科技賦能軌道交通移動裝備發展

陳 伯 施

(中國鐵道學會 車輛委員會，北京 100844)

1 我國鐵路規劃和移動裝備概況

2020年8月，中國國家鐵路集團有限公司正式發布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》(以下簡稱《規劃綱要》)，明確了中國鐵路未來30年的發展藍圖：到2035年，全國建成鐵路網20 萬km左右，其中高鐵7 萬km左右，20萬人口以上城市實現鐵路覆蓋，50萬人口以上城市高鐵通達。根據2016年7月國家發布的《中長期鐵路網規劃》，中國高速鐵路主通道為“八縱八橫”(“八縱”：沿海通道(大連—北海)、京滬通道、京港(臺)通道、京哈—京港澳通道、呼南通道(呼和浩特—南寧)、京昆通道、包(銀)海通道(包頭—海口)、蘭(西)廣通道；“八橫”：綏滿通道、京蘭通道、青銀通道、陸橋通道(連云港—烏魯木齊)、沿江(上海—成都)、滬昆通道、廈渝通道、廣昆通道)，普速鐵路“八縱八橫”通道(“八縱”：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京廣通道、京九通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道；“八橫”：煤運北通道(大秦)、京蘭通道、煤運南通道(晉中南)、陸橋通道(隴海、蘭新)、寧西通道(南京—西安)、沿江通道(重慶—上海)、滬昆通道、西南出海通道(昆明—湛江))進一步完善(圖1、圖2)。鐵路協同航空、公路、城軌等交通運輸方式，共同構建國家綜合交通運輸體系。

圖2 中長期高速鐵路網規劃圖

截至2020年7月，我國鐵路營業里程達到14.14 萬km，其中，高鐵里程3.6 萬km。我國動車組保有量3 600標準組，超過世界其他國家和地區的動車組數量總和；客車保有量4.6萬輛，居世界第2位；貨車保有量93萬輛，居世界第3位。

2019年鐵路日均旅客發送量為980萬人，單日旅客發送量最高為1 724萬人次，年旅客發送量35.8億人，其中動車組發送量占鐵路旅客發送量的64%；年旅客周轉量1.45萬億人· km，占全社會客運市場份額近40%。2019年，國鐵日均貨物發送量為942萬t，年貨物發送量為34.4億t，年貨物周轉量為2.7萬億t· km，日均裝車數量達到17萬輛以上。2020年，日均開行旅客列車近1萬列，其中動車組列車約占70%；日均開行貨物列車2萬列左右。

目前，全國共有動車組制造檢修工廠7個，動車車輛段12個，動車運用所65個，檢查庫線393條、存車線1 896條；客車制造工廠5個，客車檢修工廠9個，客車車輛段26個；貨車制造工廠16個，貨車檢修工廠10個，貨車車輛段43個。

按照“引進、消化、吸收、再創新”的發展模式，我國在較短時間內，系統掌握了高速列車9項關鍵技術、10項配套技術，初步構建了我國高速動車組技術體系。根據國家經濟社會的發展和鐵路裝備設計制造技術的進步，為進一步滿足旅客運輸需求，國鐵集團組織開展了“復興號”動車組系列產品、京張京雄智能動車組、新型臥鋪動車組、城際動車組、雙層動車組、160 km/h動力集中動車組等新型動車組的研發以及相關前瞻性技術研究(圖3)。

圖3 新型動車組產品

鐵路客車近年來的發展主要以功能提升為重點，在提速、空調化、DC 600 V直流供電、集便化等方面進行了技術升級。鐵路客車的運行速度目前達到160 km/h，91%的客車實現了空調化，DC 600 V直流供電客車達到48.4%，裝有真空集便器的客車達到60%。

貨車自2005年起全部按時速120 km標準生產，既有貨車全部實施時速120 km提速改造。提速貨車采用交叉支撐、擺動式或迫導向轉向架技術，運行速度由80 km/h提高到120 km/h。2004年研制完成了軸重23 t、載重70 t新型通用貨車和軸重25 t、載重80 t運煤專用貨車；2014年研制完成了軸重27 t、載重80 t通用貨車，軸重30 t、載重98 t的運煤專用敞車和專用漏斗車。軸重27 t、載重80 t通用敞車已批量投入運用，其他車種正在進行運用考驗。出口貨車最大軸重達到40 t以上。我國貨車設計制造技術已達到國際先進水平。圖4為部分新型貨車產品。

