复兴号动车组智能技术创新应用及展望

朱 彦 尹振坤 张国芹 高林林 王中尧

(中车长春轨道客车股份有限公司国家轨道客车工程研究中心, 130062, 长春∥第一作者， 正高级工程师)

近年来，随着工业互联网、5G(第5代移动通信技术)、云计算、大数据、人工智能等新技术的快速发展，使高铁移动装备、固定基础设施，以及内、外部环境信息等实现全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策提供了可能。

2019年12月30日，京张智能动车组上线运营，标志着中国高铁向智能化迈出了关键一步。2021年6月25日，以京张、京雄智能动车组为基础全新升级的复兴号智能动车组在京沪、京广、京哈、成渝等高铁干线投入运营，开启了我国智能动车组运用的新时代。

1 动车组智能技术的创新应用

复兴号智能动车组主要围绕智能行车、智能服务、智能运维等3个方面开展智能技术创新和应用。智能行车，采用有人值守自动驾驶技术；智能服务，采用基于环境感知技术的灯光智能调节、基于多媒体技术的多元信息推送等；智能运维，主要基于智能传感、大数据、特征提取等技术实现运维服务智能化。动车组智能技术体系构成如图1所示。

1.1 智能行车

动车组智能行车主要指行车自动化、在途安全保障智能化等方面，可以提高行车及应急处置效率。

1) 自动驾驶。配置有人值守自动驾驶设备，实现车辆自动发车、区间自动运行、车站自动停车(精度在0.5 m以内)等智能行车功能。车辆新增ATO(列车自动运行)车载主机、速度传感器、测速雷达、GPRS(通用分组无线业务)天线等硬件设备；TCMS(列车控制与管理系统)通过MVB(多功能车辆总线)接入ATO主机，实现ATO模式下的牵引/制动控制；增加车门控制继电器硬线，在ATP(列车自动防护)输出允许条件下实现自动开门。

2) 应急自走行。设置应急牵引系统，确保在接触网故障或者高压系统不可用的情况下，采用动力电池技术、环境感知及系统匹配技术，满足车辆走行需求。在特定高铁线路的任何区间发生供电故障时，均可应急走行至就近车站，具备自走行20 km能力，其中5‰上坡道为5 km，平直道为15 km，走行速度为30 km/h。兼具应急空调供电功能，车辆应急通风时间由120 min提升至300 min，全列车空调可半载运行。

注：4G——第4代移动通信技术；5G——第5代移动通信技术;WLAN——无线局域网。图1 动车组智能技术体系构成Fig.1 Composition of EMU intelligent technology system

3) 安全监测。设置车载安全监控系统，综合TCMS(列车控制与管理系统)传输的温度、振动、火警等信息，对车辆安全状态进行监控。实现由单部件、单车级安全监测到多系统、整车级、交互监测的提升。全列车新增160个振动、温度复合传感器，通过走行部旋转部件监测、车体平稳性监测、架构横向稳定性监测及视频火灾监测联动，构建整车安全监测系统。该系统包括多监测系统集成，综合处理诊断，统一存储、显示及发送等功能。

1.2 智能服务

智能服务主要从旅客乘坐和动车组运用需求出发，通过业务一体化，实现全过程、无障碍、无干扰服务，有利于推进动车组自主化服务进程。同时，通过提高控制精准度和多维信息挖掘推送，提高智能服务品质。

1) 智能信息显示。采用LCD(液晶显示器)分屏显示、信息交互融合等技术为高速列车提供定制化的多媒体信息显示服务，如图2所示。该服务使行车信息的表现形式更加丰富生动，乘客能够以最直观的方式获取和了解信息；同时还可提供必要的乘车引导服务。

2) 智能交互娱乐。设置智能交互终端(见图3)，通过车载Wi-Fi(无线网络)、公网等无线数据接入途径，为旅客提供车载娱乐视频、直播节目、手机投屏等多样化娱乐服务，使旅途生活尽享惬意。

图2 智能信息显示Fig.2 Intelligent information display

图3 智能交互娱乐终端显示Fig.3 Display of intelligent interactive entertainment terminal

3) 智能环境调节。增加环境状态感知测点，采用智能环境感知调节技术、细化控制策略，从温度调节、灯光智能调节(见图4)、车内噪声控制、压力波调节等方面实现旅客视觉、听觉、嗅觉、触觉等感官舒适度的提升。

4) 智能便民服务。基于车内服务设施定制化，引入智能技术，设置无线充电、自动售货机等便民服务设备，为旅客提供多样性、便捷性服务。着力打通地面客运、旅客服务，以及铁路12306软件数据与车载数据交互，实现基于动车组车载设备的站车一体化服务信息交互。

a) 无灯光半亮状态

5) 智能数据传输。依托4G/5G、近场Wi-Fi等多渠道互联网技术，推进人工智能技术车载化应用。车地数据传输系统采用4G/5G，实现车上与地面交互中心间数据实时交互，即将车上数据传输到地面数据中心，将地面数据、平台数据接入车内，并推送至车载终端；车地数据传输系统采用近场Wi-Fi，实现车载非实时数据高速落地。

