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、經濟性和高效化、綠色化五大基礎上的新一代城市軌道交通[1]。智慧城軌的建設對車輛基地相關業(yè)務場景提出了新要求。車輛基地須創(chuàng)新性地集成多項智能化技術，以適應智慧城軌的要求。

1 智慧城軌車輛基地設計場景與需求

基于智慧城軌提出的“創(chuàng)建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運行、智能技術裝備、智能基礎設施、智能運維安全和智慧網絡管理八大技術體系，以及1個城軌云與大數據平臺[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，其過程一般包括狀態(tài)數據的采集、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，主要依靠人工紙質化記錄的方式來進行車輛故障數據的采集與判斷、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，需要運用智能技術來實現運維過程的數字化、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，車輛基地設計原則需隨之調整[4]：全自動運行系統(tǒng)的控制權將從正線延伸至車輛基地停車場；停車列檢庫內，列車自動完成入庫、休眠、喚醒、自檢與出庫。結合智能運維技術，可實現正線停車，減少車輛空駛時間，優(yōu)化車輛修程。

1.2 面向場段

1.2.1 建設施工

作為前期階段，設計引領施工、服務運營，故車輛基地的設計階段需要考慮包含施工與運營在內的全過程智慧化需求。設計為施工提供指導和依據，施工將設計方案轉化為具體成果，在設計階段預先融入智能化建造相關技術，可有效提高施工效率、質量與安全管理水平。

1.2.2 運行調度

除車輛檢修外，車輛基地的主要運營業(yè)務還包括行車作業(yè)、乘務派班(全自動運行模式下無乘務派班作業(yè))等。在傳統(tǒng)車輛基地，調度管理信息化程度普遍不足，仍依靠具備一定工作經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)資產管理。車輛基地工程設施設備數量多、種類雜。目前，在傳統(tǒng)車輛基地，管理手段能效低，數據集成度很低，竣工資產交付工作存在準確度差、工作繁瑣、標準不一、數據丟失嚴重等問題。智慧城軌車輛基地需要借助數字化手段與信息化平臺，打造便捷、全面、清晰的資產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、火災自動報警、環(huán)境與設備監(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，在此基礎上需要結合各項智能檢測手段和邏輯聯鎖控制方法，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)的基礎特征。建設節(jié)約環(huán)保型車輛基地，可為運營帶來經濟效益，并助力“碳達峰”與“碳中和”。在設計階段，智慧城軌車輛基地需在源端對通風空調、采暖、給排水、動力照明等專業(yè)采用高效節(jié)能型環(huán)控設備，并通過智能化管控來實現能源由配額化管理向精益化管理的轉變。

1.3 面向人員

智慧城軌具有社會科學和自然科學的雙重特征，其實現不僅要將先進技術賦能于設備設施，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各級生產辦公人員，其作業(yè)場景交叉于車輛基地各項業(yè)務中。智慧城軌理念下的車輛基地在運維檢修中運用自動化設備代替人工進行重復性強、強度大、環(huán)境惡劣的作業(yè)；運營管理依托高效化培訓，提升人員應急處置能力與作業(yè)技能水平；生產環(huán)境貫徹生態(tài)人文理念，解決因過度開發(fā)導致的雨水循環(huán)受阻以及蓋下采光缺失、煙塵廢氣、振動噪音等問題?？梢?，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，從而有效保障生產安全、提高生產效率。

2 智慧城軌車輛基地設計的關鍵技術

基于智慧城軌理念的車輛基地設計需契合安全、便捷、經濟、高效、綠色建設目標，考慮運維手段、運行模式、基礎設施及管理策略的需求。如圖1所示，車輛基地設計的技術支撐體系需以需求為導向，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與運營全過程的智慧化發(fā)展。

注：VR為虛擬現實；AR為增強現實；BIM為建筑信息模型；5G+指5G技術的應用。

2.1 智能運維體系

智能運維體系的建設是智慧城軌車輛基地設計的關鍵技術之一。通過搭建車載設備在途狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁設備綜合檢測系統(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)與基礎傳輸網絡，以實現運維過程的數據采集數字化、分析診斷智能化、管理系統(tǒng)信息化與工業(yè)生產自動化。車輛基地智能運維體系架構如圖2所示。

圖2 車輛基地智能運維體系架構

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、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)、LTE(長期演進)、4G或5G等技術，將車輛狀態(tài)信息通過PIS(乘客信息系統(tǒng))或專用車地無線通信網絡通道傳至地面智能運維系統(tǒng)平臺，實現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傳輸至服務器終端，從而實現故障自動識別與狀態(tài)數據記錄。

2.1.3 智能運維平臺

智能運維平臺依托城軌云與大數據平臺，融合大數據分析、云計算及人工智能等技術，能將接收的實時故障代碼、車輛狀態(tài)數據、實時檢測數據及檢修過程數據等作為數據基礎，并據此制定檢修策略與作業(yè)指導規(guī)范。此外，在DCC(車輛基地調度中心)內還應設置智能運維監(jiān)控室，以實現對列車狀態(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)服務器置于DCC內，以便檢修調度人員進行終端控制；感知與執(zhí)行設備分散布置于應用現場。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)質量管理、人員管理、倉儲物流管理、設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，以實現檢修生產各環(huán)節(jié)的信息共享和高效協同。

