深圳城际动车组智能化需求及顶层指标建议方案研究

成建国，张桂南，郭晓燕，徐玉胜

0 引言

城际铁路作为深圳对外联系的重要通道，对于粤港澳大湾区交通互联互通和深莞惠都市圈交通一体化发展具有重要意义，也对扩大有效投资、促进经济稳定增长具有重要影响。为打造轨道上的大湾区，实现多种轨道网络融合发展、高效衔接，动车组应满足互联互通需求，广东省政府要求大湾区城际铁路进入市中心、衔接交通枢纽、与地铁衔接、实行公交化运营。

当前动车组智能化研究主要集中在高速铁路的智能化需求及方案研究。王文峰[1]探讨高速动车组智能技术发展的方向；刘长青[2]总结智能京张动车组在智能化、安全舒适、节能环保等方面的主要创新点；梁建英[3-4]基于故障预测与健康管理(PHM)研究动车组智能运维服务架构及智能诊断模型；梁朝利等[5]研究复兴号CR200J 动车组的电气系统智能化减载策略；周高伟等[6]梳理国外各企业智能制造技术研发和技术现状；李燕[7]在京张高速铁路配属动车组上开展PHM研究和系统应用；章阳[8]提出复兴号动车组制动系统PHM 的主要功能与技术方案路线；吴广宁等[9]提出车载变压器PHM的体系结构及工作流程；郑斌等[10]提出了一种动车组辅助驾驶系统的设计方案；李中奇等[11]提出了一种基于预测控制的高速动车组迭代学习控制方法；冯晓云团队提出了“源-荷-储-运-网-维”贯通的大系统综合节能解决方案及相关节能方法[12-13]；李超旭等[14]基于大数据提出动车组运维数据服务平台总体架构；邓海[15]基于我国高速动车组的发展现状，提出未来高速智能化动车组关键技术方向。

针对大湾区城际铁路一体化运输组织需求，调研分析复兴号等新型动车组技术发展及应用现状，分析了深圳城际动车组的智能监控、智能诊断及智能旅客服务需求；提出深圳城际动车组智能化架构，以及车地通讯智能化提升、智能化运行、智能化运维及智能服务顶层方案的建议，为深圳城际智能动车组的研制提供技术思路。

1 城际/市域动车组智能化发展现状分析

当前高速铁路、城际铁路、地铁车辆都在推动智能化发展，结合我国主要城际/市域线路动车组在自动驾驶、车辆实时状态地面监测、车辆视频监控、PHM 等方面智能化应用，统计分析了城际/市域动车组智能化应用现状。城际、市域动车组及地铁车辆智能化应用统计如表1所示。

表1 城际、市域动车组及地铁车辆智能化应用统计Tab.1 Intelligent application statistics of intercity and urban EMUs and subway vehicles

由表1 可以看出：①自动驾驶、车辆实时状态地面监测、PHM、智能照明功能受到各地运用部门的广泛关注；②车辆视频监控、智能旅客信息系统、旅客Wi-Fi、乘客密度分析及智能车窗一定程度上被运用部门进行了选配；③智能京张动车组、成都市域A型车的智能化程度相对较高。

城际/市域动车组原始车型的智能化功能较少，总体智能化程度不高。随着旅客对出行便利性、舒适性需求的不断增强，主机厂结合运用部门的需求对CRH6 型动车组、北京新机场线动车组、广州市域D型车的智能化功能进行了丰富，智能化的主导方向不尽相同。部分动车组虽然配置了PHM系统、地面监测系统，但模型构建、应用范围、智能程度仍处于初步应用和不断迭代优化的阶段。典型城际/市域动车组智能化应用对比分析如表2所示。

表2 典型城际/市域动车组智能化应用对比分析Tab. 2 Comparative analysis of intelligent application of typical intercity/urban EMUs

由表2可以看出，CRH6、CJ6、CRH3A-A型动车组及市域D 型车在自动驾驶、车辆状态监测、PHM、旅客智能服务(乘客密度分析、旅客Wi-Fi、智能旅客信息系统、智能车窗、智能照明及智能空调)、以太网控车/维护方面均有涉及，可以为深圳城际动车组智能化研究提供借鉴。

