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    基于智能高鐵建設(shè)實踐的智慧城軌整體設(shè)計方案研究

    2020-09-02 09:10:25于鑫
    現(xiàn)代城市軌道交通 2020年8期

    于鑫

    摘 要:為推動我國智慧城軌健康快速發(fā)展,助推《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》的落地實施,基于智能高速鐵路相關(guān)實踐經(jīng)驗,秉持《發(fā)展綱要》中的建設(shè)思想與目標,同時結(jié)合城軌領(lǐng)域各專業(yè)的業(yè)務(wù)特點,從構(gòu)建能力架構(gòu)、功能架構(gòu)與物理架構(gòu) 3 方面,提出具有實操性的智慧城軌整體設(shè)計方案,并給出保障措施和發(fā)展建議。

    關(guān)鍵詞:城市軌道交通;智慧城軌;智能高鐵;整體設(shè)計方案

    中圖分類號:U213.9

    1 引言

    當前,我國城市軌道交通智能化發(fā)展迅速。隨著全球科技創(chuàng)新進入空前密集活躍期,以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等信息技術(shù)為主導(dǎo)的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在為各領(lǐng)域的智能化發(fā)展點燃新引擎[1-2]。伴隨中國制造2025、交通強國、智慧城市、新基建等若干重大戰(zhàn)略的提出,科技革命、創(chuàng)新驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)格局重塑、經(jīng)濟發(fā)展轉(zhuǎn)型升級等組合作用,推動了我國城市軌道交通的智能化大發(fā)展[3-4]。

    城軌智能建造、智能裝備、智能運維、智慧車站、智慧服務(wù)等若干智能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[5],既契合了城軌運營企業(yè)對于安全、可靠、高效地管理運營規(guī)模急劇擴張線網(wǎng)的技術(shù)訴求,更充分地貫徹了“規(guī)劃建設(shè)為運營,運營服務(wù)為乘客”的行業(yè)服務(wù)理念[6-7]。北京、上海、廣州等形成網(wǎng)絡(luò)化運營的城市已經(jīng)率先提出各具特點的智慧城軌建設(shè)總體架構(gòu)與實施方案[8-11],并在不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域開展了程度不一的探索與實踐。而其他后發(fā)城市也躍躍欲試,在部分領(lǐng)域形成了獨特的智能應(yīng)用技術(shù)。為促使我國城軌交通行業(yè)智能化的健康發(fā)展和智慧城軌的有序建設(shè),2020年3月,中國城市軌道交通協(xié)會(以下簡稱“中城協(xié)”)發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡稱《發(fā)展綱要》),以統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略,明確建設(shè)目標,確定重點任務(wù),謀劃實施路徑[12]。

    《發(fā)展綱要》的提出點燃了各地建設(shè)智慧城軌的熱情,但由于當前相關(guān)設(shè)計標準以及項目實踐經(jīng)驗的匱乏,城軌企業(yè)在規(guī)劃實施智慧城軌項目建設(shè)時,面臨難以結(jié)合自身發(fā)展基礎(chǔ)與實際需求,科學(xué)、合理制定實施方案的困境。本文基于已實施建設(shè)的智能高速鐵路相關(guān)實踐經(jīng)驗,同時結(jié)合城軌領(lǐng)域各專業(yè)的業(yè)務(wù)特點,提出一套針對智慧城軌建設(shè)的整體設(shè)計方案及相關(guān)建議,旨在為城軌企業(yè)開展智慧城軌建設(shè)相關(guān)研究或?qū)嵺`提供思路與啟示。

    2 智能高速鐵路建設(shè)實踐

    近年來,中國高速鐵路取得了快速發(fā)展,截至2019年底,高速鐵路營業(yè)里程超過3.5萬km,占全球高速鐵路營業(yè)里程的60%以上。中國高速鐵路的快速發(fā)展離不開鐵路信息化、智能化建設(shè)的持續(xù)推進。2017年,新時期鐵路信息化總體規(guī)劃發(fā)布,提出“智能鐵路”的戰(zhàn)略目標,中國鐵路總公司正式啟動智能京張、智能京雄等重大工程建設(shè),并提出了建設(shè)智能高鐵的發(fā)展目標[13]。

