中国城市轨道交通协会

#融合城轨  #既有线改造

随着我国轨道交通规模的快速发展，北京、上海等城市日均客流已超千万，运营负荷巨大，安全运行面临严峻挑战，投入运营的轨道交通运营隧道工程数量、里程、规模已跃居世界首位。但轨道变形、轨下结构上拱、开裂、下沉、脱空等病害频发，严重时将影响隧道轨下结构服役性能，安全运行面临严峻挑战。面对世界数量最多和里程最长的轨道交通运营隧道安全需求，针对运营轨道交通隧道轨下结构劣损机理及性能提升关键技术开展系统而深入的研究迫在眉睫，势在必行。项目立足国内外需求，以保障运营轨道交通隧道服役安全为目标，针对解决运营轨道交通隧道轨下结构面临劣损机制剖析、检/监测与预警、服役状态评价、性能提升等核心难题，采用现场调研、理论分析、室内试验、数值模拟和现场测试等手段，对运营轨道交通隧道轨下结构体系的荷载特征、动力响应规律与耦合劣损机理、检/监测和预警技术、数智评价方法和评价系统、能力提升等关键技术开展了深入研究，进而推动轨道交通隧道运维技术升级。

项目创新成果如下：一是揭示了“轨道-道床-基底-围岩”复合结构体系的荷载特征、动力响应规律与耦合劣损机理，建立了病害分类标准和典型病害多模态大模型。二是研制了世界首列3B型城市轨道交通综合检测列车隧道轨下结构检测模块，构建了轨下结构状态检/监测和预警技术体系。三是提出了轨下结构病害评价指标及其权重计算方法，开发了隧道轨下结构服役状态数智评价系统模块，制定了隧道轨下结构服役状态量化评价标准。四是形成了“锚-注-排”一体化强化、新型多段落同步快速换底、液压伺服控制精准抬升等轨道交通运营隧道基底结构性能提升关键技术。

项目获发明专利20项、软件著作权3项、实用新型专利9项，编制国家标准2项、行业标准、地方标准、团体标准等11项，编制省部级工法3项，出版专著4部、发表学术论文44余篇。经专家组评审，项目研究成果创新性突出，社会经济效益显著，总体上达到了国际先进水平。研究成果已成功应用于100余座轨道交通隧道检/监测、评价与整治，应用效果良好，保障了轨道交通运营安全和运行秩序。

随着“全国123出行交通圈”规划纲要发布和逐步实现，市域轨道交通大运量、高密度、公交化特征日益明显，为保障交通圈高时空、高密度紧密运行目标、提升出行体验，本项目为此开展研究。首创新一代轨道交通AC25kV智能同相牵引供电系统设计与运维体系，全线采用同相位无断电区的同相牵引供电系统，研发智能化同相供电装置，搭建AC25kV牵引供电系统基于GOOSE通信的网络化保护。形成了国际领先水平的关键技术及具备完全自主化知识产权的成套装备和系统，并工程应用。

项目创新成果如下：一是首创全线贯通组合式同相供电技术。牵引变电所采用单相组合式同相供电，分区所具备全线同相贯通供电能力；实现全线列车无感知断电运行，消除列车过分相电磁暂态不利影响，提升工程运营服务水平与运行品质。二是提出电压电流电能质量综合治理控制技术。采用电压控制电流源控制方式，利用组合式同相供电装置实现电源侧三相功率平衡，兼顾功率因数、谐波等电能质量综合治理，减少对城市电网影响。三是首次构建交流牵引供电系统网络化保护体系。搭建交流牵引供电系统GOOSE网络化保护系统，实现牵引供电臂上绝对选择性的数字化距离保护，全线隔离开关软逻辑闭锁方案。四是研制新一代智能同相供电装置。通过提高变流环节的电压水平，优化成套组合式同相供电装置结构；首次采用数字化、透明化的信息技术，实现装置的智能运维与全寿命周期的健康管理。五是建立模拟同相供电装置复杂运行工况的模型，提出同相供电装置性能验证方法和标准。

