动车组智能技术探索

王文峰

（中国国家铁路集团有限公司机辆部，北京 100844）

0 引言

随着国民经济的快速发展，我国铁路事业实现了重大发展，乘客出行体验更加舒适便捷。截至2020年5 月底，全国高铁营业里程达到3.5 万km，“四纵四横”高铁主骨架提前建成并成网运营［1-3］。铁路技术装备实现升级换代，动车组上线运营达3 639.625 标准组。高速动车组未来将向智能化方向发展，智能动车组将基于云计算、物联网、大数据、北斗定位、5G 通信、人工智能等先进技术，集成融合新一代信息技术，实现动车组智能化［4-5］。结合动车组运输、监控、维修、服务等方面需求探讨动车组智能技术发展。

1 智能化发展现状

1.1 我国现状

1.1.1 高速动车组方面

2007年4月18 日，我国铁路成功实施了第六次大提速，经过多年的引进、消化、吸收、再创新，我国相继推出了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5 平台系列及CRH380平台系列“和谐号”动车组。为满足城际间的中短途客流运输需求，开发了具备载客量大、快速乘降、快起快停等特点的CRH6城际动车组平台。“和谐号”动车组在我国特有的大运量、长交路、持续高速、环境差异大等极其复杂的运用环境下，实现了总体运行安全平稳，基本能够适应我国铁路发展对动车组的需求。

然而，“和谐号”动车组型号众多、技术平台不完全一致，日常运用中出现了不同系列车型间无法重联运行、列车无法相互救援、设备不通用、司乘人员反复培训等问题［6］。为彻底解决上述问题，从2012年起，原铁道部开始组织研制中国标准动车组。作为中国新一代高速铁路技术集大成者——“复兴号”动车组，是我国在历经“和谐号”系列动车组引进、消化、吸收、再创新之后，自主研发和制造的拥有自主知识产权的标准化、系列化动车组；是在综合我国现有各型动车组优点基础上，研制的适合我国国情、路情、各种环境的标准统一、兼容性强、可互联互通的动车组技术平台。“复兴号”动车组目前有CR400、CR300、CR200 三个系列，分别适应持续运营时速350、250、160 km。2017年9 月21 日，“复兴号”动车组（CR400型）开始在京沪高铁按时速350 km运营。“复兴号”动车组从研制成功到投入商业运营，标志着我国已全面掌握高速铁路核心技术，建立了基于自主知识产权的高速动车组技术平台和高速动车组技术标准体系，拥有了参与国际铁路市场竞争的拳头产品，对助推经济社会发展、向世界展示中国高速铁路的先进性和安全运营能力、增强中国铁路的市场竞争力和国际影响力具有划时代的意义。

随着“复兴号”动车组奔驰在祖国的大地上，为满足北京冬奥会和雄安新区建设需要，原中国铁路总公司又组织开展京张、京雄智能动车组研制。京张、京雄智能动车组是“复兴号”动车组的智能型，以现有CR400BF/AF 型“复兴号”动车组为基础，在智能化、安全舒适、绿色环保、综合节能等方面实现升级。京张、京雄智能动车组在高速动车组智能行车、智能运维、智能旅客服务的基础上，基于城际交通短交路、高客流、往返频繁等运营特点，依托5G、大数据、人工智能、区块链等新兴信息技术融合发展理念，融合5G+人脸识别、智能分析、智能视频感知的智能视频系统，打造服务于公交化城际交通的人数统计、人员辨识等公共安全平台，构建中国智慧城际交通系统。

2019年10 月，为提高“复兴号”动车组客室的乘坐体验，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）面向全社会征集“复兴号”动车组一、二等座椅和商务客室优化提升方案，期间共收到来自铁路车辆制造及配件供应企业、工业设计公司、院校及自然人的各类征集方案104 份，从动车组客室的舒适性、便捷性、私密性、经济性等方面提出了宝贵意见，其中新型客室布局方案将会在京张、京雄智能动车组上实施［7］。2019年12月30日，京张智能动车组开通体验运营。

1.1.2 城市轨道交通车辆方面

2020年3 月12 日，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，提出2020—2035年的15年发展规划，按照“1 8 1 1 ”的布局结构，即铺画1 张智慧城轨发展蓝图；创建智慧乘客服务、智能运输组织、智能能源系统、智能列车运行、智能技术装备、智能基础设施、智能运维安全和智慧网络管理8 大体系；建立1 个城轨云与大数据平台；制定1套中国智慧城轨技术标准体系。列车网络控制系统作为车辆运行大脑和列车信息的集散地，在智慧乘客服务、智能运输组织、智能列车运行、智能技术装备、智能运维安全这5 大体系都有相关的技术研究及应用。自2019年9 月北京新机场线开通以来，郑州、天津、佛山等地的城市轨道交通开始大规模规划全自动驾驶列车，从安全平台、安全功能等方面对网络控制系统提出了更高要求。

