科技賦能軌道交通移動(dòng)裝備發(fā)展

陳 伯 施

(中國鐵道學(xué)會(huì) 車輛委員會(huì)，北京 100844)

1 我國鐵路規(guī)劃和移動(dòng)裝備概況

2020年8月，中國國家鐵路集團(tuán)有限公司正式發(fā)布《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》(以下簡稱《規(guī)劃綱要》)，明確了中國鐵路未來30年的發(fā)展藍(lán)圖：到2035年，全國建成鐵路網(wǎng)20 萬km左右，其中高鐵7 萬km左右，20萬人口以上城市實(shí)現(xiàn)鐵路覆蓋，50萬人口以上城市高鐵通達(dá)。根據(jù)2016年7月國家發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，中國高速鐵路主通道為“八縱八橫”(“八縱”：沿海通道(大連—北海)、京滬通道、京港(臺(tái))通道、京哈—京港澳通道、呼南通道(呼和浩特—南寧)、京昆通道、包(銀)海通道(包頭—海口)、蘭(西)廣通道；“八橫”：綏滿通道、京蘭通道、青銀通道、陸橋通道(連云港—烏魯木齊)、沿江(上?！啥?、滬昆通道、廈渝通道、廣昆通道)，普速鐵路“八縱八橫”通道(“八縱”：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京廣通道、京九通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道；“八橫”：煤運(yùn)北通道(大秦)、京蘭通道、煤運(yùn)南通道(晉中南)、陸橋通道(隴海、蘭新)、寧西通道(南京—西安)、沿江通道(重慶—上海)、滬昆通道、西南出海通道(昆明—湛江))進(jìn)一步完善(圖1、圖2)。鐵路協(xié)同航空、公路、城軌等交通運(yùn)輸方式，共同構(gòu)建國家綜合交通運(yùn)輸體系。

圖2 中長期高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃圖

截至2020年7月，我國鐵路營業(yè)里程達(dá)到14.14 萬km，其中，高鐵里程3.6 萬km。我國動(dòng)車組保有量3 600標(biāo)準(zhǔn)組，超過世界其他國家和地區(qū)的動(dòng)車組數(shù)量總和；客車保有量4.6萬輛，居世界第2位；貨車保有量93萬輛，居世界第3位。

2019年鐵路日均旅客發(fā)送量為980萬人，單日旅客發(fā)送量最高為1 724萬人次，年旅客發(fā)送量35.8億人，其中動(dòng)車組發(fā)送量占鐵路旅客發(fā)送量的64%；年旅客周轉(zhuǎn)量1.45萬億人· km，占全社會(huì)客運(yùn)市場份額近40%。2019年，國鐵日均貨物發(fā)送量為942萬t，年貨物發(fā)送量為34.4億t，年貨物周轉(zhuǎn)量為2.7萬億t· km，日均裝車數(shù)量達(dá)到17萬輛以上。2020年，日均開行旅客列車近1萬列，其中動(dòng)車組列車約占70%；日均開行貨物列車2萬列左右。

目前，全國共有動(dòng)車組制造檢修工廠7個(gè)，動(dòng)車車輛段12個(gè)，動(dòng)車運(yùn)用所65個(gè)，檢查庫線393條、存車線1 896條；客車制造工廠5個(gè)，客車檢修工廠9個(gè)，客車車輛段26個(gè)；貨車制造工廠16個(gè)，貨車檢修工廠10個(gè)，貨車車輛段43個(gè)。

按照“引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新”的發(fā)展模式，我國在較短時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)掌握了高速列車9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、10項(xiàng)配套技術(shù)，初步構(gòu)建了我國高速動(dòng)車組技術(shù)體系。根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和鐵路裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)的進(jìn)步，為進(jìn)一步滿足旅客運(yùn)輸需求，國鐵集團(tuán)組織開展了“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組系列產(chǎn)品、京張京雄智能動(dòng)車組、新型臥鋪動(dòng)車組、城際動(dòng)車組、雙層動(dòng)車組、160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組等新型動(dòng)車組的研發(fā)以及相關(guān)前瞻性技術(shù)研究(圖3)。

圖3 新型動(dòng)車組產(chǎn)品

鐵路客車近年來的發(fā)展主要以功能提升為重點(diǎn)，在提速、空調(diào)化、DC 600 V直流供電、集便化等方面進(jìn)行了技術(shù)升級(jí)。鐵路客車的運(yùn)行速度目前達(dá)到160 km/h，91%的客車實(shí)現(xiàn)了空調(diào)化，DC 600 V直流供電客車達(dá)到48.4%，裝有真空集便器的客車達(dá)到60%。

