基于智慧城軌的地鐵車輛基地設(shè)計需求與關(guān)鍵技術(shù)*

朱健偉

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，710043，西安；2.黃山市鐵路投資有限公司，245099，黃山∥工程師)

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》繪制了智慧城軌的發(fā)展藍圖，并提出智慧城軌是建立在更具安全性、便捷性、經(jīng)濟性和高效化、綠色化五大基礎(chǔ)上的新一代城市軌道交通[1]。智慧城軌的建設(shè)對車輛基地相關(guān)業(yè)務(wù)場景提出了新要求。車輛基地須創(chuàng)新性地集成多項智能化技術(shù)，以適應(yīng)智慧城軌的要求。

1 智慧城軌車輛基地設(shè)計場景與需求

基于智慧城軌提出的“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)管理八大技術(shù)體系，以及1個城軌云與大數(shù)據(jù)平臺[1]”，從不同的主體對象角度，分析車輛基地的功能定位及業(yè)務(wù)場景。面向車輛、停車場及車輛段(以下簡為“場段”)和人員時，車輛基地的主要業(yè)務(wù)場景各不相同[2]。

1.1 面向車輛

1.1.1 運維檢修

車輛運維檢修是車輛基地的根本任務(wù)，其過程一般包括狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、檢修計劃的制定與檢修作業(yè)的執(zhí)行。在傳統(tǒng)模式下，通常采用“計劃修+故障修”的策略，主要依靠人工紙質(zhì)化記錄的方式來進行車輛故障數(shù)據(jù)的采集與判斷、檢修計劃的生成與派發(fā)、作業(yè)過程的執(zhí)行與把控，以及作業(yè)信息的記錄與反饋。如今傳統(tǒng)的車輛運維模式已不能匹配智慧城軌的需求，需要運用智能技術(shù)來實現(xiàn)運維過程的數(shù)字化、信息化與自動化，支撐計劃修及故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)換，以降低運維成本[3]。

1.1.2 運行控制

列車全自動運行是城市軌道交通的重要發(fā)展趨勢。采用全自動運行系統(tǒng)后，車輛基地設(shè)計原則需隨之調(diào)整[4]：全自動運行系統(tǒng)的控制權(quán)將從正線延伸至車輛基地停車場；停車列檢庫內(nèi)，列車自動完成入庫、休眠、喚醒、自檢與出庫。結(jié)合智能運維技術(shù)，可實現(xiàn)正線停車，減少車輛空駛時間，優(yōu)化車輛修程。

1.2 面向場段

1.2.1 建設(shè)施工

作為前期階段，設(shè)計引領(lǐng)施工、服務(wù)運營，故車輛基地的設(shè)計階段需要考慮包含施工與運營在內(nèi)的全過程智慧化需求。設(shè)計為施工提供指導(dǎo)和依據(jù)，施工將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為具體成果，在設(shè)計階段預(yù)先融入智能化建造相關(guān)技術(shù)，可有效提高施工效率、質(zhì)量與安全管理水平。

1.2.2 運行調(diào)度

除車輛檢修外，車輛基地的主要運營業(yè)務(wù)還包括行車作業(yè)、乘務(wù)派班(全自動運行模式下無乘務(wù)派班作業(yè))等。在傳統(tǒng)車輛基地，調(diào)度管理信息化程度普遍不足，仍依靠具備一定工作經(jīng)驗的工作人員手動辦理，并通過電話傳遞信息[5]。智慧城軌車輛基地需建設(shè)信息化手段，提升管理決策的便捷性與高效性。

1.2.3 運營管理

1)資產(chǎn)管理。車輛基地工程設(shè)施設(shè)備數(shù)量多、種類雜。目前，在傳統(tǒng)車輛基地，管理手段能效低，數(shù)據(jù)集成度很低，竣工資產(chǎn)交付工作存在準確度差、工作繁瑣、標準不一、數(shù)據(jù)丟失嚴重等問題。智慧城軌車輛基地需要借助數(shù)字化手段與信息化平臺，打造便捷、全面、清晰的資產(chǎn)全壽命周期管理模式。

