動車組智能技術(shù)探索

王文峰

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司機(jī)輛部，北京 100844）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國鐵路事業(yè)實現(xiàn)了重大發(fā)展，乘客出行體驗更加舒適便捷。截至2020年5 月底，全國高鐵營業(yè)里程達(dá)到3.5 萬km，“四縱四橫”高鐵主骨架提前建成并成網(wǎng)運(yùn)營［1-3］。鐵路技術(shù)裝備實現(xiàn)升級換代，動車組上線運(yùn)營達(dá)3 639.625 標(biāo)準(zhǔn)組。高速動車組未來將向智能化方向發(fā)展，智能動車組將基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、5G 通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，集成融合新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)動車組智能化［4-5］。結(jié)合動車組運(yùn)輸、監(jiān)控、維修、服務(wù)等方面需求探討動車組智能技術(shù)發(fā)展。

1 智能化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 我國現(xiàn)狀

1.1.1 高速動車組方面

2007年4月18 日，我國鐵路成功實施了第六次大提速，經(jīng)過多年的引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新，我國相繼推出了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5 平臺系列及CRH380平臺系列“和諧號”動車組。為滿足城際間的中短途客流運(yùn)輸需求，開發(fā)了具備載客量大、快速乘降、快起快停等特點(diǎn)的CRH6城際動車組平臺?！昂椭C號”動車組在我國特有的大運(yùn)量、長交路、持續(xù)高速、環(huán)境差異大等極其復(fù)雜的運(yùn)用環(huán)境下，實現(xiàn)了總體運(yùn)行安全平穩(wěn)，基本能夠適應(yīng)我國鐵路發(fā)展對動車組的需求。

然而，“和諧號”動車組型號眾多、技術(shù)平臺不完全一致，日常運(yùn)用中出現(xiàn)了不同系列車型間無法重聯(lián)運(yùn)行、列車無法相互救援、設(shè)備不通用、司乘人員反復(fù)培訓(xùn)等問題［6］。為徹底解決上述問題，從2012年起，原鐵道部開始組織研制中國標(biāo)準(zhǔn)動車組。作為中國新一代高速鐵路技術(shù)集大成者——“復(fù)興號”動車組，是我國在歷經(jīng)“和諧號”系列動車組引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新之后，自主研發(fā)和制造的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化動車組；是在綜合我國現(xiàn)有各型動車組優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上，研制的適合我國國情、路情、各種環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、兼容性強(qiáng)、可互聯(lián)互通的動車組技術(shù)平臺?！皬?fù)興號”動車組目前有CR400、CR300、CR200 三個系列，分別適應(yīng)持續(xù)運(yùn)營時速350、250、160 km。2017年9 月21 日，“復(fù)興號”動車組（CR400型）開始在京滬高鐵按時速350 km運(yùn)營。“復(fù)興號”動車組從研制成功到投入商業(yè)運(yùn)營，標(biāo)志著我國已全面掌握高速鐵路核心技術(shù)，建立了基于自主知識產(chǎn)權(quán)的高速動車組技術(shù)平臺和高速動車組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，擁有了參與國際鐵路市場競爭的拳頭產(chǎn)品，對助推經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、向世界展示中國高速鐵路的先進(jìn)性和安全運(yùn)營能力、增強(qiáng)中國鐵路的市場競爭力和國際影響力具有劃時代的意義。

