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智慧城軌系統構建和工程實施若干熱點問題研究

2020-09-17 15:19:00 來源:現代城市軌道交通 杜心言

中國城市軌道交通協會于2020年3月發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》,促使行業各界對智慧城軌建設相關問題展開深入研究和積極探索。本文結合近期行業內有關智慧城軌系統構建和工程實施的一些熱點問題進行研討。

      中國e車網訊:中國城市軌道交通協會于2020年3月發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》,促使行業各界對智慧城軌建設相關問題展開深入研究和積極探索。本文結合近期行業內有關智慧城軌系統構建和工程實施的一些熱點問題進行研討。

      1 國內外軌道交通的發展方向與目標

  1.1 國外軌道交通發展目標

  進入21世紀以來,軌道交通的智慧化、智能化逐漸成為世界各國發展的主攻方向。通過現代信息技術進一步提高軌道交通運輸的安全水平,顯著提升軌道交通運輸組織效率,優化運輸服務品質,已成為世界各國軌道交通發展的必由之路。在此背景下,德、英、日等國的軌道交通業界相繼提出數字化與智能化發展戰略規劃,并制定了實施路線圖和重點任務。

  2011年,歐盟發布《歐洲一體化運輸發展路線圖》白皮書,旨在將歐洲目前的運輸系統發展為具有競爭力和高資源效率的運輸系統。歐洲鐵路研究咨詢委員會(ERRAC)同步制訂《Rail Route 2050》計劃,提出具有高資源效率、面向智能化的2050 年軌道交通系統發展藍圖(圖1)。

圖1 歐洲軌道交通系統發展藍圖 (2050 年)

  1.2 我國智慧城軌綱要發展目標

  近期,中國城市軌道交通協會(以下簡稱“中城協”)根據交通強國的精神,經廣泛深入的研究,編制了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》(以下簡稱《綱要》),提出了智慧城軌的總體發展目標(圖2),按照“1-8-1-1”的布局結構,鋪畫一張智慧城軌建設藍圖,創建智慧乘客服務、智能運輸組織、智能能源系統、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體系,建立一個城軌云與大數據平臺,制定一套中國智慧城軌技術標準體系?!毒V要》指出,應按照2025年和2035年兩步走的戰略分階段實現總體發展目標。2035年實現的總體目標是:中國城軌行業的智能化水平世界領先,自主創新能力全面形成,建成全球領先的智慧城軌技術體系和產業鏈。

圖2 我國智慧城軌的發展目標

  通過對比可知,從發展方向上看,智能化是世界軌道交通發展的共同趨勢。近年來出現的移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、人工智能等新技術在軌道交通領域的突破和融合,成為世界各國新一輪科技革命和產業變革的核心。

  從目標實現的時間來看,中國2025年和2035年兩步走的戰略目標要早于國外2050年目標的時間節點。到2035年,中國智慧城軌的10個指標中將有8個處于世界領先地位,2個名列前茅。中國目標的實現不僅時間早于國外,水平也將達到且大部分超過國外。

  盡管我國城軌建設和運營規模目前居世界第一,但要真正提高我國城軌的綜合實力,特別是智慧制造及智慧運營服務的軟實力,實現我國智慧城軌的各階段目標和交通強國的宏大總體目標,還任重道遠。在今后的15年里,我國智慧城軌建設將面臨時間緊、難度大、多樣化等一系列問題,需要各參與方高度重視。

  通過對行業各界近些年在智慧城軌構建和實施中所采取行動的初步了解和觀察,本文認為應在行業層面上對以下諸方面進行進一步的提升:

  (1)加快擁有自主知識產權的智能制造產業化進程;

  (2)構建以信息化技術為基礎的智能運維體系;

  (3)建立基于計量、標準、檢驗檢測和認證認可,并與國際接軌的全生命周期質量安全保障體制;

  (4)加大對各類專業人才隊伍教育培訓和能力建設的投入;

  (5)完善跨界融合的智慧城市綜合公共交通體系。

  規避城軌項目差異化帶來的風險

  據中城協統計,自20世紀60年代北京市開始建設地鐵起至2019年底,我國大陸地區已經開通城軌的城市有40個,開通運營線路208條,運營里程6736.2km,65個城市城軌線網獲批準,63個城市在建,在實施的建設規劃線路總長7339.4km。

