貴陽(yáng)市軌道交通工程安全建設(shè)和智慧運(yùn)維技術(shù)

陳發(fā)達(dá)

（貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081）

隨著我國(guó)城市發(fā)展，城市軌道交通建設(shè)速度越來(lái)越快，其工程建設(shè)安全問(wèn)題越來(lái)越突出，特別是針對(duì)貴陽(yáng)市特殊的喀斯特地貌和典型的山地城市特征，需要解決縱坡設(shè)計(jì)和長(zhǎng)大坡道運(yùn)營(yíng)安全技術(shù)保障措施等問(wèn)題。另外，截止2020 年底，貴陽(yáng)市軌道交通開(kāi)通運(yùn)營(yíng)里程約35 km，在建里程約110 km，智慧運(yùn)維的需求日趨急迫。貴陽(yáng)市以刷臉支付、智慧安防等技術(shù)為抓手，不斷探索和創(chuàng)新相關(guān)智慧運(yùn)維技術(shù)，進(jìn)一步提升相關(guān)服務(wù)水平。

1 建設(shè)特點(diǎn)

1.1 城市空間格局

貴陽(yáng)市作為典型的喀斯特山地城市，具有山地城市和喀斯特地區(qū)所獨(dú)有的特點(diǎn)。受百花山脈、黔靈山脈及南岳山脈的影響，貴陽(yáng)市規(guī)劃的城市空間呈現(xiàn)“雙核多組團(tuán)”的空間結(jié)構(gòu)，城市軌道交通主要解決連接2 個(gè)核心、輻射各個(gè)組團(tuán)的交通廊道問(wèn)題，其線網(wǎng)規(guī)劃與平原城市相比，具有十分明顯的區(qū)別。

1.2 地形特點(diǎn)

貴陽(yáng)市地處黔中山原丘陵中部，地勢(shì)西南高、東北低，具有低緯度、高海拔、地形多樣的顯著特征，全市地形起伏大，山地、丘陵約占全市土地面積的88%。其中觀山湖區(qū)與老城區(qū)高差達(dá)220 m，見(jiàn)圖1。由于山地城市地勢(shì)高差大，在城市軌道交通設(shè)計(jì)時(shí)，縱坡設(shè)計(jì)難度很大。

圖1 貴陽(yáng)市各區(qū)高程關(guān)系圖

1.3 地質(zhì)特點(diǎn)

貴陽(yáng)市位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的黔北臺(tái)隆和黔南臺(tái)陷的過(guò)渡帶，其地質(zhì)構(gòu)造和地貌的特點(diǎn)如下。

（1）巖溶發(fā)育，形態(tài)多樣，巖溶區(qū)域約占全市總面積的72%。地表巖溶形態(tài)以溶溝、溶槽、巖溶洼地為主，地下巖溶形態(tài)多為隱伏型的溶洞、溶隙、溶溝、溶槽等，屬巖溶弱至中等發(fā)育場(chǎng)地，局部巖溶屬于強(qiáng)發(fā)育。

（2）地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，市區(qū)東北部多為北東向褶皺與斷裂，其中城市軌道交通1 號(hào)線穿越19 條斷層，2 號(hào)線穿越21 條斷層，3 號(hào)線穿越11 條斷層。

（3）水文條件復(fù)雜、規(guī)律性差。

2 安全建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 線路選線安全設(shè)計(jì)

在貴陽(yáng)市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃的框架下，針對(duì)貴陽(yáng)市獨(dú)特的喀斯特山地城市特點(diǎn)，城市軌道交通線路選線設(shè)計(jì)中需要考慮地形地貌、地質(zhì)條件及氣候特點(diǎn)，把好設(shè)計(jì)源頭關(guān)，降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.1克服地形地貌展線設(shè)計(jì)

貴陽(yáng)全市地形起伏較大，遠(yuǎn)超鋼輪鋼軌列車爬坡能力，城市軌道交通多條線路需通過(guò)展線措施克服高差難題，見(jiàn)圖2。其中1 號(hào)線貴陽(yáng)北站—八鴿巖站區(qū)間直線距離約3.7 km，垂直落差達(dá)161 m，直線坡度達(dá)到54‰，展線長(zhǎng)度為8.7 km；2 號(hào)線百花大道站—黔春路站區(qū)間段直線距離約2.8 km，垂直落差達(dá)110 m，展線長(zhǎng)度為6.5 km。規(guī)劃的4 號(hào)線、S3 線均需通過(guò)展線克服高差。

