复兴号动车组智能技术创新应用研究

杜学健

摘要：以工业互联网、5G（第5代移动通信技术）、大数据、智能传感等技术为基础，运用神经网络和数学算法，开发数据驱动类、机理类模型的研究以及现车部署与循环迭代中智能行车，智能服务与智能运维等智能技术体系建设。通过复兴号智能动车组的推广使用，达到有人值守自动驾驶，故障工况应急自走行，全程无干扰服务和低成本智能运维的目的。同时，从速度，安全，节能和舒适的角度出发，预测动车组智能技术未来的发展方向。

关键词：复兴号动车组；智能技术；创新应用

前言：

列车电气系统是动车组关键系统之一，对列车运输安全，乘客乘坐品质和维护检修经济性等至关重要。列车电气系统拖车电气系统与旅客体验关系最为直接，所含各类子系统及产品诸如座椅充电插头，列车空调，电热器等等，可靠性高，稳定性好、智能化程度都直接关系到旅客的安全与舒适。当前铁道客车上还存在动力车输出过载保护造成拖车负载不能正常运行的情况，急需对拖车电气系统进行改进和优化，并采取相应应急措施，使得其在确保列车平稳运行的同时尽量高地改善旅客乘坐体验

一、列车网络控车

“复兴号”动车组列车网络控制系统以TCN通信统一标准为基础，采用列车级与车辆级两阶段总线式网络拓扑，通过列车级总线进行列车级控制，车辆级总线在各个车辆之间进行数据交互以及控制命令的发送。350公里“复兴号”动车组采用了WTB列车级总线和MVB车辆级总线拓扑结构，250公里“复兴号”动车组采用了ETB车辆级总线和ECN车辆级总线拓扑结构。两组网络拓扑结构完全正确，方便网络系统管理传输信息，统一通信协议。CCU（中央控制单元）是列车网络控制的核心单元，具有多功能车辆总线（MVB/ECN）管理能力，可以进行被动的主权移交功能，实现了车辆级的总线管理，逻辑控制和子系统控制。BCU（制动控制单元）是制动系统的核心单元，它负责车辆制动系统功能控制管理。

二、动车组智能技术创新运用

复兴号智能动车组以智能行车，智能服务，智能运维为核心，3个方面进行智能技术的创新与应用。利用有人值守的自动驾驶技术实现智能行车；在智能服务方面，使用了基于环境感知的灯光智能调节和基于多媒体技术进行多元信息推送；智能运维主要是以智能传感，大数据和特征提取为基础的运维服务的智能化。

（一）智能行车

动车组智能驾驶主要是指驾驶的自动化和在途安全保障的智能化，能够提升驾驶和应急处置的效率。

1）自动驾驶等。配备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）等智能驾驶功能。该车增加了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）天线及其他硬件设备；TCMS（列车控制和管理系统）经MVB（多功能车辆总线）与ATO主机连接，以实现ATO模式牵引/制动控制；加装车门控制继电器引线在ATP输出（列车自动防护）许可的情况下自动开门。

2）紧急自走行。建立应急牵引系统以保证当接触网故障或高压系统无法使用时利用动力电池技术和环境感知与系统匹配技术来满足汽车走行的需要。当某一高铁线路任意区间出现供电故障，都可以紧急走行到附近站点，具有自走行20 km，包括高。上坡道5 km，平移道15 km，走行速度30 km/h。本实用新型同时具备应急空调供电的功能，汽车应急通风时间从120 min增加到300 min，全车空调可以半载工作。

3）安全监测等。安装车载安全监控系统，综合TCMS（列车控制和管理系统）传输的温度、振动、火灾报警等信息，对车辆安全状态进行监控。实现了从单部件，单车级安全监控向多系统，整车级，交互监控的升级。全列车增加了160个的振动和温度复合传感器，并通过走行部旋转部件的监控，车体平稳性的监控，结构横向稳定性的监控和视频火灾监控的联动等方式搭建了整车安全监控系统。系统由多个监测系统集成组成，实现了诊断的综合处理和统一存储，显示与发送。

（二）智能服务

智能服务主要是以乘客乘坐及动车组使用需求为出发点，以业务一体化的方式实现全程，可达性，无干扰的服务，有助于促进动车组自主化的服务过程。同时通过控制精准度的提升以及多维信息的挖掘推送提升智能服务品质。

