朱 彥 尹振坤 張國芹 高林林 王中堯

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心, 130062, 長春∥第一作者， 正高級(jí)工程師)

近年來，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展，使高鐵移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施，以及內(nèi)、外部環(huán)境信息等實(shí)現(xiàn)全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動(dòng)學(xué)習(xí)和科學(xué)決策提供了可能。

2019年12月30日，京張智能動(dòng)車組上線運(yùn)營，標(biāo)志著中國高鐵向智能化邁出了關(guān)鍵一步。2021年6月25日，以京張、京雄智能動(dòng)車組為基礎(chǔ)全新升級(jí)的復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組在京滬、京廣、京哈、成渝等高鐵干線投入運(yùn)營，開啟了我國智能動(dòng)車組運(yùn)用的新時(shí)代。

1 動(dòng)車組智能技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組主要圍繞智能行車、智能服務(wù)、智能運(yùn)維等3個(gè)方面開展智能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。智能行車，采用有人值守自動(dòng)駕駛技術(shù)；智能服務(wù)，采用基于環(huán)境感知技術(shù)的燈光智能調(diào)節(jié)、基于多媒體技術(shù)的多元信息推送等；智能運(yùn)維，主要基于智能傳感、大數(shù)據(jù)、特征提取等技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維服務(wù)智能化。動(dòng)車組智能技術(shù)體系構(gòu)成如圖1所示。

1.1 智能行車

動(dòng)車組智能行車主要指行車自動(dòng)化、在途安全保障智能化等方面，可以提高行車及應(yīng)急處置效率。

1) 自動(dòng)駕駛。配置有人值守自動(dòng)駕駛設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、車站自動(dòng)停車(精度在0.5 m以內(nèi))等智能行車功能。車輛新增ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)車載主機(jī)、速度傳感器、測(cè)速雷達(dá)、GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))天線等硬件設(shè)備；TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))通過MVB(多功能車輛總線)接入ATO主機(jī)，實(shí)現(xiàn)ATO模式下的牽引/制動(dòng)控制；增加車門控制繼電器硬線，在ATP(列車自動(dòng)防護(hù))輸出允許條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開門。

2) 應(yīng)急自走行。設(shè)置應(yīng)急牽引系統(tǒng)，確保在接觸網(wǎng)故障或者高壓系統(tǒng)不可用的情況下，采用動(dòng)力電池技術(shù)、環(huán)境感知及系統(tǒng)匹配技術(shù)，滿足車輛走行需求。在特定高鐵線路的任何區(qū)間發(fā)生供電故障時(shí)，均可應(yīng)急走行至就近車站，具備自走行20 km能力，其中5‰上坡道為5 km，平直道為15 km，走行速度為30 km/h。兼具應(yīng)急空調(diào)供電功能，車輛應(yīng)急通風(fēng)時(shí)間由120 min提升至300 min，全列車空調(diào)可半載運(yùn)行。

注：4G——第4代移動(dòng)通信技術(shù)；5G——第5代移動(dòng)通信技術(shù);WLAN——無線局域網(wǎng)。圖1 動(dòng)車組智能技術(shù)體系構(gòu)成Fig.1 Composition of EMU intelligent technology system

3) 安全監(jiān)測(cè)。設(shè)置車載安全監(jiān)控系統(tǒng)，綜合TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))傳輸?shù)臏囟?、振?dòng)、火警等信息，對(duì)車輛安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)由單部件、單車級(jí)安全監(jiān)測(cè)到多系統(tǒng)、整車級(jí)、交互監(jiān)測(cè)的提升。全列車新增160個(gè)振動(dòng)、溫度復(fù)合傳感器，通過走行部旋轉(zhuǎn)部件監(jiān)測(cè)、車體平穩(wěn)性監(jiān)測(cè)、架構(gòu)橫向穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)及視頻火災(zāi)監(jiān)測(cè)聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建整車安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成，綜合處理診斷，統(tǒng)一存儲(chǔ)、顯示及發(fā)送等功能。

1.2 智能服務(wù)

智能服務(wù)主要從旅客乘坐和動(dòng)車組運(yùn)用需求出發(fā)，通過業(yè)務(wù)一體化，實(shí)現(xiàn)全過程、無障礙、無干擾服務(wù)，有利于推進(jìn)動(dòng)車組自主化服務(wù)進(jìn)程。同時(shí)，通過提高控制精準(zhǔn)度和多維信息挖掘推送，提高智能服務(wù)品質(zhì)。