  由于智慧城軌的理念和需求是近些年才出現的新生事物,因此國內外都還處于研究探索的起步階段。從各地城軌已建成的既有和在建線路(總長約14000km)情況來看,絕大部分項目在規劃建設和運營策劃階段都沒有像現在這樣深入研究過智慧城軌的構建,幾乎所有項目都按照傳統的運營模式規劃建設。所以,在構建智慧城軌時,首先面臨的就是這14000km 既有和在建線路的智慧化問題。

      我國已開通城軌的40座城市包括一、二、三線的各類城市。由于各地城軌規劃建設的時間先后不一(時間跨度有50年),線網規模不斷擴大,項目投資、工程建設及運營管理出現多樣化模式,技術裝備水平和自主化程度逐年提升,再加上各地的地理、人文、經濟、環境差異等諸方面因素,使得每一座城市的城軌發展歷程和具體實施方法均具有不同的特點。即便是同一地區或城市的不同線路,或者同一線路的不同實施階段,也可能采取了不同的模式與方法。這種差異化已對各地城軌的建設與運營管理產生了深刻影響,并將極大地影響今后智慧城軌的構建和實施,為其帶來一定風險,應當引起業界的充分重視。

      因此,在構建智慧城軌的實踐中,除應充分重視和體現不同地區城市的地域環境差別之外,還要重點關注當地智慧城市的總體布局和要求、建設運營單位的經驗、線路不同運量等級的區別、不同線路工程階段的銜接(包括既有線的延伸/更新改造和新線的規劃建設),以及因項目投資模式不同導致參與方所承擔的職責不同等問題。

  隨著我國經濟的發展和城鎮化的推進,今后將有更多的城市加入城軌建設和運營的行列。這些新興城市在構建智慧城軌時需要分析總結已開展的示范工程項目的實踐經驗,尋求更適宜當地的模式和方法。

  在構建智慧城軌的過程中,無論是既有線還是新建線,都切忌機械照搬其他城市或其他系統的成功經驗,而應該根據本地區、城市、線路的具體情況和項目本身的特點,因地制宜地進行深入研究,采取個性化的方式,以規避因各地城軌的差異化或項目階段的不同所帶來的風險。目前,各城市都在研究和探索適合當地智慧城軌可持續發展的途徑與模式,這在已經啟動的各類智慧城軌或智能系統項目案例中已有充分的展現(圖3)。然而各案例的實際效果能否達到預期,還需要在今后的實際應用中予以印證。

圖3 智慧城軌或智能系統項目案例

  深化項目前期的運營需求規劃

  在開展智慧城軌工作時,首先面臨的是構建和實施依據的合理性問題。目前,業內各界普遍認為,建設智慧城軌的宗旨和目的是解決傳統城軌運營的短板問題,即有效提升城軌網絡化運營的安全性,在保證系統設備設施健康運行的基礎上降低運營成本,以及提高城軌在城市公共交通體系中的服務效能與質量。這就需要深入細致地分析智慧城軌項目運營服務的具體工作內容和流程;分析智慧城軌目標的實現可為項目全生命周期運營帶來的益處;預測為構建智慧城軌所增加的投資能否達到減少人力成本、提升系統安全性、改善綜合運營服務質量的目標。為此,應該深化項目前期的運營需求規劃,為智慧城軌的構建和實施提供合理的依據。

  我國經過數十年的積累,已經形成了較完善的城軌規劃建設體系和工作流程。但與國外先進國家或地區的城軌規劃建設理念相比,我國在項目前期階段對運營需求的規劃和研究深度還明顯不夠。

      具體表現為,設計單位的工程項目可行性(以下簡稱“工可”)研究報告和初步設計文件的指標(如客流、行車、能源、環境、設施方案比選和系統基本構成等)大多以滿足城軌項目運營的基本功能要求為首要目標,而對于具體項目的實際運營服務需求,涉及深度往往不夠或針對性不強。

