轨道交通产业智能化发展关键技术与应用

郄江华，杜立立

1 引言

纵观人类每一次交通运输方式的变革，都会给生活方式和生活水平带来巨大的改变，促进经济社会飞速发展。当前，轨道交通正凭着运输量大、安全性高、速度越来越快的优势在全球不断“开疆拓土”，不断催生“经济奇迹”。

经济快速发展的基础是基础设施互联互通，构建现代化的综合交通体系势在必行，这包括畅通对外综合运输通道和构筑快速交通网络。针对城市群交通发展需求，不少企业推出了专门的产品。比如，中车株机公司展出的“CJ6型城际动车组”车型采用4编组，最高速度160km/h，最大载客量970人，具有可重联、大载客量、加减速度快、快起快停等特点，适用于站间距较短的城际线路，可满足城市群之间轨道交通高密度、公交化运营的需求[1，2]。

2 城市轨道交通产业竞逐“绿色化”高地

轨道交通的发展的历史已有100多年。绿色、智能作为轨道交通电力牵引的未来发展方向，成为当今铁路行业自主创新的主要投入方向。城市轨道交通包括地铁交通、轻轨交通、有轨电车交通、各种索道及缆车的经营管理活动，是近年来城市公交的重点发展类型。据前瞻产业研究院发布的《中国城市轨道交通行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》统计数据显示，截至2017年年末，我国大陆地区共34个城市开通城市轨道交通并投入运营，共开通城市轨道交通线路165条，运营线路长度达5 033km。2018年，中国城市轨道交通投运线路长度继续提升至5 767km。

2.1 地铁车辆智能化关键技术

地铁智能化关键技术主要包括数据采集技术、网络通信技术、智能决策与评价技术和面向服务架构技术。系统主要分硬件改造和软件功能调试2部分，硬件改造包括对车门控制器、走形部轴端、齿轮箱、车载以太网设备改造，以及在车辆段库内EWLM波导管天线、多格式数据分析服务器布置、前台显示工作站等设备改造。软件功能调试包括车载设备数据采集功能、车地无线多模式单向传输功能、地面服务器数据挖掘、建模、健康分析和智能决策评判功能、面向服务构架的智能化分析平台安全性、稳定性功能验证。

列车将采集的列车数据（TCMS数据、事件记录仪数据、新增车门状态数据、新增走行部诊断数据等）通过车载无线传输通道发送到地面专家分析服务器，完成数据解析、数据趋势分析、故障等级分类、统计和健康评估。

2.1.1 车门智能诊断系统

目前，地铁车辆门控器只能输出已产生的显性故障结果，缺乏故障发生前的异常工作状态的分析判断。门控器故障信息通过MVB总线上传给车辆TCMS并在司机室的屏幕上显示，还可以通过门控器的LED指示灯显示。故障数据只能在列车入库后人工下载，维护人员依据经验逐门进行日常检查和简单故障判断。

车门智能诊断系统通过更换智能门控器实时监测电机、门控器（电信号采集）以及锁闭机构的动作情况和工作参数，并通过车载以太网实时上传地面服务器，通过系统的故障规则知识库智能化判断当前的车门是否产生了故障或进入了亚健康状态。在车门系统没有进入故障时就提前检修和排除亚健康问题，大大降低故障的发生概率，尤其是减少了无法电动关门、开不到位、三秒不解锁等常见故障，有效地提高了车门系统的运行可靠性。一旦判断该车门系统存在故障或进入亚健康状态，系统会及时推送信息（包含问题现象、原因和解决方案）给对应的维修人员，通知该人员及时处理问题，降低了地铁运营过程中突发故障产生的运营成本。

2.1.2 走行部智能诊断系统

走行部智能诊断系统是一种走行部的安全监测装备，通过安装在走行部关键部件上的复合传感器，同时监测冲击、振动、温度3个物理量，并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术，实现走行部关键部件（轴箱轴承、齿轮箱轴承、齿轮、车辆踏面、钢轨）的车载在线实时诊断，对于故障实现早期预警和分级报警，准确地指导车辆的运用和维修。另外，还能对轨道波磨区段进行分析及精确定位，为轨道的及时打磨提供依据，且能实现分级报警。

2.1.3 关键空开、控制继电器动作次数

各系统供电空开、控制继电器吸合动作次数通过TCMS进行记录，结合继电器产品说明中的使用寿命，为继电器的预防性维修提供指导。

2.1.4 TCMS数据

地铁车辆列车控制及监控系统事件记录仪记录收集的车辆各子系统的故障数据和事件数据下传、分析及显示。

2.1.5 车载网络系统

车载数据通过列车新增的一套以太网进行采集，主要由列车各子系统智能化检测设备、以太网交换机、数据记录仪、网络智能控制单元、认证智能控制器、车载无线数据传输模块及车载天线组成，车各车厢的子系统智能化设备与本车以太网交换机相连，并按照协议传送本系统相关状态信息和故障信息等，再通过各车厢的以太网交换机将整列车的信息数据由认证智能控制单元，经车载无线数据传输模块和天线传输到地面服务器。