貨車自2005年起全部按時(shí)速120 km標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，既有貨車全部實(shí)施時(shí)速120 km提速改造。提速貨車采用交叉支撐、擺動(dòng)式或迫導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架技術(shù)，運(yùn)行速度由80 km/h提高到120 km/h。2004年研制完成了軸重23 t、載重70 t新型通用貨車和軸重25 t、載重80 t運(yùn)煤專用貨車；2014年研制完成了軸重27 t、載重80 t通用貨車，軸重30 t、載重98 t的運(yùn)煤專用敞車和專用漏斗車。軸重27 t、載重80 t通用敞車已批量投入運(yùn)用，其他車種正在進(jìn)行運(yùn)用考驗(yàn)。出口貨車最大軸重達(dá)到40 t以上。我國貨車設(shè)計(jì)制造技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。圖4為部分新型貨車產(chǎn)品。

圖4 新型貨車產(chǎn)品

2016年，我國在國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)、國家科技支撐計(jì)劃、國際科技合作與交流專項(xiàng)的基礎(chǔ)上，整合制定了《國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃先進(jìn)軌道交通重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案》，確定了軌道交通方面的10個(gè)重點(diǎn)研究方向。到2020年，我國將具備交付運(yùn)營時(shí)速400 km及以上高速列車及相關(guān)系統(tǒng)，時(shí)速120 km以上聯(lián)合運(yùn)輸、時(shí)速160 km以上快捷貨運(yùn)和時(shí)速250 km以上高速貨運(yùn)動(dòng)車組成套裝備，滿足泛歐亞鐵路互聯(lián)互通要求、軌道交通系統(tǒng)全生命周期運(yùn)營成本降低20%以上、因技術(shù)原因?qū)е碌倪\(yùn)營安全事故率降低50%以上、單位周轉(zhuǎn)量能耗水平國際領(lǐng)先、磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)完全自主化的技術(shù)能力。

鐵路移動(dòng)裝備的技術(shù)發(fā)展以及北斗衛(wèi)星、5G通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)創(chuàng)新，為在智能鐵路總體建設(shè)中實(shí)現(xiàn)鐵路車輛智能化開拓了廣闊空間。

2 鐵路移動(dòng)裝備智能化的發(fā)展

根據(jù)國鐵集團(tuán)規(guī)劃，智能鐵路架構(gòu)中，移動(dòng)裝備的智能化主要有以下三方面內(nèi)容：

(1)智能制造。綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，并與先進(jìn)的制造技術(shù)相融合，進(jìn)行產(chǎn)品智能化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制。人工智能與制造業(yè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化，是智能制造的發(fā)展趨勢(shì)。

根據(jù)測試結(jié)果可知突出物間距對(duì)紗線牽引力大小的影響，當(dāng)突出物間距增加到10mm時(shí)，牽引力大小趨于穩(wěn)定，這與數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

(2)智能裝備。采用全方位信息采集、智能化運(yùn)行控制、故障預(yù)測與健康管理(PHM)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高鐵動(dòng)車組的自感知、自診斷、自決策、自適應(yīng)及自修復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝備的自動(dòng)和協(xié)同運(yùn)行功能。

(3)智能運(yùn)營。智能運(yùn)營包括智能調(diào)度、智能服務(wù)、智能車站、智能物流、智能運(yùn)維、智能安全保障及智能經(jīng)營。

按照國鐵集團(tuán)智能鐵路發(fā)展規(guī)劃，鐵路車輛智能化已經(jīng)或正在取得初步成果。

2.1 車輛管理信息化

通過車號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，建立完整的動(dòng)車組、客車及貨車管理信息系統(tǒng)(EMIS、KMIS、HMIS)，實(shí)現(xiàn)車輛動(dòng)態(tài)追蹤、資產(chǎn)清查、故障統(tǒng)計(jì)及檢修計(jì)劃等多項(xiàng)管理功能。

2.2 車輛健康管理智能化

對(duì)動(dòng)車組、客車及貨車數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行綜合分析，總結(jié)車輛及關(guān)鍵零部件性能變化、故障規(guī)律，科學(xué)確定使用壽命、檢修周期，以及各級(jí)修程的檢修內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)，確保車輛運(yùn)行安全，提高車輛使用效率和全壽命成本管理水平。

通過大數(shù)據(jù)分析、故障累計(jì)、自學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)改進(jìn)算法，實(shí)現(xiàn)列車故障動(dòng)態(tài)圖像檢測系統(tǒng)(TEDS、TFDS、THDS)的故障識(shí)別由人工識(shí)別向智能化自動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)變(圖5)。

