智慧城轨系统构建和工程实施若干热点问题研究
  时间:2020-09-07  点击量:   
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中国城市轨道交通协会于2020年3月发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》,促使行业各界对智慧城轨建设相关问题展开深入研究和积极探索。

本文结合近期行业内有关智慧城轨系统构建和工程实施的一些热点问题进行研讨~

 

 

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国内外轨道交通的

发展方向与目标

 

1.1 国外轨道交通发展目标

进入21世纪以来,轨道交通的智慧化、智能化逐渐成为世界各国发展的主攻方向。通过现代信息技术进一步提高轨道交通运输的安全水平,显著提升轨道交通运输组织效率,优化运输服务品质,已成为世界各国轨道交通发展的必由之路。在此背景下,德、英、日等国的轨道交通业界相继提出数字化与智能化发展战略规划,并制定了实施路线图和重点任务。

 

2011年,欧盟发布《欧洲一体化运输发展路线图》白皮书,旨在将欧洲目前的运输系统发展为具有竞争力和高资源效率的运输系统。欧洲铁路研究咨询委员会(ERRAC)同步制订《Rail Route 2050》计划,提出具有高资源效率、面向智能化的2050 年轨道交通系统发展蓝图.

 

1.2 我国智慧城轨纲要发展目标

近期,中国城市轨道交通协会(以下简称“中城协”)根据交通强国的精神,经广泛深入的研究,编制了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》(以下简称《纲要》),提出了智慧城轨的总体发展目标(图2),按照“1-8-1-1”的布局结构,铺画一张智慧城轨建设蓝图,创建智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全和智慧网络管理八大体系,建立一个城轨云与大数据平台,制定一套中国智慧城轨技术标准体系。《纲要》指出,应按照2025年和2035年两步走的战略分阶段实现总体发展目标。2035年实现的总体目标是:中国城轨行业的智能化水平世界领先,自主创新能力全面形成,建成全球领先的智慧城轨技术体系和产业链。

 

通过对比可知,从发展方向上看,智能化是世界轨道交通发展的共同趋势。近年来出现的移动互联网、大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术在轨道交通领域的突破和融合,成为世界各国新一轮科技革命和产业变革的核心。


从目标实现的时间来看,中国2025年和2035年两步走的战略目标要早于国外2050年目标的时间节点。到2035年,中国智慧城轨的10个指标中将有8个处于世界领先地位,2个名列前茅。中国目标的实现不仅时间早于国外,水平也将达到且大部分超过国外。

 

尽管我国城轨建设和运营规模目前居世界第一,但要真正提高我国城轨的综合实力,特别是智慧制造及智慧运营服务的软实力,实现我国智慧城轨的各阶段目标和交通强国的宏大总体目标,还任重道远。在今后的15年里,我国智慧城轨建设将面临时间紧、难度大、多样化等一系列问题,需要各参与方高度重视。

 

通过对行业各界近些年在智慧城轨构建和实施中所采取行动的初步了解和观察,本文认为应在行业层面上对以下诸方面进行进一步的提升:

 

(1)加快拥有自主知识产权的智能制造产业化进程;

(2)构建以信息化技术为基础的智能运维体系;

(3)建立基于计量、标准、检验检测和认证认可,并与国际接轨的全生命周期质量安全保障体制;

(4)加大对各类专业人才队伍教育培训和能力建设的投入;

(5)完善跨界融合的智慧城市综合公共交通体系。

 

 

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规避城轨项目

差异化带来的风险

 

据中城协统计,自20世纪60年代北京市开始建设地铁起至2019年底,我国大陆地区已经开通城轨的城市有40个,开通运营线路208条,运营里程6736.2km,65个城市城轨线网获批准,63个城市在建,在实施的建设规划线路总长7339.4km。

 