2)安全防護。場段安防措施通常包括視頻監(jiān)控、檢修作業(yè)防護、平交道口管理、火災(zāi)自動報警、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控以及周界防護等。列車全自動運行下安防要求更為嚴密，需考慮無人駕駛區(qū)內(nèi)人員進出、作業(yè)與登車的安全防護以及自動停車安全距離等。傳統(tǒng)安防手段部分依靠人工把控，在此基礎(chǔ)上需要結(jié)合各項智能檢測手段和邏輯聯(lián)鎖控制方法，建立全面立體化的安全管控體系，避免因人為疏忽可能導(dǎo)致的安全隱患，切實提高場段安防措施的可靠度。

3)能源管控。綠色化是新一代城軌系統(tǒng)的基礎(chǔ)特征。建設(shè)節(jié)約環(huán)保型車輛基地，可為運營帶來經(jīng)濟效益，并助力“碳達峰”與“碳中和”。在設(shè)計階段，智慧城軌車輛基地需在源端對通風(fēng)空調(diào)、采暖、給排水、動力照明等專業(yè)采用高效節(jié)能型環(huán)控設(shè)備，并通過智能化管控來實現(xiàn)能源由配額化管理向精益化管理的轉(zhuǎn)變。

1.3 面向人員

智慧城軌具有社會科學(xué)和自然科學(xué)的雙重特征，其實現(xiàn)不僅要將先進技術(shù)賦能于設(shè)備設(shè)施，還需賦能于人，以達到更高效能[1]。與正線運營不同，車輛基地面向的是段內(nèi)各級生產(chǎn)辦公人員，其作業(yè)場景交叉于車輛基地各項業(yè)務(wù)中。智慧城軌理念下的車輛基地在運維檢修中運用自動化設(shè)備代替人工進行重復(fù)性強、強度大、環(huán)境惡劣的作業(yè)；運營管理依托高效化培訓(xùn)，提升人員應(yīng)急處置能力與作業(yè)技能水平；生產(chǎn)環(huán)境貫徹生態(tài)人文理念，解決因過度開發(fā)導(dǎo)致的雨水循環(huán)受阻以及蓋下采光缺失、煙塵廢氣、振動噪音等問題。可見，智慧城軌車輛基地能為作業(yè)人員提供人機交互友善、健康舒適的生產(chǎn)條件，有利于激發(fā)其積極性、主動性、創(chuàng)造性，從而有效保障生產(chǎn)安全、提高生產(chǎn)效率。

2 智慧城軌車輛基地設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

基于智慧城軌理念的車輛基地設(shè)計需契合安全、便捷、經(jīng)濟、高效、綠色建設(shè)目標，考慮運維手段、運行模式、基礎(chǔ)設(shè)施及管理策略的需求。如圖1所示，車輛基地設(shè)計的技術(shù)支撐體系需以需求為導(dǎo)向，將各項智能化系統(tǒng)的實施作為著力點，以推動車輛基地建設(shè)與運營全過程的智慧化發(fā)展。

注：VR為虛擬現(xiàn)實；AR為增強現(xiàn)實；BIM為建筑信息模型；5G+指5G技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 智能運維體系

智能運維體系的建設(shè)是智慧城軌車輛基地設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過搭建車載設(shè)備在途狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁設(shè)備綜合檢測系統(tǒng)、智能運維專家平臺、檢修作業(yè)綜合管控系統(tǒng)、智能檢修系統(tǒng)與基礎(chǔ)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)運維過程的數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、分析診斷智能化、管理系統(tǒng)信息化與工業(yè)生產(chǎn)自動化。車輛基地智能運維體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 車輛基地智能運維體系架構(gòu)

2.1.1 車載在途狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

車載在途狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一般包括對走行部、受電弓、蓄電池、空調(diào)、車門與列車等的運行實時狀態(tài)監(jiān)測功能模塊。當監(jiān)測到發(fā)生故障時，該系統(tǒng)將通過車輛總線實時報出故障代碼，并借助WLAN(無線局域網(wǎng))、LTE(長期演進)、4G或5G等技術(shù)，將車輛狀態(tài)信息通過PIS(乘客信息系統(tǒng))或?qū)Ｓ密嚨責(zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)通道傳至地面智能運維系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)車輛基地對車輛運行狀態(tài)的全息感知。

2.1.2 軌旁綜合檢測系統(tǒng)

