郄江華,杜立立
縱觀人類每一次交通運(yùn)輸方式的變革,都會(huì)給生活方式和生活水平帶來(lái)巨大的改變,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展。當(dāng)前,軌道交通正憑著運(yùn)輸量大、安全性高、速度越來(lái)越快的優(yōu)勢(shì)在全球不斷“開疆拓土”,不斷催生“經(jīng)濟(jì)奇跡”。
經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的基礎(chǔ)是基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通,構(gòu)建現(xiàn)代化的綜合交通體系勢(shì)在必行,這包括暢通對(duì)外綜合運(yùn)輸通道和構(gòu)筑快速交通網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)城市群交通發(fā)展需求,不少企業(yè)推出了專門的產(chǎn)品。比如,中車株機(jī)公司展出的“CJ6型城際動(dòng)車組”車型采用4編組,最高速度160km/h,最大載客量970人,具有可重聯(lián)、大載客量、加減速度快、快起快停等特點(diǎn),適用于站間距較短的城際線路,可滿足城市群之間軌道交通高密度、公交化運(yùn)營(yíng)的需求[1,2]。
軌道交通的發(fā)展的歷史已有100多年。綠色、智能作為軌道交通電力牽引的未來(lái)發(fā)展方向,成為當(dāng)今鐵路行業(yè)自主創(chuàng)新的主要投入方向。城市軌道交通包括地鐵交通、輕軌交通、有軌電車交通、各種索道及纜車的經(jīng)營(yíng)管理活動(dòng),是近年來(lái)城市公交的重點(diǎn)發(fā)展類型。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,截至2017年年末,我國(guó)大陸地區(qū)共34個(gè)城市開通城市軌道交通并投入運(yùn)營(yíng),共開通城市軌道交通線路165條,運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度達(dá)5 033km。2018年,中國(guó)城市軌道交通投運(yùn)線路長(zhǎng)度繼續(xù)提升至5 767km。
地鐵智能化關(guān)鍵技術(shù)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)價(jià)技術(shù)和面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)。系統(tǒng)主要分硬件改造和軟件功能調(diào)試2部分,硬件改造包括對(duì)車門控制器、走形部軸端、齒輪箱、車載以太網(wǎng)設(shè)備改造,以及在車輛段庫(kù)內(nèi)EWLM波導(dǎo)管天線、多格式數(shù)據(jù)分析服務(wù)器布置、前臺(tái)顯示工作站等設(shè)備改造。軟件功能調(diào)試包括車載設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能、車地?zé)o線多模式單向傳輸功能、地面服務(wù)器數(shù)據(jù)挖掘、建模、健康分析和智能決策評(píng)判功能、面向服務(wù)構(gòu)架的智能化分析平臺(tái)安全性、穩(wěn)定性功能驗(yàn)證。
列車將采集的列車數(shù)據(jù)(TCMS數(shù)據(jù)、事件記錄儀數(shù)據(jù)、新增車門狀態(tài)數(shù)據(jù)、新增走行部診斷數(shù)據(jù)等)通過車載無(wú)線傳輸通道發(fā)送到地面專家分析服務(wù)器,完成數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析、故障等級(jí)分類、統(tǒng)計(jì)和健康評(píng)估。
2.1.1 車門智能診斷系統(tǒng)
目前,地鐵車輛門控器只能輸出已產(chǎn)生的顯性故障結(jié)果,缺乏故障發(fā)生前的異常工作狀態(tài)的分析判斷。門控器故障信息通過MVB總線上傳給車輛TCMS并在司機(jī)室的屏幕上顯示,還可以通過門控器的LED指示燈顯示。故障數(shù)據(jù)只能在列車入庫(kù)后人工下載,維護(hù)人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)逐門進(jìn)行日常檢查和簡(jiǎn)單故障判斷。