由于智慧城轨的理念和需求是近些年才出现的新生事物,因此国内外都还处于研究探索的起步阶段。从各地城轨已建成的既有和在建线路(总长约14000km)情况来看,绝大部分项目在规划建设和运营策划阶段都没有像现在这样深入研究过智慧城轨的构建,几乎所有项目都按照传统的运营模式规划建设。所以,在构建智慧城轨时,首先面临的就是这14000km  既有和在建线路的智慧化问题。我国已开通城轨的40座城市包括一、二、三线的各类城市。由于各地城轨规划建设的时间先后不一(时间跨度有50年),线网规模不断扩大,项目投资、工程建设及运营管理出现多样化模式,技术装备水平和自主化程度逐年提升,再加上各地的地理、人文、经济、环境差异等诸方面因素,使得每一座城市的城轨发展历程和具体实施方法均具有不同的特点。即便是同一地区或城市的不同线路,或者同一线路的不同实施阶段,也可能采取了不同的模式与方法。这种差异化已对各地城轨的建设与运营管理产生了深刻影响,并将极大地影响今后智慧城轨的构建和实施,为其带来一定风险,应当引起业界的充分重视。因此,在构建智慧城轨的实践中,除应充分重视和体现不同地区城市的地域环境差别之外,还要重点关注当地智慧城市的总体布局和要求、建设运营单位的经验、线路不同运量等级的区别、不同线路工程阶段的衔接(包括既有线的延伸/更新改造和新线的规划建设),以及因项目投资模式不同导致参与方所承担的职责不同等问题。


随着我国经济的发展和城镇化的推进,今后将有更多的城市加入城轨建设和运营的行列。这些新兴城市在构建智慧城轨时需要分析总结已开展的示范工程项目的实践经验,寻求更适宜当地的模式和方法。

 

在构建智慧城轨的过程中,无论是既有线还是新建线,都切忌机械照搬其他城市或其他系统的成功经验,而应该根据本地区、城市、线路的具体情况和项目本身的特点,因地制宜地进行深入研究,采取个性化的方式,以规避因各地城轨的差异化或项目阶段的不同所带来的风险。目前,各城市都在研究和探索适合当地智慧城轨可持续发展的途径与模式,这在已经启动的各类智慧城轨或智能系统项目案例中已有充分的展现(图3)。然而各案例的实际效果能否达到预期,还需要在今后的实际应用中予以印证。

 

 

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深化项目前期的

运营需求规划

 

在开展智慧城轨工作时,首先面临的是构建和实施依据的合理性问题。目前,业内各界普遍认为,建设智慧城轨的宗旨和目的是解决传统城轨运营的短板问题,即有效提升城轨网络化运营的安全性,在保证系统设备设施健康运行的基础上降低运营成本,以及提高城轨在城市公共交通体系中的服务效能与质量。这就需要深入细致地分析智慧城轨项目运营服务的具体工作内容和流程;分析智慧城轨目标的实现可为项目全生命周期运营带来的益处;预测为构建智慧城轨所增加的投资能否达到减少人力成本、提升系统安全性、改善综合运营服务质量的目标。为此,应该深化项目前期的运营需求规划,为智慧城轨的构建和实施提供合理的依据。

 

我国经过数十年的积累,已经形成了较完善的城轨规划建设体系和工作流程。但与国外先进国家或地区的城轨规划建设理念相比,我国在项目前期阶段对运营需求的规划和研究深度还明显不够。具体表现为,设计单位的工程项目可行性(以下简称“工可”)研究报告和初步设计文件的指标(如客流、行车、能源、环境、设施方案比选和系统基本构成等)大多以满足城轨项目运营的基本功能要求为首要目标,而对于具体项目的实际运营服务需求,涉及深度往往不够或针对性不强。其原因在于,在项目实施前期,运营主管单位往往提不出一套完整且规范化的运营前期规划文件,使得工程建设与运营管理的衔接存在诸多需要改进的地方。为此,中华人民共和国交通运输部于2018年5月颁布《城市轨道交通运营管理规定》(中华人民共和国交通运输部令2018年第8号),其中规定“城市轨道交通工程项目可行性研究报告和初步设计文件中应当设置运营服务专篇”“城市轨道交通运营主管部门在城市轨道交通工程项目可行性研究报告和初步设计文件编制审批征求意见阶段,应当对客流预测、系统设计运输能力、行车组织、运营管理、运营服务、运营安全等提出意见”。这些规定将有利于在工可研究和初步设计阶段开展前期运营规划工作。