项目获授权发明专利3项、实用新型专利7项，编制国家标准1项，发布地方标准1项，发表学术论文42篇（其中EI12篇，SCI1篇）。经评审专家组对项目成果评价：“总体技术达到国际领先水平”。在广州地铁18、22号线工程应用，用户评价运行良好，设备运行稳定，功能正常。近三年经济效益显著，节约电量电费显著。项目成果提高了轨道交通安全性，提升了工程服务水平。

项目基于碳化硅的应用技术，攻克了轨道交通碳化硅变流装置关键技术，解决了绿色低碳电传动系统的技术难题，率先在国内轨道交通领域完成碳化硅变流装置的自主研发与装车应用。构建起高频、高效、高功率密度的牵引传动新模式。

项目创新成果如下：一是首创一种碳化硅高压、高频驱动设计方法，解决高频信号隔离、门级振荡、信号串扰、共模干扰等技术难题，实现有源钳位、分级关断、状态诊断、过流检测等功能，短路保护时间明显提升。二是提出一种碳化硅变流系统的高频EMC参数设计方法，攻克强弱电耦合、宽频干扰抑制、阻抗匹配等关键应用难题，实现装置及系统级的高频EMI特性的定量评估，构建理论计算、建模仿真、试验评测等多维电磁兼容分析技术体系，系统干扰、过电压、轴电压明显降低。三是提出一种高集成、高效率的气液两相传热传质技术，针对碳化硅集成设计带来的高热应力、高热流密度的散热难题，构建了碳化硅芯片级电热耦合及功耗计算模型，采用“3D复合+主动均温相变散热”设计方法，实现碳化硅芯片结温波动降低、散热器性能提升、重量降低和体积减小。四是提出一种供电区间内高频逆变器分时复用和单发射-多拾取的拓扑和全域效率寻优技术，建立“电网—高频逆变电源—电磁耦合机构—车辆负荷”联合模型，攻克非接触供电高频电磁耦合，高频损耗，多支路并联投切等技术难题，在城市轨道交通系统静、动态充电效率明显提升。五是提出一种碳化硅变流装置的高频换流回路设计方法，解决低感互联、高频振荡抑制、电热应力均衡、能效提升关键难题，实现了碳化硅牵引和辅助变流装置体积重量降低和效率提升。

项目实施过程中取得了多项原创性成果，获授权发明专利25项，发表科技论文10篇，制定了相关标准。项目成果在广州、深圳、宁波、温州等多个城市轨道交通及城际动车组实现了装车载客试验验证及应用。本项目总体技术达到国际先进水平，通过系列化碳化硅变流装置与装车应用，发掘碳化硅技术在轨道交通领域高频低损，轻量化、小型化的应用优势，有效推动我国轨道交通装备制造业发展。

本项目响应国家“双碳”战略提高轨道交通能源自治率，针对分布式光伏规模化应用过程中存在的难点问题，联合国内多家产学研用单位共同研究，取得以下创新成果：

一是率先开展地铁行业分布式光伏示范应用，提出多层级协同的消纳技术，采用建设指标动态迭代策略，保障了光伏系统的全寿命周期性能。为优化配光伏与负荷，提出多级分层消纳方法，节约建设成本约15%；光伏组件功率密度提升49%，光伏组件效率提升7%，有效整体提升新能源工程的效率和可靠性。

二是提出光伏发电系统能效评估方法，研发能效提升的两项电压补偿技术，保障运营过程中降本增效。提出知识驱动的光伏逆变器能效量化评估方法，解决分布式光伏效率相对值的量化比较问题，能够有效检出异常低效光伏组件；提出光伏逆变环节动态无功补偿和直流电压补偿两项技术，提升逆变效率1.5%以上。