    中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)以京張高鐵、京雄城際鐵路技術(shù)攻關(guān)和工程建設(shè)為依托,從頂層設(shè)計角度出發(fā)制定了完整的智能高鐵體系架構(gòu)。智能高鐵是廣泛應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、北斗導(dǎo)航、建筑信息模型(BIM)等新技術(shù),綜合高效利用資源,實現(xiàn)高鐵移動裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策,實現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代智能化高速鐵路系統(tǒng)[13]。智能高鐵的總體組成以一個智能高鐵大腦平臺為核心,包含智能建造、智能裝備、智能運營3部分,總體功能架構(gòu)如圖1所示[14]。

    2019年12月30日,京張高鐵開通運營。京張高鐵是我國智能鐵路最新成果的首次集成化應(yīng)用,其實現(xiàn)了智能建造、智能裝備和智能運營,開啟了世界智能鐵路的先河,為構(gòu)建智能鐵路技術(shù)標準體系,初步形成智能鐵路應(yīng)用格局奠定了基礎(chǔ)[15]。京張高鐵在智能建造方面形成了5類典型示范,包括參數(shù)化協(xié)同設(shè)計、BIM + GIS(地理信息系統(tǒng))工程管理平臺、路橋隧軌智能施工、四電智能施工以及客站智能施工;在智能裝備方面形成6類典型示范,包括智能動車組、高速列車自動駕駛系統(tǒng)、智能牽引變電所、智能災(zāi)害監(jiān)測、一體化綜合視頻以及基于BIM的智能綜合檢測;在智能運營方面形成6類示范應(yīng)用,包括工電供一體化運維故障預(yù)測與健康管理(PHM)系統(tǒng)、智能調(diào)度集中系統(tǒng)、智能票務(wù)、智能客站、北斗應(yīng)用以及大數(shù)據(jù)中心[16]。國鐵集團提出打造“精品工程,智能京張”的戰(zhàn)略舉措,使京張高鐵集中國鐵路建設(shè)運營技術(shù)和管理水平之大成,全面展示我國智能鐵路創(chuàng)新發(fā)展的最新成果,成為中國高鐵從世界先進水平向世界領(lǐng)先水平邁進的標志性工程[17-18]。

    3 智慧城軌整體設(shè)計方案

    對于智慧城軌發(fā)展整體規(guī)劃設(shè)計,一些地區(qū)城軌業(yè)主企業(yè)已經(jīng)形成并提出了自有方案。中城協(xié)發(fā)布的《發(fā)展綱要》中也對智慧城軌建設(shè)提出了“1-8-1-1”布局結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展藍圖,其包括了創(chuàng)建智慧乘客服務(wù)、智能運輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運維安全和智慧網(wǎng)絡(luò)管理八大體系,以及建立一個城軌云與大數(shù)據(jù)平臺和制定一套中國智慧城軌技術(shù)標準體系[12]??梢哉f,《發(fā)展綱要》較為全面地確立了建設(shè)智慧城軌需要規(guī)劃建設(shè)的各大體系及相應(yīng)的目標及重點任務(wù),為今后我國發(fā)展智慧城軌把控住了總方向。但是,由于其屬于規(guī)劃類文件,所闡述內(nèi)容尚不足以直接指導(dǎo)工程建設(shè)實施。在此,本文全面基于《發(fā)展綱要》建設(shè)思想、目標與內(nèi)容,結(jié)合智能高鐵實踐經(jīng)驗以及城軌從業(yè)經(jīng)驗,從構(gòu)建能力架構(gòu)、功能架構(gòu)與物理架構(gòu)3方面,提出具有實操性的智慧城軌整體設(shè)計方案。

    3.1 能力架構(gòu)

    智慧城軌建設(shè)應(yīng)以形成全面智能化應(yīng)用與服務(wù)能力為目標,以引領(lǐng)城軌領(lǐng)域智慧化發(fā)展為標桿,以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐,實現(xiàn)覆蓋城軌交通規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營和維護全業(yè)務(wù)流程、全價值鏈條、全生態(tài)體系的智能化,加速推動城軌企業(yè)運營安全、服務(wù)水平、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟效益的全面提升,更好滿足市民幸福出行。在明確上述建設(shè)原則的基礎(chǔ)上,提出“1中心”“2支撐”“3應(yīng)用”的“1-2-3”智慧城軌設(shè)計框架,如圖2所示。