      其原因在于,在項目實施前期,運營主管單位往往提不出一套完整且規范化的運營前期規劃文件,使得工程建設與運營管理的銜接存在諸多需要改進的地方。為此,中華人民共和國交通運輸部于2018年5月頒布《城市軌道交通運營管理規定》(中華人民共和國交通運輸部令2018年第8號),其中規定“城市軌道交通工程項目可行性研究報告和初步設計文件中應當設置運營服務專篇”“城市軌道交通運營主管部門在城市軌道交通工程項目可行性研究報告和初步設計文件編制審批征求意見階段,應當對客流預測、系統設計運輸能力、行車組織、運營管理、運營服務、運營安全等提出意見”。這些規定將有利于在工可研究和初步設計階段開展前期運營規劃工作。

  由于智慧城軌的構建與項目運營服務需求有著極其密切的關系,因此在具體工程項目中,運營主管單位必須重視工程前期運營規劃,除在工可研究報告和初步設計文件中設置運營服務專篇外,還應深入細致地研究運營服務需求相關的各項工作。本文建議,在工可研究階段,由運營主管單位牽頭,在設計單位開展設計工作的同時,編制以實現智慧城軌目標為主線、詳細且規范的運營規劃系列文件,內容可包括(但并不限于)運營規劃與目標、運營服務大綱、系統功能要求、運營模式、維修策略、運營管理等。

  這些文件是對今后運營工作內容的詳細分析和任務分解,明確且定量地制定了與服務水平相對應的具體規范和要求,而不是工可研究報告和初步設計文件里對運營工作的簡單敘述。這些文件與工可研究報告、初步設計文件互為補充與支持,共同作為智慧城軌項目實施的依據,從而為智慧城軌的規劃和實施創造較好的基礎條件,避免智慧城軌的目標與工程設計文件產生差異或沖突,有利于工程建設和運營組織工作的開展。這種做法在一些先進國家的城軌項目實施中取得了較好的效果。

  對于不同運量等級(尤其是中低運量)的城軌項目,我國各城市的建設和運營經驗還比較匱乏。在構建智慧城軌的實踐中,應更好地發揮智能運維的優勢,突破傳統的城軌各專業獨立分散建設管理的模式,以運營服務需求為主線,利用信息化技術手段,減少工程標段和系統接口的數量,實現專業之間的有機融合與整合。

  融入貫穿項目全生命周期的安全理念

  安全永遠是軌道交通的生命線。在智慧城軌的構建和實施中,應建立與國際接軌的全生命周期質量安全保障體系(即軌道交通系統的可靠性、可用性、可維修性和安全性(RAMS)工作體系),并在工程建設過程中配合開展計量、標準、檢驗檢測、認證認可等各項工作。

  國際上,電氣和電子產品質量安全相關的規范都是以國際電工委員會(IEC)發布的《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》(IEC 61508)標準為依據的。世界軌道交通行業目前采用的是與此標準對應的《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性(RAMS)的規范和驗證 通用RAMS過程》(BS EN50126-1-2017)標準系列。我國軌道交通行業與該標準基本對應的國家標準是《軌道交通 可靠性、可用性、可維修性和安全性規范及示例》(GB/T 21562)。

  全生命周期質量安全保障的理念在一些先進國家的軌道交通項目中已經推行了30余年,取得了較好效果;而我國自2003年起才在少數項目中著手研究和實施。令人欣喜的是,近些年,城軌行業內對項目全生命周期質量安全工作的理解越來越深入,不少業主單位和承包商已經把全生命周期的RAMS 理念和指標體系融入智慧城軌的研究和示范項目中,這是一個良好的開端。

  城軌質量安全保障主要包含以下工作內容:

  (1)項目安全策劃;

  (2)安全評價(包括工程安全預評價、專項安全評價、初期運營前安全評價、安全驗收評價和運營期安全評價);

  (3)設計標準與工程安全控制技術規范;

  (4)風險管控和隱患排查;

  (5)建設和運營安全監控;

  (6)關鍵設備安全認證;

  (7)招標文件安全要求;

  (8)施工安全管理;

  (9)消防設計與驗收;

  (10)安全培訓教育;

  (11)公眾安全文化建設;

