新一代城軌列車智能網絡控制系統設計與研究

穆瑞琦，薛 江，夏 菲，喬 恩，李 博

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司機車車輛研究所， 北京 100081；2.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

1 智能列車網絡控制系統需求

2019年9月19 日，中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，其中明確指出要推動大數據、互聯網、人工智能、區塊鏈、超級計算等新技術與交通行業深度融合。城軌強國是交通強國重要組成部分。“十四五”規劃建議在2035年目標中提出：“廣泛形成綠色生產生活模式，碳排放達峰后穩中有降”。2020年3月12日，中國城市軌道交通協會發布《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，從行業層面對智慧城軌建設的發展戰略、建設目標、重點任務、實施路徑、體制機制和保障措施等進行統籌規劃、頂層設計。《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中對“智能技術裝備”、自主創新提出明確要求。

城軌列車網絡控制系統是用于連接各車輛車載設備，通過對硬件信號進行采集輸出實現各車輛數據通信及控制功能的系統，作為分布式列車控制和診斷系統的核心組成部分，可將列車上眾多由計算機控制的部件進行聯網通信，實現信息交流，從而達到統一控制、診斷和資源共享的目的。現代智能化網絡系統的概念和內涵是以列車安全、可靠、高效運營為宗旨，核心是構建以全方位列車環境狀態感知和動態數字化運行為基礎，以信息化、云計算、物聯網、大數據等技術為支撐，以信息全感知、數據融合處理、智能科學決策為手段，以安全舒適、綠色環保、綜合節能為目標，具有自動駕駛、自監測、自診斷功能的智能列車控制系統。實現以車載通信、車地通信為基礎，集智能行車、智能控制、智能診斷、智能監測、智能運維功能于一體的城市軌道交通智能裝備技術體系，是新一代城軌列車智能網絡控制系統的重要目標及任務。

2 智能列車網絡控制系統關鍵技術

2.1 基于 TSN+5G 的新一代多業務承載網絡技術

列車網絡控制系統是列車的“神經系統”，是列車控制實現“智能化”的基礎，是將列車內各個系統通過網絡有機聯結并協調運行、響應外部指令、反饋內部信息的系統。列車智能化水平的提升有賴于不斷升級的列車信息系統。列車智能化的基礎是快速獲取并記錄海量的列車狀態信息數據，因此需要高速度、大容量的數據傳輸通道進行數據傳輸支撐。隨著信息化和自動化程度的提升，列車網絡控制系統承擔更多的安全功能、承載更多的業務。高安全等級、大帶寬、多網融合是當前列車網絡控制的發展方向，被越來越多地應用于軌道車輛通信網絡中。

時間敏感型網絡（TSN）是目前業界正在積極推動的工業通信技術。TSN具有精準的流量調度能力，允許周期性與非周期性數據在同一網絡中傳輸，可以保證多種業務流的高質量傳輸，并且能夠兼容標準以太網架構，使其相對于普通以太網具有確定性傳輸的優勢，同時兼具技術及成本優勢，在車載網絡、多網融合等多個領域成為網絡難點技術的重要發展方向。

基于TSN技術的新一代多業務承載網絡可實現多個系統的網絡融合，如圖1所示，紅色框內為以列車網絡控制系統（TCMS）為核心的車載網絡，其中包括：

圖1 基于TSN技術的列車網絡控制系統示意圖

（1）TCMS實現列車控制設備的通信、控制、信息顯示、事件記錄等面向列車運行的功能；

（2）列控車載信號系統數據傳輸系統，包括車載列車自動控制（ATC）及車載遠程檢測監控系統（SCADA）的數據傳輸；

（3）車載多媒體數據傳輸功能，能提供高帶寬的以太網傳輸通道，為車載乘客信息系統（PIS）提供多媒體數據傳輸等面向乘客的業務；

（4）車載健康管理系統，通過車載云平臺可實現列車遠程監測、遠程維護、故障診斷、故障預警等一系列面向安全保障的功能。

如圖2所示，通過采用北斗、5G等新一代無線通信技術，實現列車運行狀態信息、故障診斷信息等各類數據的車地傳輸，解決列車大量車載數據的轉儲和分析難題，提升車地無線連接的可靠性、可用性、安全性，提升列車遠程智能分析診斷技術水平。