2 深圳城际动车组智能化需求分析

基于云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、北斗导航等新技术在动车组研制中的深度应用，深圳智能城际动车组可在监控、诊断、旅客服务等方面提升智能化水平，并通过全方位态势感知、自动驾驶、运行控制、故障诊断、PHM 等技术途径，实现动车组的自感知、自诊断、自决策、自适应、自修复、自动及协同运行。

2.1 智能监控需求分析

面向深圳智能城际动车组行车控制和安全保障，应采用故障导向安全设计原则，完善车载设备运行状态及安全监测水平，搭建高速车载及车地信息传输通道，开展信息融合，多模式实现智能行车控制，不断提升动车组行车控制和安全保障水平，在动车组智能监控方面主要体现如下功能。

（1）智能轮径校正。根据当前实测各电机频率以及列车基准速度实时更新轮径值，从而确保不同轮径在相同列车速度下车辆发挥牵引/电制力的一致性。

（2）牵引力载荷补偿控制。实现不同载客量的牵引/电制力指令值自适应调整，从而确保车辆发挥更优的加/减速度。高精度的牵引力载荷补偿控制可使列车运行更加稳定、安全。

（3）制动系统具备线路普适性。深圳智能城际动车组常用制动减速度应满足160 km/h和200 km/h两种速度级线路的最优适配，以满足互联互通运营的需要。

（4）控制电路具备高可靠性。深圳智能城际动车组电气控制电路方面应采用无机械触点的双冗余可编程逻辑控制单元(LCU)，通过现代电子器件替代车辆电气控制系统中继电器等触点部件，有效提高车辆控制电路可靠性，并提升车辆智能诊断及运维水平。

（5）建立智能监测系统。采用平台化方式集成各监测子系统，实现数据集中、数据管理并进行综合分析。各子系统遵照统一的机械、电气及通信协议设计，实现多系统融合诊断及联动化分析功能。可考虑设置走行部振动温度监测、转向架失稳监测、车体平稳性监控、防火监测、司机室、受电弓视频监控及智能图像识别等功能。

（6）采用地面智能监控方案。根据城际铁路运营实际，应减少随车机械师和乘务员配置，降低人力及运维成本，需研究深圳智能城际动车组的地面智能监控方案。通过采用北斗、5G、毫米波等新一代无线通信技术，运用云计算及大数据技术对数据进行整合分析，实现将列车运行状态数据、故障数据、过程数据等各类数据车地传输；通过提升车地无线连接的可靠性、可用性、安全性，提升列车远程智能分析诊断技术水平。

2.2 智能诊断需求分析

深圳智能城际动车组应基于多维度海量数据的综合分析，进行诊断异常状态提示，不断提升故障诊断、预测、健康管理及运维支持水平。

（1）故障诊断与故障预测。通过各系统部件横向(不同单元状态对比)、纵向(随时间变化规律)的工作状态变化情况，综合诊断，利用性能参数的趋势分析及判断建立PHM 预警预测模型，将模型预测推送至监控室人机接口显示屏(HMI)等显示终端为司乘人员提供车辆异常状态预测及运维处置建议，实现关键部件故障诊断与状态预测、关键部件状态维修，为运用部门合理提供维修决策建议。

（2）状态监测与健康管理。利用先进的传感器技术实时采集高压、牵引、辅助、走行部、车门、空调等关键系统及部件不同工况下的状态数据，依据合适的数学模型评估部件或系统在下一个运用周期内的健康状态及检修优先级推送等维修决策建议。

（3）动车组智能整备及维护。深圳智能城际动车组需具备自动整备模式，提升运用效率；可通过以太网采集监测列车整备关键设备状态、开关、空开等信息，在司机室HMI 屏上实现整备设备状态、开关、空开等信息集中显示，智能提示设备异常状态。动车组应具备自动洗车等模式，控制动车组低恒速运行。同时，结合以太网网络传输技术及动车组库内维护的便利，实现库内软件集中及同步升级，提高软件升级效率和运维管控水平。

2.3 智能旅客服务需求分析

智能服务主要用于旅客服务，应具有良好人因工程的服务设施及功能，具有体现人文关怀、设计友好的特殊旅客服务设施及功能，具有温馨舒适的车内环境，并适当增加智能调节功能，具有丰富、便捷的旅客信息显示及推送等，不断提升旅客乘坐体验。

