楊 姝 王淑敏

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部, 130062, 長春；2. 北京集慧智佳知識產(chǎn)權(quán)管理咨詢股份有限公司， 100089， 北京∥第一作者，正高級工程師)

軌道交通車輛安全是軌道交通系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)，列車脫軌、火災(zāi)、碰撞等事故都會造成重大損失，嚴(yán)重時將造成人員傷亡，因此，軌道交通車輛安全技術(shù)一直受到各國重視。西門子股份公司、阿爾斯通公司、 株式會社日立制作所等企業(yè)在軌道交通車輛安全技術(shù)方面都做出了重大創(chuàng)新研究。本文通過專利分析，研究國內(nèi)外軌道交通車輛先進(jìn)公司在軌道交通車輛安全技術(shù)方面的最新技術(shù)，以期了解國內(nèi)外軌道交通安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為國內(nèi)的軌道交通車輛安全技術(shù)發(fā)展提供參考和借鑒。

1 國內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)軌道交通車輛安全技術(shù)專利統(tǒng)計

軌道交通車輛安全技術(shù)指的是保障列車運(yùn)行安全性、制動安全性、結(jié)構(gòu)安全性和防火安全性的技術(shù)。本文以2016—2020年Derwent Innovation Index(德溫特創(chuàng)新索引)和Incopat(合享全球?qū)＠墨I(xiàn)數(shù)據(jù)庫)中獲得的專利文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為依托，對國內(nèi)外軌道交通車輛領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)及研究單位近5年申請的專利進(jìn)行了檢索和分析，共檢索出與安全技術(shù)相關(guān)的專利2 175件，具體如圖1所示。由圖1可見，西門子股份公司在軌道交通車輛安全技術(shù)方面的創(chuàng)新技術(shù)最多， 株式會社日立制作所其次。

圖1 國內(nèi)外領(lǐng)先企業(yè)近5年軌道交通安全技術(shù)專利統(tǒng)計Fig.1 Statistics of rail transit safety technology patents of domestic and foreign leading companies in recent 5 years

2 國外領(lǐng)先企業(yè)軌道交通車輛安全技術(shù)專利布局及技術(shù)分析

2.1 國外領(lǐng)先企業(yè)軌道交通車輛安全技術(shù)專利布局

根據(jù)近5年軌道交通車輛安全技術(shù)專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國外領(lǐng)先企業(yè)在軌道交通車輛安全技術(shù)的專利布局整體較多。如圖2所示，排名第1位的西門子股份公司在軌道交通車輛的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、車體、車門安全、蓄電池、高壓系統(tǒng)及制動系統(tǒng)等方面均提出了安全防范措施；排名第2位的株式會社日立制作所則從采用應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)防火災(zāi)、車體防碰撞、內(nèi)裝材料、健康監(jiān)測、安全制動及轉(zhuǎn)向架等方面做出了技術(shù)創(chuàng)新；排名第3位的阿爾斯通公司則將軌道交通車輛安全技術(shù)專注于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(健康監(jiān)控)、安全制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架及牽引系統(tǒng)等方面。

a) 西門子股份公司

2.2 國外領(lǐng)先機(jī)構(gòu)軌道交通車輛安全技術(shù)專利技術(shù)分析

軌道交通車輛安全的核心技術(shù)是指為保證軌道交通車輛的運(yùn)行安全，對軌道交通裝備故障進(jìn)行預(yù)測與健康管理的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)可實現(xiàn)對軌道交通車輛中關(guān)鍵部件服役狀態(tài)的實時安全監(jiān)控，為關(guān)鍵部件的故障預(yù)測、健康評估、壽命預(yù)測及維修決策等提供數(shù)據(jù)支撐。本文重點(diǎn)對3家領(lǐng)先企業(yè)在軌道交通車輛安全技術(shù)層面的專利開展了研究。