 

由于智慧城轨的构建与项目运营服务需求有着极其密切的关系,因此在具体工程项目中,运营主管单位必须重视工程前期运营规划,除在工可研究报告和初步设计文件中设置运营服务专篇外,还应深入细致地研究运营服务需求相关的各项工作。本文建议,在工可研究阶段,由运营主管单位牵头,在设计单位开展设计工作的同时,编制以实现智慧城轨目标为主线、详细且规范的运营规划系列文件,内容可包括(但并不限于)运营规划与目标、运营服务大纲、系统功能要求、运营模式、维修策略、运营管理等。

 

这些文件是对今后运营工作内容的详细分析和任务分解,明确且定量地制定了与服务水平相对应的具体规范和要求,而不是工可研究报告和初步设计文件里对运营工作的简单叙述。这些文件与工可研究报告、初步设计文件互为补充与支持,共同作为智慧城轨项目实施的依据,从而为智慧城轨的规划和实施创造较好的基础条件,避免智慧城轨的目标与工程设计文件产生差异或冲突,有利于工程建设和运营组织工作的开展。这种做法在一些先进国家的城轨项目实施中取得了较好的效果。

 

对于不同运量等级(尤其是中低运量)的城轨项目,我国各城市的建设和运营经验还比较匮乏。在构建智慧城轨的实践中,应更好地发挥智能运维的优势,突破传统的城轨各专业独立分散建设管理的模式,以运营服务需求为主线,利用信息化技术手段,减少工程标段和系统接口的数量,实现专业之间的有机融合与整合。

 

 

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融入贯穿项目

全生命周期的安全理念

 

安全永远是轨道交通的生命线。在智慧城轨的构建和实施中,应建立与国际接轨的全生命周期质量安全保障体系(即轨道交通系统的可靠性、可用性、可维修性和安全性(RAMS)工作体系),并在工程建设过程中配合开展计量、标准、检验检测、认证认可等各项工作。

 

国际上,电气和电子产品质量安全相关的规范都是以国际电工委员会(IEC)发布的《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》(IEC 61508)标准为依据的。世界轨道交通行业目前采用的是与此标准对应的《轨道交通 可靠性、可用性、可维修性和安全性(RAMS)的规范和验证  通用RAMS过程》(BS EN50126-1-2017)标准系列。我国轨道交通行业与该标准基本对应的国家标准是《轨道交通  可靠性、可用性、可维修性和安全性规范及示例》(GB/T 21562)。

 

全生命周期质量安全保障的理念在一些先进国家的轨道交通项目中已经推行了30余年,取得了较好效果;而我国自2003年起才在少数项目中着手研究和实施。令人欣喜的是,近些年,城轨行业内对项目全生命周期质量安全工作的理解越来越深入,不少业主单位和承包商已经把全生命周期的RAMS  理念和指标体系融入智慧城轨的研究和示范项目中,这是一个良好的开端。

 

城轨质量安全保障主要包含以下工作内容:

 

 

(1)项目安全策划;

(2)安全评价(包括工程安全预评价、专项安全评价、初期运营前安全评价、安全验收评价和运营期安全评价);

(3)设计标准与工程安全控制技术规范;

(4)风险管控和隐患排查;

(5)建设和运营安全监控;

(6)关键设备安全认证;

(7)招标文件安全要求;

(8)施工安全管理;

