鄧 海 張國芹 張 巖 王樹賓 王 超

(1.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；2．中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司機車車輛研究所， 100081， 北京；3.中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部， 130062， 長春∥第一作者， 正高級工程師)

隨著信息化發(fā)展步伐的加快，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能化技術(shù)得到了普遍發(fā)展，全球各大領(lǐng)域均在推行數(shù)字化和智慧化發(fā)展戰(zhàn)略。中國高鐵的智能化發(fā)展將作為智慧城市及智慧國家發(fā)展的有力支撐。文獻[1]表示中國智能化高鐵將采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、5G(第五代移動通信) 、人工智能等先進技術(shù)，通過新一代信息技術(shù)與高鐵技術(shù)的集成融合，實現(xiàn)高鐵建造智能化、裝備智能化、運營技術(shù)智能化水平的全面提升，使高鐵運營更加安全高效、綠色環(huán)保、便捷舒適。

京張高鐵及京熊高鐵智能化動車組的研制，實現(xiàn)了高速動車組的自動駕駛，同時為旅客提供了更加便捷的智能化服務(wù)。動車組采用基于PHM(比例故障率模型)的智能化運維，推動了我國高鐵綜合技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)領(lǐng)跑世界。高速動車組智能化升級是下一代高速動車組發(fā)展的重要目標。

1 國內(nèi)外高速動車組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外下一代高速動車組發(fā)展現(xiàn)狀

1.1.1 日本下一代高速動車組ALFA-X

日本下一代高速動車組ALFA-X(見圖1)為10輛編組[2]，其主要創(chuàng)新點如下：

1) 配備車載地震預(yù)警系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)及防脫軌系統(tǒng)。

2) 車體具有高耐寒、高耐雪等特性。同時搭載晃車阻尼器，實現(xiàn)車內(nèi)空間晃車振動小、噪聲低。

3) 通過研發(fā)新技術(shù)來抑制車底和受電弓噪聲，更好地實現(xiàn)節(jié)能減排效果。

4) 利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，優(yōu)化了列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)，提高了動車組的維修性。日本下一代高速動車組ALFA-X 實施狀態(tài)修示意見圖2。

a) ALFA-X 1號車

圖2 日本下一代高速動車組ALFA-X實施狀態(tài)修示意圖Fig.2 Schematic diagram of implement condition based maintenance for ALFA-X, next generation high-speed EMU of Japan

1.1.2 法國下一代高速動車組Avelia Horizon

Avelia Horizon是SNCF(法國國營鐵路公司)與阿爾斯通公司合作研發(fā)的第5代TGV雙層動車組,見圖3。該動車組有著現(xiàn)代化的旅客服務(wù)系統(tǒng)，具有載客量大、運營維護成本低、環(huán)境友好、可靠性高等特點。除此之外，碳纖維材料、SiC(碳化硅)材料及永磁技術(shù)有望在該動車組上得到應(yīng)用。

圖3 法國下一代高速動車組Avelia HorizonFig.3 Avelia Horizon, next generation high-speed EMU of France

法國下一代高速動車組研制的量化目標為：

1) 降低建設(shè)與運行成本至少20%。

2) 材料循環(huán)利用率提升到90%。

3) 能源消耗降低至少25%。

4) 載客能力提升20%。

5) 大幅降低維修成本。

6) 列車內(nèi)飾采用模塊化設(shè)計，同時改善車輛服務(wù)設(shè)施，提升旅客的乘車便利性。

除此之外，在智能化方面引入更先進的故障分析微機系統(tǒng)。

1.1.3 德國下一代高速動車組ICE4

德國下一代高速動車組的總體目標為：降低生命周期成本，滿足嚴格的安全要求，提高與其他運輸模式的競爭能力，以及滿足乘客對舒適性期望等。西門子股份公司開發(fā)了基于實時以太網(wǎng)的可靈活編組的動車組ICE4，其主要技術(shù)創(chuàng)新如下：

1) 基于模塊化的設(shè)計理念，動車組集成各類驅(qū)動技術(shù)，可自成一體，靈活連掛，支持5～14節(jié)靈活編組。

2) 配備Sibas PN控制系統(tǒng)與ETB(列車級交換機)+Profinet(新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動化總線標準)的兩級實時以太網(wǎng)列車總線，傳輸速率均達100 Mbit/s。