1）智能信息显示等。利用LCD（液晶显示器）进行分屏显示和信息交互融合。这种服务让行车信息在表现形式上变得更丰富、更鲜活，旅客可以用最为直观的形式获取信息、理解信息；同时，也可以提供所需的乘车指导服务。

2）智能交互娱乐等。建立智能交互终端，利用车载Wi-Fi无线数据接入方式（无线网络）和公网向乘客提供车载娱乐视频和直播节目、手机投屏及其他多元化的娱乐服务让旅途生活享受舒适。

3）智能环境调节等。增设环境状态感知测点并运用智能环境感知调节技术，细化控制策略等措施，实现了温度调节，灯光智能调节和车内噪声控制等功能、压力波调节等来达到乘客视觉，听觉，嗅觉和触觉感官舒适度。

4）智能化便民服务。在定制车内服务设施的基础上，通过引入智能技术建立无线充电和自动售货机两种便民服务设备向乘客提供多样性和便捷性的服务。重点打通了地面客运，旅客服务等业务，并将铁路12306软件数据和车载数据进行互动，以动车组车载设备为载体进行站车一体化业务信息互动。

5）智能数据传输等。依托4G/5G和近场Wi-Fi多渠道互联网技术促进人工智能技术车载化应用。车地数据传输系统利用4G/5G实现车内数据和地面交互中心之间的实时交互即车内数据向地面数据中心的传输，将地面数据，平台数据与车内连接，推送给车载终端；车地数据传输系统利用近场Wi-Fi实现了车载非实时数据的高速降落。

三、智能运维方面

智能动车组的运行环境比较复杂，它的线路运营里程多在1000 km以上，其中单日最高的达到3000 km以上；服役区间跨越若干自然气候带，单程运行时有时会受到雨雪，强风沙和雷电等气象灾害的影响；同时动车组有8台，16台，17台等编组。因此利用神经网络及数学算法开展数据驱动类及机理类模型的研究以提高运行维护自动化程度及效率对保障轨道交通运营安全，改善服务质量及降低运营成本具有重大意义。智能运维系统的核心技术是PHM（故障预测和健康管理等），依托工业互联网、数据融合、人工智能、5G等技术，构建了以车载系统，车地数据传输系统以及地面系统为核心的智能运维系统，并通过携带各种温度，速度，加速度，振动以及电压传感器对关键系统以及各组件进行数据采集；同时，将智能运维模块融入到各个系统，实现了数据的解析，存储和传输。对车载安全监测系统进行了整合，建立了以关键零部件的服役性能为核心的状态监测，故障预警与预测和健康评估智能运维系统，本发明实现了车辆的自动诊断，决策及故障的自动排除，有利于增强动车组行车的安全可靠性，提高动车组的运行维护效率，降低动车组全寿命周期内的运行维护成本。

四、动车组智能技术的发展前景

在广域服役环境和复杂载荷工况条件下，既有动车组技术已实现应急自走行，牵引与制动的研究与开发，直接影响动车组关键系统及组件的自动动态监测，监视与预警。随着动车组网联化程度的提高，智能传感器、物联网、射频识别等多维度现代电子监测感知手段，在车-车、车-地互联模式中越来越多地参与车辆状态数据采集、分析与交互。同步采用信息技术融合应用与统一挖掘的方式，进一步深化动车组本身状态，环境状态与运行数据在不同层面和维度上的状态监控；全面的智能化诊断提高列车自感知广度与故障定位准确性，继而达到风险隐患的自动排查，事故的主动防范与故障的快速处理，本实用新型改善列车的运行平稳性及安全保障，自动驾驶等级得到提升，进一步满足高速运行模式的要求，保障动车组的运行秩序。

结语：

复兴号动车组运用列车级制动控制技术从列车级网络控车技术入手，充分利用了车辆之间网络数据通信机制，通过TBM对每辆车的制动控制功能进行了统一管理控制，把车辆之间零散的本地制动控制功能最优化到集中式，使各车制动功能达到最优互补和协同控制。文章通过司机制动试验，制动力管理，空压机管理以及防冻结功能的设计优化等实例，说明了列车级制动系统在控制技术方面的优越性，为动车组系统功能优化设计提供了一种设计思路与手段。

参考文献：

[1] 马建军，李平，邵赛，等.智能高速铁路关键技术研究及发展路 线图探讨[J].中国铁路,2020(7):1.

[2] 刘长青.京张高铁智能动车组关键技术研究与应用[J].中国铁路,2019(9):9