著力新一代裝備的綠色化智慧型城市軌道交通建設(shè)

丁樹(shù)奎

(中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì), 100038, 北京∥正高級(jí)工程師)

2020年3月12日,中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)以“交通強(qiáng)國(guó),城軌擔(dān)當(dāng)”的使命感,順應(yīng)行業(yè)呼聲,適應(yīng)發(fā)展需要,發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡(jiǎn)稱《智慧城軌發(fā)展綱要》)[1-2],以此作為城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)行業(yè)今后一個(gè)時(shí)期(2020—2035年)制訂智慧城軌發(fā)展的技術(shù)政策、技術(shù)規(guī)范、發(fā)展規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃的指導(dǎo)性文件。2022年8月18日,中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì),正式發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》(以下簡(jiǎn)稱《綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》)[3-6],為正在實(shí)施中的《智慧城軌發(fā)展綱要》的姐妹篇,兩者共同指導(dǎo)構(gòu)建既智慧化又綠色化的新時(shí)代中國(guó)特色城市軌道交通。三年智慧城軌建設(shè)初見(jiàn)成效,一年綠色城軌建設(shè)開(kāi)局良好。

1 城軌綠智融合發(fā)展理念

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)在《城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五發(fā)展思路”》[7]中提出了城軌發(fā)展的12個(gè)戰(zhàn)略指向,其中國(guó)產(chǎn)自主化、智能智慧化、綠色低碳化是基礎(chǔ)性、全局性的重大戰(zhàn)略。國(guó)產(chǎn)自主化是立足點(diǎn),智能智慧化是技術(shù)主方向,綠色低碳化是可持續(xù)發(fā)展的基本盤。

智慧賦能綠色城軌,是推動(dòng)綠色城軌建設(shè)的主要技術(shù)手段和科學(xué)基礎(chǔ),以智能化技術(shù)裝備為基礎(chǔ),有效支撐城軌行業(yè)綠色低碳發(fā)展,智慧城軌為綠色城軌建設(shè)提供強(qiáng)大創(chuàng)新動(dòng)力。綠色低碳拓展了智慧城軌內(nèi)涵,是建設(shè)智慧城軌的重要內(nèi)容和重要場(chǎng)景,綠色城軌建設(shè)為智慧城軌提供更大發(fā)展空間。綠色城軌與智慧城軌有機(jī)結(jié)合、協(xié)同創(chuàng)新,形成常態(tài)化綠智融合的創(chuàng)新機(jī)制[6]。

具體路徑上,堅(jiān)持智能智慧和綠色低碳協(xié)同的發(fā)展路線[4],大力推進(jìn)新一代信息技術(shù)與城軌綠色低碳業(yè)務(wù)深度融合,夯實(shí)數(shù)字底座,以推進(jìn)城軌信息化、搭建智能系統(tǒng)、建設(shè)智慧城軌為載體,以智慧賦能節(jié)能降碳關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān),助力城軌綠色低碳發(fā)展。充分發(fā)揮智慧城軌建設(shè)成果效能,開(kāi)展綠色規(guī)劃,提升出行占比,推行綠色裝備制造,推動(dòng)城軌全面綠色轉(zhuǎn)型,實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和,促進(jìn)城軌可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。由此可見(jiàn),綠智融合發(fā)展理念是城軌發(fā)展的重要內(nèi)涵。

2 城軌發(fā)展綱領(lǐng)文件中的綠智融合

《智慧城軌發(fā)展綱要》作為行業(yè)內(nèi)智能智慧化發(fā)展的指導(dǎo)性文件,在編撰過(guò)程中充分考慮了城軌的綠色低碳化發(fā)展趨勢(shì),并將“經(jīng)濟(jì)適用,綠色發(fā)展”作為智慧城軌建設(shè)的重要原則,提出要“采用先進(jìn)成熟、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保的技術(shù)裝備,注重技術(shù)與投入、成本與效益、發(fā)展與環(huán)境的相互協(xié)調(diào),充分發(fā)揮既有資源的作用,努力打造具有中國(guó)特色、基于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、生態(tài)環(huán)境文明的智慧城軌體系”。在《智慧城軌發(fā)展綱要》中提出了“1-8-1-1”智慧城軌發(fā)展藍(lán)圖,其中的智能能源系統(tǒng)是8大智能(智慧)體系中的一個(gè)子系統(tǒng)。智能能源系統(tǒng)建設(shè)為綠色城軌建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！吨腔鄢擒壈l(fā)展綱要》從牽引供電、車站節(jié)能、能耗-客流耦合、永磁牽引及智能能源系統(tǒng)的角度,初步提出了智慧城軌框架下的綠色低碳化城軌發(fā)展路徑。

《綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》圍繞實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)和建設(shè)綠色城軌兩大任務(wù),以綠色轉(zhuǎn)型為主線,以清潔能源為方向,以節(jié)能降碳為重點(diǎn),智慧賦能,創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),開(kāi)展6大綠色城軌行動(dòng)。具體來(lái)說(shuō),《綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》主要從以下兩方面強(qiáng)化綠智融合。

一是《綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》與《智慧城軌發(fā)展綱要》在內(nèi)容上相呼應(yīng)?！毒G色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》將“智慧賦能,綠智融合”作為重要工作原則,其中,7次提到綠智融合,8次提到智慧賦能,14次提到智慧城軌,50次提到智能智慧。例如:在行動(dòng)二“節(jié)能降碳增效行動(dòng)”中,提出構(gòu)建智能能源管理平臺(tái),再次呼應(yīng)了《智慧城軌發(fā)展綱要》中的“智能能源系統(tǒng)”建設(shè);在行動(dòng)五“綠色裝備制造行動(dòng)”中,更是進(jìn)一步提出將綠色低碳與智能智慧相融合、綠色城軌場(chǎng)景和智慧城軌場(chǎng)景相結(jié)合、綠色低碳轉(zhuǎn)型與數(shù)字化轉(zhuǎn)型相融合,充分利用既有創(chuàng)新成果,持續(xù)推動(dòng)自主化技術(shù)裝備研制和應(yīng)用[4]。

二是《綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》充分吸納了《智慧城軌發(fā)展綱要》中的規(guī)劃內(nèi)容,進(jìn)一步明確了綠色城軌的發(fā)展路徑。例如:在行動(dòng)一“綠色規(guī)劃先行行動(dòng)”中,以綠智融合為導(dǎo)向,將智能智慧化作為綠色創(chuàng)新活動(dòng)的重要手段,營(yíng)造智能智慧助力綠色城軌發(fā)展、綠色低碳推動(dòng)智慧城軌發(fā)展的新局面;在行動(dòng)三“出行占比提升行動(dòng)”中,以面向全出行鏈的智慧乘客服務(wù)體系賦能乘客出行,提高乘客出行的便捷化、舒適化、智能化水平,提升城軌吸引力;在行動(dòng)六“全面綠色轉(zhuǎn)型行動(dòng)”中,在推動(dòng)建造體系綠色轉(zhuǎn)型方面,提出在建造領(lǐng)域采用智慧工地等信息化管理系統(tǒng),依托物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM+GIS(建筑信息模型+地理信息系統(tǒng))、5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))和建筑機(jī)器人等新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用,促進(jìn)綠色建造進(jìn)程。

由此可見(jiàn),綠智融合是城軌發(fā)展一以貫之的方針。

3 城軌綠智融合關(guān)鍵融合點(diǎn)和著力點(diǎn)

在推動(dòng)綠智融合、建設(shè)綠色化智慧型城軌的各項(xiàng)工作中,關(guān)鍵融合點(diǎn)和著力點(diǎn)是推進(jìn)新一代綠色智能技術(shù)裝備的研發(fā)與應(yīng)用?！毒G色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》明確提出,將聚焦節(jié)能降耗潛力大、能效利用率高的新一代自主化綠色智能技術(shù)裝備,瞄準(zhǔn)先進(jìn)、綠色和智能技術(shù),部署一批前沿的新一代綠色智能技術(shù)裝備研發(fā)項(xiàng)目和示范工程[4,8],強(qiáng)化科技創(chuàng)新對(duì)綠色城軌發(fā)展的支撐。

3.1 新一代智能調(diào)度及靈活編組系統(tǒng)