三是改进光伏组件热斑图像诊断算法，提高精度和速度，运用逆变器AFCI功能和智能扫描IV曲线技术，提高故障保护水平和定位效率。通过弹性变形增强技术和FasterR-CNN网络架构改进，有效提升了光伏组件热斑故障的早期诊断能力，精度提升3%，速度提升至23.6FPS；建立光伏方阵与光伏组串映射关系的管理方法，提升故障定位的效率，保障光伏资产的安全。

四是提出轨道交通多源互动融合的供电体系架构，保障两网运行稳定及安全。建立高比例新能源利用下的新型轨道交通供电系统的协同自治体系，形成规划、建设、运营、评估的全业务链闭环体系，促进轨道交通自治供能技术逐步走向成熟。

项目总体技术水平达国际先进，上海地铁历经10年累计建设分布式光伏电站24座，截至2024年底总装机容量达60MWp，装机规模为全国城市轨道交通行业之首，已成为行业典范。上海地铁将持续深入践行“双碳”战略，紧抓历史机遇，践行国企责任担当，以技术创新为手段，不断满足人民对便捷出行、文明出行、绿色出行的需求，全方位、全过程推动城市轨道交通绿色升级。

城市轨道交通运输装备中空调作为地铁能耗大户，除牵引外，能耗占比超过50%，为落实节能减碳行动、绿色装备制造行动、全面绿色转型行动，本科研项目开展创新性研究。

项目创新成果如下：一是基于线网级云技术的数据模型伴生寻优算法。以云技术及数字孪生建模技术建立线网级的设备及空调系统数据模型，利用线网级的数据挖掘能力进行大数据分析，建立智能高效空调系统寻优算法。二是基于线网级云技术物理建模的智能运维与设备健康诊断技术。利用线网级的数据挖掘能力进行大数据分析，建立智能运维及设备健康诊断技术。三是采用基于树模型的特征选择法筛选出高相关性变量作为输入，采用三组卷积神经网络(CNN)实现初始负荷预测、误差预测和最终修正预测，通过人工鱼群算法同时优化三个神经网络中的超参数设置，实现精准负荷预测。四是研发高能效高可靠性磁悬浮压缩机传动及控制技术。实现高压比连续喘振300次稳定悬浮无故障；通过算法使模型依靠运行数据自动生成、演进，提升机组COP。

项目获发明专利7项、实用新型及外观专利6项、软件著作权3项，发表专著、核心期刊论文9篇，参编国家标准1项、团体标准4项，发布企业标准6项。本技术应用于深圳地铁12、14、16号线，三条线共63座车站制冷机房全年平均运行能效比5.65（单站最高7.17），全空调系统全年平均运行能效比3.63（单站最高4.37）。评审专家组给出科技成果评价：项目成果总体技术达到国际先进水平，其中基于线网级云技术的数据模型伴生寻优算法等控制技术达到国际领先水平。目前本技术在深圳地铁五期工程全面应用，实现对整个线网的全面监控和分析。并在多个城市轨道交通空调系统推广使用，推动城市轨道交通系统节能减碳。

项目以“融合管控、安全闭环、集约控制、边界约束”为理念，重点攻克城市轨道交通全自动运行线路运营的五大关键技术难点：一是全自动运行线路中系统耦合度高、运营工况复杂，从而引起传统管理体系、岗位职能与系统控制的边界发生变化。如何在管理和控制范围及防护边界外延的情况下，实现对传统系统进行重新融合的难题。二是在调度指挥层面，如何发挥出全自动运行系统优势，高效协调乘客出行和列车运行的关系，以及如何在突发故障和应急事件下使运营快速恢复，破解调度管理与运行控制深度融合的难题。三是在乘客服务层面，如何高效感知乘客的状态及需求，实现车站管理和设备控制的深度融合，提供智能、绿色的乘客服务，破解高品质客运服务和高效率车站运管的难题。四是在运营维护层面，如何实现信息贯通、资源共享，破解多专业运维融合调配的难题。五是在安全控制层面，传统的“故障-安全”理念已逐步转变为“故障-安全运行”，在全自动运行条件下如何实现基于状态安全迁移机制，破解安全运营管理与安全系统闭环逻辑控制深度融合的难题。

