軌道交通裝備智能化技術(shù)的研究及應(yīng)用

1、引言2008年以來，隨著京津城際、武廣、京滬等客運(yùn)專線的開通.中國逐步擁有全世界運(yùn)營速度最快、里程最長的高速鐵路網(wǎng)。與此同時(shí).城軌車輛正在迅速增加，如北京、上海、深圳、廣州、天津、長沙、武漢、無錫等近30個(gè)城市已經(jīng)或者正在修建城市軌道交通，隨著軌道車輛的增多以及運(yùn)行速度的提升，用戶對(duì)設(shè)備的可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性(RAMS和生命周期成本(LCC的要求也越來越高，因此很有必要提高軌道交通裝備的智能化水平。軌道交通裝備智能化的技術(shù)源頭可追溯到上世紀(jì)70年代后期，微處理逐步應(yīng)用到機(jī)車車輛單個(gè)設(shè)備的控制上，譬如西門子、BBC480年代初把8086微處理器應(yīng)用于機(jī)車的傳動(dòng)控制；南車株洲電力機(jī)車研

2、究所有限公司在80年代前期開展了z80單板機(jī)控制靜止劈相機(jī)的研究、試驗(yàn)。隨著需要協(xié)同控制的對(duì)象增多，產(chǎn)生了基于串行通信的層次化列車通信網(wǎng)絡(luò)，并于1999年6月發(fā)展為IEC61375列車通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，軌道交通車載電氣設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警大部分都基于列車通信網(wǎng)絡(luò)WTB/MVB進(jìn)行。自進(jìn)入本世紀(jì)之后，隨著現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、列車骨干網(wǎng)(EthernetTrainBackbone,ETB)列車編組網(wǎng)(EthrmtConsistNetwok.ECN)無線通信、物聯(lián)網(wǎng)等諸多技術(shù)的應(yīng)用，軌道交通裝備智能化正在加速發(fā)展。1.軌道交通裝備智能化的定義軌道變通裝備的發(fā)展經(jīng)歷了如圖1所示的微機(jī)化、網(wǎng)

3、絡(luò)化、智能化發(fā)展歷程。軌道變通裝備智能化是將現(xiàn)有牽引控制、輔助電源、制動(dòng)、ATC機(jī)務(wù)信息、旅客信息等系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)營狀態(tài)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)統(tǒng)一的感知、識(shí)別、交流、診斷與決策的開放式系統(tǒng)，以支撐列車智能控制、智能監(jiān)測診斷、智能維護(hù)、智能安全和智能旅客服務(wù)等功能，提升列車運(yùn)行性能、安全性、乘客舒適度，提高列車運(yùn)營維護(hù)和運(yùn)營管理水平，降低列車的能源消耗，滿足國民經(jīng)濟(jì)對(duì)軌道交通越來越高的要求。2020圖1軌道交通裝備的微機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展fl®12雌片機(jī)明It機(jī)微機(jī)化軌道變通裝備智能化涉及傳感器信信號(hào)處理、通信、數(shù)據(jù)庫、人工智能、分布式計(jì)算等多項(xiàng)技術(shù)。相比較于當(dāng)前軌道交通裝備網(wǎng)絡(luò)

4、化的特點(diǎn)，智能化要求軌道交通裝備朝著人類智慧發(fā)展，具體表征為：具備人類感官功能：通過智能傳感器采集設(shè)備的狀態(tài)和外界環(huán)境等散據(jù)，使得列車具備視覺、聽覺、觸覺等感官功能。具備觀察能力和識(shí)別能力：遵循IEEEIEC等國際標(biāo)準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議和服務(wù)描述語言，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的地址自動(dòng)分配，功能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)與識(shí)別，達(dá)到電氣設(shè)備在線可替換。具備人類的交流功能：基于語義及推理，交通裝備能獲得自身及相關(guān)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。具備自診斷、自決策功能：通過自身及相關(guān)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和挖掘，推斷或者預(yù)判存在的故障或風(fēng)險(xiǎn)，輔助運(yùn)營部門決策，提高軌道交通的安全性能。服務(wù)更溫馨.人性化特點(diǎn)更突出：智能化采用面向服務(wù)的架構(gòu)(S