1.3 智能运维

智能动车组运营环境复杂，其线路运营里程大多超过1 000 km，单日运行里程最高可达3 000 km；服役区间横跨多个自然气候带，有时单程运营要遭受雨雪、强风沙、雷电等气象灾害侵袭；同时动车组存在8辆、16辆、17辆等多种编组情况。因此，采用神经网络和数学算法，进行数据驱动类和机理类模型研究，提高运维的自动化程度和效率，对于确保轨道交通运营安全、提高服务质量以及降低运营成本意义重大。智能运维系统的核心技术为PHM(故障预测与健康管理)，依托工业互联网、数据融合、人工智能、5G等技术，搭建由车载系统、车地数据传输系统和地面系统组成的智能运维系统，如图5所示。

注：3G为第3代移动通信；LTE为长期演进。图5 动车组智能运维系统结构图Fig.5 Structure diagram of EMU intelligent operation and maintenance system

通过搭载各类温度、速度、加速度、振动、电压等传感器，实现关键系统及部件的数据采集；同时在各系统中集成智能运维模块对数据进行分析、存储及传输。集成车载安全监测系统，构建基于关键零部件服役性能状态监控、故障预警及预测、健康评估等功能的智能运维体系，实现车辆自动诊断、自动决策和自动排除故障，有助于提升动车组行车安全可靠性、提高动车组运维效率和降低全寿命周期运维成本。

2 动车组智能技术发展展望

在分析国内外高速列车发展现状基础上，结合相关技术发展趋势，未来智能动车组发展主要体现在更高速、更安全、更智能、更环保、更节能、更经济、更舒适、更友好和一体化等9个方面。

1) 更高速:深入开展车辆轮轨关系、弓网关系，以及降低运行阻力、轻量化等方面技术研究，使智能动车组设计速度达到400 km/h及以上，试验速度达到440 km/h。

2) 更安全:通过开展主动安全结构设计和智能化安全状态管理，围绕新能源、信息技术融合应用等技术研究，提升高速列车安全保障性能。

3) 更智能:广泛应用人工智能、大数据、新型传感器，通过全方位态势感知、故障预测与健康管理等手段，使动车组更加智能。动车组具备可测、可视、可控、可响应、可互联等5个维度核心特征，并具有自感知、自诊断、自决策等能力，进而实现从智能化走向智慧化。同步推进企业智能制造进程，即采用设计、制造、服务一体化信息技术解决方案，使主机企业实现从“实物制造”向“虚拟制造”、“智能制造”转变。通过横向业务集成和纵向信息集成，集合大数据智能决策和动态生产模式，推动主机企业从智能化向智慧化转型升级。

4) 更环保:深入开展能源、材料、结构与控制等方面的技术研究，进一步提升动车组环保性能。推动新能源作为系统动力的综合利用，提升清洁能源应用比例，同时加大高效能、轻量化等领域新材料的应用。

5) 更节能:深入开展基于先进材料、先进结构、先进制造于一体的轻量化技术、气动优化设计、动力系统配置优化技术等研究，推广应用辅助驾驶技术，不断降低能耗，进一步实现节能目标。通过为司机提供有效的驾驶指导，能够减轻司机的劳动强度，提高工作效率。

6) 更经济:开展动车组数字化全生命周期管理研究，统筹考虑轨道车辆规划、设计、采购、制造、运行、检修、技改、报废的全过程，在满足安全及效能的前提下追求全寿命周期成本最优，通过信息化手段实现系统优化。提升PHM技术水平，不断提高状态修、经济修技术水平，使动车组具有更好的经济性。

7) 更舒适:通过开展集成化、小型化设计，增大车内旅客乘坐空间；车内设备、设施采用模块化设计，实现车内布局的灵活变化；采用主动降噪技术，进一步降低车内噪声水平；通过开展气侯适应性和轮轨匹配关系研究、主动控制技术研究，增强车辆对气侯、线路的适应性，提高旅客乘坐舒适性和获得感。

8) 更友好:基于人因工程、智能化的友好型界面技术，实现灯光、空气质量等旅客界面智能控制，提升乘坐体验；利用空-天-地一体化、多网合一技术，实现人-车、车-车、车-地等互联互通，打造智能交通生态圈。

9) 一体化:深入开展不同交通制式、不同列车装备、不同车站交通系统间客流、物流、信息流一体化融合的运输解决方案，推进数据资源赋能交通技术发展。

3 结语

根据《交通强国建设纲要》，到21世纪中叶，我国将全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国，基础设施规模质量、技术装备、科技创新能力、智能化与绿色化水平位居世界前列。可以预见，推进装备技术升级，推广智能化、数字化、轻量化的环保型交通成套技术装备，广泛应用智能高铁等新型装备系统将成为未来的发展趋势，也必然会给人们带来更安全、舒适、便捷的出行体验。