圖2 車地無線傳輸技術圖

2.2 數字化列車控制技術

車輛電氣系統作為整車控制的重要組成部分，集中分布于車輛電氣柜中。車輛電氣柜是車輛低壓控制回路的中樞，由斷路器、接觸器、繼電器、電氣監控元件、按鈕、接線端子等電氣元件及電線電纜及框架式結構等共同組成。由于電氣柜內空間有限，不利于散熱，且容易沉積灰塵，使得有觸點的電氣元件可靠性極易受到影響，而且不易進行故障的監測及預判，因此在發生故障后難以快速定位故障點，給運營維護帶來眾多不便。為解決當前面臨的問題，一方面采用光耦和場效應管結合，并通過硬件與軟件結合完成各種邏輯和延時控制功能，可實現開關的無觸點控制，降低環境對電氣元件可靠性的影響；另一方面將控制單元與電氣系統進行深度融合，一部分邏輯和控制由無觸點的數字化控制單元實現，極大地提高控制系統的使用壽命和可靠性。通過對電氣系統的改進，實現控制過程的電子化和數字化，整個控制過程可在線監控、記錄，并可以與列車網絡進行互聯，使控制更加系統化、精細化。

如圖3所示，通過列車電氣系統的數字化，能夠進一步建立電氣系統關鍵部件故障診斷與預警模型，通過早期故障特征參數提取、在線辨識、模式識別與評估算法，實現電氣部件實時狀態的診斷預警，提高對電氣系統健康狀態的智能感知、控制與診斷能力。與此同時，電氣系統實現數字化后可結合網絡控制系統軟件構建綜合化仿真平臺，實現整車電路與控制功能的地面仿真測試驗證。

圖3 控制系統與電氣系統融合技術

數字化車輛電氣系統具有網絡化、智能化、免維護、節能環保等特點，可減少車上占用空間，優化安裝方式，簡化檢修流程，提高智能運維水平，通過與網絡控制系統的綜合仿真，還可以節約車輛設計驗證成本，進一步提升列車控制系統智能化和數字化。

2.3 智能運行控制技術

降低能耗已成為保持軌道交通高速可持續發展的大趨勢，在完成運輸任務的工況下，需盡量保持高效、節能和環保。城軌列車的智能運行控制是一項不斷地優化節能控制算法的技術。它針對列車牽引和制動系統內部特性和外部環境，如供電、信號閉塞、線路條件、運行時刻表等，建立適當的列車運動學與能耗模型，使列車在安全、準點、平穩運行前提下，充分利用時刻表富裕時間和線路勢能等手段，降低列車牽引能耗，提高列車運行的節能性。

城軌列車智能行車控制技術主要優化列車運行操控，根據列車在線路上運行的實際情況，對牽引和制動狀態進行動態控制和調整，達到節能的目的。結合運營要求，如運行時間、速度和列車的信息，對整條線路進行評估，規劃正點且節能的優化速度曲線，通過自動控制列車牽引/制動力使列車按優化速度曲線運行，實現安全、經濟和效率的統一。利用列車定位、計算機以及通信等技術實現對列車運行狀態的獲取和判斷，包括線路、信號、調度、停站等線路因素和牽引、制動、能耗、阻力、效率、傳動特性等列車因素。通過當前的路面信息及列車自身的基本參數對列車進行受力分析，并利用節能算法得出列車節能運行控制方案，控制城軌列車智能運行。

列車智能行車優化控制技術實質上是節能最優控制模型的求解，該求解過程是一個全局尋優過程。列車的特性曲線、線路數據和列車時刻表作為智能行車節能優化操縱算法的基本參數。該控制算法以列車動力和能耗模型為基礎，實現局部最優連接和全局最優連接，結合非奇異工況伴隨變量的微分計算，輸出最優速度控制曲線。具體的速度曲線生成算法架構如圖4所示，可選擇通過局部最優連接、全局最優連接以及數據處理計算優化操縱算法，列車牽引動力系統模型包括工況解釋器、牽引計算模型和列車能耗模型，通過非奇異工況計算等模塊對節能優化進行核心計算。

圖4 速度生成算法架構示意圖

2.4 基于邊緣計算的車載智能故障診斷技術

基于邊緣計算，可以提升部件級、模塊級數據源側的計算、存儲、處理能力，通過傳感器、物聯網實現邊緣側的智能化水平，同時可以大幅提升本地處理能力，減少提供到云端的數據量，降低云端的數據處理要求。依托新一代的多業務綜合承載網，基于邊緣計算的車載智能診斷技術可整合傳感網、物聯網、車載控制網等多個子網信息，為智能列車提供數據整合、診斷評估、數據存儲、數據傳輸等多項服務，能夠實現更多重要部件的狀態感知和信息標識。在充分利用車輛傳感器的基礎上，形成模塊級-系統級-列車級架構的車載健康管理系統，并通過車地無線傳輸系統將列車健康管理數據傳輸至地面專家系統，經過車載健康管理系統和地面專家系統的模型運算和數據分析，預先診斷各系統的健康狀態，并對列車進行全面的健康管理。

