張亞偉，楊國元，陳瑞鳳，白 偉，伍柳伊，王小書

2019年中共中央、國務(wù)院印發(fā)《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》，明確指出構(gòu)建現(xiàn)代化的綜合交通運(yùn)輸體系，構(gòu)筑大灣區(qū)快速交通網(wǎng)絡(luò)，以連通內(nèi)地與港澳以及珠江口東西兩岸為重點(diǎn)，構(gòu)建以高速鐵路、城際鐵路和高等級公路為主體的城際快速交通網(wǎng)絡(luò)。同時，加快智能交通系統(tǒng)建設(shè)，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的創(chuàng)新集成應(yīng)用。城際鐵路客站是乘客跨城出行的重要交互窗口，隨著信息化發(fā)展及交通行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展模式的提出，客站服務(wù)智能化、功能多樣化、站區(qū)商圈化已成為車站發(fā)展建設(shè)的重要方向，新信息技術(shù)的發(fā)展為客站的智能化建設(shè)提供支撐，其他行業(yè)智能化建設(shè)的成功案例為客站的智能化發(fā)展指明道路，將客站業(yè)務(wù)與新信息技術(shù)相結(jié)合，打造世界領(lǐng)先的智能城際鐵路客站，已成為我國城際鐵路的發(fā)展趨勢。研究圍繞深圳城際鐵路出行需求，緊密結(jié)合車站乘客購票、進(jìn)站、出站、換乘等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)[1]。

1 需求分析

深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)將信息化新技術(shù)與業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，重點(diǎn)面向運(yùn)營階段生產(chǎn)作業(yè)，對城際鐵路設(shè)備控制、運(yùn)營維護(hù)、環(huán)境舒適業(yè)務(wù)內(nèi)容進(jìn)行梳理和總結(jié)，提煉智能化的功能需求，通過環(huán)境要素監(jiān)控和設(shè)備按需運(yùn)行，構(gòu)建綠色節(jié)能的客站[2]。結(jié)合深圳城際鐵路客站建設(shè)需求，綠色節(jié)能系統(tǒng)主要運(yùn)用能效管控技術(shù)達(dá)到節(jié)能效果。

能效管控針對客站不同類型的主要能耗設(shè)備(如車站照明、電梯、導(dǎo)向屏、空調(diào)等)進(jìn)行能耗統(tǒng)計，并繪制能耗運(yùn)行曲線，結(jié)合近1～3 年的客站設(shè)備耗能情況給出對應(yīng)的能耗結(jié)果。根據(jù)能耗結(jié)果，將不同類別客站設(shè)備的耗能情況劃分不同能耗等級，分析其對應(yīng)的節(jié)能措施，同時有針對性地制訂節(jié)能控制策略，生成自動和人工2 種節(jié)能控制計劃。其中，自動計劃結(jié)合城際鐵路列車運(yùn)行特點(diǎn)、開行方式、實(shí)時列車運(yùn)行計劃、晚點(diǎn)等異常事件持續(xù)時長、客流量分布情況、客流密度情況等，提供可主動調(diào)節(jié)、自動配置的客站設(shè)備節(jié)能控制計劃；而人工調(diào)節(jié)則依靠客運(yùn)工作人員，根據(jù)客站設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況手動配置并下發(fā)計劃；如果自動計劃與手動下發(fā)計劃沖突，則以人工下發(fā)的計劃為準(zhǔn)[3]。

2 功能設(shè)計

針對城際鐵路客站設(shè)備、環(huán)境等要素，對綠色節(jié)能業(yè)務(wù)方向進(jìn)行功能設(shè)計，包括客站/樞紐設(shè)備能耗監(jiān)測、智能照明、智能導(dǎo)向屏、設(shè)備設(shè)施運(yùn)維、風(fēng)水聯(lián)動等功能，有效降低城際鐵路客站運(yùn)營成本，提升乘客候乘環(huán)境。

