京张高铁智能动车组关键技术研究与应用

2019-09-25刘长青

中国铁路 2019年9期

刘长青

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

京张高铁是2022年北京冬奥会“北京—张家口”的交通保障线，是京津冀一体化协同发展的经济服务线，是我国高铁建设成就的创新示范线。为保障2022年冬奥会期间京张高铁运营的特殊需求，贯彻“绿色、共享、开放、廉洁”的办奥理念，展示中国良好形象，通过研发中国高铁智能型动车组1.0，适应京张高铁高寒冷、山区、桥隧多、风沙大等气候环境的“奥运专列”，充分展现我国高铁技术的先进性和成熟性，引领高速列车技术发展方向，展现我国高铁创新能力，将具有重大的现实意义和历史意义。

1 国内外现状及发展趋势

1.1 国外现状

国外发达国家已积极开展智能化铁路技术研究，并取得初步成果。日本2000年提出智能运输系统（CyberRail）研发计划，通过强大的信息服务功能，实现铁路运输方式与其他运输方式的无接缝、无障碍的衔接和运输。2015年法国国家铁路公司提出数字化法铁（DIGITALSNCF）战略，通过加强工业互联网建设，构建连通列车、路网和站房的三大区域网络，一方面实现对安全运输、生产效率、能源经济、工作质量等的追求，另一方面满足旅客对准点率和舒适度的需求[1]。2016年德铁与德国联邦交通部、德国铁路工业联合会联合签署合作协议“铁路数字化战略”（铁路4.0）[2]，包括运输4.0、物流4.0、基础设施4.0、信息技术4.0等8方面举措，旨在实现智能化运营系统，形成以客户为中心的服务体系等目标。2018年英国为了布局数字铁路未来规划，制定了数字铁路战略（Digital Railway Strategy）[3]，在列车运行控制、自动驾驶、交通管理与可靠性、移动通信数据互联、智能基础设施等领域布局，提出了数字化铁路三阶段发展蓝图。

1.2 我国现状

我国高速动车组经历了自主探索、引进消化吸收再创新、深化创新和自主创新4个阶段的技术发展历程，成功研制了具有完全自主知识产权的“复兴号”动车组。通过研发TCN+以太网双重冗余设计的网络控制系统，可实现任意子系统的健康管理及全方位监控和故障诊断，全面提升了动车组智能化水平。

1.3 国内外发展趋势分析

（1）自动驾驶技术（ATO）：我国自动驾驶技术主要应用于地铁列车，高速动车组应用还是空白，开展ATO自动驾驶设备系统集成、车辆接口、控制逻辑匹配等关键技术研究，将为高速动车组无人值守自动驾驶提供技术储备。

（2）智能控制策略：澳大利亚、美国对列车运行节能操纵策略进行了研究；我国的西南交通大学基于高速列车最小能耗计算模型研究了制动利用率对节能操作策略的影响，北京交通大学对列车能耗模型进行了研究。

（3）综合节能：法国、日本对高速列车减阻进行了大量研究。AGV-V150车头采用碳纤维/玻璃纤维增强环氧树脂泡沫夹芯结构，较铝制车头减重25%；川崎重工下一代转向架构架采用碳纤维复合材料，较传统钢制构架减重40%。我国已开始研究降低高速列车重量的复合材料，并通过空气动力学性能研究降低空气阻力。

（4）列车安全：国内外均积极开展高速列车状态实时监测、在途预警技术研究、安全装备的研制。

2 京张高铁智能动车组主要创新点

2.1 智能化

京张高铁智能动车组在4个方面利用智能化技术与既有动车组技术结合，实现自感知、自诊断、自决策、自适应在广度和深度上的进一步提升，实现自动及协同运行。

利用智能传感技术、物联网、天线雷达、AI识别技术、二维码等多维度现代电子监测感知手段，进一步加深对动车组自身状态、环境状态、运行数据等不同层次、维度的状态监测，增加了列车自感知的广度和精度。

通过对大数据的融合集成、存储管理、挖掘处理，同时利用智能化技术的定制化、集成化、流程化、一体化（四化）的运用，进一步优化控制策略，实现动车组自动驾驶、故障导向安全、突发及灾害应对、车辆运营秩序调度等业务过程中自诊断、自决策的可控性与可管理性。