隨著“復(fù)興號”動車組奔馳在祖國的大地上，為滿足北京冬奧會和雄安新區(qū)建設(shè)需要，原中國鐵路總公司又組織開展京張、京雄智能動車組研制。京張、京雄智能動車組是“復(fù)興號”動車組的智能型，以現(xiàn)有CR400BF/AF 型“復(fù)興號”動車組為基礎(chǔ)，在智能化、安全舒適、綠色環(huán)保、綜合節(jié)能等方面實現(xiàn)升級。京張、京雄智能動車組在高速動車組智能行車、智能運(yùn)維、智能旅客服務(wù)的基礎(chǔ)上，基于城際交通短交路、高客流、往返頻繁等運(yùn)營特點(diǎn)，依托5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)融合發(fā)展理念，融合5G+人臉識別、智能分析、智能視頻感知的智能視頻系統(tǒng)，打造服務(wù)于公交化城際交通的人數(shù)統(tǒng)計、人員辨識等公共安全平臺，構(gòu)建中國智慧城際交通系統(tǒng)。

2019年10 月，為提高“復(fù)興號”動車組客室的乘坐體驗，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（簡稱國鐵集團(tuán)）面向全社會征集“復(fù)興號”動車組一、二等座椅和商務(wù)客室優(yōu)化提升方案，期間共收到來自鐵路車輛制造及配件供應(yīng)企業(yè)、工業(yè)設(shè)計公司、院校及自然人的各類征集方案104 份，從動車組客室的舒適性、便捷性、私密性、經(jīng)濟(jì)性等方面提出了寶貴意見，其中新型客室布局方案將會在京張、京雄智能動車組上實施［7］。2019年12月30日，京張智能動車組開通體驗運(yùn)營。

1.1.2 城市軌道交通車輛方面

2020年3 月12 日，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，提出2020—2035年的15年發(fā)展規(guī)劃，按照“1 8 1 1 ”的布局結(jié)構(gòu)，即鋪畫1 張智慧城軌發(fā)展藍(lán)圖；創(chuàng)建智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能能源系統(tǒng)、智能列車運(yùn)行、智能技術(shù)裝備、智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能運(yùn)維安全和智慧網(wǎng)絡(luò)管理8 大體系；建立1 個城軌云與大數(shù)據(jù)平臺；制定1套中國智慧城軌技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為車輛運(yùn)行大腦和列車信息的集散地，在智慧乘客服務(wù)、智能運(yùn)輸組織、智能列車運(yùn)行、智能技術(shù)裝備、智能運(yùn)維安全這5 大體系都有相關(guān)的技術(shù)研究及應(yīng)用。自2019年9 月北京新機(jī)場線開通以來，鄭州、天津、佛山等地的城市軌道交通開始大規(guī)模規(guī)劃全自動駕駛列車，從安全平臺、安全功能等方面對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出了更高要求。

1.2 國外現(xiàn)狀

從發(fā)達(dá)國家軌道交通發(fā)展趨勢來看，高速、高效能、高能力保持、互聯(lián)互通、低生命周期成本、高智能、綠色環(huán)保、系統(tǒng)安全等技術(shù)是軌道交通裝備重要的發(fā)展方向。國際上知名軌道交通裝備制造企業(yè)、運(yùn)營商紛紛提出并大力推廣自己的智能交通解決方案，并取得良好的應(yīng)用成效?？傮w思路是以人為本、以高效為目標(biāo)、以智能化為手段，并提出系統(tǒng)融合設(shè)計理念，采用車車通信或車地通信，提高車輛智能化水平，優(yōu)化運(yùn)營組織，提高運(yùn)營效率。全自動駕駛車輛裝備制造商在全球市場占領(lǐng)方面，龐巴迪、阿爾斯通和西門子分別為23.6%、17.5%和16.8%，均具備GoA4 等級設(shè)計能力，目前各公司的全自動駕駛車輛技術(shù)與平臺已具備走向國際的實力。為了達(dá)到更加先進(jìn)的技術(shù)水平，需針對全自動駕駛車輛集成化、智能化、全生命周期管理、綠色環(huán)保、檢修維護(hù)簡便等方面進(jìn)行深入研究。

