智慧高鐵綜合交通樞紐構(gòu)建探討

蔡虹，覃澤宏

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

0 引言

經(jīng)過20年的快速發(fā)展，我國高鐵正從“四縱四橫”邁進(jìn)“八縱八橫”時代。2019年底我國高鐵已達(dá)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(wǎng)的重要節(jié)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(tǒng)籌、銜接、融合城市軌道交通、公交系統(tǒng)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(biāo)，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(shè)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(shù)深度融合，智慧交通發(fā)展趨勢以決策科學(xué)、管理精細(xì)、服務(wù)精準(zhǔn)、主動安全為目標(biāo)；蔡翠［3］認(rèn)為智慧交通指建設(shè)4個“智慧中心”，其中“智慧運輸綜合服務(wù)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(wù)城市（4C）的新一代智慧交通整體構(gòu)思；董瑩等［5］認(rèn)為從技術(shù)內(nèi)涵來說，智慧交通是感知交通、數(shù)字交通、掌上交通的集合體；丁國勝等［6］指出應(yīng)不斷吸納智慧城市理念深化城鄉(xiāng)規(guī)劃理論，發(fā)展“智慧規(guī)劃”，運用新信息技術(shù)對城鄉(xiāng)數(shù)據(jù)收集分析、模擬和預(yù)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(xù)性；陸建［8］也提出目前高鐵樞紐存在規(guī)劃欠合理、投資主體多、權(quán)責(zé)不明晰、設(shè)計不精細(xì)、建設(shè)不合拍、管理部門多、協(xié)調(diào)成本高、城市難融合等問題。如何構(gòu)建智慧高鐵綜合交通樞紐成為日益關(guān)注的問題。

1 我國高鐵樞紐現(xiàn)狀

（1）規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備設(shè)施龐雜、投資巨大。高鐵樞紐規(guī)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(nèi)配套設(shè)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(fā)的面積達(dá)20萬m2，投資達(dá)20億元。在世界范圍內(nèi)，尤其是先于我國40年建設(shè)高鐵的日本，幾乎找不到如此規(guī)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(dá)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(shè)。由于投資建設(shè)主體多而權(quán)責(zé)不明晰，缺乏產(chǎn)權(quán)設(shè)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(shè)者一開始就定位為地產(chǎn)開發(fā)商與運營商，考慮場站建設(shè)與維護(hù)成本，并利用交通設(shè)施帶來道口效益，提升商業(yè)地產(chǎn)價值。

（3）缺失“智慧化”頂層規(guī)劃設(shè)計。一方面由于高鐵樞紐多為地方出資、規(guī)劃、設(shè)計，在涉及與鐵路線路、站房的空間銜接上，考慮不周全，設(shè)計粗糙，交叉問題多，BIM技術(shù)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(yīng)智慧化設(shè)計規(guī)范及法規(guī)，造成“智慧化”頂層規(guī)劃設(shè)計缺失。

（4）建設(shè)期協(xié)調(diào)難度大。高鐵樞紐規(guī)模體量巨大、專業(yè)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(shè)期協(xié)調(diào)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(hù)長達(dá)“百年”，但由于體制與理念的問題，使高鐵樞紐巨大的資產(chǎn)由各方分據(jù)，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(shè)期間的BIM成果也未能服務(wù)于運營維護(hù)期間。

綜上所述，高鐵樞紐存在的問題主要有：規(guī)劃欠合理、設(shè)計不精細(xì)，建設(shè)時序與城市發(fā)展不匹配，缺乏產(chǎn)權(quán)設(shè)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(yīng)融入“智慧城市”建設(shè)，構(gòu)建“規(guī)劃—設(shè)計—建設(shè)—運營—管理”一體化的精明管控架構(gòu)體系，從全生命周期出發(fā)，通過智慧化建設(shè)，整合資源、融合城市信息、提升管理與運營效率，實現(xiàn)高鐵樞紐建成后百年的綠色、低碳、可持續(xù)運營。