圖5 CRH5 5093車2位轉(zhuǎn)向架1位側(cè)圖像

圖6為利用5G通信建立的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)字孿生模型。

圖6 車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)字孿生模型

利用5G通信低時(shí)延、大容量特征，實(shí)現(xiàn)車地即時(shí)通信，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立關(guān)鍵設(shè)備和部件的數(shù)字模型，構(gòu)建動(dòng)車組數(shù)字孿生平臺(tái)，通過自學(xué)習(xí)，開發(fā)智慧運(yùn)維應(yīng)用，提高動(dòng)車組安全保障能力和研發(fā)設(shè)計(jì)水平。

2.3 列車運(yùn)行控制智能化

(1)智能化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

為解決列車通信數(shù)據(jù)量劇增引起的原有MVB網(wǎng)絡(luò)帶寬不足問題，在“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組上采用了高帶寬特性的以太網(wǎng)進(jìn)行車載設(shè)備聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行設(shè)計(jì)，替代WTB列車總線和MVB車輛總線(圖7)，實(shí)現(xiàn)全方位信息采集、智能化運(yùn)行。國際IEC組織已經(jīng)將以太網(wǎng)列入下一代網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。

圖7 智能化列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

(2)智能高鐵自動(dòng)駕駛(ATO)。

包括有司機(jī)監(jiān)控自動(dòng)駕駛(STO)、無司機(jī)有人監(jiān)視自動(dòng)駕駛(DTO)及完全無人自動(dòng)駕駛(UTO)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制智能化，在運(yùn)行效率、運(yùn)行安全、節(jié)能環(huán)保等方面比人工駕駛更加優(yōu)化。

(3)建設(shè)空天地一體化列控系統(tǒng)。

采用北斗衛(wèi)星定位替代傳統(tǒng)軌道電路，利用5G-R技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車與列車間的直接通信，保障列車運(yùn)行安全。列車追蹤間隔由目前的最短3 min縮短到2 min左右，可提高線路運(yùn)輸能力30%以上。神華鐵路按照2016年國家軌道交通重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，正在建設(shè)貨車空天地一體化列控系統(tǒng)。還有專家提出，為預(yù)防衛(wèi)星及無線電通信被干擾，應(yīng)發(fā)揮軌道移動(dòng)裝備優(yōu)勢(shì)，利用軌道電路替代衛(wèi)星和無線通信，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組自定位，自動(dòng)追蹤，密集運(yùn)行。圖8顯示的是密集的動(dòng)車組列車。

圖8 密集的動(dòng)車組列車

(4)開行3萬t級(jí)重載列車。

根據(jù)國鐵集團(tuán)《規(guī)劃綱要》，將開行3萬t級(jí)重載列車。3萬t及以上長大貨物列車總長近4 km，多臺(tái)機(jī)車分布在列車中。在坡道、曲線等復(fù)雜線路上運(yùn)行時(shí)，列車控制由目前的列車同步操縱+GSM-R升級(jí)為智能化列車同步操縱+5G-R，實(shí)現(xiàn)列車牽引功率和制動(dòng)力的合理分配，并為開行3萬t級(jí)以上超長大貨物列車奠定技術(shù)基礎(chǔ)。圖9為大秦鐵路長大重載貨物列車。

圖9 大秦鐵路長大重載貨物列車

2.4 車輛裝載貨物信息采集

我國鐵路貨運(yùn)長期以大宗貨物重載運(yùn)輸為主，大宗貨物運(yùn)量始終占鐵路總運(yùn)量的90%以上。近年來，快捷運(yùn)輸、集裝箱運(yùn)輸、冷鏈運(yùn)輸、小汽車運(yùn)輸快速發(fā)展，液化天然氣運(yùn)輸即將起步，馱背運(yùn)輸?shù)刃滦烷T到門“公水鐵”聯(lián)運(yùn)方式逐步開展(圖10)。鐵路特種貨物運(yùn)輸?shù)亩鄻踊?，帶來貨物分類管理，運(yùn)行時(shí)間，位置跟蹤，在途列車的溫度、壓力、供電、制冷等物理參數(shù)監(jiān)控等需求，需要5G車地通信、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)支持。目前我國鐵路年運(yùn)量已近40億t，單日運(yùn)量達(dá)1 000萬t，鋼鐵、煤炭、石油、糧食等大宗貨物信息的數(shù)字化，在開拓鐵路運(yùn)輸貨物的金融衍生產(chǎn)品價(jià)值方面，也具有極其廣闊的前景。