深圳智能城际动车组应具有以下智能综合服务功能。

（1）综合信息显示。车内显示器可综合显示引导服务信息与娱乐视频信息。通过线路信息及列车定位信息融合，实现自动报站、文本及图形化结合展示。

（2）多维度互联网信息推送。为旅客提供无线局域网络(Wi-Fi)，采用4G/5G Wi-Fi 技术，实现车内无线上网，配合无线上网APP 为乘客推送资讯、旅行服务信息等多维度互联网信息。

（3）温度、照度和压力等智能调节。自动识别车内外环境温度、人员载荷等信息，采用变频控制技术，实现精准的客室温度调节与控制；自动识别车内外压力变化，综合考虑压差值及压差变化速率，触发压力波保护系统。还可结合外部输入的隧道信息提前关闭新风及废排压力保护阀，实现车内压力自动保护；根据环境因素(季节、白天、夜间等)、列车运行状态(隧道、到站等)变化自动调节车内照明色温及亮度。

（4）基于AI 技术的车内视频监控。车内视频监控系统具备基于AI 的视频分析功能，对实时视频画面进行分析，具备车厢客流拥挤度分析、乘客异常行为告警、物品遗留识别等功能。

3 深圳城际动车组智能化顶层指标建议方案

为充分体现深圳都市圈城际铁路动车组技术的先进性，引领下一代智能型、智慧型城际动车组发展方向，建议深圳智能城际动车组从智能行车、智能运维、智能服务等方面开展智能化方案研究。

3.1 深圳智能城际动车组智能化架构

深圳智能城际动车组可在车辆智能化监控方面进行拓展，增加关键系统的监测项点，如增加走行部振动监测、受电弓智能监测等，扩展PHM 应用深度和广度。根据需求，增加视频智能分析、旅客Wi-Fi 等，完善列车智能化控制，进一步提升动车组智能服务水平，提升服务质量。深圳智能城际动车组智能化架构如图1所示。

图1 深圳智能城际动车组智能化架构Fig.1 Intelligent architecture of Shenzhen intelligent intercity EMUs

3.2 车地通讯智能化提升

根据动车组实时状态地面监测、健康管理、智能运维等智能化需求，通过5G、Airflash 毫米波等新一代无线通信技术，将列车运行状态数据、故障数据、过程数据等各类数据进行车地传输，融合地面线路、地面控制信息、地面检修维护系统实时信息，解决列车大量车载数据的转储和分析难题，支撑列车智能分析诊断技术。车地无线网络通信示意图如图2所示。

图2 车地无线网络通信示意图Fig.2 Vehicle-ground wireless network communication

深圳智能城际动车组车地无线通信网络具备列车车载子网络系统进行车地无线通信的能力，包括以下方面。

（1）5G-R(或LTE-M 或GSM-R)网络主要承载列车控制业务、调度通信和其他运行安全相关业务，即承载图2 中列控系统网络及车载以太网网络中的列车控制系统数据、车载以太网网络数据(包含列车网络控制系统数据及涉及运行安全的智能监测系统数据)等数据的车地无线通信。

（2）5G 公网主要承载智慧城际业务和运营维护部分业务，即承载图2中车载旅客信息(PIS)网络中智能监测系统数据、车载乘客信息系统及车载Wi-Fi网络系统数据等数据的车地无线通信。

（3）毫米波通信(或WLAN)承载车载数据落地业务，即通过图2 中TAU 车载终端(毫米波)/车载AP(WLAN)在列车到达车辆段或停车场后进行全车业务车载数据的落地及地面备份。

3.3 智能化运行

深圳智能城际动车组实现列车自动驾驶功能，通过采用独立的自动驾驶模块单元，在列车自动防护系统(ATP)的监控下，实现列车的初始化、加速、巡航、制动、精准停车、自动开关门、自动折返等控制功能。智能化运行的功能分解如图3所示。

