文｜中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 鞏巧琴 萬年坊,中國城市科學(xué)研究會/智慧城市聯(lián)合實驗室/中城智慧（北京）城市規(guī)劃設(shè)研究院有限公司 杜青峰 李玲玲 陳慧文 王菁

在環(huán)境友好等能源技術(shù)作用下，城市功能組織的集聚—擴(kuò)散，交通出行需求的變化增加了城市空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，城市意象的數(shù)字媒介傳遞則促進(jìn)了現(xiàn)實空間與虛擬空間的交融。而智慧城市則是一種具有美好愿景的規(guī)劃范式，依托信息技術(shù)關(guān)注空間效率的提升，發(fā)展和組織城市空間，使得各層次空間適應(yīng)性提高，回歸到以人為中心的基本價值觀，通過減少本地化的碳排放，最終實現(xiàn)地區(qū)發(fā)展的可持續(xù)性。

一、研究背景和意義

國內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)占全國能耗和碳排放比近幾年來略高，能耗和碳排放分別占社會總能耗和總排放的36%和20%以上。建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型交通運(yùn)輸行業(yè)，需要突破產(chǎn)業(yè)化，推進(jìn)成熟適用的智能交通技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，至少實現(xiàn)輕量化部署。在應(yīng)用、科技和商業(yè)模式的合力下帶動智能交通發(fā)展，氫燃料電池輕軌交通系統(tǒng)，因其具有能量轉(zhuǎn)化效率高、噪音低、零排放等優(yōu)點，使之成為車用燃料電池的主流選擇。智慧交通系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新、示范試點和產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，企業(yè)要更多考慮信息技術(shù)、商業(yè)模式和服務(wù)創(chuàng)新。本文以佛山高明世界首條商業(yè)運(yùn)營氫能有軌電車為例研究智慧交通的運(yùn)營。

二、燃料電池輕軌交通系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

燃料電池于1839年由威爾士科學(xué)家威廉·格羅夫發(fā)明出的原型。然而燃料電池車首次成為焦點是在20世紀(jì)70年代—石油危機(jī)推動了氫燃料電池在汽車上的應(yīng)用。豐田在2014年推出了全球第一輛商業(yè)化的燃料電池車，燃料電池車開始驅(qū)動未來汽車變化。從2014年開始至今，中國、美國、日本及歐洲的一些國家開始著力于推動氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展。

美國、日本、西班牙、德國都進(jìn)行了軌道交通氫能源的研究應(yīng)用。歐洲的軌道交通線路，有接近50%還是非電氣化的線路，氫燃料電池完全有能力幫助歐洲實現(xiàn)溫室氣體、空氣污染和降噪的目標(biāo)。預(yù)測2030年，歐洲新購買每5 輛火車就有1 輛可以用氫提供動力。

圖1 燃料電池反應(yīng)原理

三、燃料電池輕軌交通工作原理

3.1 燃料電池工作原理

燃料電池是通過化學(xué)反應(yīng)，將燃料及氧化劑中蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。燃料電池反應(yīng)原理如下：氫氣首先進(jìn)入燃料電池的氫電極（稱為陽極）（步驟1），然后氫氣與覆蓋在陽極上的催化劑反應(yīng)，釋放電子形成帶正電荷的氫離子（步驟2），氫離子穿過電解液到達(dá)陰極（步驟3）。然而，電子不能通過電解液，相反，電子流入電路，形成電流，產(chǎn)生電能（步驟4）。在陰極，催化劑使氫離子與空氣中的氧結(jié)合形成水，水是燃料電池反應(yīng)中的唯一副產(chǎn)品（步驟5）。

燃料電池可以簡單的根據(jù)電解液分不同的類別，主要的燃料電池類型包括：質(zhì)子交換膜燃料電池（“PEM”），堿性燃料電池（“AFC”），磷酸燃料電池（“PAFC”），固體氧化物燃料電池（“SOFC”）以及熔融碳酸鹽燃料電池（“MCFC”）。對不同燃料電池進(jìn)行了對比。

3.2 燃料電池輕軌的工作階段

以中車四方開發(fā)氫燃料有軌電車為例：

有三個階段，第一個是原型車開發(fā)，第二代試驗車開發(fā)，第三代商業(yè)運(yùn)營車開發(fā)。第一代原型車，氫動力系統(tǒng)包含了燃料電池、鋰離子電池和超級電容器，采用150 千瓦的燃料電池，450Wh 超級電容器。第二代試驗車，采用燃料電池和鋰離子電池混合動力的系統(tǒng)架構(gòu)。取消了超級電容，增加了鋰電池電量，同時增加了散熱量、增加了儲氫量，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于運(yùn)營車，保留了燃料電池和鋰離子電池的混動架構(gòu)。這是燃料電池模塊、鋰離子電池模塊和DCDC 變換器，這是儲氫和冷卻系統(tǒng)模塊，對于冷卻系統(tǒng)可以是現(xiàn)在環(huán)境溫度40 攝氏度時，300 千瓦的散熱量。對于儲氫系統(tǒng)采用6 支III 型氣瓶，35Mpa 公壓力。這是具體有軌列車的參數(shù)，車輛使用壽命是30年，燃料電池系統(tǒng)能夠達(dá)到該壽命還未知，運(yùn)營速度是70 公里，續(xù)航超過100 公里，載客量是380 人。

