軌道交通生態智能車輛基地設計探討及創新

張邦力

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

引言

隨著我國生態、環保重視程度提高，軌道交通智能化工裝設備快速化發展，軌道交通車輛基地作為車輛維保重要保障基地[1]，其生態化、智能化設計成了近年來探討的熱點。在綠色生態建設方面，除強化綠化景觀、綠色建筑設計外，也正在積極探究海綿城市、可再生能源利用等在車輛基地設計中的應用，如深圳長圳車輛段引入了海綿城市設計理念[2]，上海航頭車輛基地嘗試了太陽能-燃氣熱水系統設計等，為車輛基地綠色生態設計探索提供了參考。在智能化建設方面，隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的發展，將先進的信息技術、通信技術、控制技術、傳感技術、計算機技術和系統綜合技術等進行有效集成和應用，為車輛基地智能檢測、智能維修等系統搭建提供了支撐，如廣州地鐵鎮龍車輛段實現了洗車機無人值守，上海朱家角停車場成功運用智能軌旁設備等[3]。

國內以北京、上海、廣州、深圳等為代表的城市軌道交通正在積極探索車輛基地生態化、智能化方面建設，但目前尚處于理念或單一方面的探索實踐之中，生態智能車輛基地設計缺少系統化、具體化研究，且缺少相關標準及規定[4]。以上海市軌道交通崇明線陳家鎮車輛基地為例，進行生態化、智能化設計探究。

陳家鎮車輛基地選址于“世界級生態島”崇明島上，通過對《崇明世界級生態島綠色生態城區規劃建設導則》中生態建設與環境保護、綠色交通、綠色建筑、水環境保護、海綿城市建設等研究分析，并結合車輛基地功能、布置情況，探索了車輛基地在綠色建筑、光伏發電、海綿車輛基地等方面設計及研究分析。

同時，基于本線全自動駕駛UTO(Unattended Train Operation)設計要求并結合國內軌道交通智能檢修工裝發展，研究了全方位在線檢測裝置、智能巡檢機器人、鷹眼系統等智能化工裝的應用設計及分析。

1 陳家鎮車輛基地簡介

陳家鎮車輛基地設有運用庫、綜合樓、物資分庫及搶險物資庫、調機及工程車庫、材料棚、洗車庫、動態檢測棚等16個功能建筑，總建筑面積約4.6萬m2，占地約19.07 hm2，總平面布置如圖1所示。

圖1 陳家鎮車輛基地設計效果

設停車列檢24列位，周月檢2列位，臨修1列位，調機及工程車庫線2股道，卸料及平板車存放線各1股道，試車線1條，牽出線兼信號轉換軌1條等。

2 綠色生態設計

2.1 綜合樓綠色設計

綜合樓位于車輛基地的西南角并臨近主出入口處設置，由班組用房、設備房、食堂、司乘休息室、應急搶險管理樓等組成，總建筑面積約1萬m2，如圖2所示。受崇明島規劃18 m限高要求，綜合樓設計為地上4層，高約17.5 m，其綠色設計要點分析如下。