城軌在公共交通中占比不斷擴(kuò)大的同時(shí),也面臨總體客流強(qiáng)度不足、客流出行時(shí)空分布不均衡、客流非高峰期運(yùn)力過(guò)剩等問(wèn)題,出現(xiàn)車輛資源和電力能源等浪費(fèi)的現(xiàn)象。同時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)規(guī)模的擴(kuò)大,也增大了調(diào)度指揮壓力。

在此背景下,由北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司牽頭,聯(lián)合城軌行業(yè)內(nèi)的高校院所、高新企業(yè),一同申報(bào)承擔(dān)了國(guó)家發(fā)展和改革委的《智慧城軌新一代智能列車運(yùn)行系統(tǒng)及平臺(tái)示范工程》及中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)的《新一代網(wǎng)絡(luò)化智能調(diào)度和智能列車運(yùn)控系統(tǒng)示范工程》項(xiàng)目,項(xiàng)目重點(diǎn)是研發(fā)一套iFAO(智能全自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)。iFAO系統(tǒng)以提升車輛、軌道等資源的靈活配置和高效運(yùn)用為導(dǎo)向,基于無(wú)人駕駛、車車通信、智能感知等技術(shù),攻克虛擬編組、智能調(diào)度關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)列車基于虛擬聯(lián)掛的靈活編組的新一代智能型全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。

作為項(xiàng)目?jī)身?xiàng)核心技術(shù)之一的虛擬聯(lián)掛,是不依賴機(jī)械連接裝置,通過(guò)基于無(wú)線通信的信息交互和自動(dòng)控制等技術(shù)將多列(含兩列)運(yùn)行列車聯(lián)結(jié)并一體運(yùn)行的技術(shù)。虛擬靈活編組是采用虛擬聯(lián)掛技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車編組在線改編的一種靈活編組列車運(yùn)行組織方式,簡(jiǎn)稱虛擬靈活編組。這項(xiàng)技術(shù)可以適應(yīng)高峰和非高峰不均衡需求的靈活編組運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)運(yùn)能與需求精準(zhǔn)匹配;在非高峰,不僅不加大行車間隔,不降低服務(wù)水平,同時(shí)還大幅減少牽引能耗。

虛擬靈活編組運(yùn)行方式對(duì)線路及線網(wǎng)的指揮調(diào)度系統(tǒng)提出了更高的要求。項(xiàng)目研發(fā)的新一代行車調(diào)度指揮系統(tǒng)是基于運(yùn)籌學(xué)理論,以及專家系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等技術(shù),對(duì)列車運(yùn)行及關(guān)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行智能化指揮控制管理,進(jìn)一步提高了列車運(yùn)行計(jì)劃編制、行車態(tài)勢(shì)感知、列車運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整、相關(guān)系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急調(diào)度指揮等的自動(dòng)化、智能化程度,實(shí)現(xiàn)了車輛、軌道、人員等資源優(yōu)化配置,運(yùn)力與運(yùn)量動(dòng)態(tài)匹配,應(yīng)急處置決策能力提升。

3.2 新一代牽引供電系統(tǒng)

牽引能耗在城軌總能耗中的占比為50%,降低牽引能耗是城軌節(jié)能降耗的重點(diǎn)。各地研發(fā)應(yīng)用的新一代牽引供電系統(tǒng),包含了車側(cè)的永磁同步牽引電機(jī)技術(shù)、軌側(cè)的專用軌回流技術(shù)和網(wǎng)側(cè)的雙向變流技術(shù)(三件套)。從“源-網(wǎng)-荷”回路系統(tǒng)來(lái)看,三者組合使用效果會(huì)更佳;三者單獨(dú)使用時(shí),永磁同步牽引電機(jī)的節(jié)能率達(dá)20%以上,雙向變流技術(shù)的節(jié)能率達(dá)15%以上,專用軌回流根治了雜散電流迷流,可使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)綜合節(jié)能達(dá)20%以上。

