新一代城軌列車智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

穆瑞琦，薛 江，夏 菲，喬 恩，李 博

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司機車車輛研究所， 北京 100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

1 智能列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)需求

2019年9月19 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強國建設(shè)綱要》，其中明確指出要推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合。城軌強國是交通強國重要組成部分?！笆奈濉币?guī)劃建議在2035年目標(biāo)中提出：“廣泛形成綠色生產(chǎn)生活模式，碳排放達峰后穩(wěn)中有降”。2020年3月12日，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，從行業(yè)層面對智慧城軌建設(shè)的發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)目標(biāo)、重點任務(wù)、實施路徑、體制機制和保障措施等進行統(tǒng)籌規(guī)劃、頂層設(shè)計?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄖ腔鄢擒壈l(fā)展綱要》中對“智能技術(shù)裝備”、自主創(chuàng)新提出明確要求。

城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是用于連接各車輛車載設(shè)備，通過對硬件信號進行采集輸出實現(xiàn)各車輛數(shù)據(jù)通信及控制功能的系統(tǒng)，作為分布式列車控制和診斷系統(tǒng)的核心組成部分，可將列車上眾多由計算機控制的部件進行聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)信息交流，從而達到統(tǒng)一控制、診斷和資源共享的目的?，F(xiàn)代智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的概念和內(nèi)涵是以列車安全、可靠、高效運營為宗旨，核心是構(gòu)建以全方位列車環(huán)境狀態(tài)感知和動態(tài)數(shù)字化運行為基礎(chǔ)，以信息化、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)為支撐，以信息全感知、數(shù)據(jù)融合處理、智能科學(xué)決策為手段，以安全舒適、綠色環(huán)保、綜合節(jié)能為目標(biāo)，具有自動駕駛、自監(jiān)測、自診斷功能的智能列車控制系統(tǒng)。實現(xiàn)以車載通信、車地通信為基礎(chǔ)，集智能行車、智能控制、智能診斷、智能監(jiān)測、智能運維功能于一體的城市軌道交通智能裝備技術(shù)體系，是新一代城軌列車智能網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的重要目標(biāo)及任務(wù)。

2 智能列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于 TSN+5G 的新一代多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是列車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，是列車控制實現(xiàn)“智能化”的基礎(chǔ)，是將列車內(nèi)各個系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)有機聯(lián)結(jié)并協(xié)調(diào)運行、響應(yīng)外部指令、反饋內(nèi)部信息的系統(tǒng)。列車智能化水平的提升有賴于不斷升級的列車信息系統(tǒng)。列車智能化的基礎(chǔ)是快速獲取并記錄海量的列車狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，因此需要高速度、大容量的數(shù)據(jù)傳輸通道進行數(shù)據(jù)傳輸支撐。隨著信息化和自動化程度的提升，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)承擔(dān)更多的安全功能、承載更多的業(yè)務(wù)。高安全等級、大帶寬、多網(wǎng)融合是當(dāng)前列車網(wǎng)絡(luò)控制的發(fā)展方向，被越來越多地應(yīng)用于軌道車輛通信網(wǎng)絡(luò)中。

時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN）是目前業(yè)界正在積極推動的工業(yè)通信技術(shù)。TSN具有精準(zhǔn)的流量調(diào)度能力，允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸，可以保證多種業(yè)務(wù)流的高質(zhì)量傳輸，并且能夠兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)架構(gòu)，使其相對于普通以太網(wǎng)具有確定性傳輸?shù)膬?yōu)勢，同時兼具技術(shù)及成本優(yōu)勢，在車載網(wǎng)絡(luò)、多網(wǎng)融合等多個領(lǐng)域成為網(wǎng)絡(luò)難點技術(shù)的重要發(fā)展方向。

基于TSN技術(shù)的新一代多業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)多個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)融合，如圖1所示，紅色框內(nèi)為以列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）為核心的車載網(wǎng)絡(luò)，其中包括：

圖1 基于TSN技術(shù)的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)示意圖

（1）TCMS實現(xiàn)列車控制設(shè)備的通信、控制、信息顯示、事件記錄等面向列車運行的功能；

（2）列控車載信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，包括車載列車自動控制（ATC）及車載遠程檢測監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的數(shù)據(jù)傳輸；