圖10 特種貨物運(yùn)輸

3 我國城市軌道交通發(fā)展

截至2019年，我國已有40個(gè)城市開通公共軌道交通并投入運(yùn)營，全國城市軌道交通運(yùn)營里程已達(dá)到6 730 km。其中：地鐵線路5 903 km，占87.7%；輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車、磁浮交通等制式運(yùn)營線路827 km，占12.3%。我國城市軌道交通車輛達(dá)到5.5萬輛。世界城市軌道交通運(yùn)營里程最長的前10個(gè)城市中，我國占了6個(gè)，其中上海、北京的城市軌道交通運(yùn)營里程居世界前列(圖11)。然而，國外發(fā)達(dá)城市軌道交通客運(yùn)量占城市公共交通客運(yùn)總量達(dá)80%，我國2014年統(tǒng)計(jì)僅為14.9%，即使軌道交通較為發(fā)達(dá)的北上廣等一線城市，也不足40%。北京市目前城市軌道交通里程776 km，規(guī)劃里程2 500 km。至2020年底我國又有18座城市預(yù)計(jì)36條城市軌道交通線路開通運(yùn)營。目前，全國城軌在建和規(guī)劃里程近10 000 km。

圖11 世界主要城市軌道交通運(yùn)營里程

城市軌道交通移動(dòng)裝備的技術(shù)正在向高鐵網(wǎng)與城軌網(wǎng)雙網(wǎng)融合、智能化列車控制和旅客服務(wù)、新能源新材料應(yīng)用、節(jié)能環(huán)保輕量化、車輛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化簡統(tǒng)化發(fā)展。中國鐵道學(xué)會(huì)發(fā)布的T/CRS C 0101—2016《市域鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，明確了市域鐵路是城市綜合交通的組成部分，引入城市中心城區(qū)，采用外圍單點(diǎn)換乘、深入中心城區(qū)線網(wǎng)多點(diǎn)換乘等多種銜接方式。目前，雙動(dòng)力、雙制式動(dòng)車組(圖12)正在研發(fā)，氫能源動(dòng)力、碳纖維材料應(yīng)用(圖13)已經(jīng)取得初步成果，地鐵車輛標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)型設(shè)計(jì)已列入國家重點(diǎn)項(xiàng)目積極推動(dòng)。

圖12 雙動(dòng)力、雙流制動(dòng)車組

圖13 碳纖維地鐵車輛

4 未來高速交通技術(shù)展望

新一代高速列車、高速磁浮列車、高速管道運(yùn)輸是未來高速交通技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的3個(gè)領(lǐng)域。時(shí)速400 km高鐵列車、高速貨運(yùn)動(dòng)車組正在研發(fā)；時(shí)速600 km高速磁浮列車于2020年6月成功試跑；2020年11月，美國維珍超回路公司(Virgin Hyperloop)宣布，真空管道膠囊列車成功進(jìn)行了首次載人試驗(yàn)，完成了這一技術(shù)的關(guān)鍵安全測試，預(yù)計(jì)2025年取得安全認(rèn)證，2030年投入商業(yè)運(yùn)營；德國漢堡港物流公司計(jì)劃引進(jìn)超回路列車技術(shù)，利用真空管道，將集裝箱從港口以1 200 km/h的速度發(fā)送到漢堡腹地。圖14為部分新型智能鐵路移動(dòng)裝備。

圖14 新型智能鐵路移動(dòng)裝備

當(dāng)前，要加快構(gòu)想、論證、設(shè)計(jì)國家高速交通運(yùn)輸整體規(guī)劃，按照一體化綜合交通運(yùn)輸體系構(gòu)想，逐步明確高速交通運(yùn)輸格局，完善更高速度等級(jí)的高速鐵路、磁浮線路基礎(chǔ)設(shè)施配套建設(shè)，深化高速交通運(yùn)輸技術(shù)基礎(chǔ)研究，加快國家鐵路網(wǎng)和城市軌道交通網(wǎng)深度融合，加快高速貨運(yùn)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)。

5 結(jié)束語

高速交通運(yùn)輸技術(shù)創(chuàng)新，帶來鐵路移動(dòng)裝備發(fā)展理念和傳統(tǒng)技術(shù)的突破。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化是重要的技術(shù)基礎(chǔ)和內(nèi)在推動(dòng)力。面向未來，與時(shí)俱進(jìn)，科技賦能，建設(shè)高速交通運(yùn)輸技術(shù)創(chuàng)新平臺(tái)，使我國鐵路移動(dòng)裝備技術(shù)早日達(dá)到國際先進(jìn)水平。