1.2 国外现状

从发达国家轨道交通发展趋势来看，高速、高效能、高能力保持、互联互通、低生命周期成本、高智能、绿色环保、系统安全等技术是轨道交通装备重要的发展方向。国际上知名轨道交通装备制造企业、运营商纷纷提出并大力推广自己的智能交通解决方案，并取得良好的应用成效。总体思路是以人为本、以高效为目标、以智能化为手段，并提出系统融合设计理念，采用车车通信或车地通信，提高车辆智能化水平，优化运营组织，提高运营效率。全自动驾驶车辆装备制造商在全球市场占领方面，庞巴迪、阿尔斯通和西门子分别为23.6%、17.5%和16.8%，均具备GoA4 等级设计能力，目前各公司的全自动驾驶车辆技术与平台已具备走向国际的实力。为了达到更加先进的技术水平，需针对全自动驾驶车辆集成化、智能化、全生命周期管理、绿色环保、检修维护简便等方面进行深入研究。

国外动车组技术发展有以下特点：一是高度重视新技术应用研究。积极开展永磁同步电机、涡流制动技术、转向架及车体轻量化技术、以太网列车控制技术、碳化硅功率器件、碳纤维材料、节能降噪技术等研究。二是各国动车组在安全监测与控制、旅客服务等方面越来越智能化，主要采用信息化手段，对动车组进行故障在线监测、状态评估、健康管理等，保证动车组安全运行，并为旅客提供智能化服务。

2 动车组智能技术发展趋势分析

2018年10 月，习近平总书记在中央政治局第九次集体学习时指出，要推动智能化信息基础设施建设，加强人工智能在教育、住房、交通等领域的深度应用。智能铁路交通是基于信息通信、大数据、云计算、物联网等技术手段，通过互联网、人工智能等新业态与铁路运输的深度融合，推动运输组织变革和系统运行效率提升，为公众提供更安全、高品质的出行服务。而智能动车组正是智能铁路装备系统中的重要一环。

动车组智能化未来的发展将主要体现在以下方面：（1）自动驾驶（ATO）功能；（2）智能监测技术，通过引入传感网、物联网等技术，实现对列车实时运行状态监测、列车关键部件健康状态监测，实现智能高速列车全生命周期状态监测；（3）智能检修技术，实现检修计划智能编制，作业过程、生产物流、应急指挥智能管理；（4）智能节能技术，通过采用能量存储技术、高效的动力集成技术和新材料，提高列车节能能力；（5）智能人车交互技术，通过引入互联网、无线技术，为旅客提供更为舒适的乘车体验；（6）数字显示技术，通过将数字化显示平台和增强现实技术引入车厢，实现列车车窗的数字化显示，为乘客和乘务人员提供更方便和逼真的资讯显示。在智能行车、智能监控、智能运维和智能服务等方面，不断综合监控技术，研发新一代智能动车组（见图1）。通过深度融合互联网、大数据、人工智能等新技术，围绕“管、用、修、服”四方面提升智能化应用水平，把列车打造成智能移动平台，构建车地一体化智能运输系统。

图1 动车组智能技术

（1）智能行车方面：实施自动驾驶技术，采用ATO 技术，并与动车组技术融合，实现动车组区间按计划自动运行，站内停车自动对标及自动开门防护。开展基于车车通信、无线集群、无线通信的全自动驾驶技术研究，明确全自动驾驶代际特征，理清车辆与信号等外部系统的职责，形成全自动驾驶功能定义、场景模式。通过自动驾驶，可有效减少司乘人员的劳动强度，同时也为进一步提升发车密度创造空间。自动驾驶技术方案见图2。

图2 自动驾驶技术方案

（2）智能监控方面：动车组应设置智能化感知系统，对动车组走行部进行振动和温度双监控，设加速度传感器，对走行部和受电弓部位进行视频监控，对列车进行全方位监测。在列车信息管理及传输方面，设高速以太网，提高列车网络数据传输能力，增强实时监测、诊断能力。开展走行部PHM 系统研发及检测能力提升，包括旋转部件故障诊断能力提升、车轮视情镟修、基于空簧压力的构架裂纹故障监测等。

（3）智能运维方面：基于大数据进行智能运维管理，以故障预测与健康管理为核心，实现关键零部件服役性能状态智能评估、故障诊断及预警报警、故障精确定位、备品备件动态预测、提供运维决策建议，为实现计划预防修向预见性维修转变提供支撑（见图3）。