    (1)“1中心”。建設(shè)1個智慧城軌云腦平臺,全面部署“大、物、移、云、智”,綜合承載智慧業(yè)務(wù)與應(yīng)用,圍繞云腦平臺形成全局數(shù)據(jù)信息的充分匯集、交互、融合與分析能力,進而實現(xiàn)全系統(tǒng)的自主采樣、學(xué)習(xí)與決策。

    (2)“2支撐”。建設(shè)2個支撐體系,即智能建造技術(shù)體系與智能技術(shù)裝備體系。設(shè)施設(shè)備是開展運營工作的基本載體,智能裝備與建造技術(shù)體系的構(gòu)建,可為智慧業(yè)務(wù)與應(yīng)用場景提供應(yīng)用基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)信息源支撐。

    (3)“3應(yīng)用”。構(gòu)建3類智能應(yīng)用場景,即智能乘客服務(wù)、智能運營管控、智能運維保障?;谠颇X平臺及智能裝備與建造技術(shù)體系形成智能感知、智能分析、智能聯(lián)動能力,面向服務(wù)主體用戶需求,生成運營、服務(wù)、維保3大智慧場景,用數(shù)據(jù)驅(qū)動安全、效率、效益和服務(wù)的提升。

    在“1中心”“2支撐”與“3應(yīng)用”體系的基礎(chǔ)上,形成開展智能化運營業(yè)務(wù)的支撐能力、覆蓋主要運營業(yè)務(wù)智能化的應(yīng)用能力及主動思維決策能力。通過構(gòu)建上述各體系,總體形成面向乘客、運營、供應(yīng)商、政府部門、協(xié)作單位、區(qū)域同行的服務(wù)能力。

    3.2 功能架構(gòu)

    功能架構(gòu)通過綜合考慮用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用需求與技術(shù)發(fā)展應(yīng)用條件而制定形成,在需求分析的基礎(chǔ)上對“2支撐”與“3應(yīng)用”體系作進一步細分,在18個服務(wù)方向形成若干智能化功能應(yīng)用,整體功能架構(gòu)如圖3所示。

    (1)智能建造技術(shù)。以BIM、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)為手段,以滿足工程項目的功能性需求和不同使用者的個性需求為目的,構(gòu)建城軌項目建造和運行的智慧環(huán)境,通過技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新對工程項目全生命周期的全過程實施有效改進和管理。智能建造技術(shù)體系包含基于BIM的工程建設(shè)管理、橋隧路軌工程智能化施工、四電工程智能化施工、車站智能化建造以及綜合調(diào)試驗收5個智能化服務(wù)方向,可針對城軌交通軌道、橋梁、隧道、路基、車站、通信、信號、供電、風水電全專業(yè)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施,在設(shè)計、建造、調(diào)試、驗收各階段進行智能化管理與實施[19-20]。

    (2)智能技術(shù)裝備。以新技術(shù)、新材料、新工藝為支撐,裝備應(yīng)用智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集約化、人性化的新一代城軌交通車輛系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及機電系統(tǒng),實現(xiàn)列車全自動運行與互聯(lián)互通、能源使用綠色環(huán)保、信息通信能力強勁與靈活便捷、機電設(shè)備系統(tǒng)集中可視可控。智能技術(shù)裝備包含智能列車運行、智能綠色能源、智能通信平臺、智能機電系統(tǒng)4個智能化服務(wù)方向,可為我國城軌自主化技術(shù)裝備的創(chuàng)新研發(fā)應(yīng)用提供廣闊舞臺。

    (3)智能乘客服務(wù)。重視乘客出行體驗,鏈接生活要素,通過更人性化、智能化的服務(wù)手段,實現(xiàn)對乘客出行全鏈條服務(wù)需求的主動感知以及精準分析,并圍繞資訊、出行等關(guān)鍵服務(wù)內(nèi)容進行智能整合、提升,全面提供主動、及時、舒適、便捷的乘客服務(wù)[21]。智能乘客服務(wù)體系包含票務(wù)服務(wù)、站務(wù)服務(wù)、乘務(wù)服務(wù)、客運組織4個智能化服務(wù)方向,可為乘客出行全場景提供智能化服務(wù)。