项目实现了五大关键技术突破：一是系统性地提出了适用于全自动运行系统的融合管理模式及与其相适应的融合控制系统技术体系，重构了全自动运营管理模式，实现运营需求和任务模型的适配及融合系统功能、接口的重塑。二是研发了基于客流AI智能分析、运行控制智能联动、应急故障智能处理的调度指挥管控融合系统，实现了调度指挥层面调度指挥管理与列车运行控制的融合。三是研发了基于车站群多周期特征的LSTM-SVR温度调控技术、基于5G和MEC协作缓存的分层分级物联网技术，实现智能化的客运服务、立体化的安全监控、绿色化的运营维护和快速化的应急响应。四是研发了面向线网的基于业务-管理-技术重构的综合运维管控融合系统。实现了多专业贯通、一体化业务管控的综合智能运维，在多专业运维生产和运维资源统筹管控方面实现了深度融合。五是运用基于“人-车-地”高效协同交互的关键技术和车载多数据源感知和网络融合协同技术，实现安全需求智能感知与安全闭环逻辑控制的深度融合。

北京地铁11号线西段工程（简称“冬奥支线”），作为直接服务2022年北京冬奥会的轨道交通项目，是北京首条智慧地铁示范线。项目围绕着智慧运营组织、智能装备、智慧基础设施三大体系开展技术创新和应用。

项目创新成果如下：构建了乘客全出行链的智慧乘客服务应用体系，完成智慧票务、智慧乘客信息服务等多项智慧乘客服务关键技术，提升乘客服务质量。二是创建了基于以乘客为中心的智慧轨道交通运营监视、运营风险、运营指挥管理新模式，推动了北京轨道交通的线路及线网运营管理和应急指挥体系创新。三是构建了北京轨道交通首个“云+网+数”三位一体的生产业务云平台，为智慧化工程建设应用提供了技术支撑。四是打造形成新一代智能列车装备体系，建设智能列车乘客服务及智能运维系统，为乘客提供车内招援、智能空调服务，同时实现列车的智能检测、健康管理等功能。五是首次提出并采用基于EUHT-5G制式的“1.8GHz+5.8GHz”一网双频综合承载组网方案，实现无线网络的高可靠性及承载业务的稳定运行。

项目获6项发明专利、13项外观专利、4项实用新型专利及26项软件著作权。三大智慧体系成果已于2021年在冬奥支线上落地应用，同时在3号线、12号线、17号线、19号线、22号线进行了推广应用，经济效益显著。

本项目聚焦城轨智慧车站建设需要，集成边缘计算、物联网、人工智能等新兴信息技术，创建了基于工业互联网架构的智慧车站体系，为促进轨道交通运营的数字化转型，提高运营组织效率，节约运营成本，提升出行品质等需求提供了技术支撑。本项目突破了数据采集、平台管理、模型泛化等关键技术瓶颈。项目围绕乘客出行链，提供了全流程的主动式服务；形成高度自运转的全景车站管理模式，提高了车站正常运转和异常事件处置效率；融合了车站管控平台与运维系统；研发了全时全景智慧车站管理系统，提高了车站运营组织管理效率。相关成果在南宁试点的基础上，在国内多个城市推广应用，带动了车站服务、技术、人员等全要素配置的优化。

项目创新成果如下：一是创新性地构建了城轨车站运营管理的智能化技术架构，打造了一套集状态感知、数据治理、科学决策、精准执行为一体的闭环赋能体系，实现生产自动化与管理信息化的有效融合，为行业智慧车站建设提供了新范式。二是基于工业互联网和全息感知技术，研发了感、通一体化的数据采集模式及数据治理体系，实现了智慧车站全方位、多维度自主感知和感知数据高效边缘计算。三是攻克了车站运营管理和乘客服务智慧化的若干关键技术难题，在行业内首次搭建了通用的智慧车站运管模型和算法库，解决了既有模型精度不够、体系欠缺、可移植性差等问题，为智慧车站建设的共性关键问题提供了一套通用的模型和算法。四是集成了智慧车站成套技术和装备，首次实现智慧车站全场景工程落地应用，从智慧客运管理、智慧乘客服务、智慧设备管理、智慧站务管理方面开展技术攻关，构建了基于设备全息感知、系统集成联控、终端移动操控、高度自运转的全时全景智慧车站管理系统。