國外動車組技術(shù)發(fā)展有以下特點(diǎn)：一是高度重視新技術(shù)應(yīng)用研究。積極開展永磁同步電機(jī)、渦流制動技術(shù)、轉(zhuǎn)向架及車體輕量化技術(shù)、以太網(wǎng)列車控制技術(shù)、碳化硅功率器件、碳纖維材料、節(jié)能降噪技術(shù)等研究。二是各國動車組在安全監(jiān)測與控制、旅客服務(wù)等方面越來越智能化，主要采用信息化手段，對動車組進(jìn)行故障在線監(jiān)測、狀態(tài)評估、健康管理等，保證動車組安全運(yùn)行，并為旅客提供智能化服務(wù)。

2 動車組智能技術(shù)發(fā)展趨勢分析

2018年10 月，習(xí)近平總書記在中央政治局第九次集體學(xué)習(xí)時指出，要推動智能化信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加強(qiáng)人工智能在教育、住房、交通等領(lǐng)域的深度應(yīng)用。智能鐵路交通是基于信息通信、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，通過互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新業(yè)態(tài)與鐵路運(yùn)輸?shù)纳疃热诤?，推動運(yùn)輸組織變革和系統(tǒng)運(yùn)行效率提升，為公眾提供更安全、高品質(zhì)的出行服務(wù)。而智能動車組正是智能鐵路裝備系統(tǒng)中的重要一環(huán)。

動車組智能化未來的發(fā)展將主要體現(xiàn)在以下方面：（1）自動駕駛（ATO）功能；（2）智能監(jiān)測技術(shù)，通過引入傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)對列車實時運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、列車關(guān)鍵部件健康狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)智能高速列車全生命周期狀態(tài)監(jiān)測；（3）智能檢修技術(shù)，實現(xiàn)檢修計劃智能編制，作業(yè)過程、生產(chǎn)物流、應(yīng)急指揮智能管理；（4）智能節(jié)能技術(shù)，通過采用能量存儲技術(shù)、高效的動力集成技術(shù)和新材料，提高列車節(jié)能能力；（5）智能人車交互技術(shù)，通過引入互聯(lián)網(wǎng)、無線技術(shù)，為旅客提供更為舒適的乘車體驗；（6）數(shù)字顯示技術(shù)，通過將數(shù)字化顯示平臺和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)引入車廂，實現(xiàn)列車車窗的數(shù)字化顯示，為乘客和乘務(wù)人員提供更方便和逼真的資訊顯示。在智能行車、智能監(jiān)控、智能運(yùn)維和智能服務(wù)等方面，不斷綜合監(jiān)控技術(shù)，研發(fā)新一代智能動車組（見圖1）。通過深度融合互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，圍繞“管、用、修、服”四方面提升智能化應(yīng)用水平，把列車打造成智能移動平臺，構(gòu)建車地一體化智能運(yùn)輸系統(tǒng)。

圖1 動車組智能技術(shù)

（1）智能行車方面：實施自動駕駛技術(shù)，采用ATO 技術(shù)，并與動車組技術(shù)融合，實現(xiàn)動車組區(qū)間按計劃自動運(yùn)行，站內(nèi)停車自動對標(biāo)及自動開門防護(hù)。開展基于車車通信、無線集群、無線通信的全自動駕駛技術(shù)研究，明確全自動駕駛代際特征，理清車輛與信號等外部系統(tǒng)的職責(zé)，形成全自動駕駛功能定義、場景模式。通過自動駕駛，可有效減少司乘人員的勞動強(qiáng)度，同時也為進(jìn)一步提升發(fā)車密度創(chuàng)造空間。自動駕駛技術(shù)方案見圖2。

圖2 自動駕駛技術(shù)方案

（2）智能監(jiān)控方面：動車組應(yīng)設(shè)置智能化感知系統(tǒng)，對動車組走行部進(jìn)行振動和溫度雙監(jiān)控，設(shè)加速度傳感器，對走行部和受電弓部位進(jìn)行視頻監(jiān)控，對列車進(jìn)行全方位監(jiān)測。在列車信息管理及傳輸方面，設(shè)高速以太網(wǎng)，提高列車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力，增強(qiáng)實時監(jiān)測、診斷能力。開展走行部PHM 系統(tǒng)研發(fā)及檢測能力提升，包括旋轉(zhuǎn)部件故障診斷能力提升、車輪視情鏇修、基于空簧壓力的構(gòu)架裂紋故障監(jiān)測等。