2.1 設(shè)備能耗監(jiān)測

對客站主要能耗設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)能源安全監(jiān)測，提高用能效率。對分類、分項設(shè)備用能進(jìn)行采集、統(tǒng)計、綜合分析，結(jié)合客站業(yè)務(wù)制定合理的設(shè)備運(yùn)用計劃和控制策略，生成自動和人工2 種節(jié)能控制計劃，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化和智能化節(jié)能控制，達(dá)到設(shè)備按需運(yùn)行和用能精細(xì)化管理。另外，可以基于5G 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，對客站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。針對車站配電間、變電所、供水設(shè)備間等末端區(qū)域的智能電報、智能水表采集到的能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)同比、環(huán)比分析，為優(yōu)化控制策略提供數(shù)據(jù)支持[4]。

2.2 智能照明

根據(jù)車站站廳、車站出入口、車站站臺和設(shè)備區(qū)等區(qū)域的照明需求特點(diǎn)及要求，提出感應(yīng)調(diào)光的智能照明控制策略，增加人體感應(yīng)探測器和光照度感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的燈光自適應(yīng)調(diào)節(jié)，節(jié)省維護(hù)成本，并提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)車站照明系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化。

針對站臺照明，利用列車到發(fā)時間定時控制照明開關(guān)。根據(jù)區(qū)域、時段、季節(jié)、列車編組等不同情境，配置對應(yīng)的開關(guān)燈模式，主要是通過對不同站臺、不同類型的列車設(shè)置車來前的開燈指令和車走后的關(guān)燈指令，整體實(shí)現(xiàn)車來開燈、車走關(guān)燈的效果，合理控制照明開關(guān)，最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。針對沒有列車運(yùn)營的區(qū)域或時段，可以通過定時方式?jīng)Q定燈的開關(guān)，有效減少設(shè)備的開啟時間[5]。

2.3 智能導(dǎo)向屏

根據(jù)列車到發(fā)自動控制站臺的導(dǎo)向屏，當(dāng)列車進(jìn)站時，導(dǎo)向屏開啟并顯示車次信息，當(dāng)列車出站后導(dǎo)向屏關(guān)閉以節(jié)省電能。對于站內(nèi)需要長期顯示的導(dǎo)向屏，通過感光模塊感應(yīng)環(huán)境亮度，并將環(huán)境亮度值反饋給節(jié)能系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境亮度值自動調(diào)節(jié)導(dǎo)向屏亮度，以達(dá)到節(jié)能目的。

2.4 設(shè)備設(shè)施運(yùn)維

對客站客運(yùn)服務(wù)設(shè)備，以及電梯、空調(diào)、照明等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)車站設(shè)備設(shè)施的資產(chǎn)管理、狀態(tài)監(jiān)控和輔助決策評價等功能。

以物聯(lián)網(wǎng)為內(nèi)核，應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等多種技術(shù)，圍繞設(shè)備設(shè)施健康管理，融合設(shè)備運(yùn)維服務(wù)專家經(jīng)驗，采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和歷史信息，提取關(guān)鍵特征并獲得特征數(shù)據(jù)集，基于AI 算法模型，分析計算得到設(shè)備關(guān)鍵部件剩余壽命，科學(xué)合理安排設(shè)備的維修時間和計劃，由計劃維修過渡到狀態(tài)維修再過渡到預(yù)測維修，對設(shè)備進(jìn)行適時、適度的維修管理，實(shí)現(xiàn)客站自動售檢票系統(tǒng)(AFC)、電梯、照明、環(huán)控、屏蔽門等設(shè)備設(shè)施的主動運(yùn)維保養(yǎng)，降低設(shè)備的損壞率，降低運(yùn)維成本[6]。