圖4 新型貨車產品

2016年，我國在國家高技術研究發展計劃(863)、國家重點基礎研究發展計劃(973)、國家科技支撐計劃、國際科技合作與交流專項的基礎上，整合制定了《國家重點研發計劃先進軌道交通重點專項實施方案》，確定了軌道交通方面的10個重點研究方向。到2020年，我國將具備交付運營時速400 km及以上高速列車及相關系統，時速120 km以上聯合運輸、時速160 km以上快捷貨運和時速250 km以上高速貨運動車組成套裝備，滿足泛歐亞鐵路互聯互通要求、軌道交通系統全生命周期運營成本降低20%以上、因技術原因導致的運營安全事故率降低50%以上、單位周轉量能耗水平國際領先、磁浮交通系統技術完全自主化的技術能力。

鐵路移動裝備的技術發展以及北斗衛星、5G通信、大數據、人工智能等新技術創新，為在智能鐵路總體建設中實現鐵路車輛智能化開拓了廣闊空間。

2 鐵路移動裝備智能化的發展

根據國鐵集團規劃，智能鐵路架構中，移動裝備的智能化主要有以下三方面內容：

(1)智能制造。綜合應用物聯網、云計算、移動互聯網、大數據等新一代信息技術，并與先進的制造技術相融合，進行產品智能化設計、試驗、生產和質量控制。人工智能與制造業相結合，實現制造業數字化，是智能制造的發展趨勢。

根據測試結果可知突出物間距對紗線牽引力大小的影響，當突出物間距增加到10mm時，牽引力大小趨于穩定，這與數值模擬的結果一致。

(2)智能裝備。采用全方位信息采集、智能化運行控制、故障預測與健康管理(PHM)等技術，實現高鐵動車組的自感知、自診斷、自決策、自適應及自修復功能，實現移動裝備的自動和協同運行功能。

(3)智能運營。智能運營包括智能調度、智能服務、智能車站、智能物流、智能運維、智能安全保障及智能經營。

按照國鐵集團智能鐵路發展規劃，鐵路車輛智能化已經或正在取得初步成果。

2.1 車輛管理信息化

通過車號自動識別系統，建立完整的動車組、客車及貨車管理信息系統(EMIS、KMIS、HMIS)，實現車輛動態追蹤、資產清查、故障統計及檢修計劃等多項管理功能。

2.2 車輛健康管理智能化

對動車組、客車及貨車數據庫信息進行綜合分析，總結車輛及關鍵零部件性能變化、故障規律，科學確定使用壽命、檢修周期，以及各級修程的檢修內容和標準，確保車輛運行安全，提高車輛使用效率和全壽命成本管理水平。

通過大數據分析、故障累計、自學習等人工智能技術改進算法，實現列車故障動態圖像檢測系統(TEDS、TFDS、THDS)的故障識別由人工識別向智能化自動識別轉變(圖5)。

圖5 CRH5 5093車2位轉向架1位側圖像

圖6為利用5G通信建立的車輛運行狀態數字孿生模型。

圖6 車輛運行狀態數字孿生模型

利用5G通信低時延、大容量特征，實現車地即時通信，實時傳輸監測數據，建立關鍵設備和部件的數字模型，構建動車組數字孿生平臺，通過自學習，開發智慧運維應用，提高動車組安全保障能力和研發設計水平。

2.3 列車運行控制智能化

(1)智能化列車網絡控制系統。

為解決列車通信數據量劇增引起的原有MVB網絡帶寬不足問題，在“復興號”動車組上采用了高帶寬特性的以太網進行車載設備聯網運行設計，替代WTB列車總線和MVB車輛總線(圖7)，實現全方位信息采集、智能化運行。國際IEC組織已經將以太網列入下一代網絡控制技術標準中。

圖7 智能化列車網絡控制系統

(2)智能高鐵自動駕駛(ATO)。

包括有司機監控自動駕駛(STO)、無司機有人監視自動駕駛(DTO)及完全無人自動駕駛(UTO)，實現列車運行控制智能化，在運行效率、運行安全、節能環保等方面比人工駕駛更加優化。

(3)建設空天地一體化列控系統。

采用北斗衛星定位替代傳統軌道電路，利用5G-R技術，實現列車與列車間的直接通信，保障列車運行安全。列車追蹤間隔由目前的最短3 min縮短到2 min左右，可提高線路運輸能力30%以上。神華鐵路按照2016年國家軌道交通重點研發計劃，正在建設貨車空天地一體化列控系統。還有專家提出，為預防衛星及無線電通信被干擾，應發揮軌道移動裝備優勢，利用軌道電路替代衛星和無線通信，實現高速動車組自定位，自動追蹤，密集運行。圖8顯示的是密集的動車組列車。