軌旁綜合檢測系統(tǒng)通常安裝于車輛基地入庫前軌道旁，一般包括車體360°檢測、輪對受電弓在線檢測、走行部紅外溫度檢測、車輛限界輪廓檢測等子系統(tǒng)。車輛經(jīng)過時，該系統(tǒng)可自動檢測其外表故障、磨耗件尺寸、走行部溫度及車體姿態(tài)等，并將檢測信息通過以太網(wǎng)傳輸至服務(wù)器終端，從而實現(xiàn)故障自動識別與狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄。

2.1.3 智能運維平臺

智能運維平臺依托城軌云與大數(shù)據(jù)平臺，融合大數(shù)據(jù)分析、云計算及人工智能等技術(shù)，能將接收的實時故障代碼、車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、實時檢測數(shù)據(jù)及檢修過程數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并據(jù)此制定檢修策略與作業(yè)指導(dǎo)規(guī)范。此外，在DCC(車輛基地調(diào)度中心)內(nèi)還應(yīng)設(shè)置智能運維監(jiān)控室，以實現(xiàn)對列車狀態(tài)信息的集成存儲、可視化展示及統(tǒng)計分析等功能。

2.1.4 檢修作業(yè)綜合管控系統(tǒng)

檢修作業(yè)綜合管控系統(tǒng)服務(wù)器置于DCC內(nèi)，以便檢修調(diào)度人員進行終端控制；感知與執(zhí)行設(shè)備分散布置于應(yīng)用現(xiàn)場。檢修作業(yè)綜合管控系統(tǒng)將檢修計劃管理、作業(yè)安全管理、作業(yè)質(zhì)量管理、人員管理、倉儲物流管理、設(shè)備管理及全程可視化等功能融入同一平臺進行信息化管控，以實現(xiàn)檢修生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的信息共享和高效協(xié)同。

2.1.5 智能檢修系統(tǒng)

檢修人員配備了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的智能終端與智能檢修工裝等裝備，可實現(xiàn)遠程協(xié)作指導(dǎo)，提升作業(yè)精準度。目前，AGV(自動導(dǎo)引運輸車)、列檢機器人與清洗機器人等在地鐵車輛檢修中的運用已較為普及，可部分代替人工作業(yè)，但其缺乏單點設(shè)備間的有機集成。合理運用工業(yè)機器人與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實現(xiàn)檢修作業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型；結(jié)合車輛檢修工藝，還能進一步形成自動化檢修線，以構(gòu)建“無人工廠”的檢修模式。

2.2 智能運行體系

2.2.1 列車全自動運行系統(tǒng)

為滿足列車全自動運行需求，全自動運行線路的車輛基地在設(shè)計時需分區(qū)布置，2個區(qū)域邊界應(yīng)清晰劃分并設(shè)置隔離柵欄。車輛基地分區(qū)布置圖如圖3所示。無人駕駛區(qū)包括出入段線、洗車線、停車列檢線；人工駕駛區(qū)包括檢修線、鏇輪線、調(diào)機及工程車庫等；周月檢線可根據(jù)工藝布局靈活選擇歸屬分區(qū)。分區(qū)間設(shè)轉(zhuǎn)換軌并配套登車平臺，以便轉(zhuǎn)換駕駛模式，登車區(qū)域部署安全防護系統(tǒng)。洗車機可采用全自動洗車模式，以提高作業(yè)效率。停車列檢庫是無人駕駛區(qū)的核心。綜合考慮作業(yè)安全與運營效率，停車列檢庫內(nèi)劃分為若干防護分區(qū)，各分區(qū)間設(shè)防護柵欄；庫中或庫后設(shè)置地下通道或架空天橋供人員出入，且出入口門禁與行車信號、接觸網(wǎng)或接觸軌的狀態(tài)安全聯(lián)鎖；邊跨內(nèi)增設(shè)處于熱備狀態(tài)的備用控制中心，可在應(yīng)急情況下接管全線的運營指揮。

圖3 全自動運行線路的車輛基地布置方案

全自動運行系統(tǒng)能自動收集各專業(yè)系統(tǒng)的行車數(shù)據(jù)，有利于實現(xiàn)車輛智能運維。車輛智能運維技術(shù)成熟后，可通過正線停車來減小車輛基地規(guī)模，增加運營靈活性。

