軌道交通產業智能化發展關鍵技術與應用

郄江華，杜立立

1 引言

縱觀人類每一次交通運輸方式的變革，都會給生活方式和生活水平帶來巨大的改變，促進經濟社會飛速發展。當前，軌道交通正憑著運輸量大、安全性高、速度越來越快的優勢在全球不斷“開疆拓土”，不斷催生“經濟奇跡”。

經濟快速發展的基礎是基礎設施互聯互通，構建現代化的綜合交通體系勢在必行，這包括暢通對外綜合運輸通道和構筑快速交通網絡。針對城市群交通發展需求，不少企業推出了專門的產品。比如，中車株機公司展出的“CJ6型城際動車組”車型采用4編組，最高速度160km/h，最大載客量970人，具有可重聯、大載客量、加減速度快、快起快停等特點，適用于站間距較短的城際線路，可滿足城市群之間軌道交通高密度、公交化運營的需求[1，2]。

2 城市軌道交通產業競逐“綠色化”高地

軌道交通的發展的歷史已有100多年。綠色、智能作為軌道交通電力牽引的未來發展方向，成為當今鐵路行業自主創新的主要投入方向。城市軌道交通包括地鐵交通、輕軌交通、有軌電車交通、各種索道及纜車的經營管理活動，是近年來城市公交的重點發展類型。據前瞻產業研究院發布的《中國城市軌道交通行業市場前瞻與投資戰略規劃分析報告》統計數據顯示，截至2017年年末，我國大陸地區共34個城市開通城市軌道交通并投入運營，共開通城市軌道交通線路165條，運營線路長度達5 033km。2018年，中國城市軌道交通投運線路長度繼續提升至5 767km。

2.1 地鐵車輛智能化關鍵技術

地鐵智能化關鍵技術主要包括數據采集技術、網絡通信技術、智能決策與評價技術和面向服務架構技術。系統主要分硬件改造和軟件功能調試2部分，硬件改造包括對車門控制器、走形部軸端、齒輪箱、車載以太網設備改造，以及在車輛段庫內EWLM波導管天線、多格式數據分析服務器布置、前臺顯示工作站等設備改造。軟件功能調試包括車載設備數據采集功能、車地無線多模式單向傳輸功能、地面服務器數據挖掘、建模、健康分析和智能決策評判功能、面向服務構架的智能化分析平臺安全性、穩定性功能驗證。

列車將采集的列車數據（TCMS數據、事件記錄儀數據、新增車門狀態數據、新增走行部診斷數據等）通過車載無線傳輸通道發送到地面專家分析服務器，完成數據解析、數據趨勢分析、故障等級分類、統計和健康評估。

2.1.1 車門智能診斷系統

目前，地鐵車輛門控器只能輸出已產生的顯性故障結果，缺乏故障發生前的異常工作狀態的分析判斷。門控器故障信息通過MVB總線上傳給車輛TCMS并在司機室的屏幕上顯示，還可以通過門控器的LED指示燈顯示。故障數據只能在列車入庫后人工下載，維護人員依據經驗逐門進行日常檢查和簡單故障判斷。

車門智能診斷系統通過更換智能門控器實時監測電機、門控器（電信號采集）以及鎖閉機構的動作情況和工作參數，并通過車載以太網實時上傳地面服務器，通過系統的故障規則知識庫智能化判斷當前的車門是否產生了故障或進入了亞健康狀態。在車門系統沒有進入故障時就提前檢修和排除亞健康問題，大大降低故障的發生概率，尤其是減少了無法電動關門、開不到位、三秒不解鎖等常見故障，有效地提高了車門系統的運行可靠性。一旦判斷該車門系統存在故障或進入亞健康狀態，系統會及時推送信息（包含問題現象、原因和解決方案）給對應的維修人員，通知該人員及時處理問題，降低了地鐵運營過程中突發故障產生的運營成本。

2.1.2 走行部智能診斷系統

走行部智能診斷系統是一種走行部的安全監測裝備，通過安裝在走行部關鍵部件上的復合傳感器，同時監測沖擊、振動、溫度3個物理量，并通過基于廣義共振與共振解調的故障診斷技術，實現走行部關鍵部件（軸箱軸承、齒輪箱軸承、齒輪、車輛踏面、鋼軌）的車載在線實時診斷，對于故障實現早期預警和分級報警，準確地指導車輛的運用和維修。另外，還能對軌道波磨區段進行分析及精確定位，為軌道的及時打磨提供依據，且能實現分級報警。

2.1.3 關鍵空開、控制繼電器動作次數

各系統供電空開、控制繼電器吸合動作次數通過TCMS進行記錄，結合繼電器產品說明中的使用壽命，為繼電器的預防性維修提供指導。

2.1.4 TCMS數據

地鐵車輛列車控制及監控系統事件記錄儀記錄收集的車輛各子系統的故障數據和事件數據下傳、分析及顯示。

2.1.5 車載網絡系統

車載數據通過列車新增的一套以太網進行采集，主要由列車各子系統智能化檢測設備、以太網交換機、數據記錄儀、網絡智能控制單元、認證智能控制器、車載無線數據傳輸模塊及車載天線組成，車各車廂的子系統智能化設備與本車以太網交換機相連，并按照協議傳送本系統相關狀態信息和故障信息等，再通過各車廂的以太網交換機將整列車的信息數據由認證智能控制單元，經車載無線數據傳輸模塊和天線傳輸到地面服務器。