（3）車載多媒體數(shù)據(jù)傳輸功能，能提供高帶寬的以太網(wǎng)傳輸通道，為車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）提供多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)让嫦虺丝偷臉I(yè)務(wù)；

（4）車載健康管理系統(tǒng)，通過車載云平臺可實現(xiàn)列車遠程監(jiān)測、遠程維護、故障診斷、故障預(yù)警等一系列面向安全保障的功能。

如圖2所示，通過采用北斗、5G等新一代無線通信技術(shù)，實現(xiàn)列車運行狀態(tài)信息、故障診斷信息等各類數(shù)據(jù)的車地傳輸，解決列車大量車載數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲和分析難題，提升車地?zé)o線連接的可靠性、可用性、安全性，提升列車遠程智能分析診斷技術(shù)水平。

圖2 車地?zé)o線傳輸技術(shù)圖

2.2 數(shù)字化列車控制技術(shù)

車輛電氣系統(tǒng)作為整車控制的重要組成部分，集中分布于車輛電氣柜中。車輛電氣柜是車輛低壓控制回路的中樞，由斷路器、接觸器、繼電器、電氣監(jiān)控元件、按鈕、接線端子等電氣元件及電線電纜及框架式結(jié)構(gòu)等共同組成。由于電氣柜內(nèi)空間有限，不利于散熱，且容易沉積灰塵，使得有觸點的電氣元件可靠性極易受到影響，而且不易進行故障的監(jiān)測及預(yù)判，因此在發(fā)生故障后難以快速定位故障點，給運營維護帶來眾多不便。為解決當(dāng)前面臨的問題，一方面采用光耦和場效應(yīng)管結(jié)合，并通過硬件與軟件結(jié)合完成各種邏輯和延時控制功能，可實現(xiàn)開關(guān)的無觸點控制，降低環(huán)境對電氣元件可靠性的影響；另一方面將控制單元與電氣系統(tǒng)進行深度融合，一部分邏輯和控制由無觸點的數(shù)字化控制單元實現(xiàn)，極大地提高控制系統(tǒng)的使用壽命和可靠性。通過對電氣系統(tǒng)的改進，實現(xiàn)控制過程的電子化和數(shù)字化，整個控制過程可在線監(jiān)控、記錄，并可以與列車網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，使控制更加系統(tǒng)化、精細化。

如圖3所示，通過列車電氣系統(tǒng)的數(shù)字化，能夠進一步建立電氣系統(tǒng)關(guān)鍵部件故障診斷與預(yù)警模型，通過早期故障特征參數(shù)提取、在線辨識、模式識別與評估算法，實現(xiàn)電氣部件實時狀態(tài)的診斷預(yù)警，提高對電氣系統(tǒng)健康狀態(tài)的智能感知、控制與診斷能力。與此同時，電氣系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化后可結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)軟件構(gòu)建綜合化仿真平臺，實現(xiàn)整車電路與控制功能的地面仿真測試驗證。

圖3 控制系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)融合技術(shù)

數(shù)字化車輛電氣系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化、智能化、免維護、節(jié)能環(huán)保等特點，可減少車上占用空間，優(yōu)化安裝方式，簡化檢修流程，提高智能運維水平，通過與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的綜合仿真，還可以節(jié)約車輛設(shè)計驗證成本，進一步提升列車控制系統(tǒng)智能化和數(shù)字化。

2.3 智能運行控制技術(shù)

降低能耗已成為保持軌道交通高速可持續(xù)發(fā)展的大趨勢，在完成運輸任務(wù)的工況下，需盡量保持高效、節(jié)能和環(huán)保。城軌列車的智能運行控制是一項不斷地優(yōu)化節(jié)能控制算法的技術(shù)。它針對列車牽引和制動系統(tǒng)內(nèi)部特性和外部環(huán)境，如供電、信號閉塞、線路條件、運行時刻表等，建立適當(dāng)?shù)牧熊囘\動學(xué)與能耗模型，使列車在安全、準(zhǔn)點、平穩(wěn)運行前提下，充分利用時刻表富裕時間和線路勢能等手段，降低列車牽引能耗，提高列車運行的節(jié)能性。