圖2 線路展線示意圖

2.1.2規(guī)避不良地質(zhì)體選線設(shè)計(jì)

對(duì)于存在滑坡、大型溶洞等不良地質(zhì)地段，通過(guò)線路繞避等措施降低風(fēng)險(xiǎn)。如3 號(hào)線四方河路站—花果園東站區(qū)段，在調(diào)繪時(shí)發(fā)現(xiàn)臨近白龍洞（溶洞和地下暗河）區(qū)域線路勘察及建設(shè)難度大，運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)高，經(jīng)分析研究，可通過(guò)調(diào)整線路方案予以徹底避讓。

2.1.3適應(yīng)氣候條件的縱坡設(shè)計(jì)

貴陽(yáng)屬于亞熱帶濕潤(rùn)溫和型氣候，年平均氣溫在15.3 ℃左右，冬季易出現(xiàn)凝凍（如2008 年凝凍災(zāi)害），城市軌道交通在縱坡設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮最不利天氣對(duì)行車安全的影響。例如，在1 號(hào)線北雅區(qū)間（貴陽(yáng)北站—雅關(guān)站區(qū)間）長(zhǎng)大連續(xù)坡道段，采用多座橋梁+隧道敷設(shè)形式，同時(shí)考慮到凝凍對(duì)橋梁段行車安全的影響，線路設(shè)計(jì)時(shí)采用最大縱坡為28‰的縱坡方案，見(jiàn)圖3。在2 號(hào)線百花大道站—黔春路站長(zhǎng)大連續(xù)坡道段，全為地下線，線路設(shè)計(jì)采用最大縱坡達(dá) 34‰。

圖3 1 號(hào)線北雅區(qū)間橋梁+隧道相連

2.2 長(zhǎng)大坡道運(yùn)營(yíng)安全保障措施

列車在長(zhǎng)大上坡段可能出現(xiàn)牽引失效或列車制動(dòng)失靈的運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，可采用設(shè)置停車線、安全線、通信信號(hào)控制裝置（專用無(wú)線通信系統(tǒng)）、車輛制動(dòng)裝置等措施保障運(yùn)營(yíng)安全。

2.2.1設(shè)置停車線

如在1 號(hào)線貴陽(yáng)北站和雅關(guān)站均設(shè)置雙停車線，見(jiàn)圖4。列車進(jìn)入長(zhǎng)大坡道上下坡前進(jìn)行列檢，一旦發(fā)現(xiàn)故障隱患，可立即進(jìn)入反向“V”字坡道停車線待避，以避免影響后續(xù)列車運(yùn)營(yíng)。

圖4 1 號(hào)線長(zhǎng)大坡道段停車線設(shè)置

2.2.2設(shè)置安全線

為防止列車在長(zhǎng)大上坡段因列車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障而產(chǎn)生溜滑，可在坡底車站后端設(shè)置安全線以保障行車安全。該方法是通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度，常規(guī)時(shí)，1#道岔開(kāi)向安全線，作為列車進(jìn)站的保護(hù)區(qū)段；當(dāng)由下坡方向駛來(lái)的列車運(yùn)行至雅關(guān)站停車，在信號(hào)系統(tǒng)判斷列車速度為“0”后，反向轉(zhuǎn)換1#道岔，列車方可進(jìn)入下一個(gè)區(qū)間的進(jìn)路，見(jiàn)圖5。

圖5 1 號(hào)線長(zhǎng)大坡道安全線信號(hào)控制示意圖

2.2.3設(shè)置專用無(wú)線通信系統(tǒng)

在長(zhǎng)大坡段區(qū)間設(shè)置專用無(wú)線通信系統(tǒng)，司乘人員在緊急情況下可與車站控制室及控制中心進(jìn)行通話定位，確保第一時(shí)間準(zhǔn)確通報(bào)突發(fā)狀況并開(kāi)展應(yīng)急調(diào)度處置。