車門智能診斷系統(tǒng)通過更換智能門控器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)、門控器(電信號(hào)采集)以及鎖閉機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況和工作參數(shù),并通過車載以太網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳地面服務(wù)器,通過系統(tǒng)的故障規(guī)則知識(shí)庫(kù)智能化判斷當(dāng)前的車門是否產(chǎn)生了故障或進(jìn)入了亞健康狀態(tài)。在車門系統(tǒng)沒有進(jìn)入故障時(shí)就提前檢修和排除亞健康問題,大大降低故障的發(fā)生概率,尤其是減少了無(wú)法電動(dòng)關(guān)門、開不到位、三秒不解鎖等常見故障,有效地提高了車門系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。一旦判斷該車門系統(tǒng)存在故障或進(jìn)入亞健康狀態(tài),系統(tǒng)會(huì)及時(shí)推送信息(包含問題現(xiàn)象、原因和解決方案)給對(duì)應(yīng)的維修人員,通知該人員及時(shí)處理問題,降低了地鐵運(yùn)營(yíng)過程中突發(fā)故障產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)成本。
2.1.2 走行部智能診斷系統(tǒng)
走行部智能診斷系統(tǒng)是一種走行部的安全監(jiān)測(cè)裝備,通過安裝在走行部關(guān)鍵部件上的復(fù)合傳感器,同時(shí)監(jiān)測(cè)沖擊、振動(dòng)、溫度3個(gè)物理量,并通過基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù),實(shí)現(xiàn)走行部關(guān)鍵部件(軸箱軸承、齒輪箱軸承、齒輪、車輛踏面、鋼軌)的車載在線實(shí)時(shí)診斷,對(duì)于故障實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警和分級(jí)報(bào)警,準(zhǔn)確地指導(dǎo)車輛的運(yùn)用和維修。另外,還能對(duì)軌道波磨區(qū)段進(jìn)行分析及精確定位,為軌道的及時(shí)打磨提供依據(jù),且能實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警。
2.1.3 關(guān)鍵空開、控制繼電器動(dòng)作次數(shù)
各系統(tǒng)供電空開、控制繼電器吸合動(dòng)作次數(shù)通過TCMS進(jìn)行記錄,結(jié)合繼電器產(chǎn)品說(shuō)明中的使用壽命,為繼電器的預(yù)防性維修提供指導(dǎo)。
2.1.4 TCMS數(shù)據(jù)
地鐵車輛列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄儀記錄收集的車輛各子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)下傳、分析及顯示。
2.1.5 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
車載數(shù)據(jù)通過列車新增的一套以太網(wǎng)進(jìn)行采集,主要由列車各子系統(tǒng)智能化檢測(cè)設(shè)備、以太網(wǎng)交換機(jī)、數(shù)據(jù)記錄儀、網(wǎng)絡(luò)智能控制單元、認(rèn)證智能控制器、車載無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及車載天線組成,車各車廂的子系統(tǒng)智能化設(shè)備與本車以太網(wǎng)交換機(jī)相連,并按照協(xié)議傳送本系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)信息和故障信息等,再通過各車廂的以太網(wǎng)交換機(jī)將整列車的信息數(shù)據(jù)由認(rèn)證智能控制單元,經(jīng)車載無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和天線傳輸?shù)降孛娣?wù)器。
車載數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要對(duì)TCMS故障數(shù)據(jù)、車門診斷數(shù)據(jù)、走行部診斷數(shù)據(jù)等進(jìn)行傳輸,此數(shù)據(jù)量較小,故采用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸。列車將搜集的數(shù)據(jù)通過車載無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與地面的以太網(wǎng)交換機(jī)相連接,實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的車地?zé)o線數(shù)傳,將列車信息至指定地面管理服務(wù)器,并由車輛故障信息管理服務(wù)器完成故障的分類、統(tǒng)計(jì)和評(píng)估。
列車在庫(kù)內(nèi)要傳輸事件記錄儀數(shù)據(jù),事件記錄儀數(shù)據(jù)量較大,故采用穩(wěn)定可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速度快的波導(dǎo)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.1.6 面向服務(wù)的地面專家分析系統(tǒng)
