軌道交通智能時(shí)代的中車株洲所實(shí)踐

李永華

“‘十四五規(guī)劃建議提出把科技自立自強(qiáng)作為國(guó)家戰(zhàn)略支撐。而在圍繞高鐵等高端裝備自主可控的關(guān)鍵技術(shù)上，株洲所一方面做了一些比較前沿的探索和實(shí)踐，另一方面確保高鐵的供應(yīng)鏈不受影響，這符合‘十四五規(guī)劃建議指出的方向。”11月8日剛獲得第十三屆光華工程科技獎(jiǎng)的馮江華表示，“進(jìn)入軌道交通的智能時(shí)代，面向科技前沿，我們從追趕向并跑、領(lǐng)跑轉(zhuǎn)變，大膽去‘無人區(qū)開展研究，比如，以智軌列車為代表的一系列創(chuàng)新成果，就是全新的突破，是全世界之前都沒有的。”

馮江華是中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（下稱“株洲所”）的總工程師。這家公司創(chuàng)立于1959年，前身是鐵道部株洲電力機(jī)車研究所，現(xiàn)為中國(guó)中車股份有限公司一級(jí)全資子公司，產(chǎn)業(yè)橫跨軌道交通、新材料、新能源、電力電子等四大領(lǐng)域，旗下?lián)碛袃杉疑鲜泄?，年?duì)I收超過300億元。

馮江華提到的智軌，全名是智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)，2019年12月5日，全球首條智軌商業(yè)運(yùn)營(yíng)線在宜賓開通。

這列虛擬軌道列車長(zhǎng)達(dá)30多米，最多可乘坐300多人，雖然路面沒有實(shí)體軌道，整列車卻沿著一條虛擬的軌道前行，就像是一列開在路面的地鐵。

中國(guó)工程院院士丁榮軍認(rèn)為，智軌集成了虛擬軌道生成和軌跡跟隨、永磁驅(qū)動(dòng)等尖端技術(shù)，是全球首創(chuàng)的一款新型城市交通工具。

株洲所自主研制的新型列車，是其挺進(jìn)軌道交通智能時(shí)代的集大成之作，而其長(zhǎng)達(dá)10年的原始創(chuàng)新過程，可以說是株洲所自覺踐行科技自立自強(qiáng)戰(zhàn)略的生動(dòng)實(shí)踐。

自主打造一套全新的軌道交通系統(tǒng)，“這是一場(chǎng)挑戰(zhàn)科技尖峰的大會(huì)戰(zhàn)。”

目前，城市公共交通系統(tǒng)主要構(gòu)成為地鐵、輕軌、有軌電車、公交車、BRT（快速公交系統(tǒng)）等。

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，截至 2019 年底，共有 65個(gè)城市城軌交通規(guī)劃獲批，在建設(shè)規(guī)劃線路總長(zhǎng) 7339.4 公里。當(dāng)前城軌建設(shè)以地鐵為主，多制式協(xié)同發(fā)展，在6736.2公里的在建線路中，地鐵占比76.9%;其他制式占比23.1%。

地鐵和輕軌雖然運(yùn)力強(qiáng)，但建設(shè)成本巨大。高昂的成本，給地方政府帶來極大的財(cái)政壓力，中小城市更是望而卻步。

有軌電車也不便宜，綜合建設(shè)成本約為每公里1.5億～2億元。同時(shí)，有軌電車需要專門的電力系統(tǒng)和軌道配合設(shè)計(jì)，維護(hù)成本高，而且必須建設(shè)專線，限制較多。

馮江華告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者，軌道交通是解決城市擁堵非常重要的一種交通方式，“我們逐漸發(fā)現(xiàn)，要破解現(xiàn)在公共交通難題，傳統(tǒng)軌道交通裝備制式面臨不少難以跨越的障礙?！?/p>

面對(duì)我國(guó)公共交通快速發(fā)展的多樣化需求，株洲所試圖探索一種經(jīng)濟(jì)、綠色的新型公共交通工具，來解決中小城市公共交通方式中存在的運(yùn)輸能力低、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本高、線路調(diào)配不便3個(gè)“老大難”問題，化解我國(guó)快速發(fā)展的城市化帶來的公共交通壓力。

結(jié)合軌道交通的優(yōu)勢(shì)和公路交通的靈活性，2013年5月，馮江華和他的科研團(tuán)隊(duì)提出研發(fā)一款適合中國(guó)道路的無軌列車正式立項(xiàng)。