（3）智能運(yùn)維方面：基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行智能運(yùn)維管理，以故障預(yù)測與健康管理為核心，實現(xiàn)關(guān)鍵零部件服役性能狀態(tài)智能評估、故障診斷及預(yù)警報警、故障精確定位、備品備件動態(tài)預(yù)測、提供運(yùn)維決策建議，為實現(xiàn)計劃預(yù)防修向預(yù)見性維修轉(zhuǎn)變提供支撐（見圖3）。

圖3 基于大數(shù)據(jù)的智能運(yùn)維框架

結(jié)合高速無線通信、信息安全、數(shù)字孿生等技術(shù)的故障診斷和維護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用，實現(xiàn)智能巡檢、故障精準(zhǔn)定位和軟件遠(yuǎn)程升級、趨勢分析預(yù)測等功能；開展基于邊緣計算的智能傳感技術(shù)研究，實現(xiàn)列車狀態(tài)感知數(shù)據(jù)的分散預(yù)處理、智能傳感的局部試驗和考核驗證，滿足列車健康診斷的輕量化和快速反應(yīng)需求；研究車輛高度自感知、自診斷、自修復(fù)的診斷和維護(hù)技術(shù)，滿足車輛自動化和智能化的進(jìn)一步需求。

（4）智能服務(wù)方面：實現(xiàn)客室燈光智能調(diào)節(jié)、衛(wèi)生間燈光智能調(diào)節(jié)、車內(nèi)信息分屏顯示、車外信息顯示、車內(nèi)壓力波自動控制等。

基于無觸點(diǎn)開關(guān)、智能傳感器等新型電氣元件，重構(gòu)電氣柜內(nèi)部架構(gòu)組成，實現(xiàn)其邏輯智能控制、狀態(tài)自感知和分布式數(shù)據(jù)處理，并為車輛狀態(tài)全面感知和智能應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐?；诩す?毫米波雷達(dá)、二次雷達(dá)、視覺等技術(shù)的綜合應(yīng)用，研究列車前向感知和主動防護(hù)策略。研究多參變量復(fù)合傳感器、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等智能感知技術(shù)，適應(yīng)車輛結(jié)構(gòu)空間有限和監(jiān)測指標(biāo)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，提升車輛監(jiān)測效能?；贚CD、VR、紅外、視覺等技術(shù)的快速發(fā)展，研究列車運(yùn)用、檢修、維護(hù)等各應(yīng)用場景的人機(jī)交互設(shè)備開發(fā)應(yīng)用，提升服務(wù)品質(zhì)和維保效率。結(jié)合生物識別、視覺分析、人工智能等技術(shù)發(fā)展，研究列車乘客服務(wù)的技術(shù)融合應(yīng)用，逐步實現(xiàn)多用途控制器集成設(shè)計，研究列車智能一體化視覺分析平臺架構(gòu)和基于邊緣計算的視覺分析系統(tǒng)可實施技術(shù)方案。結(jié)合新冠疫情，深化無接觸式乘坐技術(shù)，開展車廂空氣凈化、自殺菌和自動體溫檢測等智能化技術(shù)研究和推廣應(yīng)用。