5、erviceOrietedArchitecture.SOA)定義網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備綱要(DeviceProfileforWebServiceDPWS)從用戶需求出發(fā)自上而下定義的服務(wù)接口使得裝備提供的功能更加人性化，從而提高軌道變通的舒適性：2軌道交通裝備智能化的系統(tǒng)架構(gòu)軌道變通裝備智能化采用開放式的系統(tǒng)架構(gòu)，遵循相同標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的設(shè)備、子系統(tǒng)都可以通過智能網(wǎng)絡(luò)集成到系統(tǒng)中，通過協(xié)作完成一系列特定的功能。圖2是軌道變通裝備智能化的系統(tǒng)構(gòu)架框圖。其中，軌道交通裝備包括車體轉(zhuǎn)向架，輪軌、主變流器、電機(jī)、輔助變流器等各大部件。智能網(wǎng)絡(luò)包括列車通信網(wǎng)絡(luò)、車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)和地面數(shù)據(jù)中心，用于車載設(shè)備之間以及車載

6、設(shè)備與地面數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。智能決策與評(píng)判是基于被采集的數(shù)據(jù)，通過專家系統(tǒng)分析，判定各部件的運(yùn)營狀態(tài)。智能應(yīng)用是交通裝備通過智能網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，向用戶提供綜合性的功能，包括列車及子系統(tǒng)的智能控制、狀態(tài)監(jiān)測與診斷、智能維護(hù)、智能安全和旅客服務(wù)等。餐餐決策與評(píng)判次總#一麗檢邕(*常戚虞】人工MB乂分布犬計(jì)算圖2軌道交通裝備只能化的系統(tǒng)構(gòu)架框圖3軌道交通裝備智能化的技術(shù)基礎(chǔ)現(xiàn)有控制、通信等系統(tǒng)以及前沿的信息技術(shù)構(gòu)成了軌道交通裝備智能化的技術(shù)基礎(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，智能決策與評(píng)判技術(shù)和面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)。31數(shù)據(jù)采集技術(shù)交通裝備是智能化的載體，完成裝備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集是智能化的前提。對(duì)于

7、沒有通信接口的機(jī)械裝備，譬如車體、車輪、軸等部件，需要通過射頻電子標(biāo)簽（RadioFrequenCyldenticy.RFID以及溫度、濕度、位置、角度、速度、加速度、電量等傳感器獲得其狀態(tài)信息，通過現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入到智能網(wǎng)絡(luò)中。數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要包括高精度傳感器、RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。32網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是交通裝備智能化的基礎(chǔ)。智能網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)為骨干網(wǎng)絡(luò)，兼容總線技術(shù)的集成，具架構(gòu)示意罔如圖3所示。圖3軌道交通裝備智能化的通信網(wǎng)絡(luò)智能網(wǎng)絡(luò)中錄用的通信掛術(shù)包括： 以太網(wǎng)通信技術(shù)：在新IEC61375標(biāo)準(zhǔn)中，列車通信網(wǎng)絡(luò)包括實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的列

8、車骨干網(wǎng)和列車編組網(wǎng)，兩者都提供100Mb/s的通信帶寬，以太網(wǎng)通過快速變換、服務(wù)質(zhì)量、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議等算法策略，在提高傳輸寬帶的同時(shí)，保證了實(shí)時(shí)性和確定性。 總線通信技術(shù)：目前我國的列車網(wǎng)絡(luò)一般采用WTB,車輛和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)采用MVB、CAN、RS485電流環(huán)、HDLC等總線。雖然這些總線寬帶不高，但具備很好的可靠性、實(shí)用性和靈活性。 無線通信技術(shù)：新的IEC61375標(biāo)準(zhǔn)制定了車-地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)子標(biāo)準(zhǔn)。通過WCDMA技術(shù)的3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和LTE技術(shù)的4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，傳輸軌道交通裝備在途實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。通過IEEF802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)高速無線局域網(wǎng)，下載裝備的故障記錄、事件記錄