2 智慧化高鐵樞紐管控體系構(gòu)建

智慧化高鐵樞紐是集成城市大數(shù)據(jù)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)、BIM等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)對高鐵樞紐體系中各種要素的全面感知、泛在互聯(lián)、協(xié)同運行、高效服務(wù)和可持續(xù)發(fā)展［2］，達(dá)到智慧規(guī)劃、智慧設(shè)計、智慧建設(shè)、智慧運營管理。

2.1 智慧規(guī)劃

高鐵樞紐的“智慧規(guī)劃”［9］是每個城市智慧規(guī)劃的重要體現(xiàn)，建立在城市中不同行業(yè)、部門、屬性以及統(tǒng)計口徑的數(shù)據(jù)整合、信息共享基礎(chǔ)上，只有利用城市公共信息大數(shù)據(jù)平臺［6］，才能使高鐵樞紐的規(guī)劃愿景與城市發(fā)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(jīng)濟(jì)實力欠發(fā)達(dá)，如何兼顧地方經(jīng)濟(jì)的同時實現(xiàn)高鐵樞紐的功能優(yōu)化與升級，彌補運營經(jīng)驗不足，值得重點關(guān)注［7］。

2.2 智慧設(shè)計、智慧建設(shè)

高鐵樞紐要銜接高鐵、高速公路、地鐵各類場站，結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜，涉及各種專業(yè)，采用BIM建模統(tǒng)一設(shè)計是最高效、最先進(jìn)的方法，也是協(xié)調(diào)建設(shè)過程中進(jìn)度、質(zhì)量各種問題最有利的手段。城市建設(shè)管理部門應(yīng)明確規(guī)定，投資建設(shè)單位在高鐵樞紐的設(shè)計與建設(shè)中必須運用BIM技術(shù)，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(shè)計與建設(shè)過程中建立的BIM模型，結(jié)合城市大數(shù)據(jù)平臺、采用云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將樓宇自動化、安防管理、消防管理、能耗管理、統(tǒng)計分析等各智能設(shè)備整合，集成于BIM運維管理平臺，實現(xiàn)整個高鐵樞紐的“集約建設(shè)、資源共享、規(guī)范管理”以及“提高工作效率、保證運營品質(zhì)、降低運營能耗”的目標(biāo)。

3 智慧化高鐵樞紐的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立智慧樞紐公共信息服務(wù)平臺

國外智慧交通已發(fā)展多年，多有政府主導(dǎo)與政府資金的注入，而我國的智慧交通統(tǒng)籌能力不足，“散”的問題十分突出，無論是規(guī)劃建設(shè)還是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、政策法規(guī)方面［10］。這個問題體現(xiàn)在高鐵樞紐的建設(shè)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(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)識及站內(nèi)公交、地鐵公司自建的旅客信息系統(tǒng)，服務(wù)方式、服務(wù)內(nèi)容、服務(wù)質(zhì)量相對都處于較低水平。

2008年上海就建設(shè)了交通綜合信息平臺，北京、深圳等也相繼建設(shè)了智慧交通體系［10］，高鐵樞紐需接入這些智慧交通體系，構(gòu)建樞紐信息平臺。只有充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，將道路交通信息、門戶網(wǎng)站出行信息、交通聯(lián)網(wǎng)售票、交通流量引導(dǎo)、停車引導(dǎo)、3D地圖、出租車網(wǎng)約等信息進(jìn)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(dǎo)，實現(xiàn)一站式服務(wù)、客運換乘“零距離”。

高鐵樞紐提升信息服務(wù)要實現(xiàn)智能列車車顯，智能公告、智能服務(wù)引導(dǎo)、智能指路、智能動態(tài)標(biāo)識，如結(jié)合BIM模型建立的3D空間立體導(dǎo)航系統(tǒng)（見圖1），彌補平面地圖的空缺、實景指路，為旅客提供大數(shù)據(jù)信息處理后、更實時高效的公共信息廣播提示、更精準(zhǔn)人性化的旅客決策支持（語音實景指路）和服務(wù)建議（智能線路規(guī)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(dǎo)航系統(tǒng)