1) 智能信息顯示。采用LCD(液晶顯示器)分屏顯示、信息交互融合等技術(shù)為高速列車提供定制化的多媒體信息顯示服務(wù)，如圖2所示。該服務(wù)使行車信息的表現(xiàn)形式更加豐富生動(dòng)，乘客能夠以最直觀的方式獲取和了解信息；同時(shí)還可提供必要的乘車引導(dǎo)服務(wù)。

2) 智能交互娛樂。設(shè)置智能交互終端(見圖3)，通過車載Wi-Fi(無線網(wǎng)絡(luò))、公網(wǎng)等無線數(shù)據(jù)接入途徑，為旅客提供車載娛樂視頻、直播節(jié)目、手機(jī)投屏等多樣化娛樂服務(wù)，使旅途生活盡享愜意。

圖2 智能信息顯示Fig.2 Intelligent information display

圖3 智能交互娛樂終端顯示Fig.3 Display of intelligent interactive entertainment terminal

3) 智能環(huán)境調(diào)節(jié)。增加環(huán)境狀態(tài)感知測(cè)點(diǎn)，采用智能環(huán)境感知調(diào)節(jié)技術(shù)、細(xì)化控制策略，從溫度調(diào)節(jié)、燈光智能調(diào)節(jié)(見圖4)、車內(nèi)噪聲控制、壓力波調(diào)節(jié)等方面實(shí)現(xiàn)旅客視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官舒適度的提升。

4) 智能便民服務(wù)?；谲噧?nèi)服務(wù)設(shè)施定制化，引入智能技術(shù)，設(shè)置無線充電、自動(dòng)售貨機(jī)等便民服務(wù)設(shè)備，為旅客提供多樣性、便捷性服務(wù)。著力打通地面客運(yùn)、旅客服務(wù)，以及鐵路12306軟件數(shù)據(jù)與車載數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)車組車載設(shè)備的站車一體化服務(wù)信息交互。

a) 無燈光半亮狀態(tài)

5) 智能數(shù)據(jù)傳輸。依托4G/5G、近場(chǎng)Wi-Fi等多渠道互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推進(jìn)人工智能技術(shù)車載化應(yīng)用。車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用4G/5G，實(shí)現(xiàn)車上與地面交互中心間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，即將車上數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，將地面數(shù)據(jù)、平臺(tái)數(shù)據(jù)接入車內(nèi)，并推送至車載終端；車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用近場(chǎng)Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)車載非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高速落地。

1.3 智能運(yùn)維

智能動(dòng)車組運(yùn)營環(huán)境復(fù)雜，其線路運(yùn)營里程大多超過1 000 km，單日運(yùn)行里程最高可達(dá)3 000 km；服役區(qū)間橫跨多個(gè)自然氣候帶，有時(shí)單程運(yùn)營要遭受雨雪、強(qiáng)風(fēng)沙、雷電等氣象災(zāi)害侵襲；同時(shí)動(dòng)車組存在8輛、16輛、17輛等多種編組情況。因此，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)學(xué)算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)類和機(jī)理類模型研究，提高運(yùn)維的自動(dòng)化程度和效率，對(duì)于確保軌道交通運(yùn)營安全、提高服務(wù)質(zhì)量以及降低運(yùn)營成本意義重大。智能運(yùn)維系統(tǒng)的核心技術(shù)為PHM(故障預(yù)測(cè)與健康管理)，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合、人工智能、5G等技術(shù)，搭建由車載系統(tǒng)、車地?cái)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和地面系統(tǒng)組成的智能運(yùn)維系統(tǒng)，如圖5所示。

注：3G為第3代移動(dòng)通信；LTE為長期演進(jìn)。圖5 動(dòng)車組智能運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of EMU intelligent operation and maintenance system

通過搭載各類溫度、速度、加速度、振動(dòng)、電壓等傳感器，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵系統(tǒng)及部件的數(shù)據(jù)采集；同時(shí)在各系統(tǒng)中集成智能運(yùn)維模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)及傳輸。集成車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建基于關(guān)鍵零部件服役性能狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警及預(yù)測(cè)、健康評(píng)估等功能的智能運(yùn)維體系，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)診斷、自動(dòng)決策和自動(dòng)排除故障，有助于提升動(dòng)車組行車安全可靠性、提高動(dòng)車組運(yùn)維效率和降低全壽命周期運(yùn)維成本。

2 動(dòng)車組智能技術(shù)發(fā)展展望

在分析國內(nèi)外高速列車發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，未來智能動(dòng)車組發(fā)展主要體現(xiàn)在更高速、更安全、更智能、更環(huán)保、更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)、更舒適、更友好和一體化等9個(gè)方面。