（5）綠色環(huán)保方面：綠色環(huán)保是工業(yè)產(chǎn)品永無止境的目標(biāo)。智能動車組應(yīng)采用節(jié)能減排、高新復(fù)合材料、環(huán)境控制等新技術(shù)，實現(xiàn)整車能耗不斷降低，從而降低人均百公里能耗。動車組可從頭型、受電弓、轉(zhuǎn)向架部位包覆等方面降低整車氣動阻力；采用輕量化結(jié)構(gòu)及新型復(fù)合材料設(shè)計降低整車重量；采用永磁牽引、高頻輔變、變頻空調(diào)、自動駕駛（ATO）、智能感光照明等新型節(jié)能技術(shù)，降低系統(tǒng)能耗；采用碳纖維等綠色環(huán)保新材料，降低玻璃鋼等不可降解材料比例，提升綠色環(huán)保性能。

3 結(jié)論與展望

從世界軌道交通發(fā)展趨勢來看，高速、高效能、高能力保持、互聯(lián)互通、低生命周期成本、高智能、綠色環(huán)保、系統(tǒng)安全等技術(shù)是軌道交通裝備的重要發(fā)展方向。通過在智能行車、智能監(jiān)控、智能運(yùn)維、智能服務(wù)和綠色環(huán)保等方面開展動車組智能化提升外，還應(yīng)在智能裝備等方面開展研究，滿足日益增長的運(yùn)輸需求，主要研究方向有以下方面：

（1）新一代時速400 km 動車組研究。新一代時速400 km 動車組以安全可靠、節(jié)能環(huán)保、便捷舒適為宗旨，在制動、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引、高壓受流等方面采用先進(jìn)的技術(shù)手段，結(jié)合運(yùn)用智能化技術(shù)，如支持雙通道冗余能力的以太網(wǎng)控車技術(shù)、車載集成式運(yùn)行安全綜合檢測及應(yīng)用平臺、動車組健康管理與智能運(yùn)維系統(tǒng)、高速列車自動駕駛與智能控制技術(shù)，以及集列車廣播、引導(dǎo)、查詢、服務(wù)為一體的集成化服務(wù)平臺等，實現(xiàn)中國高速列車技術(shù)水平與應(yīng)用性能的進(jìn)一步提升。

（2）新時代高速磁懸浮技術(shù)研究。磁懸浮列車作為一種新型的地面交通工具已從試驗階段走向商業(yè)運(yùn)營。2002年12 月31 日在我國上海建成的世界唯一一條常導(dǎo)高速磁懸浮鐵路商業(yè)運(yùn)營示范線，運(yùn)營速度430 km/h（最高試驗速度已達(dá)到505 km/h）；日本LX 系列低溫超導(dǎo)電動磁懸浮，其首條高速磁懸浮鐵路——中央新干線第1 階段（東京—名古屋）于2014年12 月17 日開工建設(shè)，預(yù)計2027年通車，預(yù)計最高運(yùn)營速度505 km/h（載人最高試驗速度已達(dá)到603 km/h）。此外還有美國Magplane 永磁電動磁懸?。?∶25原理樣機(jī)試驗速度70 km/h）、美國Hyperloop永磁電動磁懸浮+真空管道（全尺寸原理樣機(jī)試驗速度387 km/h）、我國西南交通大學(xué)高溫超導(dǎo)釘扎效應(yīng)磁懸浮+真空管道（載人原理樣機(jī)試驗速度50 km/h，計劃開展400 km/h比例試驗）等。綜觀國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，我國600 km/h 及以上高速磁懸浮系統(tǒng)研究應(yīng)按照600 km/h 的目標(biāo)速度對低真空管道高速磁懸浮交通系統(tǒng)開展基礎(chǔ)研究，同時繼承常導(dǎo)高速磁懸浮既有研究成果，突破核心關(guān)鍵技術(shù)，盡快完成自主知識產(chǎn)權(quán)高速磁懸浮系統(tǒng)的研發(fā)和線路試驗，同步開展超導(dǎo)高速磁懸浮系統(tǒng)研究，突破失超、失磁、超導(dǎo)電磁輻射等系列難題，開展超導(dǎo)磁懸浮列車及子系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究。