图3 智能化运行的功能分解Fig.3 Function decomposition of intelligent operation

智能化运行典型功能包括以下方面。

（1）站台对位调整功能。在自动模式下，列车自动运行到车站停稳，并满足停车精度要求后，列车自动驾驶(ATO)子系统自动发出车门及站台门开门命令。若列车进站停车过标或欠标不大于5 m(可设定)，ATO子系统能再次启动列车进行对位调整。如果列车经过3次(可设定)调整后仍不能停车到位，车载设备向中心进行报警，由人工远程介入进行控制或直接运行至下一站。若列车进站停车过标大于5 m(可设定)，车载设备向中心进行报警，直接运行至下一站。当列车进站停车欠标大于5 m，ATO自动运行对位停车。

（2）自动折返功能。处于自动模式下运行的列车，当列车在折返站规定的停车时间结束并进行清客确认后，车门和站台门关闭，列车根据移动授权，从到达站台自动运行进入折返线，自动激活/关闭相应的驾驶端，实现驾驶端的自动转换后，自动驶出折返线，进入发车站台后自动打开车门和站台门。

（3）应急及故障处理功能。当列车运行在自动模式下，车辆出现故障或信号与车辆网络接口故障的时候，ATP系统立即施加紧急制动，保证列车安全。同时向中心调度员工作站告警，系统申请进入人工驾驶模式，经调度人员确认后人工进入人工驾驶模式，列车以25 km/h 速度行驶，ATP 在此过程中实施防护。当列车以人工驾驶模式进行车站自动停车后，车载ATP 施加紧急制动以防止列车移动，等待人工处理。

（4）区间自动运行。正线区间按照不同运行策略(节能、快速等)，系统自动输出牵引、制动指令给车辆系统，实现列车区间自动运行。

（5）车辆状态监督。通过车辆获得的列车障碍物检测(可选)、司机台、牵引、制动、辅助电源、空压机、蓄电池、车门、广播、视频摄像、空调等各系统的自诊断状况、故障及报警信息。

（6）车辆工况转换功能。场内运行，车载设备具备向车辆发送是否在场内运行工况的功能，用于车辆断开永久母线(防止出现短路)、关闭空调、电热控制等；列车唤醒成功后进入待命状态，车载设备向车辆发送待命工况，用于车辆打开照明、空调或电热控制等；车辆回库停稳后，车载设备自动向列车控制与管理系统(TCMS)发送清扫工况，用于车辆打开车内照明、空调或电热控制等；进入正线服务/退出正线服务，车载设备接收到调度指挥中心发送的进入正线服务/退出正线服务工况指令时，向车辆TCMS 发送该工况指令，用于车辆执行打开/关闭照明、空调或电热控制等操作。

3.4 智能运维

（1）动车组智能监测。深圳智能城际动车组设置智能监测系统，采用平台集成子系统模块的方式，可集成动车组已有的各类型监测设备，实现对走行部、受电弓、司机室视频、火灾等重点部位或事项运行状态的实时采集、监测和诊断。动车组典型智能监测如图4所示。

图4 动车组典型智能监测Fig.4 Typical intelligent monitoring for EMUs

动车组智能监测系统具备以下功能。

①走行部状态监测。具备转向架失稳监测、车体平稳性监测，轴箱、齿轮箱、牵引电机轴承振动监测，轴箱、齿轮箱、牵引电机轴承温度监测功能。

②防火监测。实时采集车厢、电气柜等监测区域的温度和烟雾浓度，对可能发生的火情提前报警；并具备火灾视频联动功能。

③受电弓视频监控。具备受电弓区域视频图像采集功能，通过边缘计算模块，可对受电弓结构异常、挂异物、火花等故障识别。

④司机行为识别。具备司机室视频图像采集功能，通过边缘计算模块，可实现司机操作行为的识别。

⑤第三方设备监测。具备对第三方设备状态信息、故障信息监测及记录功能，可实现对动车组车门、空调等系统的状态监测。

⑥跨专业数据互联。监测数据通过车地无线通信系统回传至城际铁路调度指挥中心云脑平台，数据将存储于云脑平台的云数据中心内部，而后向云脑平台的大数据服务上传数据备份，为跨专业数据互联做准备。