2.5 風(fēng)水聯(lián)動

通過采集設(shè)于車站內(nèi)各處的溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器以及可吸入顆粒物的數(shù)據(jù)，結(jié)合車站客流變化、列車行車組織變化、室內(nèi)新風(fēng)負(fù)荷變化等，完成車站冷負(fù)荷最低化的運(yùn)轉(zhuǎn)以及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗最低化的運(yùn)行方案，并制定設(shè)備控制策略，使車站公共區(qū)域在達(dá)到設(shè)計環(huán)境溫度的目標(biāo)值的前提下車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能效比達(dá)到最大值，實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)空調(diào)水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)間的全局優(yōu)化控制與管理，以提高整個通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗水平，實(shí)現(xiàn)車站溫濕度、氣體等環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)控，并提高乘客候乘舒適度。節(jié)能的實(shí)現(xiàn)方式如下。

（1）對冷卻水系統(tǒng)、冷凍水系統(tǒng)、電動蝶閥等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測與控制。

（2）當(dāng)任何一臺冷水機(jī)組、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷凍泵、冷卻泵、補(bǔ)水泵組運(yùn)行故障時，發(fā)出故障報警。

（3）群控系統(tǒng)能夠分別對各主要設(shè)備(冷機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)、冷卻水補(bǔ)水泵)進(jìn)行手動/自動群控切換。設(shè)備運(yùn)行在群控系統(tǒng)自動控制模式時，群控系統(tǒng)按照時間表參數(shù)以及預(yù)制的控制邏輯自動控制各個機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行。

（4）通過智能視頻分析技術(shù)統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)人群密度，根據(jù)人群密度智能分析該區(qū)域的空調(diào)設(shè)定值，并反饋給新風(fēng)系統(tǒng)，由新風(fēng)系統(tǒng)完成終端調(diào)節(jié)。動態(tài)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的空氣質(zhì)量，當(dāng)空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)時，反饋給新風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)凈化工作[7]。

2.6 節(jié)能測算

在采用節(jié)能方式和非節(jié)能方式的條件下，運(yùn)行相同的天數(shù)，分別對其能耗進(jìn)行測試、記錄和比較，通過計算得到節(jié)能率。例如，在相鄰2 d 基本相同工況條件下，在原控制狀態(tài)下運(yùn)行1 d，在被控節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行1 d，對其能耗進(jìn)行記錄和比較，計算出在運(yùn)行節(jié)能控制設(shè)備后的節(jié)電率，以此算作1次測量。1個季度共計測量1次，求出季平均節(jié)電率。如果由于相鄰工況條件變換太大或其他原因影響測試效果，則調(diào)整時間重新測試[8]。

季度典型工況下，節(jié)能率計算公式為

式中：Yi為季節(jié)能率，%；Wf為系統(tǒng)非控制日用電量，kW·h；Wk為系統(tǒng)控制日用電量，kW·h。

當(dāng)季控制日節(jié)電量計算公式為

當(dāng)季非控制日節(jié)電量計算公式為

式中：Wfj為當(dāng)季非控制日總節(jié)電量，kW·h；Wyf為當(dāng)季非控制日總用電量，kW·h。

季絕對節(jié)電量計算公式為

式中：Wyj為當(dāng)季絕對節(jié)電量，kW·h。

年絕對節(jié)電量計算公式為

式中：Wnj為年絕對節(jié)電量，kW·h；Wyj1，Wyj2，Wyj3，Wyj4為各季絕對節(jié)電量，kW·h。

以功能設(shè)計中的智能照明為例，采用智能照明控制每日用電量為500 kW·h，不采用智能照明控制每日用電量為800 kW·h，則節(jié)能率為37.5%。當(dāng)季節(jié)電量為54 000 kW·h，1 年節(jié)電量為216 000 kW·h。按每度電1 元計算，則1 年車站照明費(fèi)用節(jié)省21.6萬元。

2.2.3 兩季稻合計產(chǎn)量比較 對照黃華占產(chǎn)量為12 736.44 kg／hm2，居第七位，比對照增產(chǎn)的品種有 6個，產(chǎn)量由高到低依次是天兩優(yōu)953、黃廣油占、甬優(yōu)4949、兩優(yōu)33、黃科香1號、黃科香2號，其中天兩優(yōu) 953 產(chǎn)量最高，為 14 481.09 kg／hm2，比對照增產(chǎn) 13.70%；A 優(yōu) 338產(chǎn)量最低，比對照減產(chǎn) 9.02%。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，分為設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、中臺層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和展示層。

