郄江華，杜立立

1 引言

縱觀人類每一次交通運輸方式的變革，都會給生活方式和生活水平帶來巨大的改變，促進經(jīng)濟社會飛速發(fā)展。當前，軌道交通正憑著運輸量大、安全性高、速度越來越快的優(yōu)勢在全球不斷“開疆拓土”，不斷催生“經(jīng)濟奇跡”。

經(jīng)濟快速發(fā)展的基礎是基礎設施互聯(lián)互通，構建現(xiàn)代化的綜合交通體系勢在必行，這包括暢通對外綜合運輸通道和構筑快速交通網(wǎng)絡。針對城市群交通發(fā)展需求，不少企業(yè)推出了專門的產(chǎn)品。比如，中車株機公司展出的“CJ6型城際動車組”車型采用4編組，最高速度160km/h，最大載客量970人，具有可重聯(lián)、大載客量、加減速度快、快起快停等特點，適用于站間距較短的城際線路，可滿足城市群之間軌道交通高密度、公交化運營的需求[1，2]。

2 城市軌道交通產(chǎn)業(yè)競逐“綠色化”高地

軌道交通的發(fā)展的歷史已有100多年。綠色、智能作為軌道交通電力牽引的未來發(fā)展方向，成為當今鐵路行業(yè)自主創(chuàng)新的主要投入方向。城市軌道交通包括地鐵交通、輕軌交通、有軌電車交通、各種索道及纜車的經(jīng)營管理活動，是近年來城市公交的重點發(fā)展類型。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國城市軌道交通行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2017年年末，我國大陸地區(qū)共34個城市開通城市軌道交通并投入運營，共開通城市軌道交通線路165條，運營線路長度達5 033km。2018年，中國城市軌道交通投運線路長度繼續(xù)提升至5 767km。

2.1 地鐵車輛智能化關鍵技術

地鐵智能化關鍵技術主要包括數(shù)據(jù)采集技術、網(wǎng)絡通信技術、智能決策與評價技術和面向服務架構技術。系統(tǒng)主要分硬件改造和軟件功能調(diào)試2部分，硬件改造包括對車門控制器、走形部軸端、齒輪箱、車載以太網(wǎng)設備改造，以及在車輛段庫內(nèi)EWLM波導管天線、多格式數(shù)據(jù)分析服務器布置、前臺顯示工作站等設備改造。軟件功能調(diào)試包括車載設備數(shù)據(jù)采集功能、車地無線多模式單向傳輸功能、地面服務器數(shù)據(jù)挖掘、建模、健康分析和智能決策評判功能、面向服務構架的智能化分析平臺安全性、穩(wěn)定性功能驗證。

列車將采集的列車數(shù)據(jù)（TCMS數(shù)據(jù)、事件記錄儀數(shù)據(jù)、新增車門狀態(tài)數(shù)據(jù)、新增走行部診斷數(shù)據(jù)等）通過車載無線傳輸通道發(fā)送到地面專家分析服務器，完成數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)趨勢分析、故障等級分類、統(tǒng)計和健康評估。

2.1.1 車門智能診斷系統(tǒng)

目前，地鐵車輛門控器只能輸出已產(chǎn)生的顯性故障結果，缺乏故障發(fā)生前的異常工作狀態(tài)的分析判斷。門控器故障信息通過MVB總線上傳給車輛TCMS并在司機室的屏幕上顯示，還可以通過門控器的LED指示燈顯示。故障數(shù)據(jù)只能在列車入庫后人工下載，維護人員依據(jù)經(jīng)驗逐門進行日常檢查和簡單故障判斷。

車門智能診斷系統(tǒng)通過更換智能門控器實時監(jiān)測電機、門控器（電信號采集）以及鎖閉機構的動作情況和工作參數(shù)，并通過車載以太網(wǎng)實時上傳地面服務器，通過系統(tǒng)的故障規(guī)則知識庫智能化判斷當前的車門是否產(chǎn)生了故障或進入了亞健康狀態(tài)。在車門系統(tǒng)沒有進入故障時就提前檢修和排除亞健康問題，大大降低故障的發(fā)生概率，尤其是減少了無法電動關門、開不到位、三秒不解鎖等常見故障，有效地提高了車門系統(tǒng)的運行可靠性。一旦判斷該車門系統(tǒng)存在故障或進入亞健康狀態(tài)，系統(tǒng)會及時推送信息（包含問題現(xiàn)象、原因和解決方案）給對應的維修人員，通知該人員及時處理問題，降低了地鐵運營過程中突發(fā)故障產(chǎn)生的運營成本。