2.2.4設(shè)置車輛制動(dòng)裝置

城市軌道交通列車采用如圖6 所示車輛輪盤制動(dòng)裝置，在長(zhǎng)大連續(xù)坡道行駛時(shí)，可避免傳統(tǒng)踏面制動(dòng)出現(xiàn)熱疲勞和剝離導(dǎo)致熱容量不足的風(fēng)險(xiǎn)，并在列車上配置長(zhǎng)大坡道觸發(fā)按鈕（圖7），在切除列車自動(dòng)保護(hù)（ATP）的模式下，通過(guò)長(zhǎng)大坡道觸發(fā)按鈕啟動(dòng)限速功能保證運(yùn)營(yíng)安全。

圖7 長(zhǎng)大坡道觸發(fā)按鈕

2.3 長(zhǎng)大坡道供電安全保障措施

列車在長(zhǎng)大上坡時(shí)牽引取流會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓下降，在長(zhǎng)大下坡時(shí)再生制動(dòng)將導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓升高，同時(shí)會(huì)釋放再生電能，為平衡上、下行接觸網(wǎng)電壓，改善供電質(zhì)量，1 號(hào)線在長(zhǎng)大區(qū)間適當(dāng)位置將上、下行接觸網(wǎng)并聯(lián)，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)合理安全供電，為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，見(jiàn)圖8。另外，有效利用長(zhǎng)大坡道段列車制動(dòng)時(shí)的再生電能，因地制宜地設(shè)置再生制動(dòng)能量回饋裝置，將列車再生制動(dòng)能量回饋至35 kV 交流側(cè)，可實(shí)現(xiàn)電能的再生利用，見(jiàn)圖9。

圖8 上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)原理及開(kāi)關(guān)

圖9 再生制動(dòng)能量回饋原理及裝置

根據(jù)運(yùn)營(yíng)測(cè)試數(shù)據(jù)，1 號(hào)線運(yùn)營(yíng)期間日均回饋電能為2 955 kW·h，見(jiàn)表1。估算年節(jié)約電能可達(dá)107.8 萬(wàn)kW·h，預(yù)計(jì)運(yùn)營(yíng)6～8 年即可收回設(shè)備成本，而相關(guān)設(shè)備使用壽命可達(dá)25 年，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表1 1 號(hào)線長(zhǎng)大坡道運(yùn)營(yíng)期間日均回饋電能 kW·h

3 智慧運(yùn)維建設(shè)

為逐步建成貴陽(yáng)市軌道交通智慧運(yùn)維體系，貴陽(yáng)市軌道交通根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)印發(fā)的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，開(kāi)展了刷臉支付、智慧安防、智慧能源管理等智慧運(yùn)維建設(shè)的探索。

3.1 刷臉支付

3.1.1刷臉支付平臺(tái)

貴陽(yáng)市以城市軌道交通刷臉支付為抓手構(gòu)建城市級(jí)刷臉平臺(tái)，可為市民提供便捷服務(wù)、為企業(yè)提供技術(shù)應(yīng)用、為政府提供治理決策支持。刷臉支付平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通、快速公交系統(tǒng)（BRT）和園區(qū)場(chǎng)景的刷臉?biāo)⒋a應(yīng)用，主要針對(duì)城市軌道交通、公交車、出租車、共享出行及園區(qū)、社區(qū)的市民、游客。自2019 年刷臉支付平臺(tái)上線運(yùn)營(yíng)以來(lái)，為客戶提供1 400 萬(wàn)次人臉票比對(duì)服務(wù)，尚未出現(xiàn)誤識(shí)別，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 刷臉支付平臺(tái)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

3.1.2應(yīng)用場(chǎng)景

刷臉支付以城市軌道交通和公交場(chǎng)景為入口，結(jié)合虛擬賬戶和保險(xiǎn)手段共同保障支付安全，并進(jìn)一步拓展到民生服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通、公交、購(gòu)物等各種生活場(chǎng)景（圖10）中的“一次注冊(cè)，刷臉通行”，無(wú)須安裝多個(gè)APP、攜帶多張實(shí)體卡。