車載數據無線傳輸系統主要對TCMS故障數據、車門診斷數據、走行部診斷數據等進行傳輸，此數據量較小，故采用通信網絡進行車地無線數據傳輸。列車將搜集的數據通過車載無線數據發送模塊與地面的以太網交換機相連接，實現列車與地面之間的車地無線數傳，將列車信息至指定地面管理服務器，并由車輛故障信息管理服務器完成故障的分類、統計和評估。

列車在庫內要傳輸事件記錄儀數據，事件記錄儀數據量較大，故采用穩定可靠性強、抗干擾能力強、傳輸速度快的波導無線局域網絡進行數據傳輸。

2.1.6 面向服務的地面專家分析系統

地面專家分析系統主要由地面服務器、地面信號接收裝置和客戶端組成。地面信息接收裝置接收列車下傳的數據信息，并通過數據服務器中“故障建模對比、健康分析和智能決策評判”服務程序對數據進行處理和存儲。

2.2 工程示范——北京地鐵6號線

TACS是以北京地鐵6號線一期工程建設項目為依托，由青島地鐵集團公司、中車青島四方車輛研究所、中車青島四方機車車輛股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司與北京中興高達通信技術有限公司等單位共同研發實施的列車自主運行軌道交通技術創新項目。北京地鐵6號線將是國內第一條列車自主運行線路，而且具有完全自主知識產權，真正實現站在國際軌道交通技術前沿引領國際軌道交通行業技術發展方向，使得中國的軌道交通列車控制技術趕超世界一流水平，實現從跟隨到引領的超越。

“最聰明列車”是業內給未來北京地鐵6號線列車貼上的一個標簽，它將真正實現地鐵列車的“自主運行”。6號線列車的“列車自主運行系統（簡稱TACS）”改變了傳統“車—地—車”的通信和控制架構，采用“車-車”架構，列車之間可通過無線通信完成信息交互，從而直接獲知前行列車的位置和速度，并控制列車運行的系統。如此一來，就好像是列車自己有了“大腦”和“千里眼”，完全能夠自己判斷路上的情況，安全、智能、飛速地“奔跑”起來了。這項技術使得6號線列車可以縮短發車間隔，減少軌旁設備配置，列車上的各個系統高度融合，大大提高了在站臺停車的精確度和區間運行的舒適度，提高了運營效率，也節約了建設成本和運營成本[3，4]。

6號線以BIM為基礎，打造智慧工地信息化集成管理系統。這也是在首次創新運用互聯網、物聯網、大數據、智能化、云計算等信息技術，打造信息化、標準化、數字化智慧工地?！爸腔酃さ亍钡幕拘畔?、危險因素等內容如同“朋友圈”一樣滾動顯示，隨時可通過手機上傳或實時查看。同時，通過視頻監控、人機定位等設備終端，對工程項目的人、機、料、法、環以及關鍵部位等信息進行直觀、動態、綜合、統一的智能分析和數據交互，做到事前預警、事中留痕、事后評估等全過程管控。在安全風險管理方面，“智慧工地”與BIM平臺相關聯，實時查看現場工程施工進度，并根據進度情況對不良地質區域進行超前預警。同時，“智慧工地”將運用最先進的虛擬現實手段，開設安全體驗館，通過佩戴全套VR設備，讓工人掌握安全操作規程和緊急應對措施。“智慧工地”還與“環境監測系統”相關聯，對施工現場的溫度、濕度、PM2.5、風力、噪音等環境信息進行實時監測，如果PM2.5數值超過既定數值，自動噴淋系統就會開始作業。

此外，除了列車外，未來的北京地鐵6號線將在既有車站系統基礎上通過增加全息感知、自動開關站、智慧安檢、多元化售檢票、智能問詢及電子導引、客流場景分析等功能，實現智慧車站的設想。

3 軌道交通智能化發展成果

3.1 神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車

神朔鐵路為國家Ⅰ級干線雙線電氣化重載鐵路，主要擔負神府東勝礦區的煤炭外運任務，單線運輸能力達3 500萬噸，與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國西煤東運的第二條大通道，也是神華集團礦、路、電、港、航系統工程的重要組成部分。2019年10月16日，國家能源集團神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行（見圖1）。

