面向雙碳戰略的城市軌道交通運營綜合效能提升技術研究

李 樊

（中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081）

1 引言

在建設交通強國的時代背景下，城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）憑借其運量大、速度快、安全性高等優點，成為我國城市交通運輸體系的重要組成部分，獲得了迅速發展。截至2021年12月底，我國內地共有50個城市開通運營城軌線路，運營里程9 192.62 km[1]。

為加快我國節能減排的步伐、引導綠色技術創新、提高產業經濟的全球競爭力，我國政府相繼發布《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》[2]和《2030年前碳達峰行動方案》[3]，制定了實現碳達峰、碳中和（以下簡稱“雙碳”）目標的總體戰略和政策指引；對于交通運輸行業，提出了加快推進低碳交通運輸體系建設、推廣節能低碳型交通工具、積極引導低碳出行的要求。

城軌作為用能大戶，需站在實現雙碳目標征程的前列。為此，建設智慧城軌勢在必行。這一舉措旨在推進智慧賦能，通過智能技術高效管理城軌建設、運營相關的核心業務，解決傳統城軌運營過程中出現的短板，從而實現城軌網絡化運營，達到降低運營成本及能耗、提高服務質量及運營綜合效能的目標。為此，中國城市軌道交通協會于2020年3月發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[4]（以下簡稱《綱要》），闡述了智慧城軌的內涵，描繪了智慧城軌建設的藍圖。

如何抓住當前的重大發展機遇，利用智慧化技術，提升城軌運營綜合效能，在推進《綱要》落地實施的同時實現雙碳戰略目標，是目前城軌發展面臨的重大課題。

2 城軌運營現狀分析

城軌正常運行消耗的能源量相當大，但是按照同等運力計算，其僅為小汽車的1/9，公共汽車的1/2[5]，加之其占地面積小、運營成本低，因此大力發展城軌對節能減排具有重要意義。

然而，目前在推進城軌網絡化、綠色發展的進程中，仍存在以下問題。

（1）車站綜合運營管理水平亟需提升。車站在城軌網絡中發揮著重要的銜接作用，對其進行有效的監控與管理是城軌高效運營的保障，但目前其存在專業設備部署分散、信息資源共享程度低、業務流程協同效率不高、智能化綜合管控難以實現、能源基礎數據整合困難等問題。

（2）能耗監測手段有待提高。城軌車站內仍采用傳統方式統計能耗，數據更新周期長；冷卻水、風機裝置的運轉目前采用定時任務模式，風水聯動系統無法智能化聯動，存在進一步優化空間；工作人員難以及時發現和處理電表、水表等發生的故障；人工抄表存在數據錯漏、重復統計修正、無法實時統計和上報等問題。上述問題均導致運營過程中大量人力及資源的耗費。

（3）乘客服務與引流措施仍需改進。目前從進站到出站的全鏈條式服務不完善，乘客“出行即服務”的精準性、個性化有待提高；特大城市的城軌線網對潮汐客流的引流、分流效果較弱，中小城市的城軌對乘客的吸引力不足。

（4）運營綜合效能評價體系有待完善。目前，城軌運營相關的新系統、新設備層出不窮，智慧功能不斷疊加。在這種情況下，缺乏一套行之有效的綜合能效評價體系，對各系統、各功能的實際效能進行評估，難以依照現有應用場景和現實需求平衡成本、能耗、智慧化元素之間的關系。

為解決傳統城軌運營中存在的上述數據孤島、信息離散、能源綜合管控能力弱等問題，應增強城軌運營管理的多態場景適應性，構建網絡化運營管理、智能化能源監測與管控、全系統全要素資源優化配置等系統，實現設備維護、運營管理、乘客服務的安全化、高效化和綠色化。其具體途徑就是以大數據、人工智能、物聯網、云計算等新技術為基礎，構建智慧能耗管理、智能線網運營調度等平臺，對車站及線網的運營、調度、能耗等實施智慧化管理，以求在節能降耗的同時，提高城軌運營綜合效能。