城軌列車智能行車控制技術(shù)主要優(yōu)化列車運行操控，根據(jù)列車在線路上運行的實際情況，對牽引和制動狀態(tài)進行動態(tài)控制和調(diào)整，達到節(jié)能的目的。結(jié)合運營要求，如運行時間、速度和列車的信息，對整條線路進行評估，規(guī)劃正點且節(jié)能的優(yōu)化速度曲線，通過自動控制列車牽引/制動力使列車按優(yōu)化速度曲線運行，實現(xiàn)安全、經(jīng)濟和效率的統(tǒng)一。利用列車定位、計算機以及通信等技術(shù)實現(xiàn)對列車運行狀態(tài)的獲取和判斷，包括線路、信號、調(diào)度、停站等線路因素和牽引、制動、能耗、阻力、效率、傳動特性等列車因素。通過當(dāng)前的路面信息及列車自身的基本參數(shù)對列車進行受力分析，并利用節(jié)能算法得出列車節(jié)能運行控制方案，控制城軌列車智能運行。

列車智能行車優(yōu)化控制技術(shù)實質(zhì)上是節(jié)能最優(yōu)控制模型的求解，該求解過程是一個全局尋優(yōu)過程。列車的特性曲線、線路數(shù)據(jù)和列車時刻表作為智能行車節(jié)能優(yōu)化操縱算法的基本參數(shù)。該控制算法以列車動力和能耗模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)局部最優(yōu)連接和全局最優(yōu)連接，結(jié)合非奇異工況伴隨變量的微分計算，輸出最優(yōu)速度控制曲線。具體的速度曲線生成算法架構(gòu)如圖4所示，可選擇通過局部最優(yōu)連接、全局最優(yōu)連接以及數(shù)據(jù)處理計算優(yōu)化操縱算法，列車牽引動力系統(tǒng)模型包括工況解釋器、牽引計算模型和列車能耗模型，通過非奇異工況計算等模塊對節(jié)能優(yōu)化進行核心計算。

圖4 速度生成算法架構(gòu)示意圖

2.4 基于邊緣計算的車載智能故障診斷技術(shù)

基于邊緣計算，可以提升部件級、模塊級數(shù)據(jù)源側(cè)的計算、存儲、處理能力，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)邊緣側(cè)的智能化水平，同時可以大幅提升本地處理能力，減少提供到云端的數(shù)據(jù)量，降低云端的數(shù)據(jù)處理要求。依托新一代的多業(yè)務(wù)綜合承載網(wǎng)，基于邊緣計算的車載智能診斷技術(shù)可整合傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車載控制網(wǎng)等多個子網(wǎng)信息，為智能列車提供數(shù)據(jù)整合、診斷評估、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗椃?wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多重要部件的狀態(tài)感知和信息標(biāo)識。在充分利用車輛傳感器的基礎(chǔ)上，形成模塊級-系統(tǒng)級-列車級架構(gòu)的車載健康管理系統(tǒng)，并通過車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將列車健康管理數(shù)據(jù)傳輸至地面專家系統(tǒng)，經(jīng)過車載健康管理系統(tǒng)和地面專家系統(tǒng)的模型運算和數(shù)據(jù)分析，預(yù)先診斷各系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并對列車進行全面的健康管理。

如圖5所示，基于邊緣計算的車載智能故障診斷系統(tǒng)主要分為3級。模塊級單元通過傳感器采集車輛各種狀態(tài)信息，子系統(tǒng)級健康管理單元通過數(shù)據(jù)處理、模型運算進行單車、單系統(tǒng)的健康管理和故障預(yù)測。模塊級以及子系統(tǒng)級具有較強的邊緣計算能力，可在邊緣側(cè)部署并行計算、實時處理要求較高的健康管理模型，并將運算結(jié)果和部分關(guān)鍵過程數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸給車載健康管理主機，主機接收各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)后從整列車的角度進行實時監(jiān)控、管理和運算，實現(xiàn)列車級的健康管理、故障預(yù)測，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、車地數(shù)據(jù)傳輸，并將涉及行車安全的預(yù)警信息提示相關(guān)人員?；谶吘売嬎愕能囕d智能故障診斷系統(tǒng)采用分級處理、分級計算方式的優(yōu)勢如下：

圖5 基于邊緣計算的車載智能故障診斷系統(tǒng)工作機制

（1）邊緣結(jié)點實時處理毫秒級數(shù)據(jù)，比如牽引、制動等系統(tǒng)；

（2）敏感數(shù)據(jù)無泄漏傳輸；

（3）降低服務(wù)器計算瓶頸，消除單點故障；

（4）減少數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)約車載通信和車地通信的帶寬，避免網(wǎng)絡(luò)擁堵。