2.1.5 智能檢修系統(tǒng)

檢修人員配備了基于虛擬現實技術的智能終端與智能檢修工裝等裝備，可實現遠程協作指導，提升作業(yè)精準度。目前，AGV(自動導引運輸車)、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)，但其缺乏單點設備間的有機集成。合理運用工業(yè)機器人與物聯網技術，可實現檢修作業(yè)的數字化轉型；結合車輛檢修工藝，還能進一步形成自動化檢修線，以構建“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計時需分區(qū)布置，2個區(qū)域邊界應清晰劃分并設置隔離柵欄。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、調機及工程車庫等；周月檢線可根據工藝布局靈活選擇歸屬分區(qū)。分區(qū)間設轉換軌并配套登車平臺，以便轉換駕駛模式，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，停車列檢庫內劃分為若干防護分區(qū)，各分區(qū)間設防護柵欄；庫中或庫后設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、接觸網或接觸軌的狀態(tài)安全聯鎖；邊跨內增設處于熱備狀態(tài)的備用控制中心，可在應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)的行車數據，有利于實現車輛智能運維。車輛智能運維技術成熟后，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 智能調度指揮平臺

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

2.3 智能基礎設施

2.3.1 裝配式結構

目前，車輛基地內的生產房屋中，除運用庫、檢修庫、物資總庫可局部采用裝配式結構設計外，常用的裝配式結構設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)結構相比，其建設周期短、綠色環(huán)保、質量可控，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 海綿設施

基于車輛基地內雨水流向，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蓄池等被稱為“海綿設施”的城市水循環(huán)系統(tǒng)。通過滲、滯、蓄、凈、用、排，海綿設施能有效吸收雨水徑流沖擊與污染負荷。其結合生態(tài)景觀的建設，還可為工作人員提供綠色舒適的生產辦公環(huán)境。

2.3.3 人文設計

結合開發(fā)方案，將以人為本的思想融入車輛基地設計理念，從環(huán)境工程學、人機工程學、行為心理學、建筑心理學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、建筑外立面與內飾、色彩心理、景觀綠化、蓋板與風機等吸音降噪、蓋下通風排煙、活動場地預留與設備人機交互等因素，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技術的設計、施工、運營數字一體化

在車輛基地的設計、施工、運營中，BIM作為基礎數據承載體，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)一的數據源，推廣標準化資源共建共享模式，實現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

設計方利用BIM協作平臺開展多專業(yè)協同設計，易于核實各專業(yè)間接口信息與工程數量，能有效避免差錯漏碰等設計缺陷。施工方利用完成的BIM模型可有效指導現場施工、保障施工安全、加強施工質量與進度管理，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竣工模型的數字化交付，設計院、設備供應商、施工單位與運營單位的文檔、資產、維護等各系統(tǒng)數據可實現互聯互通，形成以BIM為核心載體的電子數據庫。運營方可充分挖掘數據庫中大量的建設、監(jiān)測與維護信息，開展數字化資產管理與可視化運維。在數字化資產交付中，先對設備等進行統(tǒng)一編碼，使BIM模型數據庫和資產管理數據庫相關聯，就可根據檢索需求來實現設備的快速定位，并讀取設備模型的資產管理信息。還可將模型數據庫與設備實際監(jiān)測數據進行關聯，以動態(tài)監(jiān)控設備運行狀態(tài)。此外，將BIM模型與數字孿生技術等前沿技術融合，即可實現車輛基地運營全業(yè)務場景數字模型與物理模型的雙向映射。在此基礎上配套基于VR、AR等虛擬現實技術的培訓指導平臺，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、識別現場故障及應急處理突發(fā)情況等方面為運營人員提供訓練支持。

2.4.2 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)可實現管控邏輯由人工把控向設備自控、人機聯控、人員互控的轉換，其相關子系統(tǒng)如下：

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

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

3)可視化自動接地系統(tǒng)：實現驗電、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、管理網絡化。

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，實現庫內檢修作業(yè)人員的實時定位；并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯動，監(jiān)測記錄人員作業(yè)軌跡。

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

2.4.3 智能能源系統(tǒng)

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

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

3 結語

目前，在智慧城軌的建設實踐經驗下，車輛智能運維系統(tǒng)、全自動運行系統(tǒng)、智能城軌建設管理系統(tǒng)、綠色能源管理系統(tǒng)等已逐步得到應用。本文以設計者的角度，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與運營過程中相關場景需求，以實際業(yè)務需求為導向，就車輛基地的設計提出了智能運維體系、智能運行體系、智能基礎設施與智能管理體系四項關鍵技術，旨在提升車輛基地建設與運營全過程的安全性、便捷性、經濟性和高效化、綠色化。以期發(fā)揮規(guī)劃設計的前導協同作用，推進智慧城軌的進一步建設發(fā)展。