9、等歷史數(shù)據(jù)?；诟哳l微博通信技術(shù)，點(diǎn)式應(yīng)答器傳遞列車控制所需的地面信息。衛(wèi)星通信技術(shù)：當(dāng)采用GPS獲得位置信息后通過車-地?zé)o線通信傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心.采用北斗衛(wèi)星時(shí)，可基于衛(wèi)星短信息通道和車-地通信冗余地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更好地提高列車運(yùn)行的安全。3.3智能決策與評(píng)判技術(shù)交通裝備的檢測診斷、維護(hù)、視頻以及旅客信息等數(shù)據(jù)通過智能網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，分布式地進(jìn)行存儲(chǔ)。通過數(shù)據(jù)挖掘搜索隱藏其中的關(guān)聯(lián)性、獲得系統(tǒng)統(tǒng)具有價(jià)值的潛在信息，完成決策和評(píng)判3 .4面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)變通裝備智能化的核心是提供標(biāo)準(zhǔn)化的功能服務(wù)接口，以相互協(xié)作完成一系列特定的用戶功能需求，協(xié)同工作需要下面的基礎(chǔ)技術(shù)支撐： 面向服務(wù)的架構(gòu)

10、：面向服務(wù)的架構(gòu)是軟件組件模型，將應(yīng)用程序的不同功能單元通過定義的服務(wù)接扣和契約聯(lián)系起來，使得復(fù)雜系統(tǒng)的功能單元可以以統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互。正在制定的IEC62580標(biāo)準(zhǔn)中，車載系統(tǒng)(視頻監(jiān)控/維護(hù)系統(tǒng)/司乘人員支撐系統(tǒng)/運(yùn)營支撐系統(tǒng))將采用SOA架構(gòu)來規(guī)范相關(guān)設(shè)備的應(yīng)用程序組件及接口。 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)技術(shù)：DPWS是關(guān)于設(shè)備的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議精簡子集，用于規(guī)范設(shè)備的服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)尋址、服務(wù)加入、客白端搜索和定位服務(wù)。DPWS具體包括：DPWS發(fā)現(xiàn)，DPWS安全，DPWS描述等服務(wù)。IEC62580標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車載設(shè)備的DPWS進(jìn)行洋細(xì)的規(guī)范。上述基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)分別應(yīng)用在動(dòng)車組、大功率機(jī)車和城軌車輛上。

11、4智能化技術(shù)的應(yīng)用將智能化技術(shù)的應(yīng)用在車?yán)锏目刂啤⒈O(jiān)測和診斷、維護(hù)、安全、旅客信息等方面，主要有以下實(shí)例。4 1ATO與車站定點(diǎn)停車通過自動(dòng)列車控制ATO車輛控制單元VCU牽弓I控制單元TCU和制動(dòng)控制單元BCU的協(xié)同，根據(jù)乘客舒適度和信號(hào)系統(tǒng)移動(dòng)閉塞的要求，在各種載荷下完成最佳的啟動(dòng)和停止控制。車站定點(diǎn)停車需要與地面信號(hào)系統(tǒng)和屏蔽門系統(tǒng)協(xié)同配合，位置誤差服從N(0,132)正態(tài)分布，誤差土132mm、±264mm、±396mm和±500mm以內(nèi)的概率分別達(dá)到68.26%、95.44%、99.74%和99.99%。優(yōu)先利用再生制動(dòng)，將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)減小

