交通制式的車輛、機電設備(電梯門等)以及智能通信平臺、車地旅客向導信息一體化和基于云架構、大數據、4G/5G+的人臉識別、智能分析、智能視頻感知的智能視頻系統。

4.6 智能單軌基礎設施建設發展

研究基于BIM 技術的協同可視化設計,基于云平臺的多元數據融合及施工組織、資產管理和運營維護等服務,基于智能制造設備的自動化加工,基于智能感知設備的信息自動化采集和分析,建立智慧單軌礎設施資產管理平臺,融合BIM、物聯網、移動應用等技術賦能基礎設施領域,全面提升設計、建造和運維管理的效率與質量。

4.7 智能單軌運維安全體系建設

研究針對車輛、車輛檢修設備、道岔、供配電、接觸軌、通信、信號以及車站機電設備等系統的智能運維體系;研究設備故障預測與健康管理系統,實現設備全生命周期的管理;研究設備日常監測、預測預警和應急處置為一體的單軌交通運維安全綜合保障體系;研究以三維模型為數據載體、全壽命周期的綜合運維監管。

針對單軌道岔,采用數據采集及圖像分析技術對道岔梁、鎖定機構、驅動機構、電氣控制系統等關鍵部件進行在線監測與診斷,并將監測結果傳送給綜合維修系統,提高提升道岔診斷的自動化水平、降低人工檢測作業難度、提高診斷檢測準確率、減少安全事故的發生。

針對單軌車輛,建立車輛智能檢測綜合管理系統,包括車載智能檢測功能、軌旁智能檢測功能、車輛履歷管理功能,實現對車輛本身運行數據的采集管理分析。同時,為車輛檢修的車輛基地構建智能場段管理模塊,實現對車輛的檢修管理、檢修設備本身的運維管理以及作業人員的管理。

采用非接觸式3D 成像技術、高精度傳感測量技術、機器視覺圖像處理等技術,對接觸軌技術參數進行測量并監測靴軌運行狀態,采集的數據及日常維護信息可自動上傳至信息管理系統,以提高運檢效率、降低檢修成本。

4.8 智慧網絡管理

單軌智慧網絡管理研究內容主要為構建一套智慧運營的管理系統。

智慧運營管理系統包括但不限于設備管理、財務管理、人力資源、客戶關系管理、企業信息管理、工程項目管理、工程數據管理、資產管理等。

通過建設智慧運營管理系統,能為智慧企業網絡化管理提供全面支撐。

4.9 單軌云與大數據平臺

單軌云與大數據平臺是智慧單軌的基礎,是各類智慧化應用的載體。針對單軌的特點,分別研究其單軌云、大數據平臺的建設方案,比選出適合單軌交通實際需要的單軌云與大數據平臺設計方案。

研究的關鍵點是單軌云與大數據平臺建設的模式,即自主建設還是租用公有云。對于線網線路數量較少的單軌建設城市,尤其是初期通常僅有1～2 條線路,云平臺的優勢無法充分體現,同時云平臺的建設與運營維護成本較高,面對單軌整體的投資來說,占比較大。此時可以考慮租用公有云或者與當地智慧城市的云平臺合建等方式,尤其是后者,可以直接將數據與智慧城市的平臺打通,完善智慧城市智慧交通的板塊內容。

在單軌云的平臺建設中,綜合考量各系統的系統特點及功能性,考慮信號系統關乎行車安全等重要職責,確定信號系統應獨立建設。

信號系統海量運行數據是云系統的重要信息來源,各系統以此執行下步各項操作。應打通云平臺與信號系統的數據鏈路,又要保證雙方系統的安全性,需設置一個中轉平臺,中轉平臺由接口服務器、數據服務器、存儲設備、交換設備及網絡安全設備組成。

云平臺與信號系統的各類數據并不直接通信,通過中轉平臺的網絡安全設備,在中轉平臺接口、數據服務器中傳輸處理,在存儲設備中保存,再通過各自的服務器對中轉平臺的數據進行調用。

5 結語

分析跨座式單軌的特點,基于跨座式單軌與傳統地鐵的差異,提出跨座式單軌智慧化建設的方向,從乘客服務、智能單軌運輸組織、智能單軌能源系統、智能單軌列車運行、智能單軌技術裝備、智能單軌基礎設施、智能單軌運維安全、智慧網絡管理、單軌云與大數據平臺等方向分析智慧化發展的目標,對未來智慧單軌技術標準體系建設具有參考和借鑒價值。