圖2 五種氫燃料電池對比

四、燃料電池輕軌交通系統(tǒng)運(yùn)營數(shù)據(jù)分析

4.1 氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的佛山模式研究

2019年佛山高明區(qū)發(fā)布《氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的佛山模式研究》和《佛山市高明區(qū)氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，同年11月世界首條商業(yè)運(yùn)營氫能有軌電車正式在佛山高明上線，并以“中國氫城”為建設(shè)愿景，力爭建設(shè)成為氫能源產(chǎn)業(yè)先行示范區(qū)。

該項目運(yùn)營車輛起始站點分別為滄江路站—智湖站，并且采用以氫能源為動力的100%低地板、鉸接式現(xiàn)代有軌電車。該線路長約6.5km，10 座車站，其中換乘站1 座，運(yùn)營車輛在氫動力系統(tǒng)上具有明顯優(yōu)勢，能源清潔，氫的來源豐富，極易燃燒，熱值是汽油的3 倍多，氫動力系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的弓網(wǎng)受流，綜合建設(shè)成本大幅降低。運(yùn)營車輛采用3 節(jié)編組，車廂內(nèi)部設(shè)有60個座位，可載客最大容量為270 人，車輛頭尾兩端均設(shè)駕駛室，可雙向行駛，且兼具觀光功能。佛山高明根據(jù)規(guī)劃發(fā)展，預(yù)計到2030年，高明區(qū)氫能源產(chǎn)業(yè)引育氫能及燃料電池龍頭企業(yè)達(dá)，占新興產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的35%。

佛山市較早推進(jìn)氫燃料電池汽車示范運(yùn)行，也在國內(nèi)優(yōu)先布局和發(fā)展氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)。截止2019年底佛山市投入運(yùn)營的氫燃料電池公交車達(dá)到1000 輛，布局及建設(shè)推進(jìn)加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施15 座。目前佛山市正在引領(lǐng)中國氫燃料電池汽車規(guī)?；逃美顺?。

圖3 中車四方開發(fā)的氫燃料電池列車

以示范應(yīng)用為帶動，佛山市氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程不斷提速，成為華南最大的燃料電池動力系統(tǒng)和燃料電池客車生產(chǎn)基地，燃料電池系統(tǒng)和整車年產(chǎn)能均達(dá)到5000 套(輛)。依托良好的產(chǎn)業(yè)、市場、環(huán)境、企業(yè)和區(qū)域優(yōu)勢，已形成南海、高明以及佛山(云浮)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移工業(yè)園三大氫能及燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)基地，產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋氫燃料電池系統(tǒng)及電堆、關(guān)鍵零部件及整車、加氫站建設(shè)及運(yùn)營、產(chǎn)品示范運(yùn)行、檢測試驗等環(huán)節(jié)，產(chǎn)業(yè)鏈初步完善并形成一定規(guī)模。

4.2 佛山氫能及燃料電池輕軌交通系統(tǒng)運(yùn)營數(shù)據(jù)

本項目位于高明區(qū)東部組團(tuán)，線路位于荷城街道轄區(qū)，基本呈南北走向。項目主要工程線路連接荷城城區(qū)、西江新城及富灣片區(qū)，線路對于客流集散區(qū)考慮了荷城的交通需求、新舊城區(qū)城市面積、高明區(qū)整體城市形態(tài)、和線網(wǎng)形態(tài),以及地形對線網(wǎng)規(guī)模的影響，能夠有力支撐著西江新城發(fā)展，是組團(tuán)內(nèi)部串聯(lián)新舊城區(qū)的重要交通紐帶。

4.2.1 佛山市高明區(qū)基本情況

圖4 佛山高明區(qū)發(fā)布?xì)淠馨l(fā)展規(guī)劃（2019年-2030年）

圖5 高明區(qū)有軌電車示范線首期工程線路示意圖一期

佛山市高明區(qū)總面積938 平方公里，該區(qū)域位于廣東省中部，據(jù)2019年數(shù)據(jù)常住人口45 萬，下轄荷城街道、楊和鎮(zhèn)、明城鎮(zhèn)、更合鎮(zhèn)和西江產(chǎn)業(yè)新城，共77 個行政村（社區(qū)）。