圖8 密集的動車組列車

(4)開行3萬t級重載列車。

根據國鐵集團《規劃綱要》，將開行3萬t級重載列車。3萬t及以上長大貨物列車總長近4 km，多臺機車分布在列車中。在坡道、曲線等復雜線路上運行時，列車控制由目前的列車同步操縱+GSM-R升級為智能化列車同步操縱+5G-R，實現列車牽引功率和制動力的合理分配，并為開行3萬t級以上超長大貨物列車奠定技術基礎。圖9為大秦鐵路長大重載貨物列車。

圖9 大秦鐵路長大重載貨物列車

2.4 車輛裝載貨物信息采集

我國鐵路貨運長期以大宗貨物重載運輸為主，大宗貨物運量始終占鐵路總運量的90%以上。近年來，快捷運輸、集裝箱運輸、冷鏈運輸、小汽車運輸快速發展，液化天然氣運輸即將起步，馱背運輸等新型門到門“公水鐵”聯運方式逐步開展(圖10)。鐵路特種貨物運輸的多樣化，帶來貨物分類管理，運行時間，位置跟蹤，在途列車的溫度、壓力、供電、制冷等物理參數監控等需求，需要5G車地通信、大數據分析等技術支持。目前我國鐵路年運量已近40億t，單日運量達1 000萬t，鋼鐵、煤炭、石油、糧食等大宗貨物信息的數字化，在開拓鐵路運輸貨物的金融衍生產品價值方面，也具有極其廣闊的前景。

圖10 特種貨物運輸

3 我國城市軌道交通發展

截至2019年，我國已有40個城市開通公共軌道交通并投入運營，全國城市軌道交通運營里程已達到6 730 km。其中：地鐵線路5 903 km，占87.7%；輕軌、單軌、市域快軌、現代有軌電車、磁浮交通等制式運營線路827 km，占12.3%。我國城市軌道交通車輛達到5.5萬輛。世界城市軌道交通運營里程最長的前10個城市中，我國占了6個，其中上海、北京的城市軌道交通運營里程居世界前列(圖11)。然而，國外發達城市軌道交通客運量占城市公共交通客運總量達80%，我國2014年統計僅為14.9%，即使軌道交通較為發達的北上廣等一線城市，也不足40%。北京市目前城市軌道交通里程776 km，規劃里程2 500 km。至2020年底我國又有18座城市預計36條城市軌道交通線路開通運營。目前，全國城軌在建和規劃里程近10 000 km。

圖11 世界主要城市軌道交通運營里程

城市軌道交通移動裝備的技術正在向高鐵網與城軌網雙網融合、智能化列車控制和旅客服務、新能源新材料應用、節能環保輕量化、車輛設計標準化簡統化發展。中國鐵道學會發布的T/CRS C 0101—2016《市域鐵路設計規范》中，明確了市域鐵路是城市綜合交通的組成部分，引入城市中心城區，采用外圍單點換乘、深入中心城區線網多點換乘等多種銜接方式。目前，雙動力、雙制式動車組(圖12)正在研發，氫能源動力、碳纖維材料應用(圖13)已經取得初步成果，地鐵車輛標準化統型設計已列入國家重點項目積極推動。

圖12 雙動力、雙流制動車組

圖13 碳纖維地鐵車輛

4 未來高速交通技術展望

新一代高速列車、高速磁浮列車、高速管道運輸是未來高速交通技術重點發展的3個領域。時速400 km高鐵列車、高速貨運動車組正在研發；時速600 km高速磁浮列車于2020年6月成功試跑；2020年11月，美國維珍超回路公司(Virgin Hyperloop)宣布，真空管道膠囊列車成功進行了首次載人試驗，完成了這一技術的關鍵安全測試，預計2025年取得安全認證，2030年投入商業運營；德國漢堡港物流公司計劃引進超回路列車技術，利用真空管道，將集裝箱從港口以1 200 km/h的速度發送到漢堡腹地。圖14為部分新型智能鐵路移動裝備。

圖14 新型智能鐵路移動裝備

當前，要加快構想、論證、設計國家高速交通運輸整體規劃，按照一體化綜合交通運輸體系構想，逐步明確高速交通運輸格局，完善更高速度等級的高速鐵路、磁浮線路基礎設施配套建設，深化高速交通運輸技術基礎研究，加快國家鐵路網和城市軌道交通網深度融合，加快高速貨運網絡規劃建設。

5 結束語

高速交通運輸技術創新，帶來鐵路移動裝備發展理念和傳統技術的突破。數字化、網絡化和智能化是重要的技術基礎和內在推動力。面向未來，與時俱進，科技賦能，建設高速交通運輸技術創新平臺，使我國鐵路移動裝備技術早日達到國際先進水平。