  (12)應急管理及演練。

  這些工作分布在項目的全生命周期內,隨著項目進程分別由業主單位、政府、工程建設單位與承包商、運營單位、第三方機構等承擔。

  在國內工程項目建設過程中,按照國際標準推行RAMS流程理念時,經常遇到國內外理念差異、工程階段適應性不足、相關單位參與度不高、RAMS專業人員缺乏經驗及資金投入不足等具體問題,影響其實際應用效果,其中,工程階段適應性不足的問題尤為突出。為此,國內部分業主單位和第三方機構在政府有關部門的支持下,研究和制定了適合我國國情的質量安全保障技術規范,即《城市軌道交通工程安全控制技術規范》(GB/T 50839-2013),并在研究中按照我國城軌工程項目的建設運營階段設置RAMS各階段的工作內容(圖4)。圖4中涵蓋業主、政府、承包商、第三方機構等單位,并具體呈現其在項目全生命周期里按階段分別負責的工作內容和流程關系。

圖4 城軌項目全生命周期質量安全控制工作內容

  與國內的習慣做法(即由各參與單位分別制定互不關聯的安全管理制度)相比,上述做法可以使項目各參與方在統一的安全理念和規范的工作流程下緊密配合,形成完整的安全管理體系,實現對項目全生命周期的質量安全控制。為此,需要建立專門的管理機構,在這方面香港鐵路有限公司有較好的管理經驗。

  如何將全生命周期質量安全保障理念有機地融入智慧城軌的構建和實施中,是一個新課題,期望有關各方在示范工程中總結和積累實踐經驗,并逐步改進完善,最終形成具有中國特色的智慧城軌質量安全保障體系。

  將智慧城軌融入智慧城市綜合公共交通體系

  城軌在我國交通運輸現代化中占據著非常重要的地位,習近平總書記在視察大興機場線時指出:“城市軌道交通是現代大城市交通的發展方向。發展軌道交通是解決大城市病的有效途徑,也是建設綠色城市、智能城市的有效途徑?!奔涌斐请H快速交通體系建設,完善城市內部交通運輸系統,成為軌道交通高質量發展的重要方向。

  由于歷史和管理體制等原因,我國各種運輸方式基本上都采用各自封閉的內部運營管理模式,相互之間缺乏有機銜接,甚至產生相互競爭的關系,導致城市綜合運輸效率長期以來難以提高。智慧城市的建設為改變這種狀況創造了極佳的機遇。

  為實現交通強國的宏大目標,智慧城軌的戰略目標和任務必須與智慧城市的總體目標相匹配,并能夠在智慧城市綜合公共交通體系內與其他各種形式的智慧運輸系統有機地銜接與互補。因此,首先,應在智慧城市頂層設計的框架下構建統一的管理平臺(圖5);其次,必須針對城軌發展的特點,對其所涉及的公共服務、基礎設施投資建設、交通樞紐、運輸服務價格等各方面進行系統研究,確立與之相適應的全新智慧綜合運輸發展戰略目標和任務,并合理利用各種運輸資源,實現全新的優化組合,以便充分發揮各種運輸方式的優勢,重構各種運輸方式之間、基礎設施與使用系統之間協調發展且有機配合的綜合運輸新體系,形成與發展相匹配、與運行效率相適應、與其他運輸方式相銜接的城軌管理模式和調控方式。

圖5 智慧城市架構框圖案例

  目前,在某些城市的應急管理和綜合交通運輸管理中,那種只考慮本企業或本系統的思維模式正逐步改變,管理者已經開始思考多種運輸方式之間的信息交換和處理問題。在這過程中,可能會遇到管理體制上的問題,需要政府機構予以協調解決;此外,還需要解決大量技術問題,例如系統頂層架構的設計、新技術的應用、公有云和私有云的選擇、管理系統軟件的開發、既有線各種系統的兼容、不同線路的互聯互通、系統安全、人力資源培訓等問題。在構建智慧城軌和智慧城市綜合公共交通體系時,應高度重視上述問題。