（2）车辆实时状态地面监测。建议利用LTE专网或5G 新一代无线通信技术，实现深圳智能城际动车组实时状态地面监测的功能。

①数据交互。通过网络控制系统采集动车组车载故障信息、位置信息、各子系统运行参数信息，实现将列车运行状态数据、故障数据、过程数据等各类数据实时传输至调度指挥中心云脑平台。调度指挥中心通过云脑平台实时监控掌握车辆运行状态、关键监测参数，并与地面监测系统进行实时交互，可对参数信息和故障信息进行查询、统计、可视化展示。

②车辆视频监控落地。若车辆已入库，可在库内应用新型无线通信技术，实现车辆监控视频的快速下载，视频数据下载后通过广域网传输至云脑平台存储；若车辆处于行驶过程中，可采取边缘计算的方式，在车辆端开展视频分析，优先将重要视频数据进行剪辑与压缩操作，并与计算结果一并打包通过车地无线通信系统回传至调度指挥中心云脑平台。

（3）车载设备健康管理。动车组智能运维包括车载健康管理系统和地面专家系统两部分。车载健康管理系统通过列车以太网通信技术将车辆各个系统联接起来，在充分利用车辆传感器的基础上，形成模块级-系统级-列车级架构的车载健康管理系统。

3.5 智能服务

（1）智能旅客信息。在地下隧道内接入4G/5G信号，满足旅客移动通讯和上网等需求。可选择配置旅客Wi-Fi 系统，为旅客提供无线互联网接入服务。此外，动车组通过列车播控系统、视频智能分析系统、乘客智能招援系统、OLED 新型车窗系统及车载客室显示终端等实现智能化旅客信息服务。智能旅客信息典型服务如图5所示。

图5 智能旅客信息典型服务Fig.5 Typical intelligent passenger information service

①列车智能播控系统。基于新一代车地数据通信技术，实现地面控制中心对列车播放的多媒体信息进行播放控制，运营方通过智能列车播控系统管理平台，可以实现车载多媒体资源集中统一审核、分发、播放控制。

②车厢旅客视频智能分析系统。依托城际铁路云脑平台的“云边协同”架构，将车辆内部的视频监控设备后端加装边缘计算模块，实现云脑平台中心端与车辆内部各视频计算模块的数据互通。根据业务需要，对列车车厢内摄像机监控视频进行车辆拥挤度、乘客异常行为、客室遗留人员及物品的辨识分析。

③OLED 新型车窗系统。为乘客提供综合旅客信息服务，基于车窗的触摸、语音等交互功能，实现对票价、列车时刻表、换乘路线、购票帮助、配套服务设施、出入口信息和周边地标等信息查询；同时，通过车窗屏幕提供商务广告、旅游推荐、虚拟体验等新型信息服务，提供商业增值；在有换乘高速铁路及飞机的线路，新型车窗显示车次及航班信息，为乘客提供多元信息服务。

④智能列车客室显示终端。可显示当前行车路线的剩余时间，使乘客实时掌握旅程全程时刻信息；可展示车内布局信息，方便乘客到达指定区域；到站前显示车站布局图，方便乘客了解换乘路线、出站口信息及车站布局。

（2）智能客室环境控制。照明系统实现客室根据环境自动调节照明的亮度和色温；空调系统实现智能送风、智能控温、智能显示与监控和空气净化等；新风阀门根据动车组进出隧道信息及车内压力波变化情况进行控制，实现对动车组车内低压力波变化的控制，提高旅客乘坐舒适性。典型智能客室环境控制如图6所示。

图6 典型智能客室环境控制Fig.6 Typical intelligent cabin environment control

4 结束语

通过对国内城际/市域动车组智能化应用调研分析，结合深圳城际动车组的研制需求，明确深圳智能城际动车组智能监控、智能诊断及智能旅客服务研究方向；提出利用新一代无线通信技术，将列车运行状态数据、故障数据、过程数据等各类数据进行车地传输，融合地面线路、地面控制信息、地面检修维护系统实时信息，解决列车大量车载数据的转储和分析难题；对深圳城际动车组的智能化运行、智能监测、车辆实时状态地面监测、车载设备健康管理、智能旅客信息、智能客室环境控制的顶层技术方案提出建议；为粤港澳大湾区综合交通一体化、智能化发展提供技术参考。