图3 基于大数据的智能运维框架

结合高速无线通信、信息安全、数字孪生等技术的故障诊断和维护技术研究与应用，实现智能巡检、故障精准定位和软件远程升级、趋势分析预测等功能；开展基于边缘计算的智能传感技术研究，实现列车状态感知数据的分散预处理、智能传感的局部试验和考核验证，满足列车健康诊断的轻量化和快速反应需求；研究车辆高度自感知、自诊断、自修复的诊断和维护技术，满足车辆自动化和智能化的进一步需求。

（4）智能服务方面：实现客室灯光智能调节、卫生间灯光智能调节、车内信息分屏显示、车外信息显示、车内压力波自动控制等。

基于无触点开关、智能传感器等新型电气元件，重构电气柜内部架构组成，实现其逻辑智能控制、状态自感知和分布式数据处理，并为车辆状态全面感知和智能应用提供数据支撑。基于激光/毫米波雷达、二次雷达、视觉等技术的综合应用，研究列车前向感知和主动防护策略。研究多参变量复合传感器、无线传感网络等智能感知技术，适应车辆结构空间有限和监测指标复杂的应用环境，提升车辆监测效能。基于LCD、VR、红外、视觉等技术的快速发展，研究列车运用、检修、维护等各应用场景的人机交互设备开发应用，提升服务品质和维保效率。结合生物识别、视觉分析、人工智能等技术发展，研究列车乘客服务的技术融合应用，逐步实现多用途控制器集成设计，研究列车智能一体化视觉分析平台架构和基于边缘计算的视觉分析系统可实施技术方案。结合新冠疫情，深化无接触式乘坐技术，开展车厢空气净化、自杀菌和自动体温检测等智能化技术研究和推广应用。

（5）绿色环保方面：绿色环保是工业产品永无止境的目标。智能动车组应采用节能减排、高新复合材料、环境控制等新技术，实现整车能耗不断降低，从而降低人均百公里能耗。动车组可从头型、受电弓、转向架部位包覆等方面降低整车气动阻力；采用轻量化结构及新型复合材料设计降低整车重量；采用永磁牵引、高频辅变、变频空调、自动驾驶（ATO）、智能感光照明等新型节能技术，降低系统能耗；采用碳纤维等绿色环保新材料，降低玻璃钢等不可降解材料比例，提升绿色环保性能。

3 结论与展望

从世界轨道交通发展趋势来看，高速、高效能、高能力保持、互联互通、低生命周期成本、高智能、绿色环保、系统安全等技术是轨道交通装备的重要发展方向。通过在智能行车、智能监控、智能运维、智能服务和绿色环保等方面开展动车组智能化提升外，还应在智能装备等方面开展研究，满足日益增长的运输需求，主要研究方向有以下方面：

（1）新一代时速400 km 动车组研究。新一代时速400 km 动车组以安全可靠、节能环保、便捷舒适为宗旨，在制动、车体、转向架、牵引、高压受流等方面采用先进的技术手段，结合运用智能化技术，如支持双通道冗余能力的以太网控车技术、车载集成式运行安全综合检测及应用平台、动车组健康管理与智能运维系统、高速列车自动驾驶与智能控制技术，以及集列车广播、引导、查询、服务为一体的集成化服务平台等，实现中国高速列车技术水平与应用性能的进一步提升。

（2）新时代高速磁悬浮技术研究。磁悬浮列车作为一种新型的地面交通工具已从试验阶段走向商业运营。2002年12 月31 日在我国上海建成的世界唯一一条常导高速磁悬浮铁路商业运营示范线，运营速度430 km/h（最高试验速度已达到505 km/h）；日本LX 系列低温超导电动磁悬浮，其首条高速磁悬浮铁路——中央新干线第1 阶段（东京—名古屋）于2014年12 月17 日开工建设，预计2027年通车，预计最高运营速度505 km/h（载人最高试验速度已达到603 km/h）。此外还有美国Magplane 永磁电动磁悬浮（1∶25原理样机试验速度70 km/h）、美国Hyperloop永磁电动磁悬浮+真空管道（全尺寸原理样机试验速度387 km/h）、我国西南交通大学高温超导钉扎效应磁悬浮+真空管道（载人原理样机试验速度50 km/h，计划开展400 km/h比例试验）等。综观国内外相关技术现状，我国600 km/h 及以上高速磁悬浮系统研究应按照600 km/h 的目标速度对低真空管道高速磁悬浮交通系统开展基础研究，同时继承常导高速磁悬浮既有研究成果，突破核心关键技术，尽快完成自主知识产权高速磁悬浮系统的研发和线路试验，同步开展超导高速磁悬浮系统研究，突破失超、失磁、超导电磁辐射等系列难题，开展超导磁悬浮列车及子系统的基础理论研究。