貴陽市軌道交通工程安全建設和智慧運維技術

陳發達

（貴陽市城市軌道交通集團有限公司，貴州貴陽 550081）

隨著我國城市發展，城市軌道交通建設速度越來越快，其工程建設安全問題越來越突出，特別是針對貴陽市特殊的喀斯特地貌和典型的山地城市特征，需要解決縱坡設計和長大坡道運營安全技術保障措施等問題。另外，截止2020 年底，貴陽市軌道交通開通運營里程約35 km，在建里程約110 km，智慧運維的需求日趨急迫。貴陽市以刷臉支付、智慧安防等技術為抓手，不斷探索和創新相關智慧運維技術，進一步提升相關服務水平。

1 建設特點

1.1 城市空間格局

貴陽市作為典型的喀斯特山地城市，具有山地城市和喀斯特地區所獨有的特點。受百花山脈、黔靈山脈及南岳山脈的影響，貴陽市規劃的城市空間呈現“雙核多組團”的空間結構，城市軌道交通主要解決連接2 個核心、輻射各個組團的交通廊道問題，其線網規劃與平原城市相比，具有十分明顯的區別。

1.2 地形特點

貴陽市地處黔中山原丘陵中部，地勢西南高、東北低，具有低緯度、高海拔、地形多樣的顯著特征，全市地形起伏大，山地、丘陵約占全市土地面積的88%。其中觀山湖區與老城區高差達220 m，見圖1。由于山地城市地勢高差大，在城市軌道交通設計時，縱坡設計難度很大。

圖1 貴陽市各區高程關系圖

1.3 地質特點

貴陽市位于揚子準地臺的黔北臺隆和黔南臺陷的過渡帶，其地質構造和地貌的特點如下。

（1）巖溶發育，形態多樣，巖溶區域約占全市總面積的72%。地表巖溶形態以溶溝、溶槽、巖溶洼地為主，地下巖溶形態多為隱伏型的溶洞、溶隙、溶溝、溶槽等，屬巖溶弱至中等發育場地，局部巖溶屬于強發育。

（2）地質構造復雜，市區東北部多為北東向褶皺與斷裂，其中城市軌道交通1 號線穿越19 條斷層，2 號線穿越21 條斷層，3 號線穿越11 條斷層。

（3）水文條件復雜、規律性差。

2 安全建設關鍵技術

2.1 線路選線安全設計

在貴陽市軌道交通線網規劃的框架下，針對貴陽市獨特的喀斯特山地城市特點，城市軌道交通線路選線設計中需要考慮地形地貌、地質條件及氣候特點，把好設計源頭關，降低建設和運營安全風險。

2.1.1克服地形地貌展線設計

貴陽全市地形起伏較大，遠超鋼輪鋼軌列車爬坡能力，城市軌道交通多條線路需通過展線措施克服高差難題，見圖2。其中1 號線貴陽北站—八鴿巖站區間直線距離約3.7 km，垂直落差達161 m，直線坡度達到54‰，展線長度為8.7 km；2 號線百花大道站—黔春路站區間段直線距離約2.8 km，垂直落差達110 m，展線長度為6.5 km。規劃的4 號線、S3 線均需通過展線克服高差。

圖2 線路展線示意圖

2.1.2規避不良地質體選線設計

對于存在滑坡、大型溶洞等不良地質地段，通過線路繞避等措施降低風險。如3 號線四方河路站—花果園東站區段，在調繪時發現臨近白龍洞（溶洞和地下暗河）區域線路勘察及建設難度大，運營風險高，經分析研究，可通過調整線路方案予以徹底避讓。

2.1.3適應氣候條件的縱坡設計

貴陽屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫在15.3 ℃左右，冬季易出現凝凍（如2008 年凝凍災害），城市軌道交通在縱坡設計時應充分考慮最不利天氣對行車安全的影響。例如，在1 號線北雅區間（貴陽北站—雅關站區間）長大連續坡道段，采用多座橋梁+隧道敷設形式，同時考慮到凝凍對橋梁段行車安全的影響，線路設計時采用最大縱坡為28‰的縱坡方案，見圖3。在2 號線百花大道站—黔春路站長大連續坡道段，全為地下線，線路設計采用最大縱坡達 34‰。

圖3 1 號線北雅區間橋梁+隧道相連

2.2 長大坡道運營安全保障措施

列車在長大上坡段可能出現牽引失效或列車制動失靈的運營風險，可采用設置停車線、安全線、通信信號控制裝置（專用無線通信系統）、車輛制動裝置等措施保障運營安全。

2.2.1設置停車線

如在1 號線貴陽北站和雅關站均設置雙停車線，見圖4。列車進入長大坡道上下坡前進行列檢，一旦發現故障隱患，可立即進入反向“V”字坡道停車線待避，以避免影響后續列車運營。

圖4 1 號線長大坡道段停車線設置

2.2.2設置安全線

為防止列車在長大上坡段因列車制動系統發生故障而產生溜滑，可在坡底車站后端設置安全線以保障行車安全。該方法是通過信號系統實現調度，常規時，1#道岔開向安全線，作為列車進站的保護區段；當由下坡方向駛來的列車運行至雅關站停車，在信號系統判斷列車速度為“0”后，反向轉換1#道岔，列車方可進入下一個區間的進路，見圖5。