    (4)智能運營管控。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段,改善傳統(tǒng)運營形式下數(shù)據(jù)孤島、信息離散、平臺封閉、響應(yīng)被動、決策失當?shù)痊F(xiàn)狀問題,綜合增強運營管理的多態(tài)場景應(yīng)用能力,滿足數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的運營品質(zhì)要求,并與乘客服務(wù)的需求相協(xié)調(diào),與區(qū)域一體化發(fā)展定位相適應(yīng),極大提升運營企業(yè)的效率效益[22]。智能運營管控體系包含調(diào)度指揮與車站管控2個智能化服務(wù)方向,可達到運輸組織精準靈活、調(diào)度指揮協(xié)同高效、車站管理全景管控的目標。

    (5)智能運維保障。應(yīng)用泛在數(shù)據(jù)和智能技術(shù)對運維管理、安全管理、資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)進行賦能,以運營相關(guān)的人、財、物為主要管控對象,以狀態(tài)信息的全面感知、綜合分析、精準預(yù)測、科學(xué)決策為手段,實現(xiàn)設(shè)施設(shè)備精準維修維護、系統(tǒng)安全可控、資產(chǎn)靈活利用,全面提高安全服務(wù)水平和管理效率,降低勞動強度、技能要求和運維成本[23-24]。智能運維保障體系包含設(shè)施設(shè)備運行維護、安全保障、資產(chǎn)管理3個智能化服務(wù)方向。

    3.3 物理架構(gòu)

    依據(jù)當前典型城市的城軌交通運營管理體制,按照云端系統(tǒng)與城軌交通現(xiàn)場子系統(tǒng)相結(jié)合的方式,設(shè)計智慧城軌體系的物理部署方案,形成云端的集中管控與終端操控、檢測監(jiān)測相結(jié)合的智慧城軌體系物理架構(gòu),如圖4所示。

    在云端部署智慧城軌云腦平臺以及智慧城軌5大體系的應(yīng)用系統(tǒng)。智慧城軌云腦平臺作為智慧城軌的“操作系統(tǒng)”,為智慧城軌的有效、協(xié)同運轉(zhuǎn)提供通用數(shù)據(jù)、平臺和智能分析能力。根據(jù)功能框架,應(yīng)用系統(tǒng)包括智能建造技術(shù)、智能技術(shù)裝備、智能乘客服務(wù)、智能運營管控、智能運維保障5大體系的18個服務(wù)系統(tǒng)。云端系統(tǒng)通過新一代城軌交通通信平臺、互聯(lián)網(wǎng)與智慧城軌用戶終端相連接,用戶終端主要包括內(nèi)部管理終端和對外服務(wù)終端2類。城軌現(xiàn)場子系統(tǒng)具有高實時性的邊緣計算以及現(xiàn)場操控與處置等功能,可實現(xiàn)城軌業(yè)務(wù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集,通過新一代城軌交通通信平臺與云端系統(tǒng)相連接。

    通過科學(xué)合理的智慧城軌軟硬件系統(tǒng)部署,并使之與前、后端交互關(guān)聯(lián),使得系統(tǒng)全局實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息順暢的傳輸傳遞、深度分析、綜合決策、智能應(yīng)用,實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的城軌交通業(yè)務(wù)及服務(wù)全面智能化與智慧化。

    4 智慧城軌體系建設(shè)與發(fā)展建議

    為全面輔助智慧城軌技術(shù)體系的創(chuàng)新發(fā)展與落地實施,本文從頂層設(shè)計、創(chuàng)新驅(qū)動、融合管理、標準建設(shè)等角度提出以下建議。

    (1)堅持創(chuàng)新驅(qū)動。加大力度研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品、新模式,先機掌握關(guān)鍵核心技術(shù)及知識產(chǎn)權(quán);通過充分融合應(yīng)用大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等先進信息科學(xué)技術(shù),推動智慧城軌交通體系的建設(shè);堅持創(chuàng)新引領(lǐng),驅(qū)動新技術(shù)、新裝備、新模式的落地應(yīng)用,為行業(yè)推廣奠定基礎(chǔ);著重秉持業(yè)主單位主導(dǎo)和引領(lǐng)創(chuàng)新、裝備企業(yè)驅(qū)動創(chuàng)新、行業(yè)同行協(xié)同創(chuàng)新的原則,業(yè)界同仁凝心聚力、同舟共濟,同繪智慧城軌藍圖,共筑交通強國夢。