12、閘瓦磨耗，避免使用閘瓦造成的粉塵污染、噪聲污染。42智能化節(jié)能型輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)包括輔助變流器、空調(diào)、空壓機(jī)、照明等設(shè)備，輔助系統(tǒng)與車輛的舒適性相關(guān)。為保證旅客舒適性，避免非必要的高能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，智能化節(jié)能型輔助系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)高峰時(shí)段或非高峰時(shí)段、24h環(huán)境溫度、四季溫度變化、停車和行車、正常供電工況和擴(kuò)展供電況等運(yùn)營情況，考慮牽引和再生制動(dòng)的特點(diǎn)，量身定制輔助系統(tǒng)的總功率；充分發(fā)揮變頻優(yōu)勢，制訂變頻策略，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輔助系統(tǒng)的工作負(fù)載。4.3共享路權(quán)信號(hào)系統(tǒng)低地板車作為一種極具特色的軌道交通車輛，其特點(diǎn)之一是與普通汽車同在路面開行，存在共享路權(quán)的問題。中國的大中小城市都有采用低地板車的潛在需求

13、，部分大城市已經(jīng)開通了低地板車。中國南車正著手開發(fā)配套的共享路權(quán)信號(hào)系統(tǒng)。共享路權(quán)信號(hào)系統(tǒng)除了其有城軌交通信號(hào)系統(tǒng)常規(guī)功能外，還需要與普通公路紅綠燈接口聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能的交通管理；其車載系統(tǒng)還需要有障礙物探測功能，與BCU配合實(shí)現(xiàn)防撞功能，把可能的對(duì)汽車和行人的碰撞傷害減小至最小。44精簡傳感器的牽引系統(tǒng)列車的牽引控制一般需要基于多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)。傳感器的損壞將導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)生故障。精簡牽引系統(tǒng)的傳感器數(shù)量，依靠對(duì)少數(shù)骨干傳感器信號(hào)的分辨和提取，獲得其他輔助傳感器的信息用于牽引控制，將提高控制系統(tǒng)的可靠性，降低因傳感器損壞導(dǎo)致的故障發(fā)生。45網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自動(dòng)尋址車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信地址通過自動(dòng)分

14、配算法進(jìn)行配置，采取自動(dòng)初運(yùn)行算法形成設(shè)備目錄庫。設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)和目錄庫進(jìn)行自動(dòng)尋址。通過自動(dòng)尋址功能，設(shè)備將具有相同的硬件、軟件和配置。設(shè)備更新和互換后，無需重新配置即可實(shí)現(xiàn)通信。46基于最小能耗的TTO模式ATO實(shí)現(xiàn)列車加速、減速等自動(dòng)控制，保證列車運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)時(shí)性。城市軌道交通由于線路站點(diǎn)密度高，列車在運(yùn)行過程中需要頻繁的加速和減速。列車加速時(shí)，需要從電腳吸取屯能，列車從最高速度開始減速時(shí)，又具有極豐富的動(dòng)能資源。如果在減速過程中能把動(dòng)能高效地轉(zhuǎn)化成電能回饋到電網(wǎng)中，將極大地降低能量消耗。通過優(yōu)化ATO相應(yīng)的控制目標(biāo)和控制策略，將實(shí)現(xiàn)能源最優(yōu)的列車控制。47

15、遠(yuǎn)程監(jiān)測與診斷智能監(jiān)測和診斷系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)測和診斷系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由各類高精度傳感器、繼電器、探頭以及探測設(shè)備組成.主要采集數(shù)據(jù)包括：電壓電流數(shù)據(jù)：網(wǎng)壓、網(wǎng)流、蓄電池電壓、斬波電流、逆變電流等；溫度數(shù)據(jù)：電機(jī)溫度、制動(dòng)電阻溫度、軸溫、油溫、環(huán)境溫度等；壓力數(shù)據(jù)：總風(fēng)壓力、制動(dòng)缸壓力、載荷等；速度數(shù)據(jù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速、列車實(shí)際速度等；探測數(shù)據(jù)：煙火報(bào)警探測、水箱水位探測、水管漏水探測等；其他數(shù)據(jù)：故障數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)等。采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)降孛?，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行監(jiān)測和診斷。監(jiān)測和診斷系統(tǒng)一般安裝在指揮調(diào)度中心，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測所有在線運(yùn)營的車輛以及相關(guān)線路信息。專家