（1）設(shè)備感知層。系統(tǒng)通過開放、統(tǒng)一、規(guī)范的接口接入站內(nèi)導(dǎo)向屏、屏蔽門、空調(diào)、環(huán)境傳感器、電表、水表、照明設(shè)備、電梯設(shè)備等，自動獲取設(shè)備實(shí)時狀態(tài)及能耗信息，全面掌握設(shè)備能耗情況。設(shè)備感知層是構(gòu)建綠色節(jié)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)，信息的實(shí)時采集和多協(xié)議是其重要特征。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。系統(tǒng)通過客服外網(wǎng)、生產(chǎn)網(wǎng)、管理網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G 等多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，搭建聯(lián)通站內(nèi)各信息節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，匯集設(shè)備感知層采集的各類信息并傳輸至中臺層，為系統(tǒng)和前端設(shè)備的互聯(lián)互通提供高效穩(wěn)定的物理支撐條件。網(wǎng)絡(luò)傳輸層是構(gòu)建綠色節(jié)能系統(tǒng)的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)傳輸通道的全覆蓋和網(wǎng)絡(luò)種類的多樣化是其重要特征。

（3）中臺層。中臺層包括數(shù)據(jù)中臺、AI 中臺、業(yè)務(wù)中臺和技術(shù)中臺等。①數(shù)據(jù)中臺對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合、加工、分類和存儲，實(shí)現(xiàn)不同類型、不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、集成化管理，對外提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)探索、數(shù)據(jù)挖掘、多維分析、自助化報表等服務(wù)，以快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價值。跨系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)由云腦平臺提供，各系統(tǒng)不再獨(dú)立建立接口通道，統(tǒng)一由云腦平臺提供接口服務(wù)。②AI 中臺通過大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)學(xué)建模、平行計算等技術(shù)，構(gòu)建智能化分析算法庫、模型庫，為各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)性、場景性、通用性的AI 服務(wù)能力，支撐車站具體業(yè)務(wù)應(yīng)用的智能化需求。其中，公共基礎(chǔ)AI 算法模型由云腦平臺提供，客站AI 中臺對云腦平臺提供的公共模型算法，結(jié)合車站業(yè)務(wù)場景，對其進(jìn)行適配性增刪和調(diào)優(yōu)[9]。③業(yè)務(wù)中臺提供業(yè)務(wù)通用服務(wù)能力，以服務(wù)化形式提供模塊化、組件化、插件化、可解耦的公共業(yè)務(wù)組件，為客站各業(yè)務(wù)場景提供穩(wěn)定、高效、安全的共享服務(wù)，快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)能力協(xié)同，為客運(yùn)業(yè)務(wù)賦能[10]。④技術(shù)中臺整合和封裝開源的微服務(wù)開發(fā)框架、DevOps 平臺、容器云、PaaS 平臺以及其他應(yīng)用各種技術(shù)的中間件，為數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務(wù)中臺、AI中臺提供簡單、易用、快捷的基礎(chǔ)技術(shù)服務(wù)。

（4）業(yè)務(wù)應(yīng)用層。在中臺層的支撐下，開發(fā)滿足車站實(shí)際業(yè)務(wù)需求的具體應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)乘客個性化溫馨服務(wù)、生產(chǎn)－人員－設(shè)備的協(xié)調(diào)聯(lián)動以及全天候的綠色節(jié)能。

（5）展示層。提供集成化展示、可視化指揮和三維數(shù)字化漫游功能，利用BIM、GIS+MR 等技術(shù)構(gòu)建車站1∶1 實(shí)景3D 模型，對車站概覽、設(shè)備信息、能耗狀態(tài)、環(huán)境信息等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行集成化、模塊化的直觀展示，以3D 可視化車站實(shí)景布局圖為載體，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)行數(shù)據(jù)的可視化展示和可操作化指揮，實(shí)現(xiàn)基于3D模型的生產(chǎn)要素實(shí)時可視化監(jiān)控、能耗運(yùn)行異常情況預(yù)警/報警、可視化遠(yuǎn)程指揮等[11-12]。