项目获授权知识产权15项、17项软件著作权，制定了各类标准13项（含地标6项），出版专著1部。相关技术在南宁、重庆、苏州、成都、上海、南昌、温州等城市推广应用，产生了显著的经济和社会效益。经评审专家组鉴定认为项目研究成果总体技术达到国际先进水平。其中，智慧车站运管模型和算法达到国际领先水平。成果可为我国城市轨道交通智慧车站建设和运营提供理论支撑和技术指导。

项目从设计、施工和运维三个层面攻克了城市轨道复合式轻型预制整体道床关键技术，解决了复杂城市轨道条件下预制整体道床轻量化、定型化和标准化难题，推动了城市轨道预制整体道床规模化应用。

项目创新成果如下：一是设计创新，揭示了复杂条件下城市轨道预制整体道床的性能协调机制，研发了梁式预制轨道板和复合式轻型预制整体道床结构，解决了多场景应用的预制整体道床轻量化、定型化和标准化难题，实现了复杂建设条件下预制整体道床规模化应用。关键技术一：探明了不同线路条件下车轨激振动力影响规律，揭示了整体道床的性能协调机制，形成了复合式轻型整体道床设计，增强了预制道床的整体性。关键技术二：提出了基于整体骨架钢筋笼的梁式预制轨道板结构，实现了单个预制轨道板的单位长度更轻，单个构件更长。关键技术三：探明了道床结构对车轨激振影响规律，提出了优化策略，实现了预制整体道床的多场景应用能力。

二是施工革新，发明了横向可调套管、可调模具和轨排支架等建造装备，提出了立体蒸养和轨排法铺设施工技术，解决了梁式预制轨道板整体线形空间拟合及精准检测难题，实现了复合式轻型预制整体道床机械化运输安装。关键技术四：提出了满足规模化制造的梁式预制轨道板，研发了横向可偏移套管、多尺度可调预制模具及立体蒸养技术，实现了流水线工厂生产。关键技术五：形成了三维可调轨排支架技术、轨道线形整体拟合技术、轨道板基准检查技术，预制整体道床形态控制技术，提高了施工效率和施工质量。关键技术六：提出预制整体道床轨排法铺设技术，实现了整体道床在不同场景下高效便捷铺设。关键技术七：开发了预制整体道床设计施工仿真软件，实现了预制整体道床智能铺设。

三是运维提升，建立了复合式轻型预制整体道床关键部件损伤评价模型，研发了轨道损伤智能检测装备，解决了预制整体道床轨道损伤的高效检测、定量评价和优化调控，实现了复杂运营环境下预制整体道床智能化运维。关键技术八：构建了预制整体道床关键部件全寿命周期劣化模型，实现了钢轨波磨的预测评估和扣件弹条的优化控制。关键技术九：提出了预制整体道床轨道的钢轨打磨限值和廓形优化方法，降低了打磨成本提升了打磨效果。关键技术十：研发了基于视觉识别的轨道损伤智能检测装备，提出了钢轨主动减振降噪策略，实现了轨道损伤的定位识别、定量预测和减振控制。

项目针对城市轨道交通的多维一体融合与全链路服务的关键技术进行研究。以“大数据+云平台+交通模型”三重技术驱动，开创数字技术赋能轨道交通规划建设的新范式，为城市轨道交通的规划、建设、运营和管理提供科学的决策支持，强化轨道交通与空间布局、经济发展、产城联动等深度融合，为推动城市轨道交通高质量发展提供示范和支撑。

