著力新一代裝備的綠色化智慧型城市軌道交通建設

丁樹奎

(中國城市軌道交通協會, 100038, 北京∥正高級工程師)

2020年3月12日,中國城市軌道交通協會以“交通強國,城軌擔當”的使命感,順應行業(yè)呼聲,適應發(fā)展需要,發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》(以下簡稱《智慧城軌發(fā)展綱要》)[1-2],以此作為城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)行業(yè)今后一個時期(2020—2035年)制訂智慧城軌發(fā)展的技術政策、技術規(guī)范、發(fā)展規(guī)劃和實施計劃的指導性文件。2022年8月18日,中國城市軌道交通協會結合行業(yè)特點和發(fā)展趨勢,正式發(fā)布了《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動方案》(以下簡稱《綠色城軌發(fā)展行動方案》)[3-6],為正在實施中的《智慧城軌發(fā)展綱要》的姐妹篇,兩者共同指導構建既智慧化又綠色化的新時代中國特色城市軌道交通。三年智慧城軌建設初見成效,一年綠色城軌建設開局良好。

1 城軌綠智融合發(fā)展理念

中國城市軌道交通協會在《城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略與“十四五發(fā)展思路”》[7]中提出了城軌發(fā)展的12個戰(zhàn)略指向,其中國產自主化、智能智慧化、綠色低碳化是基礎性、全局性的重大戰(zhàn)略。國產自主化是立足點,智能智慧化是技術主方向,綠色低碳化是可持續(xù)發(fā)展的基本盤。

智慧賦能綠色城軌,是推動綠色城軌建設的主要技術手段和科學基礎,以智能化技術裝備為基礎,有效支撐城軌行業(yè)綠色低碳發(fā)展,智慧城軌為綠色城軌建設提供強大創(chuàng)新動力。綠色低碳拓展了智慧城軌內涵,是建設智慧城軌的重要內容和重要場景,綠色城軌建設為智慧城軌提供更大發(fā)展空間。綠色城軌與智慧城軌有機結合、協同創(chuàng)新,形成常態(tài)化綠智融合的創(chuàng)新機制[6]。

具體路徑上,堅持智能智慧和綠色低碳協同的發(fā)展路線[4],大力推進新一代信息技術與城軌綠色低碳業(yè)務深度融合,夯實數字底座,以推進城軌信息化、搭建智能系統(tǒng)、建設智慧城軌為載體,以智慧賦能節(jié)能降碳關鍵核心技術攻關,助力城軌綠色低碳發(fā)展。充分發(fā)揮智慧城軌建設成果效能,開展綠色規(guī)劃,提升出行占比,推行綠色裝備制造,推動城軌全面綠色轉型,實現碳達峰、碳中和,促進城軌可持續(xù)高質量發(fā)展。由此可見,綠智融合發(fā)展理念是城軌發(fā)展的重要內涵。

2 城軌發(fā)展綱領文件中的綠智融合

《智慧城軌發(fā)展綱要》作為行業(yè)內智能智慧化發(fā)展的指導性文件,在編撰過程中充分考慮了城軌的綠色低碳化發(fā)展趨勢,并將“經濟適用,綠色發(fā)展”作為智慧城軌建設的重要原則,提出要“采用先進成熟、經濟適用、節(jié)能環(huán)保的技術裝備,注重技術與投入、成本與效益、發(fā)展與環(huán)境的相互協調,充分發(fā)揮既有資源的作用,努力打造具有中國特色、基于中國標準、生態(tài)環(huán)境文明的智慧城軌體系”。在《智慧城軌發(fā)展綱要》中提出了“1-8-1-1”智慧城軌發(fā)展藍圖,其中的智能能源系統(tǒng)是8大智能(智慧)體系中的一個子系統(tǒng)。智能能源系統(tǒng)建設為綠色城軌建設打下了堅實基礎。《智慧城軌發(fā)展綱要》從牽引供電、車站節(jié)能、能耗-客流耦合、永磁牽引及智能能源系統(tǒng)的角度,初步提出了智慧城軌框架下的綠色低碳化城軌發(fā)展路徑。

《綠色城軌發(fā)展行動方案》圍繞實現碳達峰、碳中和目標和建設綠色城軌兩大任務,以綠色轉型為主線,以清潔能源為方向,以節(jié)能降碳為重點,智慧賦能,創(chuàng)新驅動,開展6大綠色城軌行動。具體來說,《綠色城軌發(fā)展行動方案》主要從以下兩方面強化綠智融合。