2.5 基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能化設(shè)計與驗證

數(shù)字孿生技術(shù)又被稱為數(shù)字映射或者數(shù)字鏡像，是對一個物理實體設(shè)備或者系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字化的模型，可以對實體進行模擬，從而通過數(shù)字化的孿生體對貫穿整個生命周期的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、運營維護的過程進行模擬跟蹤、仿真測試及分析預(yù)測。通過數(shù)字化的變革，有效地提升各階段的工作效率，提高產(chǎn)品的可靠性及可用性，降低設(shè)計制造成本及風(fēng)險。

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)可以全面感知車輛信息，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，基于多系統(tǒng)、多學(xué)科聯(lián)合仿真測試平臺，搭建智能列車“數(shù)字樣機”，能夠增加開發(fā)周期內(nèi)的虛擬驗證活動，可基于數(shù)學(xué)仿真重現(xiàn)模型接口，實現(xiàn)多領(lǐng)域模型聯(lián)合求解仿真，可將系統(tǒng)中電、發(fā)熱、散熱、控制、動力學(xué)等特性進行綜合分析和“無限制”測試。如圖6所示，搭建基于聯(lián)合仿真平臺的智能列車關(guān)鍵系統(tǒng)控制模型和被控對象模型庫，包括環(huán)境、機械、空調(diào)、制動、牽引、控制系統(tǒng)模型，測試場景能夠覆蓋車輛及環(huán)境（網(wǎng)絡(luò)信號、司機、電網(wǎng)、路線、天氣、重力坐標(biāo)系等），模擬多種工況場景，如動力學(xué)穩(wěn)定性、網(wǎng)側(cè)諧波、整車能耗評估，并能夠根據(jù)測試場景的需求選擇不同顆粒度的模型開展測試。

圖6 基于多系統(tǒng)、多學(xué)科聯(lián)合仿真測試平臺模型庫

未來集成系統(tǒng)后可進行的仿真應(yīng)用將主要包括：

（1）列車能耗規(guī)劃與優(yōu)化；

（2）電池管理改進；

（3）控制算法優(yōu)化；

（4）列車動力學(xué)優(yōu)化（擺動，轉(zhuǎn)向架）；

（5）現(xiàn)有車型的問題診斷和試驗方案；

（6）預(yù)測性維修部署。

如圖7所示，控制模型和被控制模型對象的仿真界面如左半部所示，牽引系統(tǒng)的輸出結(jié)果如右半部分所示，包括電機速度、列車速度、電機輸出扭矩命令及輸出值和電機相電流輸出值仿真結(jié)果。通過仿真結(jié)果可觀察到車輛各部件的實時狀態(tài)，可逐級逐顆粒度與真實數(shù)據(jù)進行對比，驗證結(jié)果。

圖7 聯(lián)合仿真測試

3 總結(jié)及展望

發(fā)展城市軌道交通是解決大城市交通問題的有效途徑，也是節(jié)能減排的重要領(lǐng)域，節(jié)能減排是城市軌道交通行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件。城市軌道交通領(lǐng)域要實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，必須堅持生態(tài)優(yōu)先，加快形成綠色低碳交通運輸方式；堅持雙輪驅(qū)動，完善科技創(chuàng)新、制度創(chuàng)新；堅持協(xié)同融合，推動產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展；加強綠色基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣新能源、智能化、數(shù)字化、輕量化交通裝備。

當(dāng)前智能技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)深度融合，為科技產(chǎn)業(yè)革命和技術(shù)產(chǎn)業(yè)革命變革帶來新機遇，智能化已經(jīng)成為世界軌道交通發(fā)展的重要方向。城軌列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為列車數(shù)字化信息的綜合承載系統(tǒng)，具有開展智能技術(shù)研發(fā)的潛能，可以作為不斷催生新產(chǎn)品、新服務(wù)、新業(yè)態(tài)的平臺。把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化融合發(fā)展的契機，以信息化、智能化為杠桿，通過智能列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的運用，推進智能列車研發(fā)，實現(xiàn)列車全面感知，深化列車智能控制、智能診斷、智能運維的推廣應(yīng)用，為智能軌道交通發(fā)展提供有利的技術(shù)支撐。