3) 輕量化的轉(zhuǎn)向架(質(zhì)量降低5%)。

4) 座位數(shù)增加87個。

5) 降低能耗20%。

1.2 我國高速智能化動車組發(fā)展概況

1.2.1 復(fù)興號動車組

復(fù)興號動車組(見圖4)的研發(fā)適合中國的國情，全面提升了動車組設(shè)計、軟件開發(fā)、制造技術(shù)的現(xiàn)代化水平,實現(xiàn)了我國高鐵動車組自主化、標準化和系列化，以及動車組由中國制造到中國創(chuàng)造的跨越。復(fù)興號動車組是由中國國家鐵路集團有限公司牽頭組織研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、達到世界先進水平的動車組。該動車組運行總能耗較CRH380型動車組下降了約10%，是世界上首次實現(xiàn)時速350 km運營的動車組。

圖4 復(fù)興號動車組Fig.4 Fuxing EMU of China

復(fù)興號動車組具有以下特點：

1) 列車級控制網(wǎng)絡(luò)基于TCN(全生命周期管理)+百兆工業(yè)以太網(wǎng)總線，實現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)、故障信息的實時監(jiān)視、診斷分析、存儲及下載等功能。

2) 增強了列車監(jiān)測、診斷和控制范圍。全列共有1 500個傳感器及2 500個監(jiān)測點，可實現(xiàn)動車組運行狀態(tài)感知、監(jiān)測、診斷、報警及自動控車。

3) 4G(第四代移動通信)車-地數(shù)據(jù)傳輸。采用WLAN(無線局域網(wǎng))設(shè)備、以太網(wǎng)單點維護、故障自動識別等技術(shù)手段提高了動車組的運用檢修效率。

4) 實現(xiàn)96項零部件統(tǒng)型，統(tǒng)一修程修制。

5) 車載設(shè)備監(jiān)測主要由單獨的系統(tǒng)或者部件完成，對大量數(shù)據(jù)綜合利用處理的判斷還存在提升空間。

1.2.2 京張高鐵智能化動車組

在復(fù)興號動車組的基礎(chǔ)上，為適應(yīng)京張高鐵高寒冷、多山區(qū)、多橋隧、大風(fēng)沙等環(huán)境特點，以及滿足奧運服務(wù)需求，研發(fā)了中國高鐵智能型動車組1.0(見圖5)。從動車組運營的多主體需求出發(fā)，在行車、運維、服務(wù)等3方面開展了智能化提升。

1) 行車方面：在世界上首次實現(xiàn)了時速350 km有人值守的自動駕駛功能；采用流線型低阻力車頭，實現(xiàn)了列車氣動阻力系數(shù)減少約9%；具備30‰坡道牽引及制動能力；采用地震預(yù)警系統(tǒng)，提高了鐵路線路運行安全保障；設(shè)置安全監(jiān)控系統(tǒng)，增加160個振動和溫度復(fù)合傳感器，整車安全監(jiān)控由單部件、單車級的安全監(jiān)控提升至多系統(tǒng)、整車級的交互監(jiān)控。

2) 服務(wù)方面：5G技術(shù)實現(xiàn)了車輛娛樂系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸智能化提升；采用變頻空調(diào)、灰水再利用系統(tǒng)、直飲水、車身輕量化、環(huán)保節(jié)能材料及可回收材料等，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保；設(shè)置機械師室和乘務(wù)員室集成屏，實現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一顯示與集中挖掘，使得作業(yè)智能化水平進一步提高；主動降噪技術(shù)、壓力波自動調(diào)節(jié)及變色車窗提升了動車組的感官舒適度；首次實現(xiàn)站車一體化服務(wù)的提升轉(zhuǎn)型，以及站車信息的進一步交互，確保旅客服務(wù)信息貫穿覆蓋全過程；全包圍商務(wù)坐席提高了動車組的私密性。

圖5 京張高鐵智能化動車組Fig.5 Beijing—Zhangjiakou intelligent high-speed EMU

3) 運維方面：采用故障診斷及預(yù)警報警、故障精確定位、備品備件動態(tài)預(yù)測等技術(shù)，同時提供運維決策建議，實現(xiàn)列車服役性能由閾值管理向狀態(tài)管理的提升。

2 下一代高速智能化動車組研究目的及意義

2.1 運行更安全節(jié)能

面向廣域服役環(huán)境以及復(fù)雜載荷工況，現(xiàn)有動車組技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了應(yīng)急自走行、牽引和制動等技術(shù)的研發(fā)，這直接影響到動車組關(guān)鍵系統(tǒng)及其部件的自動動態(tài)監(jiān)控、監(jiān)控及預(yù)警。