一是《綠色城軌發(fā)展行動方案》與《智慧城軌發(fā)展綱要》在內容上相呼應。《綠色城軌發(fā)展行動方案》將“智慧賦能,綠智融合”作為重要工作原則,其中,7次提到綠智融合,8次提到智慧賦能,14次提到智慧城軌,50次提到智能智慧。例如:在行動二“節(jié)能降碳增效行動”中,提出構建智能能源管理平臺,再次呼應了《智慧城軌發(fā)展綱要》中的“智能能源系統(tǒng)”建設;在行動五“綠色裝備制造行動”中,更是進一步提出將綠色低碳與智能智慧相融合、綠色城軌場景和智慧城軌場景相結合、綠色低碳轉型與數字化轉型相融合,充分利用既有創(chuàng)新成果,持續(xù)推動自主化技術裝備研制和應用[4]。

二是《綠色城軌發(fā)展行動方案》充分吸納了《智慧城軌發(fā)展綱要》中的規(guī)劃內容,進一步明確了綠色城軌的發(fā)展路徑。例如:在行動一“綠色規(guī)劃先行行動”中,以綠智融合為導向,將智能智慧化作為綠色創(chuàng)新活動的重要手段,營造智能智慧助力綠色城軌發(fā)展、綠色低碳推動智慧城軌發(fā)展的新局面;在行動三“出行占比提升行動”中,以面向全出行鏈的智慧乘客服務體系賦能乘客出行,提高乘客出行的便捷化、舒適化、智能化水平,提升城軌吸引力;在行動六“全面綠色轉型行動”中,在推動建造體系綠色轉型方面,提出在建造領域采用智慧工地等信息化管理系統(tǒng),依托物聯網、人工智能、BIM+GIS(建筑信息模型+地理信息系統(tǒng))、5G(第5代移動通信技術)和建筑機器人等新技術的創(chuàng)新應用,促進綠色建造進程。

由此可見,綠智融合是城軌發(fā)展一以貫之的方針。

3 城軌綠智融合關鍵融合點和著力點

在推動綠智融合、建設綠色化智慧型城軌的各項工作中,關鍵融合點和著力點是推進新一代綠色智能技術裝備的研發(fā)與應用。《綠色城軌發(fā)展行動方案》明確提出,將聚焦節(jié)能降耗潛力大、能效利用率高的新一代自主化綠色智能技術裝備,瞄準先進、綠色和智能技術,部署一批前沿的新一代綠色智能技術裝備研發(fā)項目和示范工程[4,8],強化科技創(chuàng)新對綠色城軌發(fā)展的支撐。

3.1 新一代智能調度及靈活編組系統(tǒng)

城軌在公共交通中占比不斷擴大的同時,也面臨總體客流強度不足、客流出行時空分布不均衡、客流非高峰期運力過剩等問題,出現車輛資源和電力能源等浪費的現象。同時,隨著網絡化運營規(guī)模的擴大,也增大了調度指揮壓力。

在此背景下,由北京市基礎設施投資有限公司牽頭,聯合城軌行業(yè)內的高校院所、高新企業(yè),一同申報承擔了國家發(fā)展和改革委的《智慧城軌新一代智能列車運行系統(tǒng)及平臺示范工程》及中國城市軌道交通協會的《新一代網絡化智能調度和智能列車運控系統(tǒng)示范工程》項目,項目重點是研發(fā)一套iFAO(智能全自動運行)系統(tǒng)。iFAO系統(tǒng)以提升車輛、軌道等資源的靈活配置和高效運用為導向,基于無人駕駛、車車通信、智能感知等技術,攻克虛擬編組、智能調度關鍵技術,實現列車基于虛擬聯掛的靈活編組的新一代智能型全自動運行系統(tǒng)。

作為項目兩項核心技術之一的虛擬聯掛,是不依賴機械連接裝置,通過基于無線通信的信息交互和自動控制等技術將多列(含兩列)運行列車聯結并一體運行的技術。虛擬靈活編組是采用虛擬聯掛技術實現列車編組在線改編的一種靈活編組列車運行組織方式,簡稱虛擬靈活編組。這項技術可以適應高峰和非高峰不均衡需求的靈活編組運行,實現運能與需求精準匹配;在非高峰,不僅不加大行車間隔,不降低服務水平,同時還大幅減少牽引能耗。

虛擬靈活編組運行方式對線路及線網的指揮調度系統(tǒng)提出了更高的要求。項目研發(fā)的新一代行車調度指揮系統(tǒng)是基于運籌學理論,以及專家系統(tǒng)、大數據、物聯網和人工智能等技術,對列車運行及關聯系統(tǒng)進行智能化指揮控制管理,進一步提高了列車運行計劃編制、行車態(tài)勢感知、列車運行圖動態(tài)調整、相關系統(tǒng)協同應急調度指揮等的自動化、智能化程度,實現了車輛、軌道、人員等資源優(yōu)化配置,運力與運量動態(tài)匹配,應急處置決策能力提升。

