劉長青

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

京張高鐵是2022年北京冬奧會“北京—張家口”的交通保障線，是京津冀一體化協(xié)同發(fā)展的經(jīng)濟服務線，是我國高鐵建設成就的創(chuàng)新示范線。為保障2022年冬奧會期間京張高鐵運營的特殊需求，貫徹“綠色、共享、開放、廉潔”的辦奧理念，展示中國良好形象，通過研發(fā)中國高鐵智能型動車組1.0，適應京張高鐵高寒冷、山區(qū)、橋隧多、風沙大等氣候環(huán)境的“奧運專列”，充分展現(xiàn)我國高鐵技術的先進性和成熟性，引領高速列車技術發(fā)展方向，展現(xiàn)我國高鐵創(chuàng)新能力，將具有重大的現(xiàn)實意義和歷史意義。

1 國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 國外現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家已積極開展智能化鐵路技術研究，并取得初步成果。日本2000年提出智能運輸系統(tǒng)（CyberRail）研發(fā)計劃，通過強大的信息服務功能，實現(xiàn)鐵路運輸方式與其他運輸方式的無接縫、無障礙的銜接和運輸。2015年法國國家鐵路公司提出數(shù)字化法鐵（DIGITALSNCF）戰(zhàn)略，通過加強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設，構建連通列車、路網(wǎng)和站房的三大區(qū)域網(wǎng)絡，一方面實現(xiàn)對安全運輸、生產效率、能源經(jīng)濟、工作質量等的追求，另一方面滿足旅客對準點率和舒適度的需求[1]。2016年德鐵與德國聯(lián)邦交通部、德國鐵路工業(yè)聯(lián)合會聯(lián)合簽署合作協(xié)議“鐵路數(shù)字化戰(zhàn)略”（鐵路4.0）[2]，包括運輸4.0、物流4.0、基礎設施4.0、信息技術4.0等8方面舉措，旨在實現(xiàn)智能化運營系統(tǒng)，形成以客戶為中心的服務體系等目標。2018年英國為了布局數(shù)字鐵路未來規(guī)劃，制定了數(shù)字鐵路戰(zhàn)略（Digital Railway Strategy）[3]，在列車運行控制、自動駕駛、交通管理與可靠性、移動通信數(shù)據(jù)互聯(lián)、智能基礎設施等領域布局，提出了數(shù)字化鐵路三階段發(fā)展藍圖。

1.2 我國現(xiàn)狀

我國高速動車組經(jīng)歷了自主探索、引進消化吸收再創(chuàng)新、深化創(chuàng)新和自主創(chuàng)新4個階段的技術發(fā)展歷程，成功研制了具有完全自主知識產權的“復興號”動車組。通過研發(fā)TCN+以太網(wǎng)雙重冗余設計的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)任意子系統(tǒng)的健康管理及全方位監(jiān)控和故障診斷，全面提升了動車組智能化水平。

1.3 國內外發(fā)展趨勢分析

（1）自動駕駛技術（ATO）：我國自動駕駛技術主要應用于地鐵列車，高速動車組應用還是空白，開展ATO自動駕駛設備系統(tǒng)集成、車輛接口、控制邏輯匹配等關鍵技術研究，將為高速動車組無人值守自動駕駛提供技術儲備。

（2）智能控制策略：澳大利亞、美國對列車運行節(jié)能操縱策略進行了研究；我國的西南交通大學基于高速列車最小能耗計算模型研究了制動利用率對節(jié)能操作策略的影響，北京交通大學對列車能耗模型進行了研究。

（3）綜合節(jié)能：法國、日本對高速列車減阻進行了大量研究。AGV-V150車頭采用碳纖維/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂泡沫夾芯結構，較鋁制車頭減重25%；川崎重工下一代轉向架構架采用碳纖維復合材料，較傳統(tǒng)鋼制構架減重40%。我國已開始研究降低高速列車重量的復合材料，并通過空氣動力學性能研究降低空氣阻力。

（4）列車安全：國內外均積極開展高速列車狀態(tài)實時監(jiān)測、在途預警技術研究、安全裝備的研制。

2 京張高鐵智能動車組主要創(chuàng)新點

2.1 智能化

京張高鐵智能動車組在4個方面利用智能化技術與既有動車組技術結合，實現(xiàn)自感知、自診斷、自決策、自適應在廣度和深度上的進一步提升，實現(xiàn)自動及協(xié)同運行。

利用智能傳感技術、物聯(lián)網(wǎng)、天線雷達、AI識別技術、二維碼等多維度現(xiàn)代電子監(jiān)測感知手段，進一步加深對動車組自身狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)等不同層次、維度的狀態(tài)監(jiān)測，增加了列車自感知的廣度和精度。

通過對大數(shù)據(jù)的融合集成、存儲管理、挖掘處理，同時利用智能化技術的定制化、集成化、流程化、一體化（四化）的運用，進一步優(yōu)化控制策略，實現(xiàn)動車組自動駕駛、故障導向安全、突發(fā)及災害應對、車輛運營秩序調度等業(yè)務過程中自診斷、自決策的可控性與可管理性。

利用工業(yè)以太網(wǎng)、車地數(shù)據(jù)傳輸、圖像識別、語音識別、信息顯示、大數(shù)據(jù)、移動應用、身份驗證、智能環(huán)境調節(jié)、多元化信息服務、在線支付等技術，實現(xiàn)動車組運行過程可觀測、可表達和可理解，提高系統(tǒng)的自適應性。