圖1 智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行

神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬噸重載列車的主要優勢體現在以下幾個方面：

1）機車智能駕駛系統。機車智能駕駛系統以“感知、決策、執行”為設計思路，實現重載列車運營全過程的自動化控制，包括根據調度計劃自動喚醒、自動整備、自動出段、自動聯掛、自動發車、自動貫通試驗、自動過分相、自動運行、自動停車、自動入段、自動調車、自動休眠等功能。從調度員下達機車運行指令后，機車自動接受命令，自動喚醒后，自動升弓合主斷、起輔機，進入自動牽引試驗狀態，試驗完成后恢復信號，根據指令分析出庫、出站，到站場后進行自動連接，隨后機車進入運行試驗環節，根據站場信號，列車發車，運行途中根據線路和氣候條件，包括前方線路有無障礙物以及風雪雷電等數據和情景模式，進行自動探測，確保安全運行。

2）開創了世界5個“第一”。智能駕駛“3+0”萬噸重載列車正式開行，創造了5個世界第一：（1）在12‰長大上坡道線路上實現重載列車萬噸自動駕駛，降低了司乘人員的操縱強度與難度；（2）提升了運輸效率，實現了機車作業自動化；（3）提高了列車安全性，實現了基于障礙物檢測（雙雷達+視頻識別）、調車信號防護的自動調車作業；（4）基于北斗導航差分定位，實現機車精準控制；（5）首次在機車上引入環境氣象信息，對列車操縱提供參考和決策依據。

該項目的成功，是中國聯通履行央企責任，助力我國重載鐵路發展邁入智能化新階段的大膽嘗試。神朔鐵路重載火車智能駕駛項目作為新的發展起點，就神朔鐵路LTE覆蓋、互聯網專線升級、“智慧辦公”等項目與相關部門和單位進一步開展深度合作，推動陜北能源化工行業從生產到運輸實現智能化變革?？梢哉f，這是我國現行萬噸重載列車控制領域的一次技術革命，將引領我國重載萬噸貨運鐵路向智慧化發展方向，同時也意味著我國在貨運重載列車控制領域已經站在世界鐵路發展的前沿[5]。

3.2 京張高鐵：復興號智能動車組

2018年4月23日，作為智能京張高鐵重要配套設備的京張高鐵智能動車組眾創設計結果，在中國鐵道科學研究院集團有限公司公布。京張高鐵從北京樞紐北京北站引出，于2019年12月30日，京張高鐵正式開通運營（見圖2）。京張高鐵的智能化主要集中體現在以下幾方面：

圖2 京張高鐵

1）350km/h自動駕駛。作為2022年北京冬奧會的重要交通運營服務保障設施，京張高鐵將于2020年12月30日正式開通運營。京張高鐵在世界上首次實現了時速350km自動駕駛，進一步鞏固和提升了中國高鐵的領跑優勢。

2）橋隧、客站智能化施工技術。京張高鐵成功應用了全線橋隧和客站智能化施工技術，實現了基于BIM的工程施工信息共享和建設全過程管理。京張高鐵在工程建造領域，突破BIM、GIS關鍵技術，實現全線、全專業、全過程工程建設精細化管控，鐵路工程管理平臺廣泛應用。

3）C3+ATO系統。從C2到C3再到C3+ATO，京張高鐵砥礪前行，推動中國高鐵列控技術在十幾年內實現了從無到有、從有到強的精彩蝶變。列車控制技術被稱為高鐵列車的“大腦”和“中樞神經”。要控制高鐵列車發車停車、運行區段、時速等，都離不開列控技術。通過細致研究和大量試驗，研發出具有中國自主品牌、適應中國高鐵發展需要的CTCS-3級（簡稱C3）列控系統。該系統基于GSM-R無線網絡實現列車信號信息雙向傳輸，對GSM-R網絡提出更高指標要求；同時，京張高鐵沿線山區環境復雜多樣，存在大量隧道、長坡等特殊覆蓋場景，加大了GSM-R部署及優化難度。首先，北方冬季時間漫長，氣候寒冷，室外最低溫度可達-40℃以下，要求所有設備必須在長期的低溫惡劣環境下穩健運行，對設備的穩定性提出了嚴格要求；其次，列車運行速度快，并承載列控系統，對整個通信系統的可靠性提出了嚴格要求；最后，受限于鐵路專用無線頻率資源，通常在交叉并線區段，頻率干擾將直接導致網絡質量的惡化甚至通信中斷，頻率的規劃和設計存在重大挑戰。C3+ATO系統針對高鐵在樞紐地區、交叉線和并線區段存在頻率規劃、切換控制難等問題，簡化頻率規劃、擴大小區覆蓋范圍、減少小區切換頻率，實現樞紐地區的容量保證，提高網絡切換指標，為承載列車控制信號提供安全保障[6，7]。

4 結語

軌道無處不在，技術變革和市場機遇正不斷孕育。創新永無止境，世界先進交通體系新時代無限可能?？偠灾獡屪倚禄ê凸I互聯網戰略機遇，大力推進軌道交通產業集群化、智能化發展，圍繞打造軌道交通產業集群目標，加大“雙招雙引”力度，推進技術創新、產業鏈創新、模式創新。同時，要搶抓高速磁浮產業發展的重大機遇，積極爭取規劃建設高速磁浮示范線。要支持示范區整體連片開發建設，打通示范區配套服務的堵點、痛點。