16、系統(tǒng)綜合各類信息，進(jìn)行故障預(yù)警、故障診斷，并指導(dǎo)司機(jī)和乘務(wù)員進(jìn)行現(xiàn)場突發(fā)事件處理，指導(dǎo)售后維護(hù)人員進(jìn)行車輛回庫檢修等工作。48維護(hù)與檢修維護(hù)與檢修是指軌道交通裝備將自檢自診斷功能接口標(biāo)準(zhǔn)化，通過智能網(wǎng)絡(luò)支持列車的維護(hù)檢修。只需要在顯示器等人機(jī)交互的地方啟動(dòng)檢修模式，所有的交通裝備即進(jìn)行自檢自診斷，并對(duì)異常的結(jié)果進(jìn)行報(bào)警。49自動(dòng)列車控制系統(tǒng)ATC自動(dòng)列車控制系統(tǒng)ATC包括列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS列車超速防護(hù)系統(tǒng)ATP及列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)ATQATS可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行的臨督和控制，輔助行車調(diào)度人員對(duì)全線列車運(yùn)行進(jìn)行管理；ATP保證列車間隔，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)；ATO利用車載信息和地面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)列車牽引、制

17、動(dòng)的控制。3個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備通過智能網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使列車處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高乘客的舒適度和列車準(zhǔn)點(diǎn)率，節(jié)約能源。410安全預(yù)警傳感網(wǎng)安全預(yù)警傳感網(wǎng)是種針對(duì)城軌列車在途狀態(tài)及安全運(yùn)營關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)檢測而構(gòu)建的系統(tǒng)，通過狀態(tài)檢測節(jié)點(diǎn)全局獲取列車運(yùn)行及列車安全運(yùn)營關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過異常預(yù)警、預(yù)判分析等手段，為排除影響列車安全運(yùn)營不利因素提供數(shù)據(jù)。411視頻監(jiān)控與公共安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)是軌道交通公共安全保證的重要組成部分，主要通過視頻對(duì)車站、列車車廂、車輛段、停車場、綜合基地、主變電站(所)、運(yùn)營控制中心等場所進(jìn)行監(jiān)控，把握軌道交通各站點(diǎn)的物流、人流情況，通過智能的圈像識(shí)別，提取門、站臺(tái)等關(guān)鍵位置

18、的安全信息，并將信息融入到列車控制中，避免人身安全事故的發(fā)生。智能化技術(shù)的應(yīng)用根據(jù)用戶的需求而改變，軌道交通裝備智能化以標(biāo)準(zhǔn)化的功能及接口規(guī)范，有效地適應(yīng)用戶需求的變化，只需要在系統(tǒng)層面根據(jù)用戶需求進(jìn)行軟件的變更即可滿足用戶的需要，不用對(duì)所有的設(shè)備進(jìn)行底層軟硬件的更新。與此同時(shí)，智能化技術(shù)將目前分散的各個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)地融合在一起，發(fā)揮系統(tǒng)的最大功效，極大地提高軌道交通系統(tǒng)的性能5軌道交通裝備智能化的發(fā)展和展望當(dāng)前，已經(jīng)有一系列的項(xiàng)目在推進(jìn)鐵路軌道交通裝備的智能化。系統(tǒng)智能集成項(xiàng)目(IntelligentIntegra-tionofRailwaySystem,InteGRail渥歐洲旨在推動(dòng)軌道交通裝備智能化的項(xiàng)目之，主要由西門子、龐巴迪、阿爾斯通、法國鐵路公司、UIC等歐洲的軌道交通企業(yè)、運(yùn)營商以及標(biāo)準(zhǔn)化組織開發(fā)了一系列的裝備集成規(guī)范和應(yīng)用項(xiàng)目原型，該項(xiàng)目通過智能化集成，提高車軸裝備、鐵路運(yùn)營、鐵路基礎(chǔ)沒施、旅客運(yùn)輸?shù)鹊陌踩?、可靠性、舒適性。鐵路系統(tǒng)的能源管理(