(9)消防设计与验收;

(10)安全培训教育;

(11)公众安全文化建设;

(12)应急管理及演练。

 

 

这些工作分布在项目的全生命周期内,随着项目进程分别由业主单位、政府、工程建设单位与承包商、运营单位、第三方机构等承担。

 

 

在国内工程项目建设过程中,按照国际标准推行RAMS流程理念时,经常遇到国内外理念差异、工程阶段适应性不足、相关单位参与度不高、RAMS专业人员缺乏经验及资金投入不足等具体问题,影响其实际应用效果,其中,工程阶段适应性不足的问题尤为突出。为此,国内部分业主单位和第三方机构在政府有关部门的支持下,研究和制定了适合我国国情的质量安全保障技术规范,即《城市轨道交通工程安全控制技术规范》(GB/T  50839-2013),并在研究中按照我国城轨工程项目的建设运营阶段设置RAMS各阶段的工作内容(图4)。图4中涵盖业主、政府、承包商、第三方机构等单位,并具体呈现其在项目全生命周期里按阶段分别负责的工作内容和流程关系。

 

 

与国内的习惯做法(即由各参与单位分别制定互不关联的安全管理制度)相比,上述做法可以使项目各参与方在统一的安全理念和规范的工作流程下紧密配合,形成完整的安全管理体系,实现对项目全生命周期的质量安全控制。为此,需要建立专门的管理机构,在这方面香港铁路有限公司有较好的管理经验。

 

如何将全生命周期质量安全保障理念有机地融入智慧城轨的构建和实施中,是一个新课题,期望有关各方在示范工程中总结和积累实践经验,并逐步改进完善,最终形成具有中国特色的智慧城轨质量安全保障体系。


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将智慧城轨融入智慧城市

综合公共交通体系

 

城轨在我国交通运输现代化中占据着非常重要的地位,习近平总书记在视察大兴机场线时指出:“城市轨道交通是现代大城市交通的发展方向。发展轨道交通是解决大城市病的有效途径,也是建设绿色城市、智能城市的有效途径。”加快城际快速交通体系建设,完善城市内部交通运输系统,成为轨道交通高质量发展的重要方向。

 

由于历史和管理体制等原因,我国各种运输方式基本上都采用各自封闭的内部运营管理模式,相互之间缺乏有机衔接,甚至产生相互竞争的关系,导致城市综合运输效率长期以来难以提高。智慧城市的建设为改变这种状况创造了极佳的机遇。

 

为实现交通强国的宏大目标,智慧城轨的战略目标和任务必须与智慧城市的总体目标相匹配,并能够在智慧城市综合公共交通体系内与其他各种形式的智慧运输系统有机地衔接与互补。因此,首先,应在智慧城市顶层设计的框架下构建统一的管理平台(图5);其次,必须针对城轨发展的特点,对其所涉及的公共服务、基础设施投资建设、交通枢纽、运输服务价格等各方面进行系统研究,确立与之相适应的全新智慧综合运输发展战略目标和任务,并合理利用各种运输资源,实现全新的优化组合,以便充分发挥各种运输方式的优势,重构各种运输方式之间、基础设施与使用系统之间协调发展且有机配合的综合运输新体系,形成与发展相匹配、与运行效率相适应、与其他运输方式相衔接的城轨管理模式和调控方式。

  

目前,在某些城市的应急管理和综合交通运输管理中,那种只考虑本企业或本系统的思维模式正逐步改变,管理者已经开始思考多种运输方式之间的信息交换和处理问题。在这过程中,可能会遇到管理体制上的问题,需要政府机构予以协调解决;此外,还需要解决大量技术问题,例如系统顶层架构的设计、新技术的应用、公有云和私有云的选择、管理系统软件的开发、既有线各种系统的兼容、不同线路的互联互通、系统安全、人力资源培训等问题。在构建智慧城轨和智慧城市综合公共交通体系时,应高度重视上述问题。