车载数据无线传输系统主要对TCMS故障数据、车门诊断数据、走行部诊断数据等进行传输，此数据量较小，故采用通信网络进行车地无线数据传输。列车将搜集的数据通过车载无线数据发送模块与地面的以太网交换机相连接，实现列车与地面之间的车地无线数传，将列车信息至指定地面管理服务器，并由车辆故障信息管理服务器完成故障的分类、统计和评估。

列车在库内要传输事件记录仪数据，事件记录仪数据量较大，故采用稳定可靠性强、抗干扰能力强、传输速度快的波导无线局域网络进行数据传输。

2.1.6 面向服务的地面专家分析系统

地面专家分析系统主要由地面服务器、地面信号接收装置和客户端组成。地面信息接收装置接收列车下传的数据信息，并通过数据服务器中“故障建模对比、健康分析和智能决策评判”服务程序对数据进行处理和存储。

2.2 工程示范——北京地铁6号线

TACS是以北京地铁6号线一期工程建设项目为依托，由青岛地铁集团公司、中车青岛四方车辆研究所、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司与北京中兴高达通信技术有限公司等单位共同研发实施的列车自主运行轨道交通技术创新项目。北京地铁6号线将是国内第一条列车自主运行线路，而且具有完全自主知识产权，真正实现站在国际轨道交通技术前沿引领国际轨道交通行业技术发展方向，使得中国的轨道交通列车控制技术赶超世界一流水平，实现从跟随到引领的超越。

“最聪明列车”是业内给未来北京地铁6号线列车贴上的一个标签，它将真正实现地铁列车的“自主运行”。6号线列车的“列车自主运行系统（简称TACS）”改变了传统“车—地—车”的通信和控制架构，采用“车-车”架构，列车之间可通过无线通信完成信息交互，从而直接获知前行列车的位置和速度，并控制列车运行的系统。如此一来，就好像是列车自己有了“大脑”和“千里眼”，完全能够自己判断路上的情况，安全、智能、飞速地“奔跑”起来了。这项技术使得6号线列车可以缩短发车间隔，减少轨旁设备配置，列车上的各个系统高度融合，大大提高了在站台停车的精确度和区间运行的舒适度，提高了运营效率，也节约了建设成本和运营成本[3，4]。

6号线以BIM为基础，打造智慧工地信息化集成管理系统。这也是在首次创新运用互联网、物联网、大数据、智能化、云计算等信息技术，打造信息化、标准化、数字化智慧工地。“智慧工地”的基本信息、危险因素等内容如同“朋友圈”一样滚动显示，随时可通过手机上传或实时查看。同时，通过视频监控、人机定位等设备终端，对工程项目的人、机、料、法、环以及关键部位等信息进行直观、动态、综合、统一的智能分析和数据交互，做到事前预警、事中留痕、事后评估等全过程管控。在安全风险管理方面，“智慧工地”与BIM平台相关联，实时查看现场工程施工进度，并根据进度情况对不良地质区域进行超前预警。同时，“智慧工地”将运用最先进的虚拟现实手段，开设安全体验馆，通过佩戴全套VR设备，让工人掌握安全操作规程和紧急应对措施。“智慧工地”还与“环境监测系统”相关联，对施工现场的温度、湿度、PM2.5、风力、噪音等环境信息进行实时监测，如果PM2.5数值超过既定数值，自动喷淋系统就会开始作业。

此外，除了列车外，未来的北京地铁6号线将在既有车站系统基础上通过增加全息感知、自动开关站、智慧安检、多元化售检票、智能问询及电子导引、客流场景分析等功能，实现智慧车站的设想。

3 轨道交通智能化发展成果

3.1 神朔铁路智能驾驶“3+0”万吨重载列车

神朔铁路为国家Ⅰ级干线双线电气化重载铁路，主要担负神府东胜矿区的煤炭外运任务，单线运输能力达3 500万吨，与包神铁路、朔黄铁路共同组成我国西煤东运的第二条大通道，也是神华集团矿、路、电、港、航系统工程的重要组成部分。2019年10月16日，国家能源集团神朔铁路智能驾驶“3+0”万吨重载列车正式开行（见图1）。