這像是一列開在路面的地鐵，沒有軌道，實(shí)際上卻沿著軌道前行。但是，這在當(dāng)時(shí)不啻天方夜譚。

馮江華表示，這是一種全新的方案，全球從基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)都是一片空白。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，科研團(tuán)隊(duì)從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)算法開始探索，一步步攻克所遇到的各種難題。“可以說，這是一場(chǎng)挑戰(zhàn)無人區(qū)的大會(huì)戰(zhàn)?！?/p>

原始創(chuàng)新本就充滿了未知的艱難險(xiǎn)阻，團(tuán)隊(duì)設(shè)想的智軌列車長(zhǎng)達(dá)30多米，要把這么長(zhǎng)的列車開上公路，首先要克服的就是超長(zhǎng)車身的擺尾難題。在中國(guó)，道路上行駛的公交車長(zhǎng)度要小于18米。這是出于運(yùn)行的安全性考量，過長(zhǎng)的車輛在城市中運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)擺尾、變道等不受控的現(xiàn)象，給乘客及行人的生命安全帶來極大隱患。

在一個(gè)以往的研究成果中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)得到了靈感：給列車設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬軌道跟隨系統(tǒng)，以車載傳感器識(shí)別路面虛擬軌道，通過中央控制單元的指令，調(diào)整列車牽引、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性，精準(zhǔn)控制列車行駛在既定虛擬軌跡上。

馮江華介紹這是柔性控制技術(shù)，“就像甩動(dòng)一根柔軟的面條，要讓面條的每一段都在同一軌跡上，很難?！?/p>

在對(duì)比試驗(yàn)中，依靠虛擬軌道跟隨技術(shù)，在轉(zhuǎn)彎半徑15米的彎道上運(yùn)行時(shí)，12米大巴的通道寬度為5.8米，而30米長(zhǎng)的智軌列車為3.83米，而且不用減速。這意味著凡是公交車能開的地方，智軌不僅都能行，比公交車還要靈活。

諸多原創(chuàng)“黑科技”加持，2015年底，株洲所終于完成車輛的整車制造及軌跡跟隨系統(tǒng)相關(guān)調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)了35米軌跡跟隨列車直線跟隨誤差小于10cm，圓周跟隨誤差小于30cm的目標(biāo)。

虛擬軌道技術(shù)只是株洲所在這一場(chǎng)硬仗中拿下的一個(gè)山頭。在智軌項(xiàng)目中，中車株洲所研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)多網(wǎng)融合實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，還突破無軌導(dǎo)向控制、智能駕駛、雙源雙充高可靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)、低地板全鋁車身系統(tǒng)集成等多項(xiàng)核心技術(shù)。

中國(guó)工程院院士丁榮軍指出，智軌綜合了有軌電車和公交客車的特點(diǎn)，既可以作為立體化交通解決方案的補(bǔ)充，也能夠擔(dān)當(dāng)區(qū)域交通線路的骨干，是較為理想的交通解決方案。

馮江華稱，與有軌電車運(yùn)力相同的情況下，智軌只需簡(jiǎn)單的道路改造就能投入使用，整體線路的投資約為現(xiàn)代有軌電車的1/5，建設(shè)一條10公里的線路，成本至少能節(jié)省10億元以上。

與現(xiàn)代有軌電車相比，因?yàn)椴恍枰佋O(shè)鋼軌，也不用架設(shè)電網(wǎng)，一條智軌運(yùn)行線路從啟動(dòng)規(guī)劃至開通運(yùn)營(yíng)，只需一年時(shí)間。

2017年6月2日，智軌首次亮相湖南株洲。2019年，宜賓正式開通全球第一條智軌線。更多的城市正加入智軌行列之中。

馮江華表示，目前智軌正在進(jìn)行技術(shù)迭代，各項(xiàng)性能都在提升，圍繞不同的應(yīng)用場(chǎng)景，從極寒的哈爾濱到酷熱的卡塔爾都在做試驗(yàn)，表明了智軌極強(qiáng)的適應(yīng)性?！拔磥?，我們會(huì)讓智軌更加智能，感知、認(rèn)知、決策的能力不斷提升?！?/p>