  構建智能運維體系

  智能運維將改變傳統意義上的運營模式,它應用云計算、大數據、物聯網、人工智能、5G、衛星通信、區塊鏈等新興信息技術,全面感知、深度互聯和智能融合乘客、設施、設備、環境等實體信息,并創新建設、運營、服務管理模式,在構建安全、便捷、高效、綠色、經濟的新一代智慧城軌的過程中發揮著重要作用。

  目前,上海、北京、廣州、深圳等城市的地鐵公司已經開始對車輛智能運維體系進行探索性應用(圖6)。國內各大城軌企業和機電裝備集成商均積極著手研究適用于各種機電系統的智能檢修模式。

  圖6 上海地鐵車輛智能運維系統平臺架構案例

  現階段,國內各運營單位已開展了許多與智能運維相關的研究和示范工程項目,這些項目的實施對實現智慧城軌總體目標有一定的積極意義。但從總體上看,在設備檢修維護模式、設備運維管理體系,以及整體信息化、自動化等方面的創新工作仍處于起步階段;智能運維管理大多集中在性能管理與故障處理上,離實現智能運維功能的完全整合還有一定差距;開發的各信息系統之間相互獨立,缺乏互聯互通的考慮,形成一些“信息孤島”,無法充分發揮信息化的整體效益。由于缺乏可借鑒的成功案例,智能運維創新工作面臨以下共性問題。

  (1)在缺少頂層設計和統一管理平臺的情況下,各智能運維子系統單獨分離建設,管理者考慮較多的是子系統內部的技術問題,而對其與城軌智能運維、智慧城軌之間的關系認識不清晰或缺乏考慮。要解決這個問題不可能一蹴而就。目前,《綱要》的發布使頂層設計有了一個宏觀的框架。各地可以參照這個基本框架,結合當地的基礎條件和實際需求,在智慧城市的總體布局下,研究構建適合本地的智慧城軌頂層架構。

  (2)不同線路或系統的運維綜合管理信息化程度差異大。城軌運營體系是由10多個機電系統與基礎設施組成的復雜大系統,除客運服務專業外,基本上所有專業都已實現自動化,信息化覆蓋率超過80%。然而,在自動化系統之間的聯動互控和信息化業務流程的聯動協作這2方面,不同線路之間的差異巨大。目前,應著手解決這些問題,并在此基礎上推進信息化和自動化的兩化融合,形成完整而強大的管控一體化能力。

  (3)三四線城市的城軌企業及部分產品供應商的智能運維創新能力不足。一二線城市的城軌企業經過數十年的積累,大都具有較強的創新開發能力,而大部分三四線城市的城軌企業進入行業時間較晚,積累的經驗和人力資源往往不足。這種狀況對于智慧城軌的構建和實施不利,需要努力解決相關專業人才緊缺的問題。另外,與智慧城軌相關的產品供應商和系統集成商的創新能力各不相同,在即將形成的智慧城軌產業鏈中將會出現優勝劣汰的局面。

  (4)缺乏統一的技術和評價標準體系。建立標準體系的工作量極大,需要整體考慮,逐步推進?!毒V要》已經將中國智慧城軌技術標準體系列為建設重點。各有關單位可根據自身的能力和優勢,在中城協的統一部署下參與各類具體標準的研究和編制。

  結 語

  智慧城軌的構建和實施是軌道交通行業面臨的重大課題,也是轉變發展方式、優化經濟結構、實現整體提升的絕佳機遇。為此,需要全行業各界緊密協作與不斷創新,遵循《綱要》制訂的路線,對熱點問題進行研究。

  除上述幾點外,加快具有自主知識產權的智能制造產業化進程、實施全生命周期資產管理(LCC)及各種新技術的具體應用等問題都是與智慧城軌構建密切相關的關鍵問題,應給予充分重視,本文不再累述。相信在各參與方的協同努力下,定能有序推進智慧城軌建設,開創交通強國建設的新局面。

  參考文獻

  杜心言. 智慧城軌系統構建和工程實施若干熱點問題研究[J].現代城市軌道交通,2020(8):12-19.

  作者介紹

  杜心言(1943—),男,教授,西南交通大學系統安全研究中心首席專家、中國城市軌道交通協會專家與學術委員會委員。


本文來自現代城市軌道交通 杜心言,不代表中國e車網立場,如若轉載,請注明出處

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