從新一代牽引系統(tǒng)應(yīng)用效果來(lái)看,除了可實(shí)現(xiàn)節(jié)能外,還產(chǎn)生了其他積極效果。永磁同步牽引電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,從常規(guī)異步電機(jī)到采用永磁材料的同步電機(jī),使車輛的控制從車控、架控轉(zhuǎn)變到了軸控,實(shí)現(xiàn)了黏著資源的充分利用,使動(dòng)車配置數(shù)量可進(jìn)一步減少,使動(dòng)拖比可進(jìn)一步優(yōu)化,同時(shí)也可使動(dòng)車牽引單元損失導(dǎo)致列車退出運(yùn)營(yíng)的概率大大降低。雙向變流系統(tǒng)中,從采用常規(guī)二極管整流器轉(zhuǎn)變到采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換從不可控到可控的轉(zhuǎn)變,也使供電方式從局部分段供電轉(zhuǎn)向全線變電所的協(xié)同供電。從采用鋼軌回流轉(zhuǎn)變到采用專用軌回流,實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜散電流治理方式由“堵”到 “疏導(dǎo)”的轉(zhuǎn)變,從讓社會(huì)分擔(dān)雜散電流的危害轉(zhuǎn)變到了杜絕雜散電流對(duì)社會(huì)的危害,因而由被動(dòng)回流轉(zhuǎn)變到了主動(dòng)回流。上述這些轉(zhuǎn)變是具有代際提升特征的。

3.3 新一代大空間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗在城軌總能耗中的占比為30%,是第二位的用能大戶。車站內(nèi)站廳站臺(tái)空間大、用冷點(diǎn)少且冷負(fù)荷需求多變,如采用常規(guī)水冷冷水冷源、輸配系統(tǒng)、全空氣末端的系統(tǒng)形式,存在換熱次數(shù)多、系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題,且受系統(tǒng)形式影響,常規(guī)節(jié)能措施已遇瓶頸,無(wú)法滿足精準(zhǔn)供冷需求。

為此,北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司在北京地鐵19號(hào)線一期牡丹園站,聚焦節(jié)能降耗,針對(duì)地下車站熱環(huán)境控制需求,研究了地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù),進(jìn)行集成創(chuàng)新和設(shè)計(jì)優(yōu)化。研發(fā)了水冷磁懸浮直膨空調(diào)機(jī)組(含自潔式低阻高效凈化裝置)、適應(yīng)內(nèi)置在車站的單進(jìn)風(fēng)冷卻塔、基于群智能的空調(diào)智能控制等一系列設(shè)備和相關(guān)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了地鐵車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效能、高健康、高智慧,以及低成本(運(yùn)營(yíng)和占地)、低碳排、低維護(hù)等的多維度目標(biāo),建立形成了具有地鐵車站新一代大空間空調(diào)特征的技術(shù)體系。

新一代大空間通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用直膨磁懸浮式空調(diào)系統(tǒng),將冷水機(jī)組和空調(diào)機(jī)組集成并一體化設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng);采用直接蒸發(fā)技術(shù),取消了冷凍水泵、定壓補(bǔ)水裝置、水處理設(shè)備及管路等;制冷劑與空氣直接進(jìn)行熱交換,提升了換熱效率。車站采用水冷磁懸浮直膨空調(diào)系統(tǒng)可節(jié)電25%以上?？照{(diào)采用自潔式低阻高效凈化技術(shù),可確保通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)高效運(yùn)行,提升公共區(qū)、人員房間空氣品質(zhì)。將單進(jìn)風(fēng)冷卻塔內(nèi)置在車站可有效解決征地拆遷、景觀影響等問(wèn)題。此外,采用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù),提高了通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理精細(xì)化水平。

南寧、洛陽(yáng)、寧波、青島等多個(gè)城市在城軌直膨空調(diào)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用方面也取得很多成果,證明了直膨技術(shù)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)將發(fā)揮行業(yè)協(xié)會(huì)作用,積極引導(dǎo)并指導(dǎo)城軌企業(yè)編制實(shí)施綠色城軌發(fā)展實(shí)施方案,進(jìn)一步推進(jìn)新一代智慧城軌技術(shù)與城軌綠色低碳業(yè)務(wù)深度融合,著力新一代裝備,以智慧賦能城軌節(jié)能降碳戰(zhàn)略,實(shí)現(xiàn)城軌盡早、率先達(dá)峰,為交通行業(yè)提前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和做出努力,助力國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略的實(shí)施,為早日建成綠色化智慧型的城市軌道交通貢獻(xiàn)力量。