(1)屋面采用“屋頂綠化+退臺式建筑”型式，不僅提升了建筑的綠色創意設計，對建筑隔熱起到積極作用，也給工作人員提供了休憩、觀景場所。

(2)立面采用“立體綠化+格柵”設計[5-7]，不僅豐富了建筑立面，也起到了調節凈化空氣，降低室內溫度的作用。

圖2 綜合樓綠色設計效果

(3)“多體塊+大平窗”建筑布置型式，保證各功能單元布局的分明性及各房間良好的通風、采光。

(4)L形樓交接處一層采用鏤空手法，不僅將庭院的綠化空間引入到建筑中，也對建筑的自然通風起到了促進作用，增加了舒適性。

(5)綜合樓周邊以綠禾景觀為核心，采用低維護、場地記憶、低消耗的“3L”設計理念打造“韌性景觀”設計，結合石籠擋墻和景觀草、濕生植物設計，展現了自然生態之美。

(6)海綿廣場設計，采用“雨水花園”“透水鋪裝”等海綿設施，加大雨水下滲力度，通過采用滲透、儲存、調節、截污凈化等方式有效控制徑流總量，實現雨水資源再利用。

2.2 大跨度拼裝結構設計型式

通常自動駕駛區每2股道為一個作業安全分區，致使柱網、樁基、承臺數量較多，拉大了庫房寬度，增加了占地面積及土建綜合造價[8]。經研究分析，雙T板拼裝屋架[9]、預應力混凝土折線性屋架、鋼結構屋架[10]3種方案較適用于大跨度結構設計，各方案優缺點分析如表1所示。

表1 大跨度拼裝結構設計型式比較

陳家鎮車輛基地運用庫上蓋設有光伏發電設施，其跨度設計在滿足庫內股道工藝布置要求、設備荷載、起重設備配置及土建造價經濟合理的前提下，經綜合比較分析后可知，雙T板拼裝結構型式具有明顯優勢，不僅實現了非標準跨度設計要求，也滿足了最大27 m寬的四線跨工藝布置及起重設備懸掛要求等。與常規的兩線跨框架結構相比，每跨寬度可縮減1～1.2 m，面積可減小336～403 m2，運用庫規模越大，面積減少越多。

車輛基地主要庫房采用大跨度雙T板拼裝結構設計型式，不僅有效降低了工程造價及施工難度，也提升了綠色建筑設計水平，響應了生態建設要求。

2.3 光伏發電設施

陳家鎮基地運用庫、調機及工程車庫屋頂設計在滿足室內自然采光前提下，研究了光伏發電設施設計，提升可再生能源的收集利用[11]，響應綠色生態建設要求。

由于兩單體采用大跨度雙T板拼裝結構設計型式，為太陽能光伏板支架的基礎設計提供了較好條件。經過對兩單體屋頂光伏方陣布置后，測得可鋪設光伏方陣的面積約1.2萬m2，并在運用庫輔助用房內設置光伏發電變電房間，用于電能的變換、存儲、控制、輸配等。

光伏發電轉化率為13%～15%，實際發電效率約65%，經計算，陳家鎮車輛基地太陽能光伏發電站最大裝機量為1.5 MW，年發電量為100～110萬kW·h，生產的電能用于基地內綜合樓、生產廠房、輔助用房、路燈等照明設施，每年可節約電費80余萬元。

2.4 海綿車輛基地設計

海綿車輛基地設計并無明確指標，基本參照海綿城市設計及建設標準[12-13]。但車輛基地作為功能性的工業建筑，往往其指標不能滿足城市海綿設計標準。

對陳家鎮車輛基地內功能布置分析后，在綠地、綜合樓廣場等地可進行海綿化設計，通過采用透水鋪裝、下凹式綠地、雨水收集池、雨水回用系統、溢流雨水口、生態汽車停車場等多種低影響開發措施進行組合設計，來實現對雨水的“滲、滯、蓄、凈、用、排”設計功能，其設計流程如圖3所示。

圖3 低影響開發雨水系統設計流程

經綜合計算分析，其設計指標及效益如下。

(1)約束性指標：集中綠地率為25%，單位硬化面積蓄水量263.9 m3/ha。

(2)鼓勵型指標：雨水資源利用率為7.1%，下凹式綠地率12.85%。

(3)徑流量指標：場地年徑流總量控制率約為62.6%。

(4)環境效益：削減了雨水管洪峰值流量，削弱了對周邊排水管網及河流的生態沖擊影響。

(5)經濟效益：可回收利用雨水量約1.2萬m3/年，可節省水費約6萬元/年。

(6)社會效益：響應了崇明島生態建設要求，對所在區域海綿城市建設起到積極促進作用。

3 智能工裝應用設計分析

3.1 智能安全設施設計

停車列檢庫為全自動駕駛區，按1線2列位100%柱式檢查坑設計，且每兩股道(不超過4個列位)劃分為一個安全分區，各分區間采用圍蔽及門禁等設施進行物理隔離[14-16]。在全自動駕駛區庫前平過道下方設置地下通道，通往每個安全分區入口處設門禁及智能人臉識別系統，人員持授權門禁卡及經智能人臉識別系統雙重核驗后才能進入相應的分區。