图1 智能驾驶“3+0”万吨重载列车正式开行

神朔铁路智能驾驶“3+0”万吨重载列车的主要优势体现在以下几个方面：

1）机车智能驾驶系统。机车智能驾驶系统以“感知、决策、执行”为设计思路，实现重载列车运营全过程的自动化控制，包括根据调度计划自动唤醒、自动整备、自动出段、自动联挂、自动发车、自动贯通试验、自动过分相、自动运行、自动停车、自动入段、自动调车、自动休眠等功能。从调度员下达机车运行指令后，机车自动接受命令，自动唤醒后，自动升弓合主断、起辅机，进入自动牵引试验状态，试验完成后恢复信号，根据指令分析出库、出站，到站场后进行自动连接，随后机车进入运行试验环节，根据站场信号，列车发车，运行途中根据线路和气候条件，包括前方线路有无障碍物以及风雪雷电等数据和情景模式，进行自动探测，确保安全运行。

2）开创了世界5个“第一”。智能驾驶“3+0”万吨重载列车正式开行，创造了5个世界第一：（1）在12‰长大上坡道线路上实现重载列车万吨自动驾驶，降低了司乘人员的操纵强度与难度；（2）提升了运输效率，实现了机车作业自动化；（3）提高了列车安全性，实现了基于障碍物检测（双雷达+视频识别）、调车信号防护的自动调车作业；（4）基于北斗导航差分定位，实现机车精准控制；（5）首次在机车上引入环境气象信息，对列车操纵提供参考和决策依据。

该项目的成功，是中国联通履行央企责任，助力我国重载铁路发展迈入智能化新阶段的大胆尝试。神朔铁路重载火车智能驾驶项目作为新的发展起点，就神朔铁路LTE覆盖、互联网专线升级、“智慧办公”等项目与相关部门和单位进一步开展深度合作，推动陕北能源化工行业从生产到运输实现智能化变革。可以说，这是我国现行万吨重载列车控制领域的一次技术革命，将引领我国重载万吨货运铁路向智慧化发展方向，同时也意味着我国在货运重载列车控制领域已经站在世界铁路发展的前沿[5]。

3.2 京张高铁：复兴号智能动车组

2018年4月23日，作为智能京张高铁重要配套设备的京张高铁智能动车组众创设计结果，在中国铁道科学研究院集团有限公司公布。京张高铁从北京枢纽北京北站引出，于2019年12月30日，京张高铁正式开通运营（见图2）。京张高铁的智能化主要集中体现在以下几方面：

图2 京张高铁

1）350km/h自动驾驶。作为2022年北京冬奥会的重要交通运营服务保障设施，京张高铁将于2020年12月30日正式开通运营。京张高铁在世界上首次实现了时速350km自动驾驶，进一步巩固和提升了中国高铁的领跑优势。

2）桥隧、客站智能化施工技术。京张高铁成功应用了全线桥隧和客站智能化施工技术，实现了基于BIM的工程施工信息共享和建设全过程管理。京张高铁在工程建造领域，突破BIM、GIS关键技术，实现全线、全专业、全过程工程建设精细化管控，铁路工程管理平台广泛应用。

3）C3+ATO系统。从C2到C3再到C3+ATO，京张高铁砥砺前行，推动中国高铁列控技术在十几年内实现了从无到有、从有到强的精彩蝶变。列车控制技术被称为高铁列车的“大脑”和“中枢神经”。要控制高铁列车发车停车、运行区段、时速等，都离不开列控技术。通过细致研究和大量试验，研发出具有中国自主品牌、适应中国高铁发展需要的CTCS-3级（简称C3）列控系统。该系统基于GSM-R无线网络实现列车信号信息双向传输，对GSM-R网络提出更高指标要求；同时，京张高铁沿线山区环境复杂多样，存在大量隧道、长坡等特殊覆盖场景，加大了GSM-R部署及优化难度。首先，北方冬季时间漫长，气候寒冷，室外最低温度可达-40℃以下，要求所有设备必须在长期的低温恶劣环境下稳健运行，对设备的稳定性提出了严格要求；其次，列车运行速度快，并承载列控系统，对整个通信系统的可靠性提出了严格要求；最后，受限于铁路专用无线频率资源，通常在交叉并线区段，频率干扰将直接导致网络质量的恶化甚至通信中断，频率的规划和设计存在重大挑战。C3+ATO系统针对高铁在枢纽地区、交叉线和并线区段存在频率规划、切换控制难等问题，简化频率规划、扩大小区覆盖范围、减少小区切换频率，实现枢纽地区的容量保证，提高网络切换指标，为承载列车控制信号提供安全保障[6，7]。

4 结语

轨道无处不在，技术变革和市场机遇正不断孕育。创新永无止境，世界先进交通体系新时代无限可能。总而言之，要抢抓国家新基建和工业互联网战略机遇，大力推进轨道交通产业集群化、智能化发展，围绕打造轨道交通产业集群目标，加大“双招双引”力度，推进技术创新、产业链创新、模式创新。同时，要抢抓高速磁浮产业发展的重大机遇，积极争取规划建设高速磁浮示范线。要支持示范区整体连片开发建设，打通示范区配套服务的堵点、痛点。