项目创新成果如下：一是提出基于数据池化的多源异构大数据融合技术，构建全面、准确的交通数据资源池，整合了空间规划、人口岗位、交通运营等多源数据，突破了数据表达、分布式存储和并行计算的难题，提升了轨道交通信息快速汇集和处理的能力。二是建立轨道交通城市协同服务能力评估框架，创新性地重构了公共交通可达性和交通承载力模型，从不同空间尺度对轨道交通服务强度和空间出行联系效率进行量化评估，提升了轨道交通规划设计工作的协同性和效率。三是构建了基于出行链的多层次一体化城市轨道交通需求预测模型，实现了宏－中－微观三尺度融合模型平台和2000万人级都市圈城市－区域出行需求预测互动分析，解决了城市轨道交通出行活动精细化感知的技术难题，突破了出行链模型不同层次之间难以互动反馈的技术瓶颈。四是研发了覆盖轨道交通规划、建设、运营和管理全流程多种应用场景的云上决策支持平台和轨道交通规划仿真平台，实现了交通、空间多类地理信息数据的追踪查询、自定义数据统计、规划方案智能评估等功能，在提升工作效率的同时，促进相关信息的流通和共享。

项目获发明专利7项、计算机软件著作权9项，编制标准规范3项，发表高水平论文36篇、专著2部。项目面向政府、轨道建设运营单位、规划设计单位的决策支持开展了深度应用并取得良好效果，赋能地铁城市智慧发展转型，社会和经济效益显著。

悬挂式单轨在我国属于全新轨道交通制式，具有投资小、占地面积少、适应性强、绿色低碳节能等特点，但缺乏成熟的理论、技术、装备和标准，其发展面临着四大难题：一是国内尚无商用悬挂式单轨列车；二是“梁轨一体”结构体系与常规轨道交通差别巨大；三是道岔结构复杂，制造精度高，无成熟产品；四是特有走行结构下车辆安全保障技术缺乏。

项目创新成果如下：一是研制了新型智能悬挂式单轨列车：首次研发了“Y”型悬挂式单轨转向架，构建了基于运行环境智能感知技术的智能驾驶系统，实现智能化应用，车辆运行平稳性比现有平台车辆提高26%；建立了基于自主智能运维的全新安全体系，通过了德国AC、SRCC两个第三方安全评估机构的安全认证，首次实现了无人化的远程联挂救援。二是开创了悬挂式单轨“梁轨一体”桥梁设计建造关键技术：首次提出了基于悬挂式单轨新型轮轨关系及悬挂系统的车桥耦合动力仿真计算方法，解决了车辆悬挂系统与转向系统的耦合问题；建立了悬挂式单轨“梁轨一体”轻型桥梁结构体系，研发了复杂空间曲线高精度“梁轨一体”桥梁绿色建造关键技术，解决了轨道梁制造精度高、焊接易变形的难题，用钢量减少30%。三是研发了悬挂式单轨道岔系统关键技术：研发了道岔提升、翻转、补偿自适应关键技术，攻克了道岔解锁、转辙、锁闭的联动性技术难题，增强了机械机构与梁体结构的耦合性能，提高了道岔的高精度制造水平。四是建立了悬挂式单轨车辆安全保障体系：提出了基于列车自诊断与轨旁智能监测的“停检分离”运用检修模式，研发了列车检修一体化等系列装备，提升了车辆安全保障效率与智能化程度。五是创新了悬挂式单轨智慧安全运营关键技术：创新提出了高精度列车定位及移动闭塞任意点折返技术，首创性将计轴系统应用于悬挂式单轨，建设了国内第一个全虚拟机云平台，为系统的安全、稳定、高效运行提供了可靠的保障。

项目获发明专利15项、实用新型专利23项、软件著作权4项，编制标准6项。项目成果整体应用于武汉光谷悬挂式单轨工程，已安全高效运营1年，社会经济效益良好，受到了业内外的广泛好评，应用前景广阔。科技成果评价认为“本项目填补了国内悬挂式单轨领域的空白，创新性突出，总体技术达到国际先进水平。”