3.2 全實景交通監(jiān)控、資源共享，消防安全聯(lián)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(jiān)控設(shè)備、消防設(shè)備分散于各家區(qū)域，比如南京南站配套市政部分僅1套消防報警系統(tǒng)1個泵房卻分3家運營單位管理，安全隱患多。應(yīng)結(jié)合BIM技術(shù)、自主研發(fā)5G網(wǎng)下的集成平臺，將交通車流信息、停車數(shù)據(jù)、安全監(jiān)測、消防設(shè)施的實時信息統(tǒng)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(dāng)出現(xiàn)緊急事件或故障時，指揮中心大屏上將快速反應(yīng)并通過BIM模型快速定位到事件位置，同時系統(tǒng)自動顯示事件實時情況，并調(diào)出對應(yīng)的解決方案以及一系列聯(lián)動的數(shù)據(jù)信息，讓管理人員可以快速應(yīng)對、快速指揮、快速解決突發(fā)問題。

3.3 利用BIM建模，規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運營、管理一體化

高鐵樞紐應(yīng)實現(xiàn)BIM數(shù)字化管理，將設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)、運營各階段的信息，以多維信息的可視化形式展現(xiàn)，通過BIM+GIS的集成融合、三維可測實景技術(shù)，多源智能監(jiān)測傳感信息實時融合、實現(xiàn)樞紐全生命周期資產(chǎn)管理、基礎(chǔ)設(shè)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(shù)，創(chuàng)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(jì)錄，但是由于重建設(shè)輕運用，BIM成果無法繼續(xù)服務(wù)于運維。

3.4 建立BIM運維綜合管理平臺

基于BIM技術(shù)、利用大數(shù)據(jù)、云計算、和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研究開發(fā)BIM智慧運維管理平臺，將高鐵樞紐運維管理的核心任務(wù)、樓宇自動化、安防管理、消防管理、能耗管理、統(tǒng)計分析等各智能設(shè)備系統(tǒng)的控制管理集成在一個統(tǒng)一的管理界面上，提高高鐵樞紐運營維護(hù)管理水平與整體監(jiān)測與控制能力，降低能耗，降低運維成本、實現(xiàn)“無人化、少人化”運維。

3.4.1 BIM+SOA構(gòu)建維護(hù)管理平臺框架

建設(shè)階段的BIM成果可以實現(xiàn)高鐵樞紐全信息域的準(zhǔn)確化三維模擬，將通風(fēng)空調(diào)、給排水、發(fā)供電、防護(hù)、監(jiān)視、報警等各個功能子系統(tǒng)的各種異構(gòu)數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)表）統(tǒng)一到BIM平臺。Service Oriented Architecture（SOA）架構(gòu)體系特別適合在分布式計算環(huán)境中動態(tài)地描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用，憑借著BIM數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一，SOA架構(gòu)結(jié)構(gòu)的開放，可構(gòu)建靈活的維護(hù)管理服務(wù)平臺，可以無縫地融合多系統(tǒng)，也可方便地實現(xiàn)功能升級，形成高鐵樞紐可持續(xù)拓展的維護(hù)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(gòu)，實現(xiàn)基于BIM模型的本地與遠(yuǎn)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(tǒng)（包括Android與IOS），實現(xiàn)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(tǒng)架構(gòu)

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(jìn)行場景漫游，可以直觀看到設(shè)備的報警狀態(tài)、運行參數(shù)。

3.4.3 設(shè)備數(shù)據(jù)庫與聯(lián)動運維、電子巡更

對樞紐內(nèi)各系統(tǒng)的設(shè)施設(shè)備建立檔案庫，提供全生命周期的數(shù)據(jù)記錄，由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備的唯一性生成二維碼或RFID等數(shù)據(jù)，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(nèi)對設(shè)施設(shè)備計算出最有效的維護(hù)手段。BIM平臺建立設(shè)備全生命周期設(shè)備數(shù)據(jù)庫、聯(lián)動運維見圖3。

樞紐BIM平臺可制定維護(hù)保養(yǎng)計劃，設(shè)定提醒時間，自動推送計劃到相關(guān)負(fù)責(zé)單位（或負(fù)責(zé)人）的移動終端上，派送巡查工單?？稍谀Ｐ椭性O(shè)置電子巡更點，可直接調(diào)取對應(yīng)巡更點所有的歷史記錄。在BIM運維平臺上可直接定位到設(shè)備，顯示該設(shè)備實時參數(shù)等，保持現(xiàn)場一致的設(shè)備外觀及點位，動態(tài)形式展示水流方向、設(shè)備運行狀態(tài)及液位，出現(xiàn)故障，集成系統(tǒng)給出操作建議。