1) 更高速:深入開展車輛輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系，以及降低運(yùn)行阻力、輕量化等方面技術(shù)研究，使智能動(dòng)車組設(shè)計(jì)速度達(dá)到400 km/h及以上，試驗(yàn)速度達(dá)到440 km/h。

2) 更安全:通過開展主動(dòng)安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和智能化安全狀態(tài)管理，圍繞新能源、信息技術(shù)融合應(yīng)用等技術(shù)研究，提升高速列車安全保障性能。

3) 更智能:廣泛應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)、新型傳感器，通過全方位態(tài)勢(shì)感知、故障預(yù)測(cè)與健康管理等手段，使動(dòng)車組更加智能。動(dòng)車組具備可測(cè)、可視、可控、可響應(yīng)、可互聯(lián)等5個(gè)維度核心特征，并具有自感知、自診斷、自決策等能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從智能化走向智慧化。同步推進(jìn)企業(yè)智能制造進(jìn)程，即采用設(shè)計(jì)、制造、服務(wù)一體化信息技術(shù)解決方案，使主機(jī)企業(yè)實(shí)現(xiàn)從“實(shí)物制造”向“虛擬制造”、“智能制造”轉(zhuǎn)變。通過橫向業(yè)務(wù)集成和縱向信息集成，集合大數(shù)據(jù)智能決策和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)模式，推動(dòng)主機(jī)企業(yè)從智能化向智慧化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4) 更環(huán)保:深入開展能源、材料、結(jié)構(gòu)與控制等方面的技術(shù)研究，進(jìn)一步提升動(dòng)車組環(huán)保性能。推動(dòng)新能源作為系統(tǒng)動(dòng)力的綜合利用，提升清潔能源應(yīng)用比例，同時(shí)加大高效能、輕量化等領(lǐng)域新材料的應(yīng)用。

5) 更節(jié)能:深入開展基于先進(jìn)材料、先進(jìn)結(jié)構(gòu)、先進(jìn)制造于一體的輕量化技術(shù)、氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)配置優(yōu)化技術(shù)等研究，推廣應(yīng)用輔助駕駛技術(shù)，不斷降低能耗，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。通過為司機(jī)提供有效的駕駛指導(dǎo)，能夠減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

6) 更經(jīng)濟(jì):開展動(dòng)車組數(shù)字化全生命周期管理研究，統(tǒng)籌考慮軌道車輛規(guī)劃、設(shè)計(jì)、采購、制造、運(yùn)行、檢修、技改、報(bào)廢的全過程，在滿足安全及效能的前提下追求全壽命周期成本最優(yōu)，通過信息化手段實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。提升PHM技術(shù)水平，不斷提高狀態(tài)修、經(jīng)濟(jì)修技術(shù)水平，使動(dòng)車組具有更好的經(jīng)濟(jì)性。

7) 更舒適:通過開展集成化、小型化設(shè)計(jì)，增大車內(nèi)旅客乘坐空間；車內(nèi)設(shè)備、設(shè)施采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)布局的靈活變化；采用主動(dòng)降噪技術(shù)，進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲水平；通過開展氣侯適應(yīng)性和輪軌匹配關(guān)系研究、主動(dòng)控制技術(shù)研究，增強(qiáng)車輛對(duì)氣侯、線路的適應(yīng)性，提高旅客乘坐舒適性和獲得感。

8) 更友好:基于人因工程、智能化的友好型界面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燈光、空氣質(zhì)量等旅客界面智能控制，提升乘坐體驗(yàn)；利用空-天-地一體化、多網(wǎng)合一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人-車、車-車、車-地等互聯(lián)互通，打造智能交通生態(tài)圈。

9) 一體化:深入開展不同交通制式、不同列車裝備、不同車站交通系統(tǒng)間客流、物流、信息流一體化融合的運(yùn)輸解決方案，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源賦能交通技術(shù)發(fā)展。

3 結(jié)語

根據(jù)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》，到21世紀(jì)中葉，我國將全面建成人民滿意、保障有力、世界前列的交通強(qiáng)國，基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模質(zhì)量、技術(shù)裝備、科技創(chuàng)新能力、智能化與綠色化水平位居世界前列?？梢灶A(yù)見，推進(jìn)裝備技術(shù)升級(jí)，推廣智能化、數(shù)字化、輕量化的環(huán)保型交通成套技術(shù)裝備，廣泛應(yīng)用智能高鐵等新型裝備系統(tǒng)將成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，也必然會(huì)給人們帶來更安全、舒適、便捷的出行體驗(yàn)。