地面專家分析系統(tǒng)主要由地面服務(wù)器、地面信號(hào)接收裝置和客戶端組成。地面信息接收裝置接收列車下傳的數(shù)據(jù)信息,并通過數(shù)據(jù)服務(wù)器中“故障建模對(duì)比、健康分析和智能決策評(píng)判”服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。
TACS是以北京地鐵6號(hào)線一期工程建設(shè)項(xiàng)目為依托,由青島地鐵集團(tuán)公司、中車青島四方車輛研究所、中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、上海富欣智能交通控制有限公司與北京中興高達(dá)通信技術(shù)有限公司等單位共同研發(fā)實(shí)施的列車自主運(yùn)行軌道交通技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目。北京地鐵6號(hào)線將是國(guó)內(nèi)第一條列車自主運(yùn)行線路,而且具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),真正實(shí)現(xiàn)站在國(guó)際軌道交通技術(shù)前沿引領(lǐng)國(guó)際軌道交通行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向,使得中國(guó)的軌道交通列車控制技術(shù)趕超世界一流水平,實(shí)現(xiàn)從跟隨到引領(lǐng)的超越。
“最聰明列車”是業(yè)內(nèi)給未來(lái)北京地鐵6號(hào)線列車貼上的一個(gè)標(biāo)簽,它將真正實(shí)現(xiàn)地鐵列車的“自主運(yùn)行”。6號(hào)線列車的“列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱TACS)”改變了傳統(tǒng)“車—地—車”的通信和控制架構(gòu),采用“車-車”架構(gòu),列車之間可通過無(wú)線通信完成信息交互,從而直接獲知前行列車的位置和速度,并控制列車運(yùn)行的系統(tǒng)。如此一來(lái),就好像是列車自己有了“大腦”和“千里眼”,完全能夠自己判斷路上的情況,安全、智能、飛速地“奔跑”起來(lái)了。這項(xiàng)技術(shù)使得6號(hào)線列車可以縮短發(fā)車間隔,減少軌旁設(shè)備配置,列車上的各個(gè)系統(tǒng)高度融合,大大提高了在站臺(tái)停車的精確度和區(qū)間運(yùn)行的舒適度,提高了運(yùn)營(yíng)效率,也節(jié)約了建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本[3,4]。
6號(hào)線以BIM為基礎(chǔ),打造智慧工地信息化集成管理系統(tǒng)。這也是在首次創(chuàng)新運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能化、云計(jì)算等信息技術(shù),打造信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化智慧工地?!爸腔酃さ亍钡幕拘畔ⅰ⑽kU(xiǎn)因素等內(nèi)容如同“朋友圈”一樣滾動(dòng)顯示,隨時(shí)可通過手機(jī)上傳或?qū)崟r(shí)查看。同時(shí),通過視頻監(jiān)控、人機(jī)定位等設(shè)備終端,對(duì)工程項(xiàng)目的人、機(jī)、料、法、環(huán)以及關(guān)鍵部位等信息進(jìn)行直觀、動(dòng)態(tài)、綜合、統(tǒng)一的智能分析和數(shù)據(jù)交互,做到事前預(yù)警、事中留痕、事后評(píng)估等全過程管控。在安全風(fēng)險(xiǎn)管理方面,“智慧工地”與BIM平臺(tái)相關(guān)聯(lián),實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)工程施工進(jìn)度,并根據(jù)進(jìn)度情況對(duì)不良地質(zhì)區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)警。同時(shí),“智慧工地”將運(yùn)用最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)手段,開設(shè)安全體驗(yàn)館,通過佩戴全套VR設(shè)備,讓工人掌握安全操作規(guī)程和緊急應(yīng)對(duì)措施?!爸腔酃さ亍边€與“環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”相關(guān)聯(lián),對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度、PM2.5、風(fēng)力、噪音等環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如果PM2.5數(shù)值超過既定數(shù)值,自動(dòng)噴淋系統(tǒng)就會(huì)開始作業(yè)。