2.2.1 西門子股份公司車輛故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

2.2.1.1 轉(zhuǎn)向架監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種通過在各車廂轉(zhuǎn)向架設(shè)置傳感器來監(jiān)測和診斷各車廂運(yùn)行狀態(tài)的方法。

文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種檢測車輛脫軌的引導(dǎo)系統(tǒng)。該引導(dǎo)系統(tǒng)通過與軌道的軌頭相互作用判斷車輛是否處于正常狀態(tài)，并在發(fā)生脫軌時觸發(fā)警報系統(tǒng)，促使車輛安全制動。

文獻(xiàn)[3]提出了一種診斷軌道交通車輛車輪狀態(tài)的方法。為了計算車輪的實際磨損值，測量系統(tǒng)按照預(yù)定時間間隔對車輪進(jìn)行監(jiān)測，通過計算模型評估車輪的實際磨損值與初始磨損值，計算車輛的負(fù)載情況，并及時作出預(yù)警。該技術(shù)的有益效果是監(jiān)控車輪的安全狀態(tài)，提升車輛運(yùn)行安全性。

2.2.1.2 煙霧監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種具有軌道交通車輛吸氣式煙霧探測器。該煙霧探測器經(jīng)由管路與具有限定開口橫截面的吸氣端件連接，以用于提取空氣樣本。

文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種包含冗余檢測器的煙霧探測組件，該煙霧探測組件設(shè)置兩個相同的橫向并排的煙霧探測器，并通過合理的布局減小探測組件的尺寸及質(zhì)量，同時提高檢測效果。

2.2.1.3 電氣系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[6]涉及牽引電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，當(dāng)牽引電機(jī)的繞組被加熱時，部分繞組材料至少部分與自身分離。這樣即使未檢測到初步繞組材料短路，也可以通過氣體傳感器系統(tǒng)進(jìn)行感知。

文獻(xiàn)[7]研發(fā)了一種用于監(jiān)測鐵路車輛集電故障的設(shè)備。該設(shè)備中，每個機(jī)架包括左、右2個集電體，且在其中的通用電氣線路之間引導(dǎo)集流器和車體母線中相應(yīng)的金屬導(dǎo)板。當(dāng)其中一個金屬導(dǎo)板某個時刻的溫度超過確定值時，信號是否輸出，以及底盤是否受故障影響，是由金屬導(dǎo)板的溫度是否受機(jī)箱溫度升高的影響來確定的。

2.2.1.4 車輛整體狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[8]研究了一種車輛定位的方法，通過檢測接收行駛中車輛及相同線路上其他車輛的反射雷達(dá)信號，確定行駛車輛之間的距離及車速；同時對兩車進(jìn)行定位，使車輛行駛速度得以匹配。

文獻(xiàn)[9]通過在軌道交通車輛上設(shè)置的多個傳感器，檢測并獲取車輛磨損特征變量，從而確定車輛驅(qū)動行駛期間的磨損參數(shù)，以此來評價車輛的運(yùn)行狀態(tài)，保證車輛正常行駛。

2.2.2 株式會社日立制作所車輛故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

2.2.2.1 火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[10]提出了一種快速、準(zhǔn)確地檢測蓄電池火災(zāi)的方法。該項技術(shù)中，控制單元可監(jiān)測包括多個存儲單元的蓄電池單元的狀態(tài)；控制充電/放電的電池單元具有監(jiān)視多個蓄電池單元的溫度狀態(tài)，以及確定多個蓄電池單元之間溫度差的功能。若檢測到蓄電池單元的溫度等于或高于第一閾值，則控制單元將斷開與該單元串聯(lián)線路的斷路器。

2.2.2.2 車輛傳感器監(jiān)測技術(shù)

文獻(xiàn)[11]研發(fā)了一種鐵路車輛異常的檢測裝置。在軌道車輛和軌道分別設(shè)置檢測器，檢測運(yùn)行數(shù)據(jù)和振動數(shù)據(jù)，并由數(shù)據(jù)分析部門分析車輛行駛是否正常。