2.1.2 走行部智能診斷系統(tǒng)

走行部智能診斷系統(tǒng)是一種走行部的安全監(jiān)測裝備，通過安裝在走行部關鍵部件上的復合傳感器，同時監(jiān)測沖擊、振動、溫度3個物理量，并通過基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術，實現(xiàn)走行部關鍵部件（軸箱軸承、齒輪箱軸承、齒輪、車輛踏面、鋼軌）的車載在線實時診斷，對于故障實現(xiàn)早期預警和分級報警，準確地指導車輛的運用和維修。另外，還能對軌道波磨區(qū)段進行分析及精確定位，為軌道的及時打磨提供依據(jù)，且能實現(xiàn)分級報警。

2.1.3 關鍵空開、控制繼電器動作次數(shù)

各系統(tǒng)供電空開、控制繼電器吸合動作次數(shù)通過TCMS進行記錄，結合繼電器產(chǎn)品說明中的使用壽命，為繼電器的預防性維修提供指導。

2.1.4 TCMS數(shù)據(jù)

地鐵車輛列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄儀記錄收集的車輛各子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)下傳、分析及顯示。

2.1.5 車載網(wǎng)絡系統(tǒng)

車載數(shù)據(jù)通過列車新增的一套以太網(wǎng)進行采集，主要由列車各子系統(tǒng)智能化檢測設備、以太網(wǎng)交換機、數(shù)據(jù)記錄儀、網(wǎng)絡智能控制單元、認證智能控制器、車載無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及車載天線組成，車各車廂的子系統(tǒng)智能化設備與本車以太網(wǎng)交換機相連，并按照協(xié)議傳送本系統(tǒng)相關狀態(tài)信息和故障信息等，再通過各車廂的以太網(wǎng)交換機將整列車的信息數(shù)據(jù)由認證智能控制單元，經(jīng)車載無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和天線傳輸?shù)降孛娣掌鳌?/p>

車載數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)主要對TCMS故障數(shù)據(jù)、車門診斷數(shù)據(jù)、走行部診斷數(shù)據(jù)等進行傳輸，此數(shù)據(jù)量較小，故采用通信網(wǎng)絡進行車地無線數(shù)據(jù)傳輸。列車將搜集的數(shù)據(jù)通過車載無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與地面的以太網(wǎng)交換機相連接，實現(xiàn)列車與地面之間的車地無線數(shù)傳，將列車信息至指定地面管理服務器，并由車輛故障信息管理服務器完成故障的分類、統(tǒng)計和評估。

列車在庫內(nèi)要傳輸事件記錄儀數(shù)據(jù)，事件記錄儀數(shù)據(jù)量較大，故采用穩(wěn)定可靠性強、抗干擾能力強、傳輸速度快的波導無線局域網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.6 面向服務的地面專家分析系統(tǒng)

地面專家分析系統(tǒng)主要由地面服務器、地面信號接收裝置和客戶端組成。地面信息接收裝置接收列車下傳的數(shù)據(jù)信息，并通過數(shù)據(jù)服務器中“故障建模對比、健康分析和智能決策評判”服務程序?qū)?shù)據(jù)進行處理和存儲。

2.2 工程示范——北京地鐵6號線

TACS是以北京地鐵6號線一期工程建設項目為依托，由青島地鐵集團公司、中車青島四方車輛研究所、中車青島四方機車車輛股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司與北京中興高達通信技術有限公司等單位共同研發(fā)實施的列車自主運行軌道交通技術創(chuàng)新項目。北京地鐵6號線將是國內(nèi)第一條列車自主運行線路，而且具有完全自主知識產(chǎn)權，真正實現(xiàn)站在國際軌道交通技術前沿引領國際軌道交通行業(yè)技術發(fā)展方向，使得中國的軌道交通列車控制技術趕超世界一流水平，實現(xiàn)從跟隨到引領的超越。

“最聰明列車”是業(yè)內(nèi)給未來北京地鐵6號線列車貼上的一個標簽，它將真正實現(xiàn)地鐵列車的“自主運行”。6號線列車的“列車自主運行系統(tǒng)（簡稱TACS）”改變了傳統(tǒng)“車—地—車”的通信和控制架構，采用“車-車”架構，列車之間可通過無線通信完成信息交互，從而直接獲知前行列車的位置和速度，并控制列車運行的系統(tǒng)。如此一來，就好像是列車自己有了“大腦”和“千里眼”，完全能夠自己判斷路上的情況，安全、智能、飛速地“奔跑”起來了。這項技術使得6號線列車可以縮短發(fā)車間隔，減少軌旁設備配置，列車上的各個系統(tǒng)高度融合，大大提高了在站臺停車的精確度和區(qū)間運行的舒適度，提高了運營效率，也節(jié)約了建設成本和運營成本[3，4]。