如圖5所示，基于邊緣計算的車載智能故障診斷系統主要分為3級。模塊級單元通過傳感器采集車輛各種狀態信息，子系統級健康管理單元通過數據處理、模型運算進行單車、單系統的健康管理和故障預測。模塊級以及子系統級具有較強的邊緣計算能力，可在邊緣側部署并行計算、實時處理要求較高的健康管理模型，并將運算結果和部分關鍵過程數據通過以太網傳輸給車載健康管理主機，主機接收各子系統的數據后從整列車的角度進行實時監控、管理和運算，實現列車級的健康管理、故障預測，同時實現數據存儲、車地數據傳輸，并將涉及行車安全的預警信息提示相關人員。基于邊緣計算的車載智能故障診斷系統采用分級處理、分級計算方式的優勢如下：

圖5 基于邊緣計算的車載智能故障診斷系統工作機制

（1）邊緣結點實時處理毫秒級數據，比如牽引、制動等系統；

（2）敏感數據無泄漏傳輸；

（3）降低服務器計算瓶頸，消除單點故障；

（4）減少數據傳輸，節約車載通信和車地通信的帶寬，避免網絡擁堵。

2.5 基于數字孿生技術的智能化設計與驗證

數字孿生技術又被稱為數字映射或者數字鏡像，是對一個物理實體設備或者系統構建數字化的模型，可以對實體進行模擬，從而通過數字化的孿生體對貫穿整個生命周期的設計研發、生產制造、運營維護的過程進行模擬跟蹤、仿真測試及分析預測。通過數字化的變革，有效地提升各階段的工作效率，提高產品的可靠性及可用性，降低設計制造成本及風險。

列車網絡控制系統可以全面感知車輛信息，結合數字孿生技術，基于多系統、多學科聯合仿真測試平臺，搭建智能列車“數字樣機”，能夠增加開發周期內的虛擬驗證活動，可基于數學仿真重現模型接口，實現多領域模型聯合求解仿真，可將系統中電、發熱、散熱、控制、動力學等特性進行綜合分析和“無限制”測試。如圖6所示，搭建基于聯合仿真平臺的智能列車關鍵系統控制模型和被控對象模型庫，包括環境、機械、空調、制動、牽引、控制系統模型，測試場景能夠覆蓋車輛及環境（網絡信號、司機、電網、路線、天氣、重力坐標系等），模擬多種工況場景，如動力學穩定性、網側諧波、整車能耗評估，并能夠根據測試場景的需求選擇不同顆粒度的模型開展測試。

圖6 基于多系統、多學科聯合仿真測試平臺模型庫

未來集成系統后可進行的仿真應用將主要包括：

（1）列車能耗規劃與優化；

（2）電池管理改進；

（3）控制算法優化；

（4）列車動力學優化（擺動，轉向架）；

（5）現有車型的問題診斷和試驗方案；

（6）預測性維修部署。

如圖7所示，控制模型和被控制模型對象的仿真界面如左半部所示，牽引系統的輸出結果如右半部分所示，包括電機速度、列車速度、電機輸出扭矩命令及輸出值和電機相電流輸出值仿真結果。通過仿真結果可觀察到車輛各部件的實時狀態，可逐級逐顆粒度與真實數據進行對比，驗證結果。

圖7 聯合仿真測試

3 總結及展望

發展城市軌道交通是解決大城市交通問題的有效途徑，也是節能減排的重要領域，節能減排是城市軌道交通行業可持續發展的必要條件。城市軌道交通領域要實現“雙碳”目標，必須堅持生態優先，加快形成綠色低碳交通運輸方式；堅持雙輪驅動，完善科技創新、制度創新；堅持協同融合，推動產業全鏈條發展；加強綠色基礎設施建設，推廣新能源、智能化、數字化、輕量化交通裝備。

當前智能技術與傳統技術深度融合，為科技產業革命和技術產業革命變革帶來新機遇，智能化已經成為世界軌道交通發展的重要方向。城軌列車網絡控制系統作為列車數字化信息的綜合承載系統，具有開展智能技術研發的潛能，可以作為不斷催生新產品、新服務、新業態的平臺。把握數字化、網絡化、智能化融合發展的契機，以信息化、智能化為杠桿，通過智能列車網絡控制系統關鍵技術的運用，推進智能列車研發，實現列車全面感知，深化列車智能控制、智能診斷、智能運維的推廣應用，為智能軌道交通發展提供有利的技術支撐。