圖10 刷臉支付應(yīng)用場(chǎng)景

3.1.3商業(yè)模式

商業(yè)模式采用全場(chǎng)景人工智能（AI）+金融的創(chuàng)新模式，見(jiàn)圖11，主要打造產(chǎn)業(yè)、用戶、數(shù)據(jù)留貴陽(yáng)的“貴陽(yáng)模式”：①設(shè)立運(yùn)營(yíng)公司，通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用提升乘客體驗(yàn)，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)商業(yè)閉環(huán)；②引入金融機(jī)構(gòu)，合作開(kāi)發(fā)場(chǎng)景資源；③引入保險(xiǎn)公司，提前識(shí)別算法風(fēng)險(xiǎn)、盜刷風(fēng)險(xiǎn)等一系列風(fēng)險(xiǎn)，并分散處置。

圖11 全場(chǎng)景的AI+金融創(chuàng)新模式

3.1.4數(shù)據(jù)安全及隱私

刷臉支付平臺(tái)采用業(yè)務(wù)手段與技術(shù)手段相結(jié)合的方式，確保數(shù)據(jù)安全和運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定，保護(hù)客戶數(shù)據(jù)隱私，建立自有核心的安全技術(shù)架構(gòu)，見(jiàn)表3。

表3 數(shù)據(jù)及隱私安全措施

3.2 智慧安防

為實(shí)現(xiàn)安全環(huán)境智能感知、安全資源實(shí)時(shí)可視、安防運(yùn)營(yíng)一體聯(lián)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)處置科學(xué)高效、安全事件提前預(yù)防的綜合目標(biāo)，達(dá)到“事前預(yù)防—事中處置—事后分析”的閉環(huán)式安防，2 號(hào)線采用獨(dú)立的軟件平臺(tái)建立安防集成平臺(tái)，通過(guò)兩級(jí)管理、三級(jí)控制為城市軌道交通全方位安全保障提供支撐。遠(yuǎn)期將建立線網(wǎng)級(jí)安防集成管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接各線路安防系統(tǒng)相關(guān)資源，建立滿足站點(diǎn)、線路、線網(wǎng)多級(jí)安全管理需求的安防業(yè)務(wù)體系，實(shí)現(xiàn)安防業(yè)務(wù)的檢測(cè)智能化、處置自動(dòng)化、管理精細(xì)化、對(duì)外開(kāi)放化，見(jiàn)圖12。

圖12 線網(wǎng)級(jí)安防集成管理平臺(tái)

3.3 智慧能源管理

為滿足城市軌道交通能源管理、節(jié)能減排需求，建設(shè)能源管理系統(tǒng)，可輔助運(yùn)營(yíng)管理人員進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化控制、用能精細(xì)化分析、管理和運(yùn)營(yíng)決策。為實(shí)現(xiàn)全線用能管理的實(shí)時(shí)化、可視化、透明化和智能化，2 號(hào)線開(kāi)發(fā)的能源管理系統(tǒng)主要涵蓋用能看板、能耗監(jiān)測(cè)、能耗分析、指標(biāo)分析、報(bào)警與事件、報(bào)表與打印、系統(tǒng)設(shè)置等功能。貴陽(yáng)市軌道交通遠(yuǎn)期將部署線網(wǎng)能源管控及兩級(jí)管控能力中心，實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)能源集約化建設(shè)及運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，見(jiàn)圖13。

圖13 智慧能源管理

3.4 線網(wǎng)運(yùn)維一體化

貴陽(yáng)市軌道交通以綜合網(wǎng)管為基礎(chǔ)，利用城軌云及大數(shù)據(jù)平臺(tái)，遠(yuǎn)期計(jì)劃建成線網(wǎng)級(jí)運(yùn)維一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)級(jí)的設(shè)備管理及智能維護(hù)，見(jiàn)圖14。

圖14 線網(wǎng)級(jí)運(yùn)維一體化平臺(tái)

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合貴陽(yáng)市獨(dú)特的喀斯特地貌山地城市特點(diǎn)，把好設(shè)計(jì)源頭關(guān)，從線路選線、運(yùn)營(yíng)安全和供電安全等方面入手，因地制宜地提出合理措施，降低城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)不斷建設(shè)和創(chuàng)新城市軌道交通智慧運(yùn)維技術(shù)，構(gòu)建貴陽(yáng)城軌云及大數(shù)據(jù)平臺(tái)，最終建成線網(wǎng)級(jí)運(yùn)維一體化平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)級(jí)的設(shè)備管理及智能維護(hù)，提升城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理和服務(wù)水平。