利用多網(wǎng)融合、導航及定位、高速大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g，實現(xiàn)車-車、車-地及車與其他交通方式的互聯(lián)互通，實現(xiàn)自動及協(xié)同運行。

（1）在智能行車方面，首次實現(xiàn)時速350 km的有人值守自動駕駛，采用CTCS-3+ATO技術，停車精度可控制在0.5 m以內，自動速度控制功能精度在2 km/h以內，減輕司機40%的壓力，大幅提高運行效率。列車通過車載傳感器、雷達、天線等設備對環(huán)境信息（地理位置、線路信息等）和車輛狀態(tài)進行采集與處理，并與動車組技術融合，同時在滿足安全性、穩(wěn)定性和舒適性的目的下進行算法預設，結合線路限速要求等進行決策判斷，實現(xiàn)車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動打開、車門/站臺門聯(lián)動控制。自動駕駛接口關系見圖1。

圖1 自動駕駛接口關系

（2）在智能服務方面，主要從3個方面進行智能化提升：①智能環(huán)境調節(jié)，利用智能環(huán)境感知調節(jié)技術，從溫度調節(jié)、燈光智能調節(jié)、人機工程學、車內噪聲控制、壓力波調節(jié)、變色車窗、資源配置優(yōu)化等方面實現(xiàn)旅客視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等方面感官舒適度的提升。②智能信息推送，首次在動車組上實現(xiàn)電視分屏顯示，實現(xiàn)電子地圖和旅游信息、行車信息（到站、離站、途中）直觀推送；LCD外顯，座位號提示；車-地視頻、語音信息回傳等業(yè)務，提高信息服務精準度及效率。③智能便民服務，通過智能點餐、Wi-Fi增值業(yè)務服務，為用戶拓展無限乘車體驗空間（見圖2—圖4）。

圖2 壓力波控制原理

圖3 電視分屏顯示

圖4 LCD外顯

（3）在智能運維方面，整車傳感器數(shù)量增加10%，監(jiān)控點多達2718個。綜合自感知數(shù)據(jù)，結合動車組主機企業(yè)、運用部門、零部件供應商之間實現(xiàn)研發(fā)數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、履歷數(shù)據(jù)交互與共享。利用大數(shù)據(jù)技術、監(jiān)測及分析技術、大容量車-地傳輸技術等為用戶提供關鍵零部件的健康評估、故障狀態(tài)預警預測、關鍵故障精確定位、檢修建議策略高效推送、備品備件庫存智能建議及更換提醒、列車健康狀態(tài)及全面監(jiān)控，提高車輛安全性和檢修效率、降低維修成本，滿足動車組全生命周期管理需求，實現(xiàn)列車服役性能由閾值管理向狀態(tài)管理的提升。車載故障預測與健康管理（PHM）系統(tǒng)見圖5。

圖5 車載PHM系統(tǒng)

2.2 安全可靠

在走行部增加160個振動、溫度復合傳感器，實現(xiàn)軸承、齒輪箱、牽引電機等零部件失效模式的精確判斷，保證行車安全（見圖6、圖7）；車內采用視頻組網(wǎng)設計，實時準確掌握車廂內旅客動態(tài)、環(huán)境狀態(tài)，全面提高車內反恐、防暴能力。同時實現(xiàn)火災與視頻聯(lián)動，進一步確保旅客行車安全。實現(xiàn)多監(jiān)測系統(tǒng)集成，綜合處理診斷、統(tǒng)一存儲、顯示、發(fā)送，完成由單部件、單車級安全監(jiān)測到多系統(tǒng)、整車級、交互監(jiān)測的提升。

2.3 節(jié)能環(huán)保

通過低阻力流線型車頭設計及空氣動力學優(yōu)化減小氣動阻力，能耗相應降低5%；通過輕量化設計，能耗相應降低2%，整車綜合節(jié)能約7%。化工品、零部件選用環(huán)保材料，內裝材料可回收率達75%，其中可降解材料占比50%以上；通過優(yōu)化結構、提升密封性能，車內外噪聲總體指標降低1～2 dB；采用灰水再利用技術，節(jié)約凈水消耗，節(jié)水率超過10%，減少污染排放。以京滬高鐵為例，每年可節(jié)約用水8萬L。

2.4 運用適應性

采用經(jīng)長期驗證的CRH380BG型動車組成熟的高寒技術，適應-40 ℃高寒運用環(huán)境；牽引、制動系統(tǒng)性能提升，適應30‰坡道起動和安全停放，滿足山區(qū)環(huán)境運用需求；新增動力電池系統(tǒng)，在高壓發(fā)生供電故障時，以30 km/h速度能夠走行20 km，具備在京張高鐵任何1個區(qū)間發(fā)生供電故障時應急走行至就近車站的能力。

圖6 動車轉向架新增傳感器

圖7 拖車轉向架新增傳感器

2.5 奧運服務

通過外觀涂裝及內飾色彩搭配展示奧運主題和中國元素；綜合考慮旅客、冬奧注冊人群、殘障人士等多樣性乘坐需求，設置滑雪器材存放處、興奮劑樣本存放處、媒體工作區(qū)（見圖8）、無障礙設備設施等，滿足奧運期間需求。

圖8 媒體工作區(qū)

3 結束語

京張高鐵智能動車組集合了中國元素、奧運元素和京張元素，首次采用智能行車、智能運維、智能服務等先進技術，將推進我國高鐵向智能化方向升級，塑造“安全、可靠、綠色、智能、高顏值”的中國高鐵新形象。