4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)方案采用集中部署模式，以更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、接口的統(tǒng)一規(guī)范、應(yīng)用的集中部署，將數(shù)據(jù)全面集成存儲在云腦平臺數(shù)據(jù)中心，僅在邏輯上分為中心級和線路級，為站車、站間、線路間的一體化、協(xié)同化、集成化生產(chǎn)組織和乘客服務(wù)提供數(shù)據(jù)平臺支撐。深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.2 Green energy saving system data architecture of Shenzhen intercity railway passenger station

（1）線網(wǎng)中心。在線網(wǎng)中心分別設(shè)置中心級平臺和線路級平臺，分別包含生產(chǎn)和分析數(shù)據(jù)庫，其存儲能力由云腦平臺數(shù)據(jù)中心提供，并按照實(shí)際要求進(jìn)行動態(tài)調(diào)配，線路級數(shù)據(jù)庫的日常管理和維護(hù)由線路中心負(fù)責(zé)。中心級平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫包括基礎(chǔ)信息配置、線路間共享數(shù)據(jù)以及從云腦平臺獲取的路內(nèi)數(shù)據(jù)；分析數(shù)據(jù)庫存儲各類支撐線網(wǎng)中心部門進(jìn)行決策的統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)。線路級平臺的生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫包括從車站經(jīng)過預(yù)處理的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)配置數(shù)據(jù)和一體化計劃數(shù)據(jù)；分析數(shù)據(jù)庫存儲各類支撐線路中心部門進(jìn)行決策和指揮的統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)。線路級平臺將清洗后的原始數(shù)據(jù)上傳到中心級平臺，中心級平臺通過統(tǒng)一接口將數(shù)據(jù)上傳至云腦平臺，并通過統(tǒng)一接口獲取云腦平臺中存儲的設(shè)備、環(huán)境等數(shù)據(jù)，同時對線路級平臺共享所需數(shù)據(jù)[13-14]。

（2）線路中心。不在線路中心設(shè)置生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，僅配置必要的數(shù)據(jù)管理工具，支撐車站數(shù)據(jù)、中心數(shù)據(jù)的接入及部分信息展示功能，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行長期存儲。

（3）車站。不在車站設(shè)置生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫。車站采集到的環(huán)境、設(shè)備和人員狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至線網(wǎng)中心線路級的數(shù)據(jù)庫，部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸至線路中心進(jìn)行展示。為提高車站的災(zāi)難備援和應(yīng)急處理能力，在車站設(shè)置應(yīng)急數(shù)據(jù)庫，與線路級數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時同步，并在應(yīng)急結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，避免線網(wǎng)中心后臺癱瘓或網(wǎng)絡(luò)中斷導(dǎo)致的車站業(yè)務(wù)中斷[15]。

5 結(jié)束語

圍繞粵港澳大灣區(qū)現(xiàn)代化綜合交通運(yùn)輸發(fā)展需求，以深圳城際鐵路客站的智能化建設(shè)為目標(biāo)，設(shè)計綠色節(jié)能系統(tǒng)。從生產(chǎn)運(yùn)營的角度分析綠色節(jié)能的業(yè)務(wù)需求，并提出相關(guān)功能點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計由設(shè)備感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層等構(gòu)成的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系。數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)采用線網(wǎng)中心集中部署，車站、線路中心匯聚上傳的兩級架構(gòu)模式，依靠外部云腦平臺完成大數(shù)據(jù)分析任務(wù)。深圳城際鐵路客站綠色節(jié)能系統(tǒng)可以有效降低車站能耗，降低開支，智能化的設(shè)備調(diào)控方式不僅提升了鐵路信息化、智能化水平，也提高了乘客舒適化、智能化出行體驗。