隨著動車組網(wǎng)聯(lián)化程度的提高，智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、射頻識別等多維度現(xiàn)代電子監(jiān)測感知手段，在車-車、車-地互聯(lián)模式中越來越多地參與車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、分析與交互。同步利用信息技術(shù)融合應(yīng)用及統(tǒng)一挖掘，進一步加深對動車組自身狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)及運行數(shù)據(jù)等不同層次、維度的狀態(tài)監(jiān)測；綜合智能化診斷，增加了列車自感知的廣度和故障定位的精度,進而實現(xiàn)風(fēng)險隱患自動排查、事故主動預(yù)防及故障快速處置，提高了列車運行平穩(wěn)性和安全保障，提高了自動駕駛等級，進一步適應(yīng)高速運行模式，確保動車組運營秩序。

通過大系統(tǒng)統(tǒng)籌及多目標均衡綜合節(jié)能技術(shù)，在行車技術(shù)水平提高的基礎(chǔ)上可進一步實現(xiàn)車輛綜合節(jié)能。

2.2 出行更便捷高效

以用戶需求為導(dǎo)向，利用大數(shù)據(jù)、移動應(yīng)用、身份驗證、智能化環(huán)境調(diào)節(jié)、多元化信息服務(wù)、在線支付等技術(shù)，通過服務(wù)層次的多元化及服務(wù)精準度的提升，提高動車組對旅客服務(wù)需求的可滿足性與服務(wù)品質(zhì)，滿足旅客在途與列車、外界及鐵路客運服務(wù)平臺之間的信息交互需求。

基于人因工程、智能化環(huán)境感知調(diào)節(jié)技術(shù)，以及智能化的友好型界面技術(shù)，可實現(xiàn)燈光、空氣質(zhì)量、噪聲等旅客界面的智能化控制，以及實現(xiàn)旅客視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官舒適度的提升?？蔀檫\營部門提供更精準的車輛狀態(tài)展示及服務(wù)推送，以提高服務(wù)的精準度及無干擾水平。

2.3 檢修更精準

以“狀態(tài)修”和“預(yù)測修”為目標，通過大數(shù)據(jù)的積累及設(shè)備劣化機理的掌握，提升車載設(shè)備精細化管理水平，準確預(yù)判設(shè)備維修時間和內(nèi)容，以降低設(shè)備運維成本，精準推送維修建議及指導(dǎo)，最終實現(xiàn)動車組全壽命周期的智能化提升。

3 下一代高速智能化動車組研發(fā)思路及構(gòu)想

3.1 下一代高速智能化動車組的主要特征

3.1.1 更智能

廣泛應(yīng)用智能技術(shù)與動車組技術(shù)的融合，通過系統(tǒng)集成、融合挖掘、集中展示、車地交互等手段，使下一代動車組更加智能化，具備可測、可視、可控、可響應(yīng)、可互聯(lián)等5個維度的核心特征，以滿足動車組運行智能化、運維智能化、在途服務(wù)智能化、在途安全保障智能化等需求。

3.1.2 更安全

通過開展主動/被動安全結(jié)構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)域安全規(guī)劃及防護設(shè)計、系統(tǒng)融合狀態(tài)管控來實現(xiàn)車輛泛在安全設(shè)計的提升。

3.1.3 更節(jié)能

深入開展新能源、新材料、輕量化結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)節(jié)能控制及大系統(tǒng)協(xié)同控制等技術(shù)研究，進一步提升環(huán)保性指標。采用多目標均衡綜合節(jié)能技術(shù)，動車組整車能耗可減少10%～15%。

3.1.4 更經(jīng)濟

深入開展智能化技術(shù)研究及應(yīng)用，提升PHM(故障預(yù)測與健康管理)技術(shù)水平，實現(xiàn)自診斷、自決策、自感知，同時不斷提高狀態(tài)修、經(jīng)濟修技術(shù)，使下一代高速動車組具有更好的經(jīng)濟性，力爭其全壽命周期成本降低10%～15%，車輛可用性提升5%～10%。

3.1.5 更舒適

通過改善動車組的乘坐環(huán)境及列車運行平穩(wěn)性，提高旅客乘坐舒適性。車內(nèi)噪聲可降低3～5 dB，運行平穩(wěn)性(舒適性)指標可提升10%。

3.1.6 更友好

基于人因工程以及智能化的友好型界面技術(shù)，實現(xiàn)燈光、空氣質(zhì)量等旅客界面的智能化控制，提升旅客乘坐體驗；但需在操作、乘坐、維保、駕駛等人機環(huán)境的安全性、舒適性、可靠性及可操作性方面作進一步提升。

3.2 下一代高速智能化動車組的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 以太網(wǎng)技術(shù)