此外,除了列車外,未來(lái)的北京地鐵6號(hào)線將在既有車站系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過增加全息感知、自動(dòng)開關(guān)站、智慧安檢、多元化售檢票、智能問詢及電子導(dǎo)引、客流場(chǎng)景分析等功能,實(shí)現(xiàn)智慧車站的設(shè)想。
神朔鐵路為國(guó)家Ⅰ級(jí)干線雙線電氣化重載鐵路,主要擔(dān)負(fù)神府東勝礦區(qū)的煤炭外運(yùn)任務(wù),單線運(yùn)輸能力達(dá)3 500萬(wàn)噸,與包神鐵路、朔黃鐵路共同組成我國(guó)西煤東運(yùn)的第二條大通道,也是神華集團(tuán)礦、路、電、港、航系統(tǒng)工程的重要組成部分。2019年10月16日,國(guó)家能源集團(tuán)神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬(wàn)噸重載列車正式開行(見圖1)。
圖1 智能駕駛“3+0”萬(wàn)噸重載列車正式開行
神朔鐵路智能駕駛“3+0”萬(wàn)噸重載列車的主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)機(jī)車智能駕駛系統(tǒng)。機(jī)車智能駕駛系統(tǒng)以“感知、決策、執(zhí)行”為設(shè)計(jì)思路,實(shí)現(xiàn)重載列車運(yùn)營(yíng)全過程的自動(dòng)化控制,包括根據(jù)調(diào)度計(jì)劃自動(dòng)喚醒、自動(dòng)整備、自動(dòng)出段、自動(dòng)聯(lián)掛、自動(dòng)發(fā)車、自動(dòng)貫通試驗(yàn)、自動(dòng)過分相、自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)停車、自動(dòng)入段、自動(dòng)調(diào)車、自動(dòng)休眠等功能。從調(diào)度員下達(dá)機(jī)車運(yùn)行指令后,機(jī)車自動(dòng)接受命令,自動(dòng)喚醒后,自動(dòng)升弓合主斷、起輔機(jī),進(jìn)入自動(dòng)牽引試驗(yàn)狀態(tài),試驗(yàn)完成后恢復(fù)信號(hào),根據(jù)指令分析出庫(kù)、出站,到站場(chǎng)后進(jìn)行自動(dòng)連接,隨后機(jī)車進(jìn)入運(yùn)行試驗(yàn)環(huán)節(jié),根據(jù)站場(chǎng)信號(hào),列車發(fā)車,運(yùn)行途中根據(jù)線路和氣候條件,包括前方線路有無(wú)障礙物以及風(fēng)雪雷電等數(shù)據(jù)和情景模式,進(jìn)行自動(dòng)探測(cè),確保安全運(yùn)行。
2)開創(chuàng)了世界5個(gè)“第一”。智能駕駛“3+0”萬(wàn)噸重載列車正式開行,創(chuàng)造了5個(gè)世界第一:(1)在12‰長(zhǎng)大上坡道線路上實(shí)現(xiàn)重載列車萬(wàn)噸自動(dòng)駕駛,降低了司乘人員的操縱強(qiáng)度與難度;(2)提升了運(yùn)輸效率,實(shí)現(xiàn)了機(jī)車作業(yè)自動(dòng)化;(3)提高了列車安全性,實(shí)現(xiàn)了基于障礙物檢測(cè)(雙雷達(dá)+視頻識(shí)別)、調(diào)車信號(hào)防護(hù)的自動(dòng)調(diào)車作業(yè);(4)基于北斗導(dǎo)航差分定位,實(shí)現(xiàn)機(jī)車精準(zhǔn)控制;(5)首次在機(jī)車上引入環(huán)境氣象信息,對(duì)列車操縱提供參考和決策依據(jù)。
該項(xiàng)目的成功,是中國(guó)聯(lián)通履行央企責(zé)任,助力我國(guó)重載鐵路發(fā)展邁入智能化新階段的大膽嘗試。神朔鐵路重載火車智能駕駛項(xiàng)目作為新的發(fā)展起點(diǎn),就神朔鐵路LTE覆蓋、互聯(lián)網(wǎng)專線升級(jí)、“智慧辦公”等項(xiàng)目與相關(guān)部門和單位進(jìn)一步開展深度合作,推動(dòng)陜北能源化工行業(yè)從生產(chǎn)到運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)智能化變革??梢哉f(shuō),這是我國(guó)現(xiàn)行萬(wàn)噸重載列車控制領(lǐng)域的一次技術(shù)革命,將引領(lǐng)我國(guó)重載萬(wàn)噸貨運(yùn)鐵路向智慧化發(fā)展方向,同時(shí)也意味著我國(guó)在貨運(yùn)重載列車控制領(lǐng)域已經(jīng)站在世界鐵路發(fā)展的前沿[5]。