 

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构建智能运维体系

 

智能运维将改变传统意义上的运营模式,它应用云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、卫星通信、区块链等新兴信息技术,全面感知、深度互联和智能融合乘客、设施、设备、环境等实体信息,并创新建设、运营、服务管理模式,在构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代智慧城轨的过程中发挥着重要作用。

 

目前,上海、北京、广州、深圳等城市的地铁公司已经开始对车辆智能运维体系进行探索性应用(图6)。国内各大城轨企业和机电装备集成商均积极着手研究适用于各种机电系统的智能检修模式。

 

现阶段,国内各运营单位已开展了许多与智能运维相关的研究和示范工程项目,这些项目的实施对实现智慧城轨总体目标有一定的积极意义。但从总体上看,在设备检修维护模式、设备运维管理体系,以及整体信息化、自动化等方面的创新工作仍处于起步阶段;智能运维管理大多集中在性能管理与故障处理上,离实现智能运维功能的完全整合还有一定差距;开发的各信息系统之间相互独立,缺乏互联互通的考虑,形成一些“信息孤岛”,无法充分发挥信息化的整体效益。由于缺乏可借鉴的成功案例,智能运维创新工作面临以下共性问题。

 

(1)在缺少顶层设计和统一管理平台的情况下,各智能运维子系统单独分离建设,管理者考虑较多的是子系统内部的技术问题,而对其与城轨智能运维、智慧城轨之间的关系认识不清晰或缺乏考虑。要解决这个问题不可能一蹴而就。目前,《纲要》的发布使顶层设计有了一个宏观的框架。各地可以参照这个基本框架,结合当地的基础条件和实际需求,在智慧城市的总体布局下,研究构建适合本地的智慧城轨顶层架构。

 

(2)不同线路或系统的运维综合管理信息化程度差异大。城轨运营体系是由10多个机电系统与基础设施组成的复杂大系统,除客运服务专业外,基本上所有专业都已实现自动化,信息化覆盖率超过80%。然而,在自动化系统之间的联动互控和信息化业务流程的联动协作这2方面,不同线路之间的差异巨大。目前,应着手解决这些问题,并在此基础上推进信息化和自动化的两化融合,形成完整而强大的管控一体化能力。

 

(3)三四线城市的城轨企业及部分产品供应商的智能运维创新能力不足。一二线城市的城轨企业经过数十年的积累,大都具有较强的创新开发能力,而大部分三四线城市的城轨企业进入行业时间较晚,积累的经验和人力资源往往不足。这种状况对于智慧城轨的构建和实施不利,需要努力解决相关专业人才紧缺的问题。另外,与智慧城轨相关的产品供应商和系统集成商的创新能力各不相同,在即将形成的智慧城轨产业链中将会出现优胜劣汰的局面。

 

(4)缺乏统一的技术和评价标准体系。建立标准体系的工作量极大,需要整体考虑,逐步推进。《纲要》已经将中国智慧城轨技术标准体系列为建设重点。各有关单位可根据自身的能力和优势,在中城协的统一部署下参与各类具体标准的研究和编制。

 

 

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结 语

 

智慧城轨的构建和实施是轨道交通行业面临的重大课题,也是转变发展方式、优化经济结构、实现整体提升的绝佳机遇。为此,需要全行业各界紧密协作与不断创新,遵循《纲要》制订的路线,对热点问题进行研究。

 

除上述几点外,加快具有自主知识产权的智能制造产业化进程、实施全生命周期资产管理(LCC)及各种新技术的具体应用等问题都是与智慧城轨构建密切相关的关键问题,应给予充分重视,本文不再累述。相信在各参与方的协同努力下,定能有序推进智慧城轨建设,开创交通强国建设的新局面。

作者:杜心言,西南交通大学(上海)系统安全研究中心

 素材来源:铁科院《现代城市轨道交通》杂志

 

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