開展高鐵車載實時以太網(wǎng)技術(shù)研究，依靠以太網(wǎng)更快的傳輸帶寬和分布式系統(tǒng)特性，可以使列車具有更好的控制性能和更可靠的數(shù)據(jù)傳輸。如何確保系統(tǒng)的可靠性和安全性是以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用必須解決的問題。

3.2.2 大容量車地傳輸技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)能力在智能化動車組的發(fā)展過程中起到了至關(guān)重要的作用。推進5G技術(shù)車載開發(fā)的應(yīng)用，推動云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)在動車組上落地，使得動車組與萬物泛在互聯(lián)成為可能。

3.2.3 智能化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

進一步提升RFID(射頻識別)、激光掃描器、生物特征識別、智能傳感器、衛(wèi)星空間定位等信息感知設(shè)備的應(yīng)用價值，通過車-車以及擴大的車-地之間的車載設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息交換和通信，以及列車范圍內(nèi)外廣泛對象的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

3.2.4 自動駕駛技術(shù)及輔助駕駛技術(shù)

高速動車組的自動駕駛既是我國高鐵技術(shù)發(fā)展，以及確立我國高鐵整體技術(shù)水平國際地位的需要，也是智能化高鐵系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著下一代通信技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用，需進一步探討高鐵無人駕駛功能需考慮的因素、節(jié)能駕駛策略，以及動車組在復(fù)雜駕駛條件下的運行安全[3]。

3.2.5 旅客在途智能化服務(wù)技術(shù)

利用APP(應(yīng)用軟件)、車內(nèi)信息顯示、電視分屏等多元服務(wù)手段、信息交互融合技術(shù)實現(xiàn)旅客信息的精準推送；利用車載視屏聯(lián)網(wǎng)、文字語音轉(zhuǎn)換技術(shù)、車地數(shù)據(jù)傳輸交互技術(shù)等進一步提高服務(wù)效率和質(zhì)量。同時推進Wi-Fi(無線網(wǎng)絡(luò))數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)拓展，推進人工智能技術(shù)車載化的發(fā)展。通過增加環(huán)境狀態(tài)的感知測點、優(yōu)化細化控制策略實現(xiàn)對空氣環(huán)境、燈光光線等客室環(huán)境的精確調(diào)控。

3.2.6 智能化運維技術(shù)

結(jié)合我國高鐵的運營特點和新型維修服務(wù)需求，以“預(yù)測維護”為目標，在車輛上增加車載故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，利用先進的定位識別技術(shù)，配合地面運維系統(tǒng)，通過動車組在途狀態(tài)實時與歷史數(shù)據(jù)的對比，基于大數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)實現(xiàn)對高速動車組運行狀態(tài)的安全評估，以及服役性能監(jiān)測、預(yù)警及預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，提供并優(yōu)化維修決策和維修保障手段，及早發(fā)現(xiàn)和處理動車組故障，實現(xiàn)列車故障預(yù)警報警、故障精確定位、運維決策建議、修程修志優(yōu)化及預(yù)測性維修[9]。

3.2.7 系統(tǒng)集成融合技術(shù)

高速動車組是一個耦合大系統(tǒng)，涉及到多學(xué)科的交叉研究內(nèi)容。該系統(tǒng)集成融合技術(shù)在動車組設(shè)計中落地，主要考慮2個方面：一是智能化信息技術(shù)與動車組技術(shù)融合;二是動車組上各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和融合，以及實現(xiàn)車-車、車-地業(yè)務(wù)一體化發(fā)展需求之間的數(shù)據(jù)共享和融合。

4 我國下一代高速智能化動車組設(shè)計技術(shù)展望

根據(jù)對國外下一代高速動車組的調(diào)研，基于我國高速動車組發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵智能技術(shù)研究，下一代高速智能化動車組將在更智能、更節(jié)能、更安全、更經(jīng)濟、更舒適、更友好等方面進行提升。

4.1 下一代高速智能化動車組技術(shù)平臺建設(shè)

基于多目標、多學(xué)科的高速動車組優(yōu)化設(shè)計環(huán)境，基于互聯(lián)互通、大系統(tǒng)共融及業(yè)務(wù)一體化發(fā)展需求，發(fā)展具有代際特征的中國標準動車組設(shè)計體系，豐富和完善智能化動車組的設(shè)計標準，完成下一代智能化高速動車組平臺建設(shè)。

4.2 大數(shù)據(jù)構(gòu)架下全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)創(chuàng)新

基于大數(shù)據(jù)的分析融合，帶動智能化設(shè)計、智能化制造、智能化配套、智能化管理等全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)創(chuàng)新，尤其是在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、材料應(yīng)用創(chuàng)新、控制技術(shù)創(chuàng)新等方面將有進一步的突破提升。