    (2)加強頂層設(shè)計。智慧城軌體系性極強,并且其相關(guān)技術(shù)應(yīng)用具有前瞻性、顛覆性,因此,發(fā)展智慧城軌應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃、注重頂層設(shè)計,指明發(fā)展方向、把控實施路徑,以最終形成設(shè)計科學(xué)、技術(shù)先進、投資節(jié)省、效益可觀的全局方案,保障智慧城軌建設(shè)順利落地實施。

    (3)實施因地制宜。由于全國各地城軌交通建設(shè)起步時期不同,所處階段不同,特別是對“智慧城軌”的認識程度深淺有別,致使各地城軌業(yè)主單位的信息化進程參差不齊,智能化應(yīng)用程度和水平差異較大,不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域開展的程度也不一致。因此,發(fā)展智慧城軌應(yīng)因地制宜,在智能運維技術(shù)上分階段、分類別實施,堅持成熟技術(shù)“先行先上”,不成熟技術(shù)后續(xù)逐步實現(xiàn)應(yīng)用;依據(jù)當?shù)爻擒夁\營特點,以實際運營業(yè)務(wù)及服務(wù)需求為主導(dǎo)開展智慧城軌設(shè)計與建設(shè)。

    (4)促進融合共享。信息共享是提高信息資源利用率、充分發(fā)揮其效益的重要手段,數(shù)據(jù)共享是大數(shù)據(jù)潛在價值挖掘和利用的重要基礎(chǔ),因此發(fā)展智能城軌應(yīng)促進信息和數(shù)據(jù)的融合共享。統(tǒng)籌工務(wù)、車輛、供電、通號等各專業(yè)信息和數(shù)據(jù)的融合共享;推動乘客服務(wù)、運輸組織、運維保障等各業(yè)務(wù)模塊的信息和數(shù)據(jù)共享;加強管理、規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、供貨、運營、維保等全行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享;推進與交通、政務(wù)、市政、公安等其他行業(yè)的信息和數(shù)據(jù)共享,全面支撐城市軌道交通的智能化發(fā)展。

    (5)推動標準化建設(shè)。推動智慧城軌標準化建設(shè),符合“規(guī)范研究先行,標準指導(dǎo)建設(shè)”的理念和原則。圍繞智慧城軌體系,針對關(guān)鍵領(lǐng)域,形成從頂層管理、監(jiān)督評估、運行應(yīng)用、平臺建設(shè)、數(shù)據(jù)融合到底層感知的系列化標準,彌補在關(guān)鍵環(huán)節(jié)、核心技術(shù)裝備等方面規(guī)范缺失問題,指導(dǎo)智慧城軌建設(shè)項目的有序、高質(zhì)量開展;進一步升級城軌交通智能系統(tǒng)的標準化、規(guī)范化,持續(xù)推動創(chuàng)新智慧城軌體系建設(shè),強化智能系統(tǒng)安全。

    (6)落實支撐保障。為推動智慧城軌體系的健康有序發(fā)展,應(yīng)落實支撐保障。政府主管部門應(yīng)進一步加大智慧城軌發(fā)展的支持及鼓勵力度,支持智能化、智慧化技術(shù)研發(fā)及工程應(yīng)用;大力推廣示范工程,為城軌企業(yè)提供發(fā)展智慧城軌的機會,促進對智能產(chǎn)品和系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)和創(chuàng)新;落實智慧城軌工程建設(shè)、更新改造及科技研發(fā)的資金,進一步引入市場化機制,擴充籌融資渠道,并做好智慧城軌專業(yè)人才培養(yǎng)和人才引進。

    5 結(jié)語

    建設(shè)智慧城軌是實現(xiàn)交通強國戰(zhàn)略的突破口,是智慧城市建設(shè)的先導(dǎo)工程,是行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手,對于國家、城市以及行業(yè)發(fā)展極為重要。同時,智慧城軌建設(shè)是一個龐大的系統(tǒng)性工程,覆蓋面廣、建設(shè)體量大、技術(shù)難度高、實施周期長,不能畢其功于一役。因此,需要全行業(yè)凝心聚力,統(tǒng)籌謀劃全局,圍繞工作主線持續(xù)奮斗、久久為功,為全面建成智慧城軌貢獻力量。

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    收稿日期 2020-08-03

    責任編輯 朱開明

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