同時，在門禁口處設有視頻監控系統，其終端設于DCC(Depot Control Center)室內，可實時監控人員進出庫內情況。對非授權人員進入時，可自動進行語音警告且在終端進行提示并記錄，有效保障庫內UTO區域的安全。門禁口處還設有區域作業防護開關SPKS(Staff Protection Key Switch)，作業人員進入某一分區作業時，需先啟動相應分區的SPKS，以防止本區域列車動車，充分保障人身安全，也避免了干擾其他分區車輛進出庫。

3.2 全方位在線檢測裝置

在入段線動態檢測棚內設全方位在線檢測裝置，其由軌邊基本檢測單元、現場控制室、遠程控制室3部分組成[17-18]，可對運行列車車頂、車側、走行部、車底等可視部位形成360°高清圖像采集，如圖4所示。

圖4 全方位在線檢測裝置示意

通過圖像分析技術、模式識別技術等自動識別車頂、車側車體、車底等關鍵部件變形、缺失等異常情況。可有效解決現行作業中人工作業時間長、作業強度大等問題。提高了檢修工藝水平的智能化，有利于日檢向4日檢、8日檢過渡。

3.3 智能巡檢機器人

停車列檢庫每股道A、B端檢查坑內均設升降裝置，可供機器人由-1.0 m縱向通道進出-1.7 m檢查坑內，進行車底檢查作業。在庫的尾部設有控制站，可對智能巡檢機器人進行控制、信息傳輸[19]、充電、停放等。

智能巡檢機器人通過采用機器人技術、自主導航技術、高清光學成像技術、自主充電技術等，來實現對車底進行全景掃描、關鍵部件拍照，通過智能算法及分析系統對關鍵部件是否異常進行判斷，并提供診斷結果。對于部件診斷結果中顯示異常的，檢修人員可先調閱相關圖片進行線上核查，線上無法確認或確認需現場檢修時，只需檢修人員對所檢測出的故障部位進行重點檢查、故障處理。

按照目前常規日檢作業方式，檢修1列車需要3人同時作業，作業時間40～50 min[20]。通過智能巡檢機器人技術應用，其作業時間不超過30 min，有效解決了人工檢修作業強度大、效率低等問題，降低了人工成本。

3.4 鷹眼系統

鷹眼系統具有地鐵檢修監控視頻智能分析報警功能，由高清視頻監控系統、報警提示聯動系統2部分組成，分為前端設備、傳輸設備和控制中心設備3部分。運用模式識別和計算機視覺等高新技術，對攝像機畫面質量、進出人員、維修人員的安全防護和供電系統狀態等進行檢測和報警；對實際作業進行精準寫實，對各種重點保護設備的入侵目標和火災隱患進行實時檢測和報警。所有報警均可聯動跳屏，管理人員可實時了解異常情況，及時有效處置突發事件。

(1)庫內軌道資源檢測系統

具有識別車號、監控并識別庫內軌道資源占用情況等，將數據實時反饋至自動排程系統及DCC管理平臺。

(2)人臉識別系統

在生產車間主要出入口，安裝人臉識別系統，對每個進入人員自動抓拍和人臉識別。經檢測、比對后，自動放行允準人員，非允準人員通過時，系統自動報警并給予阻攔，并可精準掌握人員出入庫時間。

(3)安全監護系統

主要對檢修作業人員安全設置的佩戴情況及作業安全保障設施的狀態進行監視。

(4)設備監護系統

對車輛主要部件如空調、受電弓等檢修維護作業時，是否有踩踏現象等進行監視，對檢修作業后遺留在現場的檢修工具進行檢測報警等。

鷹眼系統有效解決了運營及維保對庫內檢修人員作業情況及設備設施狀態進行實時、有效監控，極大提升了安全性及可追溯性。

4 車頂作業安全懸掛裝置創新設計

地鐵A、B型車高度約3.9 m，加之周月檢庫內地面高度為-1.0～-1.2 m之間，車頂到地面的總高度達4.9～5.1 m，與墜落高度基準面遠超過2 m，車頂檢修作業人員須懸掛安全帶。但目前基本將安全帶的懸掛鎖鉤系到已斷電的DC1500 V接觸網導線上，來保障人身安全。