3 運營綜合效能提升重點方向

3.1 提升車站運營效能

建設智慧車站以提升車站運營效能，是提高城軌運營綜合效能的重要抓手。應秉持“安全可靠、需求導向、經濟合理”的原則，在洞悉乘客、企業、政府等多元主體內在需求的基礎上，根據車站功能需求和技術條件，實現各種智慧車站應用場景，打造人工與智能系統全方面協同聯動的新型車站。智慧車站應具備智能客服、無感支付、全息感知、智能導向、一鍵開/關站、智能站務管理等基礎功能，以及智慧安防、客流監測與預警、能源管理、電扶梯智能監控、乘客異常行為分析等拓展功能。

智慧車站可依托采集到的數據，評估車站當前的運營效能、設備能耗情況，并據此自動更新升級車站內部管理機制及設備節能措施，增強城軌運營管理的多態場景適應性，改善傳統車站運營中的數據孤島、信息離散、平臺封閉、響應被動等問題，達到節能降耗、減員增效、提高管理及服務水平的目的。其系統功能架構如圖 1所示。

圖1 智慧車站系統功能架構

3.2 提升車站能耗管理效率

智慧能耗管理平臺是城軌實現節能的重要系統。其可對城軌車站的耗能設備（如照明、空調等系統）進行管理，在采集、記錄、分析各專業設備能耗量的基礎上，結合車站內運營需求及政策要求制定合理的節能計劃。其具體功能如下：根據城軌列車早/晚的發車/停運信息，結合車站客流預測、監測情況，制定和動態調整照明、空調等設備的能效管控策略，并控制上述設備執行相關節能措施；通過采集不同區域、不同設備的能耗數據，并據此分析各類各項能耗情況，為能效評估提供數據支撐，同時根據歷史數據制定一段時間內的設備能耗計劃，并在設備實際能耗超出閾值時進行報警，提示工作人員查看設備的運行狀態，達到降低能耗的效果，如圖2所示。

圖2 智慧能耗管理平臺功能圖

此系統可以幫助車站管理人員更加全面深入地了解車站設備的能耗情況，通過分析能源供應的安全性以及設備運行能耗的合理性，評估設備節能效果，挖掘設備節能潛力，并提出節能策略，從而實現對能源從輸配到消耗全過程、多方位的管理。

3.3 完善全出行鏈乘客服務

完善全出行鏈乘客服務是城軌運營效能提升的重要表現形式。其具體內容包括：對于新建綜合客運樞紐中的各種運輸方式，應集中布局、融合發展，打造一體化換乘環境；繪制全出行鏈的乘客畫像，通過對乘客出行全鏈條服務需求的主動感知和精準分析，提供多樣化服務并創新服務模式；開發涵蓋智慧票務服務、站務服務、乘客服務等智慧化場景的解決方案并研發相關系統，在進站、安檢、售票、檢票、換乘、出站全過程中為乘客提供便捷、舒適、人性化、多樣化的出行服務；通過客流監測、客流密度分析等方式完善城軌客流導向功能，提升線路、車站的客流疏導能力；運用碳積分等方式鼓勵乘客選擇城軌出行，提高城軌對客流的吸引力，如圖3所示。

圖3 智慧乘客服務功能

3.4 提升線網運營效能

提高城軌線網運能和運量的匹配度是實現其運營效能提升的核心，也是降低城軌運營能耗的關鍵。其具體內容包括：圍繞網絡化行車調度、線網應急指揮與協調、運行圖自動編制、運能運量動態評估等核心業務，構建線網級智能運營調度平臺，優化城軌運營方式和組織模式，建立覆蓋車站-線路-線網的“點、線、面”3級運營體系，實現統一的運營組織、調度聯動、應急指揮、運營策劃、乘客服務，推進城軌網絡化運營，如圖4所示；圍繞實際運營中的客流預測、運行圖動態編制與調整等需求，采用多維度、多粒度城軌客流預測技術，以客流驅動線網運力運量的自動調整匹配，同時利用線網運能運量動態適應技術，輔助網絡化運營的決策管理；通過線網互聯互通以及共線、跨線運營組織，提高網絡化運營效率，有效減小換乘站客流組織壓力，降低列車空駛率，提升線網運輸效能。