2.2.2 智能調(diào)度指揮平臺

信息化、數(shù)字化的調(diào)度指揮平臺，能實現(xiàn)車輛基地內(nèi)收發(fā)車、調(diào)車、檢修與乘務(wù)派班計劃自動編制(全自動運行模式下無需編制乘務(wù)派班計劃)，以及列車調(diào)車進路自動辦理。調(diào)度指揮平臺的控制層包括計算機聯(lián)鎖、車號自動識別和調(diào)車電臺信令等子系統(tǒng)，能按作業(yè)調(diào)度計劃自動執(zhí)行任務(wù)并反饋執(zhí)行結(jié)果，其主要用于控制現(xiàn)場信號設(shè)備、監(jiān)測列車運行狀態(tài)、與調(diào)車組進行無線通信等；調(diào)度指揮層為場段調(diào)度員的調(diào)度指揮平臺，主要實現(xiàn)各工種調(diào)度員和管理人員間的信息共享，以及不同作業(yè)流程的智能化調(diào)度；決策層和管理層可為各級管理人員提供生產(chǎn)報表等，以便其掌握實際生產(chǎn)情況并按需下達指令。

2.3 智能基礎(chǔ)設(shè)施

2.3.1 裝配式結(jié)構(gòu)

目前，車輛基地內(nèi)的生產(chǎn)房屋中，除運用庫、檢修庫、物資總庫可局部采用裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計外，常用的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)施還包括裝配式作業(yè)平臺、裝配式軌道橋、裝配式綜合管廊與裝配式綜合支吊架等[6]。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其建設(shè)周期短、綠色環(huán)保、質(zhì)量可控，在美觀、安全、施工效率、節(jié)約空間、后期維護等方面均有優(yōu)勢。

2.3.2 海綿設(shè)施

基于車輛基地內(nèi)雨水流向，布置綠色屋頂、透水鋪裝、雨水花園、植草溝、下沉式綠地與雨水調(diào)蓄池等被稱為“海綿設(shè)施”的城市水循環(huán)系統(tǒng)。通過滲、滯、蓄、凈、用、排，海綿設(shè)施能有效吸收雨水徑流沖擊與污染負荷。其結(jié)合生態(tài)景觀的建設(shè)，還可為工作人員提供綠色舒適的生產(chǎn)辦公環(huán)境。

2.3.3 人文設(shè)計

結(jié)合開發(fā)方案，將以人為本的思想融入車輛基地設(shè)計理念，從環(huán)境工程學(xué)、人機工程學(xué)、行為心理學(xué)、建筑心理學(xué)等角度著力營造溫馨舒適的工作環(huán)境，綜合考慮天然采光、體感溫度、建筑外立面與內(nèi)飾、色彩心理、景觀綠化、蓋板與風(fēng)機等吸音降噪、蓋下通風(fēng)排煙、活動場地預(yù)留與設(shè)備人機交互等因素，切實提高人員身心舒適度與歸屬感。

2.4 智能管理體系

2.4.1 基于BIM技術(shù)的設(shè)計、施工、運營數(shù)字一體化

在車輛基地的設(shè)計、施工、運營中，BIM作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)承載體，能有效保存和傳遞信息。如圖4所示，開發(fā)BIM全壽命周期管理平臺，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，推廣標準化資源共建共享模式，實現(xiàn)項目全壽命周期的信息化、可視化、精細化管理[7]。

圖4 基于BIM的全壽命周期管理平臺方案

設(shè)計方利用BIM協(xié)作平臺開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，易于核實各專業(yè)間接口信息與工程數(shù)量，能有效避免差錯漏碰等設(shè)計缺陷。施工方利用完成的BIM模型可有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工、保障施工安全、加強施工質(zhì)量與進度管理，還可利用模型工程量信息快速進行造價與耗材管理。