永磁牽引技術(shù)：

另一條長(zhǎng)達(dá)十幾年的自強(qiáng)之路

原始創(chuàng)新的虛擬軌道跟隨技術(shù)讓智軌看起來非常炫酷，而株洲所在永磁牽引系統(tǒng)上的重大突破，則給了從智軌到高鐵強(qiáng)勁的心臟，也是軌道交通裝備智能時(shí)代高效化的核心技術(shù)。

牽引系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，它決定了車輛的速度和性能，由變流器和電機(jī)兩大部分組成，其中變流器相當(dāng)于列車的心臟，電機(jī)好比是列車的肌肉，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生動(dòng)力，完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變，帶動(dòng)列車平穩(wěn)行駛。

馮江華說，我國(guó)交流傳動(dòng)異步牽引系統(tǒng)研究起步晚，一度落后國(guó)外近30年，以中國(guó)工程院院士丁榮軍為代表的三代科研人員成功研發(fā)出中國(guó)完全自主的交流傳動(dòng)異步牽引系統(tǒng)，該項(xiàng)成果使我國(guó)躋身世界上少數(shù)能夠獨(dú)立掌握交流傳動(dòng)技術(shù)的國(guó)家之列。

此后，在交流傳動(dòng)異步牽引系統(tǒng)之后，永磁牽引以其高效和高功率密度的天然優(yōu)勢(shì)，為軌道交通牽引技術(shù)帶來一場(chǎng)新的革命。

2003年，株洲所率先組建了國(guó)內(nèi)第一支永磁牽引系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，“從零起步”。

像智軌一樣，這是另一條漫長(zhǎng)而艱難的自強(qiáng)之路。

馮江華回憶，“沒有任何可以借鑒的資料，也缺少研發(fā)測(cè)試用的相關(guān)設(shè)備”，中車株洲所只能“摸著石頭過河”，不少數(shù)據(jù)仍要依靠比較原始的笨辦法。“比如說，電機(jī)升溫試驗(yàn)一做就是五六個(gè)小時(shí)，電機(jī)溫控?cái)?shù)據(jù)就人工全程蹲守來記錄，這樣來慢慢積累?！瘪T江華稱。

難題被一個(gè)個(gè)攻克，研發(fā)團(tuán)隊(duì)成立8年后，也就是2011年底，株洲所永磁牽引系統(tǒng)在沈陽(yáng)地鐵2號(hào)線成功裝車，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的首次應(yīng)用，結(jié)束了中國(guó)鐵路沒有永磁牽引系統(tǒng)的歷史。株洲所成為我國(guó)唯一掌握自主永磁牽引系統(tǒng)全套技術(shù)的企業(yè)。

2011年，株洲所受命參與國(guó)家“863計(jì)劃”之“高速鐵路重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備研制重點(diǎn)項(xiàng)目”，承擔(dān)高速動(dòng)車組用永磁牽引系統(tǒng)的研發(fā)工作。

從“小功率”轉(zhuǎn)向“大功率”，從“地鐵用”轉(zhuǎn)向“高鐵用”，對(duì)永磁牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰(zhàn)，有專家形容這就像是爬完衡山，又去攀登珠峰。

兩年后，株洲所登頂。2013年12月，株洲所成功開發(fā)出可用于時(shí)速350公里高鐵動(dòng)車的永磁電機(jī)。

中國(guó)工程院院士劉友梅評(píng)價(jià)，株洲所自主開發(fā)的永磁同步牽引系統(tǒng)的電機(jī)額定效率達(dá)到了98%以上，將電機(jī)損耗降低至原來的三分之一，顯著降低了高速列車的牽引能耗，成為我國(guó)高速鐵路技術(shù)升級(jí)的一個(gè)典范。

構(gòu)筑智能交通時(shí)代全產(chǎn)業(yè)鏈

從整車到永磁牽引系統(tǒng)，將鏡頭繼續(xù)深入“心臟”之中，變流器中的功率半導(dǎo)體作為牽引系統(tǒng)的心中之“芯”，可以說是軌道交通智能化的基礎(chǔ)器件。

IGBT作為大功率半導(dǎo)體器件的最先進(jìn)一代的器件，是功率半導(dǎo)體“皇冠上的明珠”，也被稱為電力電子行業(yè)里的“CPU”。如果不能掌握IGBT技術(shù)，要實(shí)現(xiàn)軌道交通的智能化，可以說是無本之木。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)廠家的IGBT產(chǎn)品大多集中于低功率，涉及高功率IGBT產(chǎn)品的只有株洲所。