6號線以BIM為基礎，打造智慧工地信息化集成管理系統(tǒng)。這也是在首次創(chuàng)新運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化、云計算等信息技術，打造信息化、標準化、數(shù)字化智慧工地?！爸腔酃さ亍钡幕拘畔?、危險因素等內(nèi)容如同“朋友圈”一樣滾動顯示，隨時可通過手機上傳或?qū)崟r查看。同時，通過視頻監(jiān)控、人機定位等設備終端，對工程項目的人、機、料、法、環(huán)以及關鍵部位等信息進行直觀、動態(tài)、綜合、統(tǒng)一的智能分析和數(shù)據(jù)交互，做到事前預警、事中留痕、事后評估等全過程管控。在安全風險管理方面，“智慧工地”與BIM平臺相關聯(lián)，實時查看現(xiàn)場工程施工進度，并根據(jù)進度情況對不良地質(zhì)區(qū)域進行超前預警。同時，“智慧工地”將運用最先進的虛擬現(xiàn)實手段，開設安全體驗館，通過佩戴全套VR設備，讓工人掌握安全操作規(guī)程和緊急應對措施?！爸腔酃さ亍边€與“環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)”相關聯(lián)，對施工現(xiàn)場的溫度、濕度、PM2.5、風力、噪音等環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，如果PM2.5數(shù)值超過既定數(shù)值，自動噴淋系統(tǒng)就會開始作業(yè)。

此外，除了列車外，未來的北京地鐵6號線將在既有車站系統(tǒng)基礎上通過增加全息感知、自動開關站、智慧安檢、多元化售檢票、智能問詢及電子導引、客流場景分析等功能，實現(xiàn)智慧車站的設想。

3 軌道交通智能化發(fā)展成果

3.1 神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車

神朔鐵路為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，主要擔負神府東勝礦區(qū)的煤炭外運任務，單線運輸能力達3 500萬噸，與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國西煤東運的第二條大通道，也是神華集團礦、路、電、港、航系統(tǒng)工程的重要組成部分。2019年10月16日，國家能源集團神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行（見圖1）。

圖1 智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行

神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）機車智能駕駛系統(tǒng)。機車智能駕駛系統(tǒng)以“感知、決策、執(zhí)行”為設計思路，實現(xiàn)重載列車運營全過程的自動化控制，包括根據(jù)調(diào)度計劃自動喚醒、自動整備、自動出段、自動聯(lián)掛、自動發(fā)車、自動貫通試驗、自動過分相、自動運行、自動停車、自動入段、自動調(diào)車、自動休眠等功能。從調(diào)度員下達機車運行指令后，機車自動接受命令，自動喚醒后，自動升弓合主斷、起輔機，進入自動牽引試驗狀態(tài)，試驗完成后恢復信號，根據(jù)指令分析出庫、出站，到站場后進行自動連接，隨后機車進入運行試驗環(huán)節(jié)，根據(jù)站場信號，列車發(fā)車，運行途中根據(jù)線路和氣候條件，包括前方線路有無障礙物以及風雪雷電等數(shù)據(jù)和情景模式，進行自動探測，確保安全運行。

2）開創(chuàng)了世界5個“第一”。智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行，創(chuàng)造了5個世界第一：（1）在12‰長大上坡道線路上實現(xiàn)重載列車萬噸自動駕駛，降低了司乘人員的操縱強度與難度；（2）提升了運輸效率，實現(xiàn)了機車作業(yè)自動化；（3）提高了列車安全性，實現(xiàn)了基于障礙物檢測（雙雷達+視頻識別）、調(diào)車信號防護的自動調(diào)車作業(yè)；（4）基于北斗導航差分定位，實現(xiàn)機車精準控制；（5）首次在機車上引入環(huán)境氣象信息，對列車操縱提供參考和決策依據(jù)。