圖3 BIM平臺建立設(shè)備全生命周期設(shè)備數(shù)據(jù)庫、聯(lián)動運維

3.4.4 集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)，并形成聯(lián)動

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

3.4.5 集成照明系統(tǒng)與停車系統(tǒng)聯(lián)動、與入侵報警聯(lián)動

BIM平臺上對接照明系統(tǒng)，管理者可在照明系統(tǒng)首頁點擊任意一層進(jìn)入單層照明場景，可聯(lián)動視頻監(jiān)控，實時查看現(xiàn)場的畫面，讓管理者更加高效地管理運維，達(dá)到節(jié)能的目的。

平臺上通過停車管理單層，停車位數(shù)目、當(dāng)前停車位數(shù)目、當(dāng)前車輛停放數(shù)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(diào)度。用戶可通過微信掃二維碼即可實現(xiàn)步行導(dǎo)航、停車位導(dǎo)航與反向?qū)ぼ?，讓停車、找車變得輕松簡單。智能照明系統(tǒng)與入侵報警系統(tǒng)的聯(lián)動見圖4。

圖4 智能照明系統(tǒng)與入侵報警系統(tǒng)的聯(lián)動

3.4.6 BIM觸摸式服務(wù)平臺

平臺內(nèi)展示整個建筑BIM模型及相關(guān)信息，來訪客戶可以通過服務(wù)平臺在建筑內(nèi)漫游，瀏覽整個建筑，了解整個建筑大樓信息，可以通過服務(wù)平臺快速定位建筑內(nèi)的各個位置，并自動規(guī)劃行走路線。BIM觸摸式服務(wù)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(fā)布任務(wù)或相關(guān)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(wù)或信息進(jìn)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(tǒng)的樓宇自動化更強大、更實用、更先進(jìn)。如：設(shè)備管線等三維可視化地精確維護(hù)，基于移動終端的現(xiàn)場隱蔽工程顯式化，應(yīng)急處置下的三維可視化預(yù)覽和演練、智能化系統(tǒng)運行的實時提示；報警的工單自動派發(fā)、工單派發(fā)后的自動流出管理、工單完成后的情況統(tǒng)計和任務(wù)評估，其中工單不僅僅限于智能化系統(tǒng)，而是整個高鐵樞紐的所有機電系統(tǒng)；高鐵站資產(chǎn)管理和三維可視化展示和報告、能耗綜合分析與節(jié)能建議；可實現(xiàn)子系統(tǒng)間聯(lián)動：視頻監(jiān)控系統(tǒng)和入侵報警系統(tǒng)的聯(lián)動（入侵報警觸發(fā)后視頻進(jìn)行云臺、焦距等自動調(diào)整并開啟全時錄像功能，入侵報警取消或處理后，視頻恢復(fù)原狀態(tài)），視頻監(jiān)控系統(tǒng)與停車場管理系統(tǒng)的聯(lián)動，停車場管理系統(tǒng)與智能照明系統(tǒng)的聯(lián)動，信息發(fā)布系統(tǒng)與入侵報警系統(tǒng)的聯(lián)動，智能照明系統(tǒng)與入侵報警系統(tǒng)的聯(lián)動。

圖5 BIM觸摸式服務(wù)平臺

圖6 移動終端首頁

4 結(jié)束語

高鐵站綜合樞紐數(shù)量、規(guī)模與其核心地位與日俱增，但是存在“重項目、輕規(guī)劃”“重建設(shè)、輕應(yīng)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(shù)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新信息技術(shù)，減少各方資源割據(jù)與建管分離，真正意義的智慧規(guī)劃、智慧設(shè)計、智慧建設(shè)、智慧運營與管理，才能實現(xiàn)合理的規(guī)劃、統(tǒng)籌集約的建設(shè)、精細(xì)的運營。