由于接觸網每隔一定距離設有豎向拉鎖，致使安全帶懸系不能在整車長度范圍內連續貫通。不但影響車頂檢修作業效率，而且在避讓接觸網拉鎖過程中，安全帶處于無處懸系狀態，存在人身安全隱患。

根據周月檢庫管線、設備設施布置情況，結合檢修作業平臺創新設計了一種通長型安全帶專用懸掛裝置[21]，由主梁、槽鋼導軌和走行小車組成。槽鋼導軌每8 m長為1個組裝單元，每組裝單元設2個主梁，用于支撐槽鋼導軌，如圖5所示。

圖5 安全懸掛裝置示意(單位：m)

槽鋼導軌內設2個具有自鎖功能的免維護軸承走行小車，其下面設有安全帶懸系吊鉤，可在導軌內沿著列車長度方向自由平移。可根據作業范圍長度需求進行多單元拼裝，槽鋼導軌外表面底部距車頂≮1.85 m，吊鉤最低點與接觸網導線水平距離≮0.2 m，與車輛頂部距離≮1.6 m。采用拼裝安裝方式，可根據不同車型及作業范圍需求進行長度調整，適應性較強。

該設計有效解決了目前地鐵車輛基地檢修庫內車頂檢修作業時人員的安全帶無法通長型懸掛的問題，提高了作業效率，保障了人員作業安全。

5 結論

(1)通過對建筑造型、建筑布置、立面設計等運用多種綠色創新手法，并對綜合樓周圍景觀設計提出“3L”設計理念，打造海綿式“韌性綠禾景觀”，提升了綜合樓綠色生態設計。

(2)綜合比較分析，雙T板拼裝結構型式不僅滿足了非標準跨度設計要求，也實現了最大27 m寬的四線跨工藝布置及起重設備懸掛要求等。較常規兩線跨框架結構，每跨寬度可縮減1～1.2 m，面積可減小336～403 m2，廠房規模越大，面積減少越多，可有效降低工程造價，拼裝式也體現、提升了建筑綠色設計水平。

(3)研究了光伏發電設施在車輛基地主要生產廠房屋頂布置及應用設計的可行性，經分析計算，其最大裝機量為1.5 MW，年發電量為100～110萬kW·h，可節省電費80余萬元/年。

(4)通過多種低影響開發措施進行組合分析、設計了具有“滲、滯、蓄、凈、用、排”功能的海綿車輛基地，探究了海綿車輛基地量化指標及效益分析等，年徑流總量控制率達62.6%，可實現雨水資源利用率為7.1%，可回收利用雨水量約1.2萬m3/年，節省水費用約6萬元/年。

(5)通過對門禁系統、智能人臉識別系統、視頻監控系統、SPKS等智能設施設計，提升了庫內UTO區域及檢修人員的安全性。

(6)通過對全方位在線檢測裝置、智能巡檢機器人、鷹眼系統等智能工裝應用設計分析，列檢可實現由機檢代替人檢，檢修周期可向4日檢、8日檢過渡，作業效率提高約40%，同時也實現了對現場狀態及作業人員工作情況實時有效監控，提升了管理水平，保障了作業安全，降低了人工成本，提升了車輛基地智能化設計水平，為解決“運營成本日益增加的壓力”問題提供了支撐。

(7)創新設計了一種通長型拼裝式安全懸掛裝置，有效解決了現行車頂檢修作業時安全帶無處或無法通長懸系問題，充分保障了人身安全，提高了作業效率。

車輛基地生態化、智能化設計目前尚處于探索階段，缺乏相關標準及規定，建議盡早編制“生態智能車輛基地”設計及建設相關標準規定。