3.2 新一代牽引供電系統(tǒng)

牽引能耗在城軌總能耗中的占比為50%,降低牽引能耗是城軌節(jié)能降耗的重點。各地研發(fā)應用的新一代牽引供電系統(tǒng),包含了車側的永磁同步牽引電機技術、軌側的專用軌回流技術和網側的雙向變流技術(三件套)。從“源-網-荷”回路系統(tǒng)來看,三者組合使用效果會更佳;三者單獨使用時,永磁同步牽引電機的節(jié)能率達20%以上,雙向變流技術的節(jié)能率達15%以上,專用軌回流根治了雜散電流迷流,可使牽引供電系統(tǒng)綜合節(jié)能達20%以上。

從新一代牽引系統(tǒng)應用效果來看,除了可實現節(jié)能外,還產生了其他積極效果。永磁同步牽引電機技術的應用,從常規(guī)異步電機到采用永磁材料的同步電機,使車輛的控制從車控、架控轉變到了軸控,實現了黏著資源的充分利用,使動車配置數量可進一步減少,使動拖比可進一步優(yōu)化,同時也可使動車牽引單元損失導致列車退出運營的概率大大降低。雙向變流系統(tǒng)中,從采用常規(guī)二極管整流器轉變到采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),實現了能量轉換從不可控到可控的轉變,也使供電方式從局部分段供電轉向全線變電所的協同供電。從采用鋼軌回流轉變到采用專用軌回流,實現了對雜散電流治理方式由“堵”到 “疏導”的轉變,從讓社會分擔雜散電流的危害轉變到了杜絕雜散電流對社會的危害,因而由被動回流轉變到了主動回流。上述這些轉變是具有代際提升特征的。

3.3 新一代大空間通風空調系統(tǒng)

通風空調系統(tǒng)能耗在城軌總能耗中的占比為30%,是第二位的用能大戶。車站內站廳站臺空間大、用冷點少且冷負荷需求多變,如采用常規(guī)水冷冷水冷源、輸配系統(tǒng)、全空氣末端的系統(tǒng)形式,存在換熱次數多、系統(tǒng)復雜等問題,且受系統(tǒng)形式影響,常規(guī)節(jié)能措施已遇瓶頸,無法滿足精準供冷需求。

為此,北京市軌道交通建設管理有限公司在北京地鐵19號線一期牡丹園站,聚焦節(jié)能降耗,針對地下車站熱環(huán)境控制需求,研究了地鐵車站環(huán)境控制系統(tǒng)軟硬件技術,進行集成創(chuàng)新和設計優(yōu)化。研發(fā)了水冷磁懸浮直膨空調機組(含自潔式低阻高效凈化裝置)、適應內置在車站的單進風冷卻塔、基于群智能的空調智能控制等一系列設備和相關系統(tǒng),實現了地鐵車站通風空調系統(tǒng)高效能、高健康、高智慧,以及低成本(運營和占地)、低碳排、低維護等的多維度目標,建立形成了具有地鐵車站新一代大空間空調特征的技術體系。

新一代大空間通風空調系統(tǒng)采用直膨磁懸浮式空調系統(tǒng),將冷水機組和空調機組集成并一體化設計,簡化了通風空調系統(tǒng);采用直接蒸發(fā)技術,取消了冷凍水泵、定壓補水裝置、水處理設備及管路等;制冷劑與空氣直接進行熱交換,提升了換熱效率。車站采用水冷磁懸浮直膨空調系統(tǒng)可節(jié)電25%以上。空調采用自潔式低阻高效凈化技術,可確保通風空調系統(tǒng)高效運行,提升公共區(qū)、人員房間空氣品質。將單進風冷卻塔內置在車站可有效解決征地拆遷、景觀影響等問題。此外,采用設備狀態(tài)監(jiān)測和大數據分析技術,提高了通風空調系統(tǒng)運行管理精細化水平。

南寧、洛陽、寧波、青島等多個城市在城軌直膨空調技術研發(fā)應用方面也取得很多成果,證明了直膨技術的有效性。

4 結語

中國城市軌道交通協會將發(fā)揮行業(yè)協會作用,積極引導并指導城軌企業(yè)編制實施綠色城軌發(fā)展實施方案,進一步推進新一代智慧城軌技術與城軌綠色低碳業(yè)務深度融合,著力新一代裝備,以智慧賦能城軌節(jié)能降碳戰(zhàn)略,實現城軌盡早、率先達峰,為交通行業(yè)提前實現碳達峰、碳中和做出努力,助力國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略的實施,為早日建成綠色化智慧型的城市軌道交通貢獻力量。