通過BIM竣工模型的數(shù)字化交付，設(shè)計院、設(shè)備供應(yīng)商、施工單位與運營單位的文檔、資產(chǎn)、維護等各系統(tǒng)數(shù)據(jù)可實現(xiàn)互聯(lián)互通，形成以BIM為核心載體的電子數(shù)據(jù)庫。運營方可充分挖掘數(shù)據(jù)庫中大量的建設(shè)、監(jiān)測與維護信息，開展數(shù)字化資產(chǎn)管理與可視化運維。在數(shù)字化資產(chǎn)交付中，先對設(shè)備等進行統(tǒng)一編碼，使BIM模型數(shù)據(jù)庫和資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫相關(guān)聯(lián)，就可根據(jù)檢索需求來實現(xiàn)設(shè)備的快速定位，并讀取設(shè)備模型的資產(chǎn)管理信息。還可將模型數(shù)據(jù)庫與設(shè)備實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，以動態(tài)監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)。此外，將BIM模型與數(shù)字孿生技術(shù)等前沿技術(shù)融合，即可實現(xiàn)車輛基地運營全業(yè)務(wù)場景數(shù)字模型與物理模型的雙向映射。在此基礎(chǔ)上配套基于VR、AR等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的培訓(xùn)指導(dǎo)平臺，就能將沉浸式三維體驗與BIM模型無縫對接，在提高技能水平、識別現(xiàn)場故障及應(yīng)急處理突發(fā)情況等方面為運營人員提供訓(xùn)練支持。

2.4.2 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)可實現(xiàn)管控邏輯由人工把控向設(shè)備自控、人機聯(lián)控、人員互控的轉(zhuǎn)換，其相關(guān)子系統(tǒng)如下：

1)智能門禁系統(tǒng)：應(yīng)用紅外檢測、圖像分析、生物識別等技術(shù)，實現(xiàn)指紋識別、人臉識別、防尾隨、出入計數(shù)等功能，完成人員出入管理。

2)侵界報警系統(tǒng)：于防護區(qū)域設(shè)置激光傳感器、紅外傳感等探測設(shè)備，發(fā)現(xiàn)人員異常闖入即報警；與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，影像實時傳至顯示終端，以便值班人員快速判斷響應(yīng)。

3)可視化自動接地系統(tǒng)：實現(xiàn)驗電、掛接地線及地線拆除等接地作業(yè)的全程可視化、操作自動化、管理網(wǎng)絡(luò)化。

4)人員定位系統(tǒng)：基于RFID(射頻識別)與UWB(超寬帶無線通信)等技術(shù)，實現(xiàn)庫內(nèi)檢修作業(yè)人員的實時定位；并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，監(jiān)測記錄人員作業(yè)軌跡。

5)安全聯(lián)鎖系統(tǒng)：基于PLC(可編程邏輯控制器)與外部設(shè)備接口，實時采集和傳輸區(qū)域內(nèi)車輛、信號、人員、供電等多維數(shù)據(jù)狀態(tài)，根據(jù)不同運營場景需求，建立人員、車輛及設(shè)備互聯(lián)互控的安全保障體系。

2.4.3 智能能源系統(tǒng)

1)布設(shè)可再生能源系統(tǒng)技術(shù)裝備。庫頂鋪設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，蓋下采用光導(dǎo)照明等。

2)配套精益化能源管控系統(tǒng)。可對檢修設(shè)備、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、通風(fēng)排風(fēng)設(shè)備、冷熱源設(shè)備、給排水設(shè)備及供配電系統(tǒng)等進行實時監(jiān)測與控制，能及時發(fā)現(xiàn)能源消耗異常，進行報警并處理；采集、存儲及管理相關(guān)系統(tǒng)耗能信息，以進行數(shù)據(jù)的分析和挖掘，并給出科學(xué)的節(jié)能建議。

3 結(jié)語

目前，在智慧城軌的建設(shè)實踐經(jīng)驗下，車輛智能運維系統(tǒng)、全自動運行系統(tǒng)、智能城軌建設(shè)管理系統(tǒng)、綠色能源管理系統(tǒng)等已逐步得到應(yīng)用。本文以設(shè)計者的角度，從車輛、場段、人員三界面出發(fā)，分析基于智慧城軌理念的地鐵車輛基地建設(shè)與運營過程中相關(guān)場景需求，以實際業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，就車輛基地的設(shè)計提出了智能運維體系、智能運行體系、智能基礎(chǔ)設(shè)施與智能管理體系四項關(guān)鍵技術(shù)，旨在提升車輛基地建設(shè)與運營全過程的安全性、便捷性、經(jīng)濟性和高效化、綠色化。以期發(fā)揮規(guī)劃設(shè)計的前導(dǎo)協(xié)同作用，推進智慧城軌的進一步建設(shè)發(fā)展。