2.2.3 阿爾斯通公司車輛故障預(yù)測與健康管理技術(shù)

阿爾斯通公司對障礙物及電氣系統(tǒng)的監(jiān)測做出了突出的貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[12]設(shè)計了一種軌道交通車輛，其前端設(shè)有防撞裝置與障礙物的檢測裝置。當(dāng)檢測到車輛前方出現(xiàn)沖擊或存在障礙物時，防撞裝置的翻板即可打開。這樣，無論行人位于車輛的前方還是側(cè)方，本發(fā)明均能起到保護(hù)行人的作用。

文獻(xiàn)[13]設(shè)計了一種監(jiān)測鐵路供電狀況的裝置。

文獻(xiàn)[14]研發(fā)了一種用于檢測鐵路車輛上障礙物或脫軌的裝置，通過該檢測裝置上的傳感器至少從2個方向?qū)σ苿訖M梁的偏移及光束的移動進(jìn)行檢測，判斷車輛旁是否有障礙物或者存在脫軌危險等，確保車輛行駛過程中的安全性。

文獻(xiàn)[15]設(shè)計了一種對地面供電設(shè)施和沿線軌道車輛與接觸網(wǎng)之間接觸故障的預(yù)防性探傷方法及故障診斷方法，能夠有效預(yù)防接觸供電故障及供電設(shè)施與車輛接觸器件的磨損狀態(tài)。

3 國內(nèi)領(lǐng)先企業(yè)軌道交通車輛安全技術(shù)專利布局分析

國內(nèi)軌道交通車輛安全技術(shù)，特別是故障預(yù)測與健康管理技術(shù)發(fā)展相對較晚，但也在迅速的發(fā)展中。以中國中車股份有限公司(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司等)為代表的企業(yè)，以及北京交通大學(xué)、西南交通大學(xué)等科研院校在技術(shù)發(fā)展中取得了眾多突破和創(chuàng)新。

3.1 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司軌道交通車輛安全技術(shù)

3.1.1 照明系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

文獻(xiàn)[16]提出一種軌道交通車輛照明系統(tǒng)的故障診斷方法。該方法通過檢測電路來檢測照明系統(tǒng)故障的運(yùn)行狀態(tài)。在檢測到照明系統(tǒng)中任意模塊的運(yùn)行狀態(tài)為故障的情況下，獲取故障數(shù)據(jù)；對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并將編碼結(jié)果傳輸至軌道交通車輛控制和管理系統(tǒng)中。

3.1.2 制動系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

文獻(xiàn)[17]研發(fā)了一種軌道交通車輛制動系統(tǒng)的調(diào)試監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多組無線傳感器節(jié)點(diǎn)，來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)暫存及數(shù)據(jù)傳輸；通過監(jiān)控列車制動系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 中車長春軌道客車股份有限公司軌道交通車輛安全技術(shù)

3.2.1 轉(zhuǎn)向架監(jiān)控技術(shù)

文獻(xiàn)[18]研發(fā)了一種軌道交通車輛空氣彈簧故障狀態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2個或4個高度閥對軌道交通車輛空氣彈簧故障狀態(tài)進(jìn)行控制。當(dāng)其中一個轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧出現(xiàn)泄漏時，可自動檢測并控制另一個轉(zhuǎn)向架空氣彈簧同步排風(fēng)，最終實現(xiàn)車體保持水平狀態(tài)而不發(fā)生傾斜。

3.2.2 電氣系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

文獻(xiàn)[19]設(shè)計了一種動車組安全環(huán)路旁路系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控車安全環(huán)路控制電路和旁路系統(tǒng)。其中，旁路系統(tǒng)包括第1旁路開關(guān)和第2旁路開關(guān)。通過對第1旁路開關(guān)或第2旁路開關(guān)的閉合，實現(xiàn)安全環(huán)路故障時的應(yīng)急閉合。

3.2.3 制動系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)