2018年4月23日,作為智能京張高鐵重要配套設(shè)備的京張高鐵智能動(dòng)車組眾創(chuàng)設(shè)計(jì)結(jié)果,在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司公布。京張高鐵從北京樞紐北京北站引出,于2019年12月30日,京張高鐵正式開通運(yùn)營(yíng)(見圖2)。京張高鐵的智能化主要集中體現(xiàn)在以下幾方面:
圖2 京張高鐵
1)350km/h自動(dòng)駕駛。作為2022年北京冬奧會(huì)的重要交通運(yùn)營(yíng)服務(wù)保障設(shè)施,京張高鐵將于2020年12月30日正式開通運(yùn)營(yíng)。京張高鐵在世界上首次實(shí)現(xiàn)了時(shí)速350km自動(dòng)駕駛,進(jìn)一步鞏固和提升了中國(guó)高鐵的領(lǐng)跑優(yōu)勢(shì)。
2)橋隧、客站智能化施工技術(shù)。京張高鐵成功應(yīng)用了全線橋隧和客站智能化施工技術(shù),實(shí)現(xiàn)了基于BIM的工程施工信息共享和建設(shè)全過程管理。京張高鐵在工程建造領(lǐng)域,突破BIM、GIS關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)全線、全專業(yè)、全過程工程建設(shè)精細(xì)化管控,鐵路工程管理平臺(tái)廣泛應(yīng)用。
3)C3+ATO系統(tǒng)。從C2到C3再到C3+ATO,京張高鐵砥礪前行,推動(dòng)中國(guó)高鐵列控技術(shù)在十幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到強(qiáng)的精彩蝶變。列車控制技術(shù)被稱為高鐵列車的“大腦”和“中樞神經(jīng)”。要控制高鐵列車發(fā)車停車、運(yùn)行區(qū)段、時(shí)速等,都離不開列控技術(shù)。通過細(xì)致研究和大量試驗(yàn),研發(fā)出具有中國(guó)自主品牌、適應(yīng)中國(guó)高鐵發(fā)展需要的CTCS-3級(jí)(簡(jiǎn)稱C3)列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)列車信號(hào)信息雙向傳輸,對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)提出更高指標(biāo)要求;同時(shí),京張高鐵沿線山區(qū)環(huán)境復(fù)雜多樣,存在大量隧道、長(zhǎng)坡等特殊覆蓋場(chǎng)景,加大了GSM-R部署及優(yōu)化難度。首先,北方冬季時(shí)間漫長(zhǎng),氣候寒冷,室外最低溫度可達(dá)-40℃以下,要求所有設(shè)備必須在長(zhǎng)期的低溫惡劣環(huán)境下穩(wěn)健運(yùn)行,對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定性提出了嚴(yán)格要求;其次,列車運(yùn)行速度快,并承載列控系統(tǒng),對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性提出了嚴(yán)格要求;最后,受限于鐵路專用無(wú)線頻率資源,通常在交叉并線區(qū)段,頻率干擾將直接導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的惡化甚至通信中斷,頻率的規(guī)劃和設(shè)計(jì)存在重大挑戰(zhàn)。C3+ATO系統(tǒng)針對(duì)高鐵在樞紐地區(qū)、交叉線和并線區(qū)段存在頻率規(guī)劃、切換控制難等問題,簡(jiǎn)化頻率規(guī)劃、擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍、減少小區(qū)切換頻率,實(shí)現(xiàn)樞紐地區(qū)的容量保證,提高網(wǎng)絡(luò)切換指標(biāo),為承載列車控制信號(hào)提供安全保障[6,7]。
軌道無(wú)處不在,技術(shù)變革和市場(chǎng)機(jī)遇正不斷孕育。創(chuàng)新永無(wú)止境,世界先進(jìn)交通體系新時(shí)代無(wú)限可能??偠灾獡屪?guó)家新基建和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略機(jī)遇,大力推進(jìn)軌道交通產(chǎn)業(yè)集群化、智能化發(fā)展,圍繞打造軌道交通產(chǎn)業(yè)集群目標(biāo),加大“雙招雙引”力度,推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新、模式創(chuàng)新。同時(shí),要搶抓高速磁浮產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇,積極爭(zhēng)取規(guī)劃建設(shè)高速磁浮示范線。要支持示范區(qū)整體連片開發(fā)建設(shè),打通示范區(qū)配套服務(wù)的堵點(diǎn)、痛點(diǎn)。