下一代高速智能化動車組研發構想*

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)

隨著信息化發展步伐的加快，大數據、物聯網和智能化技術得到了普遍發展，全球各大領域均在推行數字化和智慧化發展戰略。中國高鐵的智能化發展將作為智慧城市及智慧國家發展的有力支撐。文獻[1]表示中國智能化高鐵將采用云計算、物聯網、大數據、北斗定位、5G(第五代移動通信) 、人工智能等先進技術，通過新一代信息技術與高鐵技術的集成融合，實現高鐵建造智能化、裝備智能化、運營技術智能化水平的全面提升，使高鐵運營更加安全高效、綠色環保、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。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創新持續領跑世界。高速動車組智能化升級是下一代高速動車組發展的重要目標。

1 國內外高速動車組發展現狀

1.1 國外下一代高速動車組發展現狀

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]，其主要創新點如下：

1) 配備車載地震預警系統、緊急停車系統及防脫軌系統。

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

3) 通過研發新技術來抑制車底和受電弓噪聲，更好地實現節能減排效果。

4) 利用物聯網、大數據、人工智能等新技術，優化了列車網絡控制系統和信息管理系統，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的第5代TGV雙層動車組,見圖3。該動車組有著現代化的旅客服務系統，具有載客量大、運營維護成本低、環境友好、可靠性高等特點。除此之外，碳纖維材料、SiC(碳化硅)材料及永磁技術有望在該動車組上得到應用。

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) 降低建設與運行成本至少20%。

2) 材料循環利用率提升到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) 列車內飾采用模塊化設計，同時改善車輛服務設施，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。

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了基于實時以太網的可靈活編組的動車組ICE4，其主要技術創新如下：

1) 基于模塊化的設計理念，動車組集成各類驅動技術，可自成一體，靈活連掛，支持5～14節靈活編組。

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

3) 輕量化的轉向架(質量降低5%)。

4) 座位數增加87個。

5) 降低能耗20%。

1.2 我國高速智能化動車組發展概況

1.2.1 復興號動車組

復興號動車組(見圖4)的研發適合中國的國情，全面提升了動車組設計、軟件開發、制造技術的現代化水平,實現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造的跨越。復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權、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%，是世界上首次實現時速350 km運營的動車組。

圖4 復興號動車組Fig.4 Fuxing EMU of China

復興號動車組具有以下特點：

1) 列車級控制網絡基于TCN(全生命周期管理)+百兆工業以太網總線，實現了系統狀態、運行參數、故障信息的實時監視、診斷分析、存儲及下載等功能。

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

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

4) 實現96項零部件統型，統一修程修制。

5) 車載設備監測主要由單獨的系統或者部件完成，對大量數據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

在復興號動車組的基礎上，為適應京張高鐵高寒冷、多山區、多橋隧、大風沙等環境特點，以及滿足奧運服務需求，研發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，在行車、運維、服務等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，實現了列車氣動阻力系數減少約9%；具備30‰坡道牽引及制動能力；采用地震預警系統，提高了鐵路線路運行安全保障；設置安全監控系統，增加160個振動和溫度復合傳感器，整車安全監控由單部件、單車級的安全監控提升至多系統、整車級的交互監控。

2) 服務方面：5G技術實現了車輛娛樂系統及數據傳輸智能化提升；采用變頻空調、灰水再利用系統、直飲水、車身輕量化、環保節能材料及可回收材料等，實現節能環保；設置機械師室和乘務員室集成屏，實現數據統一顯示與集中挖掘，使得作業智能化水平進一步提高；主動降噪技術、壓力波自動調節及變色車窗提升了動車組的感官舒適度；首次實現站車一體化服務的提升轉型，以及站車信息的進一步交互，確保旅客服務信息貫穿覆蓋全過程；全包圍商務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：采用故障診斷及預警報警、故障精確定位、備品備件動態預測等技術，同時提供運維決策建議，實現列車服役性能由閾值管理向狀態管理的提升。

2 下一代高速智能化動車組研究目的及意義

2.1 運行更安全節能

面向廣域服役環境以及復雜載荷工況，現有動車組技術已經實現了應急自走行、牽引和制動等技術的研發，這直接影響到動車組關鍵系統及其部件的自動動態監控、監控及預警。

隨著動車組網聯化程度的提高，智能傳感器、物聯網、射頻識別等多維度現代電子監測感知手段，在車-車、車-地互聯模式中越來越多地參與車輛狀態數據采集、分析與交互。同步利用信息技術融合應用及統一挖掘，進一步加深對動車組自身狀態、環境狀態及運行數據等不同層次、維度的狀態監測；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,進而實現風險隱患自動排查、事故主動預防及故障快速處置，提高了列車運行平穩性和安全保障，提高了自動駕駛等級，進一步適應高速運行模式，確保動車組運營秩序。

通過大系統統籌及多目標均衡綜合節能技術，在行車技術水平提高的基礎上可進一步實現車輛綜合節能。

2.2 出行更便捷高效

以用戶需求為導向，利用大數據、移動應用、身份驗證、智能化環境調節、多元化信息服務、在線支付等技術，通過服務層次的多元化及服務精準度的提升，提高動車組對旅客服務需求的可滿足性與服務品質，滿足旅客在途與列車、外界及鐵路客運服務平臺之間的信息交互需求。