在株洲所的展廳里，《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者看到，8英寸IGBT是一個(gè)直徑20厘米左右的圓盤，在肉眼看不到的內(nèi)部，潛藏著5萬個(gè)被稱作“元胞”的電子單元，能讓電流在百萬分之一秒的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)換，從而獲得牽引整列高速動(dòng)車組前行的穩(wěn)定電力。

如今，株洲所IGBT生產(chǎn)基地年產(chǎn)12萬支，不光是用于軌道交通，還廣泛應(yīng)用在智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車、新能源裝備等領(lǐng)域，銷售以每年200%的速度增長(zhǎng)。

僅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，IGBT市場(chǎng)空間就很龐大。有機(jī)構(gòu)測(cè)算，一輛電動(dòng)車IGBT采購(gòu)成本大約在450美元，采購(gòu)金額占電動(dòng)車總成本的8%至10%。

有形的智能硬件還要有無形的智能軟件相互配合，才能構(gòu)成完整的智能軌道交通，其中，信號(hào)系統(tǒng)是關(guān)鍵之一。

CBTC （基于通信的列車自動(dòng)控制）信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通關(guān)鍵核心技術(shù)之一，過去在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)幾乎由國(guó)外企業(yè)壟斷。直到本世紀(jì)初，中國(guó)也沒有成熟的自主城市軌道交通CBTC系統(tǒng)。

“如果沒有CBTC信號(hào)系統(tǒng)，地鐵運(yùn)營(yíng)只能回到非常原始的狀態(tài)，無法跟上智能時(shí)代的步伐?！?株洲所研究院副院長(zhǎng)方光華說。

2016年，株洲所在長(zhǎng)沙市軌道交通4號(hào)線一期工程信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目中，用上自主研發(fā)的CBTC信號(hào)系統(tǒng)。2020年 10月21日，株洲所發(fā)布自主全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（FAO），正式進(jìn)入“全自動(dòng)”時(shí)代。

IGBT、永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、軌跡跟隨控制技術(shù)，還有列車控制與通信技術(shù)、新一代SiC器件、集成功率組件、高壓電力電子變壓器、CBTC信號(hào)系統(tǒng)等一系列重大創(chuàng)新，株洲所近6000人的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，構(gòu)建智能芯片—智能傳感—智能控制—智能動(dòng)力的全流程產(chǎn)品體系，覆蓋高鐵、城軌、重載列車等軌道交通各領(lǐng)域。

在中國(guó)高鐵“智慧化”征程上，株洲所承擔(dān)了大量前沿技術(shù)的研究工作。讓人出乎想象的是，長(zhǎng)達(dá)2公里、體重2萬噸的重載列車竟然也能像智軌一樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

株洲所研究院基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心副主任文宇良告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者，“整列車100多節(jié)車廂，加在一起兩公里長(zhǎng)，一兩萬噸，你要控制它，讓它自動(dòng)駕駛，世界上其他地方?jīng)]有這么做的，我們做得最好?！?/p>

在大秦運(yùn)煤專線上，11編組的 2萬噸重載列車自動(dòng)駕駛通過各種場(chǎng)景下的試驗(yàn)，單程行程超過 600公里不間斷運(yùn)行。

文宇良說，長(zhǎng)期的試驗(yàn)充分驗(yàn)證了自動(dòng)（智能）駕駛系統(tǒng)能夠安全可靠地適應(yīng)各種鐵路運(yùn)營(yíng)場(chǎng)合，速度控制精度達(dá)到0.5km/h，萬噸重載列車停車精度達(dá)到了5m以內(nèi)。

全面應(yīng)用軌道交通技術(shù)優(yōu)勢(shì)

推動(dòng)相關(guān)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步

2020年10月11日，在網(wǎng)紅城市長(zhǎng)沙，一輛裝載著“中車電動(dòng)5G自動(dòng)駕駛移動(dòng)出行平臺(tái)”的“5G智慧客車”試運(yùn)行，已做到無人駕駛，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程介入、自動(dòng)調(diào)度和監(jiān)控等功能，還可以為車輛運(yùn)行繪制并存儲(chǔ)“最優(yōu)軌跡”，確保車輛行駛安全。

中車電動(dòng)總經(jīng)理劉凌稱，“我們把現(xiàn)有的高鐵牽引系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的技術(shù)，應(yīng)用到新能源汽車領(lǐng)域來，形成一種核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。”