圖4 線網級智能運營調度平臺架構

4 關鍵技術

4.1 城軌物聯監測技術

城軌物聯監測技術是利用信息傳感、射頻識別、定位等技術，通過工業互聯網，對城軌照明、通風、電扶梯、站臺門、視頻監控、乘客信息、自動售檢票等各系統的海量狀態數據進行感知、采集、匯聚、分析，實現信息的跨設備、跨系統、跨區域傳輸以及人、機、物等要素的全面互聯，從而支撐城軌各類生產要素的泛在連接和高效配置。利用該技術可對客流量、環境、能耗、設備運行狀態等數據進行智能化分析，對各專業子系統開展智能化集成監控，對城軌信息資源進行融合調配和智能管理。

4.2 城軌云腦平臺

城軌云腦平臺以云計算和人工智能（AI）等新技術為基礎，通過城軌業務、城軌數據、城軌AI、數字孿生等中臺打破城軌各專業子系統之間的傳統信息壁壘，對城軌運營全過程、全系統、全要素進行感知與賦能。通過城軌云腦平臺推演模擬能耗關聯場景，建立設備能耗模型、性能演化分析仿真模型、多孿生體系統協同控制模型等各類機理模型及預測算法模型；基于海量的運營能耗數據和實時監測數據，實現數字孿生體之間的能耗數據融合與協同，以及對城軌運營綜合能耗的趨勢分析和節能綜合管控，從而有效降低城軌運營成本。

4.3 設施設備智能故障診斷技術

城軌設施設備眾多，某些設備一旦出現負荷超載、性能衰減、故障，可能造成能耗快速異常增加，影響城軌的正常運營，甚至危及城軌的運營安全。城軌設施設備智能故障診斷技術可基于設施設備運行機理提取特征參數，并利用統計方法、時間序列、數據挖掘等多種算法模型對數據進行綜合分析，從而實現對設施設備健康狀況的量化評估。

5 對策

為進一步提升城軌運營綜合效能，建設面向雙碳戰略的智慧城軌，本文提出如下對策。

5.1 構建城軌運營綜合效能評價體系

從改善乘客服務、提高設備管理水平、增強應急處理能力、打造車站智能站務、提升運營組織效率、實現智慧迭代等多個維度構建城軌運營綜合效能評價體系。該評價體系以提升城軌運營綜合效能為總目標，以城軌各專業系統的穩定性、安全性、有效性、經濟性和環保性為衡量指標，可運用關聯分析法分析各因素的關聯情況，為企業相關部門提供有利的參考依據，從而保障智慧城軌規劃藍圖和頂層架構的高質量落地實施。

5.2 完善城軌用能和節能標準體系

明確、量化及有針對性的用能和節能標準是評價城軌各專業節能降碳成果的重要依據。應根據城軌行業特點和發展預期，針對不同專業設備、系統，科學設定能效基準水平，建立相應的能耗評價標準及不同場景下的能耗關聯指標體系；對于城軌車站，應分區域、分功能、分類別地確立精準化、差異化的能耗指標和監管原則，以優化車站的用能和節能措施。

5.3 充分利用智慧城軌相關建設成果

為了為城軌運營綜合效能提升、節能降耗提供全方位技術支撐，應充分利用智慧城軌建設成果，如智慧車站系統、綜合能耗管理系統、精確匹配運能運量技術、多交路運營組織技術、通風空調智能調控技術等，并將節能增效與運營生產管理進一步緊密結合，制定科學合理的運營管理方案，推動智慧化技術在城軌領域的應用，促進城軌可持續、高質量發展。

6 結束語

雙碳戰略的實施對城軌行業既是巨大的挑戰，更是實現高質量發展的機遇，行業應著眼現狀和未來發展的全局，將智慧城軌元素與節能環保的理念深度融合，加快提升城軌運營綜合效能，為乘客營造舒適、綠色、安全、便捷的出行體驗，為推進我國雙碳戰略及交通強國戰略助力。