基于人因工程、智能化環境感知調節技術，以及智能化的友好型界面技術，可實現燈光、空氣質量、噪聲等旅客界面的智能化控制，以及實現旅客視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感官舒適度的提升。可為運營部門提供更精準的車輛狀態展示及服務推送，以提高服務的精準度及無干擾水平。

2.3 檢修更精準

以“狀態修”和“預測修”為目標，通過大數據的積累及設備劣化機理的掌握，提升車載設備精細化管理水平，準確預判設備維修時間和內容，以降低設備運維成本，精準推送維修建議及指導，最終實現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思路及構想

3.1 下一代高速智能化動車組的主要特征

3.1.1 更智能

廣泛應用智能技術與動車組技術的融合，通過系統集成、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、可互聯等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/被動安全結構設計、網絡域安全規劃及防護設計、系統融合狀態管控來實現車輛泛在安全設計的提升。

3.1.3 更節能

深入開展新能源、新材料、輕量化結構、系統節能控制及大系統協同控制等技術研究，進一步提升環保性指標。采用多目標均衡綜合節能技術，動車組整車能耗可減少10%～15%。

3.1.4 更經濟

深入開展智能化技術研究及應用，提升PHM(故障預測與健康管理)技術水平，實現自診斷、自決策、自感知，同時不斷提高狀態修、經濟修技術，使下一代高速動車組具有更好的經濟性，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境及列車運行平穩性，提高旅客乘坐舒適性。車內噪聲可降低3～5 dB，運行平穩性(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，實現燈光、空氣質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鍵技術

3.2.1 以太網技術

開展高鐵車載實時以太網技術研究，依靠以太網更快的傳輸帶寬和分布式系統特性，可以使列車具有更好的控制性能和更可靠的數據傳輸。如何確保系統的可靠性和安全性是以太網技術應用必須解決的問題。

3.2.2 大容量車地傳輸技術

互聯網能力在智能化動車組的發展過程中起到了至關重要的作用。推進5G技術車載開發的應用，推動云計算、物聯網、大數據技術在動車組上落地，使得動車組與萬物泛在互聯成為可能。

3.2.3 智能化物聯網技術

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、衛星空間定位等信息感知設備的應用價值，通過車-車以及擴大的車-地之間的車載設備連接網絡，實現信息交換和通信，以及列車范圍內外廣泛對象的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理。

3.2.4 自動駕駛技術及輔助駕駛技術

高速動車組的自動駕駛既是我國高鐵技術發展，以及確立我國高鐵整體技術水平國際地位的需要，也是智能化高鐵系統的關鍵技術之一。隨著下一代通信技術、北斗衛星導航、云計算、大數據、人工智能等新技術的進一步發展與應用，需進一步探討高鐵無人駕駛功能需考慮的因素、節能駕駛策略，以及動車組在復雜駕駛條件下的運行安全[3]。

3.2.5 旅客在途智能化服務技術

利用APP(應用軟件)、車內信息顯示、電視分屏等多元服務手段、信息交互融合技術實現旅客信息的精準推送；利用車載視屏聯網、文字語音轉換技術、車地數據傳輸交互技術等進一步提高服務效率和質量。同時推進Wi-Fi(無線網絡)數據增值業務拓展，推進人工智能技術車載化的發展。通過增加環境狀態的感知測點、優化細化控制策略實現對空氣環境、燈光光線等客室環境的精確調控。

3.2.6 智能化運維技術

結合我國高鐵的運營特點和新型維修服務需求，以“預測維護”為目標，在車輛上增加車載故障預測與健康管理系統，利用先進的定位識別技術，配合地面運維系統，通過動車組在途狀態實時與歷史數據的對比，基于大數據分析與處理技術實現對高速動車組運行狀態的安全評估，以及服役性能監測、預警及預測。在此基礎上，提供并優化維修決策和維修保障手段，及早發現和處理動車組故障，實現列車故障預警報警、故障精確定位、運維決策建議、修程修志優化及預測性維修[9]。

3.2.7 系統集成融合技術

高速動車組是一個耦合大系統，涉及到多學科的交叉研究內容。該系統集成融合技術在動車組設計中落地，主要考慮2個方面：一是智能化信息技術與動車組技術融合;二是動車組上各系統之間的數據共享和融合，以及實現車-車、車-地業務一體化發展需求之間的數據共享和融合。

4 我國下一代高速智能化動車組設計技術展望

根據對國外下一代高速動車組的調研，基于我國高速動車組發展現狀和關鍵智能技術研究，下一代高速智能化動車組將在更智能、更節能、更安全、更經濟、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平臺建設

基于多目標、多學科的高速動車組優化設計環境，基于互聯互通、大系統共融及業務一體化發展需求，發展具有代際特征的中國標準動車組設計體系，豐富和完善智能化動車組的設計標準，完成下一代智能化高速動車組平臺建設。

4.2 大數據構架下全產業鏈的技術創新

基于大數據的分析融合，帶動智能化設計、智能化制造、智能化配套、智能化管理等全產業鏈的技術創新，尤其是在結構創新、材料應用創新、控制技術創新等方面將有進一步的突破提升。