文獻(xiàn)[20]設(shè)計了一種軌道交通車輛制動試驗控制及實時反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括制動系統(tǒng)在線診斷狀態(tài)收集模塊，用于實時收集目前列車的各類狀態(tài)，并進(jìn)行故障診斷和檢測。

3.3 北京交通大學(xué)軌道交通車輛安全技術(shù)

北京交通大學(xué)在軌道交通車輛故障診斷、檢測等方面的專利技術(shù)主要涉及設(shè)備測控、信號處理、數(shù)據(jù)傳輸、無線通信及故障診斷等技術(shù)。如：高鐵信號系統(tǒng)級“故障-安全”方法，基于數(shù)據(jù)融合模式識別的嵌入式故障智能診斷裝置及其診斷方法，地鐵車輛轉(zhuǎn)向架軸承的故障診斷方法，無絕緣軌道電路調(diào)諧區(qū)設(shè)備故障在線診斷方法，基于GLRT(廣義似然比檢驗)列車懸掛系在途故障檢測系統(tǒng)及檢測方法，基于Dempster-Shafer證據(jù)理論信息融合的列車懸掛系統(tǒng)故障分離方法，列車動力系統(tǒng)在線監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)及其診斷方法，列車軸箱軸承壽命的試驗預(yù)測方法，地鐵車輛遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)等。

文獻(xiàn)[21]研發(fā)了一種動車組傳動系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理裝置。該裝置包括通過列車總線互聯(lián)的駕駛臺處理器、地面故障診斷預(yù)測器和隨車診斷服務(wù)器，以及通過千兆以太網(wǎng)連接到對應(yīng)隨車診斷服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集預(yù)處理器。該故障預(yù)測與健康管理裝置內(nèi)置數(shù)據(jù)處理單元，可準(zhǔn)確預(yù)測出電機(jī)軸承的剩余使用壽命。

3.4 西南交通大學(xué)軌道交通車輛安全技術(shù)

西南交通大學(xué)在軌道交通車輛故障檢測與診斷等方面的專利技術(shù)主要包括：具有列車減振器動力學(xué)性能的無線檢測方法與裝置，使用非接觸式電磁感應(yīng)故障定位裝置對AT供電(自藕變壓器供電)牽引網(wǎng)進(jìn)行故障定位的方法，基于數(shù)據(jù)投影模式變換的列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，基于同步測量的牽引供電信息采集系統(tǒng)，弓網(wǎng)燃弧發(fā)生時牽引電流擾動量的獲取方法及燃弧檢測裝置，基于模型的CRH3型動車組牽引逆變器IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開路故障診斷方法，鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測方法，高速動車組絕緣子的泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)等。除此之外,文獻(xiàn)[22]設(shè)計一種基于字典學(xué)習(xí)的列車轉(zhuǎn)向架軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集列車轉(zhuǎn)向架軸承的振動信號和溫度信號，通過溫度信號判斷軸承是否已經(jīng)發(fā)生故障；同時基于字典學(xué)習(xí)技術(shù)，通過振動信號提取各個部位的軸承故障特征，判斷軸承是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的部位，極大地提高了軸承故障識別的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

國外在軌道交通車輛安全技術(shù)發(fā)展，尤其是在領(lǐng)先企業(yè)中已布局大量專利。目前，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)已處于快速發(fā)展階段，中國中車股份有限公司以及其他主要研究機(jī)構(gòu)在軌道交通車輛安全技術(shù)方面均有突出的研究成果，但其專利申請量較國外領(lǐng)先企業(yè)仍存在一定差距。在目前軌道交通車輛相關(guān)技術(shù)積累的條件下，可考慮與國際領(lǐng)先企業(yè)相互合作，取長補(bǔ)短，進(jìn)一步尋求技術(shù)創(chuàng)新和突破，以提高全車技術(shù)的安全性；同時應(yīng)注意技術(shù)創(chuàng)新的專利保護(hù)，以及專利侵權(quán)風(fēng)險的規(guī)避。