利用工业以太网、车地数据传输、图像识别、语音识别、信息显示、大数据、移动应用、身份验证、智能环境调节、多元化信息服务、在线支付等技术，实现动车组运行过程可观测、可表达和可理解，提高系统的自适应性。

利用多网融合、导航及定位、高速大容量数据传输等技术，实现车-车、车-地及车与其他交通方式的互联互通，实现自动及协同运行。

（1）在智能行车方面，首次实现时速350 km的有人值守自动驾驶，采用CTCS-3+ATO技术，停车精度可控制在0.5 m以内，自动速度控制功能精度在2 km/h以内，减轻司机40%的压力，大幅提高运行效率。列车通过车载传感器、雷达、天线等设备对环境信息（地理位置、线路信息等）和车辆状态进行采集与处理，并与动车组技术融合，同时在满足安全性、稳定性和舒适性的目的下进行算法预设，结合线路限速要求等进行决策判断，实现车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门自动打开、车门/站台门联动控制。自动驾驶接口关系见图1。

图1 自动驾驶接口关系

（2）在智能服务方面，主要从3个方面进行智能化提升：①智能环境调节，利用智能环境感知调节技术，从温度调节、灯光智能调节、人机工程学、车内噪声控制、压力波调节、变色车窗、资源配置优化等方面实现旅客视觉、听觉、嗅觉、触觉等方面感官舒适度的提升。②智能信息推送，首次在动车组上实现电视分屏显示，实现电子地图和旅游信息、行车信息（到站、离站、途中）直观推送；LCD外显，座位号提示；车-地视频、语音信息回传等业务，提高信息服务精准度及效率。③智能便民服务，通过智能点餐、Wi-Fi增值业务服务，为用户拓展无限乘车体验空间（见图2—图4）。

图2 压力波控制原理

图3 电视分屏显示

图4 LCD外显

（3）在智能运维方面，整车传感器数量增加10%，监控点多达2718个。综合自感知数据，结合动车组主机企业、运用部门、零部件供应商之间实现研发数据、试验数据、运维数据、检修数据、履历数据交互与共享。利用大数据技术、监测及分析技术、大容量车-地传输技术等为用户提供关键零部件的健康评估、故障状态预警预测、关键故障精确定位、检修建议策略高效推送、备品备件库存智能建议及更换提醒、列车健康状态及全面监控，提高车辆安全性和检修效率、降低维修成本，满足动车组全生命周期管理需求，实现列车服役性能由阈值管理向状态管理的提升。车载故障预测与健康管理（PHM）系统见图5。

图5 车载PHM系统

2.2 安全可靠

在走行部增加160个振动、温度复合传感器，实现轴承、齿轮箱、牵引电机等零部件失效模式的精确判断，保证行车安全（见图6、图7）；车内采用视频组网设计，实时准确掌握车厢内旅客动态、环境状态，全面提高车内反恐、防暴能力。同时实现火灾与视频联动，进一步确保旅客行车安全。实现多监测系统集成，综合处理诊断、统一存储、显示、发送，完成由单部件、单车级安全监测到多系统、整车级、交互监测的提升。

2.3 节能环保

通过低阻力流线型车头设计及空气动力学优化减小气动阻力，能耗相应降低5%；通过轻量化设计，能耗相应降低2%，整车综合节能约7%。化工品、零部件选用环保材料，内装材料可回收率达75%，其中可降解材料占比50%以上；通过优化结构、提升密封性能，车内外噪声总体指标降低1～2 dB；采用灰水再利用技术，节约净水消耗，节水率超过10%，减少污染排放。以京沪高铁为例，每年可节约用水8万L。

2.4 运用适应性

采用经长期验证的CRH380BG型动车组成熟的高寒技术，适应-40 ℃高寒运用环境；牵引、制动系统性能提升，适应30‰坡道起动和安全停放，满足山区环境运用需求；新增动力电池系统，在高压发生供电故障时，以30 km/h速度能够走行20 km，具备在京张高铁任何1个区间发生供电故障时应急走行至就近车站的能力。