在新能源汽車行業(yè)，中車電動(dòng)已經(jīng)躋身前五強(qiáng)。如今已成長(zhǎng)至百億級(jí)別的時(shí)代新材風(fēng)電業(yè)務(wù)基于同樣的邏輯，風(fēng)電設(shè)備的核心技術(shù)同樣是電機(jī)電驅(qū)、控制系統(tǒng)等株洲所的老本行。

文宇良告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者，株洲所還將高速永磁直驅(qū)系統(tǒng)用于中央空調(diào)，直接顛覆了中央空調(diào)整個(gè)行業(yè)的生態(tài)，以前基本上都用異步交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，“現(xiàn)在老外也跟著我們走高速永磁直驅(qū)路線”。

在礦卡自動(dòng)駕駛方面，文宇良介紹，與汽車的自動(dòng)駕駛不同，礦山是封閉又復(fù)雜的環(huán)境，而且礦卡是車隊(duì)運(yùn)行，這方面正好可以發(fā)揮株洲所在列車編組調(diào)度方面的優(yōu)勢(shì)。

馮江華表示，株洲所軌道交通的一些核心領(lǐng)域，包括牽引傳動(dòng)技術(shù)，控制信息系統(tǒng)，還有一些關(guān)鍵的材料及應(yīng)用等方面已經(jīng)走到世界前列，“十四五”期間，我們的科技創(chuàng)新能力會(huì)得到更進(jìn)一步的提升，也要利用我們?cè)谲壍澜煌I(lǐng)域積累的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新能力，進(jìn)入新能源、船舶、電動(dòng)汽車等延伸行業(yè)，去做全面的應(yīng)用，推動(dòng)行業(yè)共同成長(zhǎng)和進(jìn)步。

在關(guān)鍵核心技術(shù)上一次又一次實(shí)現(xiàn)自主突破，進(jìn)而推動(dòng)從軌道交通到其他行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，馮江華認(rèn)為，這得益于株洲所在創(chuàng)新模式上的探索。

正如“十四五”規(guī)劃建議所指出的科技自立自強(qiáng)要“加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、注重原始創(chuàng)新，優(yōu)化學(xué)科布局和研發(fā)布局，推進(jìn)學(xué)科交叉融合，完善共性基礎(chǔ)技術(shù)供給體系”，株洲所依托10個(gè)國(guó)家級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)，不斷推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度融合，牽頭組建創(chuàng)新聯(lián)合體，承擔(dān)起眾多的國(guó)家重大科技項(xiàng)目。

當(dāng)記者問及株洲所作為一家企業(yè)為何愿意大量投入耗時(shí)耗錢的基礎(chǔ)研究時(shí)，擔(dān)任研究院基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心副主任的文宇良一愣：“株洲所從來都是這樣的，大家都習(xí)慣了，就應(yīng)該從基礎(chǔ)研究開始干?！?/p>

馮江華介紹，株洲所研發(fā)理念是通過基礎(chǔ)共性技術(shù)的研究，形成相應(yīng)的技術(shù)和產(chǎn)品平臺(tái)，再去構(gòu)建相應(yīng)的市場(chǎng)產(chǎn)品;在組織機(jī)構(gòu)方面，按照專業(yè)資源集聚，形成了創(chuàng)新協(xié)同機(jī)制，能夠組織航母式的大規(guī)模、系統(tǒng)化研發(fā)作戰(zhàn)，這是一個(gè)大的突破。永磁牽引、智軌等就是這種研發(fā)突破的成果。

在軌道交通智能化新時(shí)代，株洲所在研發(fā)技術(shù)上如何定位？馮江華強(qiáng)調(diào)，要保證軌道交通產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展，一方面積極培養(yǎng)自身在產(chǎn)業(yè)鏈前端的原始創(chuàng)新能力，既要做前沿技術(shù)的探索者，在核心關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)與裝備方面，我們要做技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者;另一方面要能夠打造完全自主可控的產(chǎn)業(yè)與創(chuàng)新生態(tài)圈，圍繞產(chǎn)品全生命周期去提供智能化的服務(wù)，打造自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化的產(chǎn)品和系統(tǒng)。

這是一場(chǎng)創(chuàng)新“無人區(qū)”里的新長(zhǎng)征。

（本文刊發(fā)于《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》2020年第21期）