4.2.2 有軌電車情況

運(yùn)營和數(shù)據(jù)分析脫離不開關(guān)系。于2017年建成的高明區(qū)有軌電車線路全長約17.4 公里，設(shè)車站20 座。

其中，首期（滄江路站－智湖站）線路長約6.5 公里，設(shè)車站10 座，平均站間距約640 米，設(shè)停車場1 座，加氫站1 座，加氫站位于停車場范圍內(nèi)。施工期達(dá)18 個月，運(yùn)營期劃分為初期2020年、近期2027年、遠(yuǎn)期2042年三個階段，全天運(yùn)營18小時，6：00am-12：00pm，截至2020年，客流量將達(dá)2 萬人次/日。

4.2.3 基本票價

2019年12月1日起，全程票價每人每次2 元單一票制。票價優(yōu)惠政策如表1。

嶺南通、廣佛通和羊城通普通票享受9.5 折優(yōu)惠。

此外，對重度殘疾人、享受撫恤補(bǔ)助的優(yōu)撫對象、義務(wù)兵、革命傷殘軍人、因公致殘的人民警察、盲人實行免費(fèi)；對三四級殘疾人實行基本票價5 折優(yōu)惠；身高1.2 米(含1.2 米）以上的兒童乘車必須購票。每一名成人乘客可以免費(fèi)攜帶一名身高不足1.2 米的兒童乘車，超過一名的按超過人數(shù)購票。

4.2.4 用戶活躍

精細(xì)化分析佛山高明區(qū)的運(yùn)行趨勢用戶活躍是佛山高明區(qū)輕軌運(yùn)營的核心階段。

表1

根據(jù)不同的活躍狀態(tài)，將產(chǎn)品使用者劃分出不活躍用戶、活躍用戶、忠誠用戶、新增用戶等幾個群體，不同群體的數(shù)據(jù)構(gòu)成產(chǎn)品的總用戶量。健康的產(chǎn)品，流失用戶占比不應(yīng)該過多，且新增用戶量要大于流失用戶量。

4.2.5 客戶/用戶價值指數(shù)

用戶價值指數(shù)指的是衡量歷史到當(dāng)前用戶貢獻(xiàn)的收益。通過佛山高明區(qū)的用戶數(shù)量分析其用戶價值，發(fā)現(xiàn)如果對不同價值的用戶采取不同策略可以優(yōu)化用戶數(shù)量，從而優(yōu)化用戶價值指數(shù)。

通過RMF 模型可模擬精細(xì)化運(yùn)營數(shù)據(jù)。如圖：R 代表（最近一次消費(fèi)時間），M 代表（總消費(fèi)金額），F(xiàn) 代表（消費(fèi)頻次），建立立方體模型，將用戶劃分成多個群體。不同群體即代表了不同的價值指數(shù)。

圖6 使用模型

圖7 RMF 模型

佛山高明區(qū)應(yīng)該在運(yùn)營分析時候建立圖7模型，能夠更好的實現(xiàn)對價值客戶的把控。

五、發(fā)展策略

5.1 關(guān)注技術(shù)和產(chǎn)業(yè)政策

產(chǎn)業(yè)政策是各種指向產(chǎn)業(yè)的特定政策，當(dāng)市場調(diào)節(jié)發(fā)生障礙時，由政府采取的一系列補(bǔ)救的政策或產(chǎn)業(yè)趕超政策。高明區(qū)政府要更多的考慮政策創(chuàng)新，特別是政府關(guān)于氫能源、輕軌發(fā)展等相關(guān)的運(yùn)營信息公開，完善交通運(yùn)營方面公平公正的市場環(huán)境，這樣有利于運(yùn)營環(huán)境良好發(fā)展，合理利用智慧城市相關(guān)的新型技術(shù)提高決策的科學(xué)化水平，更多的考慮技術(shù)發(fā)展和服務(wù)創(chuàng)新，探索商業(yè)模式創(chuàng)新、完善市場化運(yùn)作機(jī)制，合理明確定位佛山高明區(qū)在粵港澳大灣區(qū)發(fā)展的定位。

5.2 積極主導(dǎo)和參與重要的國際標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作

美國、日本等發(fā)達(dá)國家都把參與制定國際標(biāo)準(zhǔn)提升到戰(zhàn)略競爭的高度，不斷增加科技投入，產(chǎn)生更多專利、誕生更多標(biāo)準(zhǔn)，努力將本國的企業(yè)、行業(yè)、國家標(biāo)準(zhǔn)上升為國際標(biāo)準(zhǔn)，旨在將先進(jìn)技術(shù)上升為國際層面的高水平標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)在ISO、IEC、ITU 國際標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域，歐美都居于主導(dǎo)地位，特別是對標(biāo)準(zhǔn)制高點的爭奪非常激烈，大國博弈之間的爭奪中我們還處于弱勢地位。

標(biāo)準(zhǔn)化不僅是提供良好服務(wù)的基礎(chǔ)，更是產(chǎn)業(yè)化的基本條件，要加快智慧交通領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)制定的工作，長期以來，由于我國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)工作與發(fā)達(dá)國家存在著明顯差距，這就需要我們更加包容和開放的去發(fā)展國際標(biāo)準(zhǔn)。