該項目的成功，是中國聯(lián)通履行央企責任，助力我國重載鐵路發(fā)展邁入智能化新階段的大膽嘗試。神朔鐵路重載火車智能駕駛項目作為新的發(fā)展起點，就神朔鐵路LTE覆蓋、互聯(lián)網(wǎng)專線升級、“智慧辦公”等項目與相關部門和單位進一步開展深度合作，推動陜北能源化工行業(yè)從生產(chǎn)到運輸實現(xiàn)智能化變革?？梢哉f，這是我國現(xiàn)行萬噸重載列車控制領域的一次技術革命，將引領我國重載萬噸貨運鐵路向智慧化發(fā)展方向，同時也意味著我國在貨運重載列車控制領域已經(jīng)站在世界鐵路發(fā)展的前沿[5]。

3.2 京張高鐵：復興號智能動車組

2018年4月23日，作為智能京張高鐵重要配套設備的京張高鐵智能動車組眾創(chuàng)設計結果，在中國鐵道科學研究院集團有限公司公布。京張高鐵從北京樞紐北京北站引出，于2019年12月30日，京張高鐵正式開通運營（見圖2）。京張高鐵的智能化主要集中體現(xiàn)在以下幾方面：

圖2 京張高鐵

1）350km/h自動駕駛。作為2022年北京冬奧會的重要交通運營服務保障設施，京張高鐵將于2020年12月30日正式開通運營。京張高鐵在世界上首次實現(xiàn)了時速350km自動駕駛，進一步鞏固和提升了中國高鐵的領跑優(yōu)勢。

2）橋隧、客站智能化施工技術。京張高鐵成功應用了全線橋隧和客站智能化施工技術，實現(xiàn)了基于BIM的工程施工信息共享和建設全過程管理。京張高鐵在工程建造領域，突破BIM、GIS關鍵技術，實現(xiàn)全線、全專業(yè)、全過程工程建設精細化管控，鐵路工程管理平臺廣泛應用。

3）C3+ATO系統(tǒng)。從C2到C3再到C3+ATO，京張高鐵砥礪前行，推動中國高鐵列控技術在十幾年內(nèi)實現(xiàn)了從無到有、從有到強的精彩蝶變。列車控制技術被稱為高鐵列車的“大腦”和“中樞神經(jīng)”。要控制高鐵列車發(fā)車停車、運行區(qū)段、時速等，都離不開列控技術。通過細致研究和大量試驗，研發(fā)出具有中國自主品牌、適應中國高鐵發(fā)展需要的CTCS-3級（簡稱C3）列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于GSM-R無線網(wǎng)絡實現(xiàn)列車信號信息雙向傳輸，對GSM-R網(wǎng)絡提出更高指標要求；同時，京張高鐵沿線山區(qū)環(huán)境復雜多樣，存在大量隧道、長坡等特殊覆蓋場景，加大了GSM-R部署及優(yōu)化難度。首先，北方冬季時間漫長，氣候寒冷，室外最低溫度可達-40℃以下，要求所有設備必須在長期的低溫惡劣環(huán)境下穩(wěn)健運行，對設備的穩(wěn)定性提出了嚴格要求；其次，列車運行速度快，并承載列控系統(tǒng)，對整個通信系統(tǒng)的可靠性提出了嚴格要求；最后，受限于鐵路專用無線頻率資源，通常在交叉并線區(qū)段，頻率干擾將直接導致網(wǎng)絡質(zhì)量的惡化甚至通信中斷，頻率的規(guī)劃和設計存在重大挑戰(zhàn)。C3+ATO系統(tǒng)針對高鐵在樞紐地區(qū)、交叉線和并線區(qū)段存在頻率規(guī)劃、切換控制難等問題，簡化頻率規(guī)劃、擴大小區(qū)覆蓋范圍、減少小區(qū)切換頻率，實現(xiàn)樞紐地區(qū)的容量保證，提高網(wǎng)絡切換指標，為承載列車控制信號提供安全保障[6，7]。

4 結語

軌道無處不在，技術變革和市場機遇正不斷孕育。創(chuàng)新永無止境，世界先進交通體系新時代無限可能?？偠灾?，要搶抓國家新基建和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略機遇，大力推進軌道交通產(chǎn)業(yè)集群化、智能化發(fā)展，圍繞打造軌道交通產(chǎn)業(yè)集群目標，加大“雙招雙引”力度，推進技術創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新、模式創(chuàng)新。同時，要搶抓高速磁浮產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機遇，積極爭取規(guī)劃建設高速磁浮示范線。要支持示范區(qū)整體連片開發(fā)建設，打通示范區(qū)配套服務的堵點、痛點。