圖5 1 號線長大坡道安全線信號控制示意圖

2.2.3設置專用無線通信系統

在長大坡段區間設置專用無線通信系統，司乘人員在緊急情況下可與車站控制室及控制中心進行通話定位，確保第一時間準確通報突發狀況并開展應急調度處置。

2.2.4設置車輛制動裝置

城市軌道交通列車采用如圖6 所示車輛輪盤制動裝置，在長大連續坡道行駛時，可避免傳統踏面制動出現熱疲勞和剝離導致熱容量不足的風險，并在列車上配置長大坡道觸發按鈕（圖7），在切除列車自動保護（ATP）的模式下，通過長大坡道觸發按鈕啟動限速功能保證運營安全。

圖7 長大坡道觸發按鈕

2.3 長大坡道供電安全保障措施

列車在長大上坡時牽引取流會導致接觸網電壓下降，在長大下坡時再生制動將導致接觸網電壓升高，同時會釋放再生電能，為平衡上、下行接觸網電壓，改善供電質量，1 號線在長大區間適當位置將上、下行接觸網并聯，進行電壓調節以實現合理安全供電，為國內外首創，見圖8。另外，有效利用長大坡道段列車制動時的再生電能，因地制宜地設置再生制動能量回饋裝置，將列車再生制動能量回饋至35 kV 交流側，可實現電能的再生利用，見圖9。

圖8 上下行接觸網并聯原理及開關

圖9 再生制動能量回饋原理及裝置

根據運營測試數據，1 號線運營期間日均回饋電能為2 955 kW·h，見表1。估算年節約電能可達107.8 萬kW·h，預計運營6～8 年即可收回設備成本，而相關設備使用壽命可達25 年，經濟效益明顯。

表1 1 號線長大坡道運營期間日均回饋電能 kW·h

3 智慧運維建設

為逐步建成貴陽市軌道交通智慧運維體系，貴陽市軌道交通根據中國城市軌道交通協會印發的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，開展了刷臉支付、智慧安防、智慧能源管理等智慧運維建設的探索。

3.1 刷臉支付

3.1.1刷臉支付平臺

貴陽市以城市軌道交通刷臉支付為抓手構建城市級刷臉平臺，可為市民提供便捷服務、為企業提供技術應用、為政府提供治理決策支持。刷臉支付平臺實現了城市軌道交通、快速公交系統（BRT）和園區場景的刷臉刷碼應用，主要針對城市軌道交通、公交車、出租車、共享出行及園區、社區的市民、游客。自2019 年刷臉支付平臺上線運營以來，為客戶提供1 400 萬次人臉票比對服務，尚未出現誤識別，具體數據見表2。

表2 刷臉支付平臺運營數據

3.1.2應用場景

刷臉支付以城市軌道交通和公交場景為入口，結合虛擬賬戶和保險手段共同保障支付安全，并進一步拓展到民生服務，實現城市軌道交通、公交、購物等各種生活場景（圖10）中的“一次注冊，刷臉通行”，無須安裝多個APP、攜帶多張實體卡。

圖10 刷臉支付應用場景

3.1.3商業模式

商業模式采用全場景人工智能（AI）+金融的創新模式，見圖11，主要打造產業、用戶、數據留貴陽的“貴陽模式”：①設立運營公司，通過數據應用提升乘客體驗，開發新的應用場景實現商業閉環；②引入金融機構，合作開發場景資源；③引入保險公司，提前識別算法風險、盜刷風險等一系列風險，并分散處置。

圖11 全場景的AI+金融創新模式

3.1.4數據安全及隱私

刷臉支付平臺采用業務手段與技術手段相結合的方式，確保數據安全和運營穩定，保護客戶數據隱私，建立自有核心的安全技術架構，見表3。

表3 數據及隱私安全措施

3.2 智慧安防

為實現安全環境智能感知、安全資源實時可視、安防運營一體聯動、聯動處置科學高效、安全事件提前預防的綜合目標，達到“事前預防—事中處置—事后分析”的閉環式安防，2 號線采用獨立的軟件平臺建立安防集成平臺，通過兩級管理、三級控制為城市軌道交通全方位安全保障提供支撐。遠期將建立線網級安防集成管理平臺，實現對接各線路安防系統相關資源，建立滿足站點、線路、線網多級安全管理需求的安防業務體系，實現安防業務的檢測智能化、處置自動化、管理精細化、對外開放化，見圖12。

圖12 線網級安防集成管理平臺

3.3 智慧能源管理

為滿足城市軌道交通能源管理、節能減排需求，建設能源管理系統，可輔助運營管理人員進行設備優化控制、用能精細化分析、管理和運營決策。為實現全線用能管理的實時化、可視化、透明化和智能化，2 號線開發的能源管理系統主要涵蓋用能看板、能耗監測、能耗分析、指標分析、報警與事件、報表與打印、系統設置等功能。貴陽市軌道交通遠期將部署線網能源管控及兩級管控能力中心，實現線網能源集約化建設及運營的目標，見圖13。

圖13 智慧能源管理

3.4 線網運維一體化

貴陽市軌道交通以綜合網管為基礎，利用城軌云及大數據平臺，遠期計劃建成線網級運維一體化平臺，實現線網級的設備管理及智能維護，見圖14。

圖14 線網級運維一體化平臺

4 結語

本文結合貴陽市獨特的喀斯特地貌山地城市特點，把好設計源頭關，從線路選線、運營安全和供電安全等方面入手，因地制宜地提出合理措施，降低城市軌道交通建設和運營安全風險。通過不斷建設和創新城市軌道交通智慧運維技術，構建貴陽城軌云及大數據平臺，最終建成線網級運維一體化平臺，從而實現線網級的設備管理及智能維護，提升城市軌道交通運營管理和服務水平。