基于專利分析的軌道交通車輛安全技術研究

楊 姝 王淑敏

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部, 130062, 長春；2. 北京集慧智佳知識產權管理咨詢股份有限公司， 100089， 北京∥第一作者，正高級工程師)

軌道交通車輛安全是軌道交通系統(tǒng)中最為重要的環(huán)節(jié)，列車脫軌、火災、碰撞等事故都會造成重大損失，嚴重時將造成人員傷亡，因此，軌道交通車輛安全技術一直受到各國重視。西門子股份公司、阿爾斯通公司、 株式會社日立制作所等企業(yè)在軌道交通車輛安全技術方面都做出了重大創(chuàng)新研究。本文通過專利分析，研究國內外軌道交通車輛先進公司在軌道交通車輛安全技術方面的最新技術，以期了解國內外軌道交通安全技術的發(fā)展現(xiàn)狀，為國內的軌道交通車輛安全技術發(fā)展提供參考和借鑒。

1 國內外領先企業(yè)軌道交通車輛安全技術專利統(tǒng)計

軌道交通車輛安全技術指的是保障列車運行安全性、制動安全性、結構安全性和防火安全性的技術。本文以2016—2020年Derwent Innovation Index(德溫特創(chuàng)新索引)和Incopat(合享全球專利文獻數據庫)中獲得的專利文獻數據為依托，對國內外軌道交通車輛領域領先企業(yè)及研究單位近5年申請的專利進行了檢索和分析，共檢索出與安全技術相關的專利2 175件，具體如圖1所示。由圖1可見，西門子股份公司在軌道交通車輛安全技術方面的創(chuàng)新技術最多， 株式會社日立制作所其次。

圖1 國內外領先企業(yè)近5年軌道交通安全技術專利統(tǒng)計Fig.1 Statistics of rail transit safety technology patents of domestic and foreign leading companies in recent 5 years

2 國外領先企業(yè)軌道交通車輛安全技術專利布局及技術分析

2.1 國外領先企業(yè)軌道交通車輛安全技術專利布局

根據近5年軌道交通車輛安全技術專利數據統(tǒng)計，國外領先企業(yè)在軌道交通車輛安全技術的專利布局整體較多。如圖2所示，排名第1位的西門子股份公司在軌道交通車輛的網絡控制系統(tǒng)、轉向架、車體、車門安全、蓄電池、高壓系統(tǒng)及制動系統(tǒng)等方面均提出了安全防范措施；排名第2位的株式會社日立制作所則從采用應急通風系統(tǒng)預防火災、車體防碰撞、內裝材料、健康監(jiān)測、安全制動及轉向架等方面做出了技術創(chuàng)新；排名第3位的阿爾斯通公司則將軌道交通車輛安全技術專注于網絡控制系統(tǒng)(健康監(jiān)控)、安全制動系統(tǒng)、轉向架及牽引系統(tǒng)等方面。

a) 西門子股份公司

2.2 國外領先機構軌道交通車輛安全技術專利技術分析

軌道交通車輛安全的核心技術是指為保證軌道交通車輛的運行安全，對軌道交通裝備故障進行預測與健康管理的關鍵技術。該技術可實現(xiàn)對軌道交通車輛中關鍵部件服役狀態(tài)的實時安全監(jiān)控，為關鍵部件的故障預測、健康評估、壽命預測及維修決策等提供數據支撐。本文重點對3家領先企業(yè)在軌道交通車輛安全技術層面的專利開展了研究。

2.2.1 西門子股份公司車輛故障預測與健康管理技術

2.2.1.1 轉向架監(jiān)測技術

文獻[1]設計了一種通過在各車廂轉向架設置傳感器來監(jiān)測和診斷各車廂運行狀態(tài)的方法。

文獻[2]設計了一種檢測車輛脫軌的引導系統(tǒng)。該引導系統(tǒng)通過與軌道的軌頭相互作用判斷車輛是否處于正常狀態(tài)，并在發(fā)生脫軌時觸發(fā)警報系統(tǒng)，促使車輛安全制動。

文獻[3]提出了一種診斷軌道交通車輛車輪狀態(tài)的方法。為了計算車輪的實際磨損值，測量系統(tǒng)按照預定時間間隔對車輪進行監(jiān)測，通過計算模型評估車輪的實際磨損值與初始磨損值，計算車輛的負載情況，并及時作出預警。該技術的有益效果是監(jiān)控車輪的安全狀態(tài)，提升車輛運行安全性。

2.2.1.2 煙霧監(jiān)測技術

文獻[4]設計了一種具有軌道交通車輛吸氣式煙霧探測器。該煙霧探測器經由管路與具有限定開口橫截面的吸氣端件連接，以用于提取空氣樣本。

文獻[5]設計了一種包含冗余檢測器的煙霧探測組件，該煙霧探測組件設置兩個相同的橫向并排的煙霧探測器，并通過合理的布局減小探測組件的尺寸及質量，同時提高檢測效果。

2.2.1.3 電氣系統(tǒng)監(jiān)測技術

文獻[6]涉及牽引電機技術領域，當牽引電機的繞組被加熱時，部分繞組材料至少部分與自身分離。這樣即使未檢測到初步繞組材料短路，也可以通過氣體傳感器系統(tǒng)進行感知。

文獻[7]研發(fā)了一種用于監(jiān)測鐵路車輛集電故障的設備。該設備中，每個機架包括左、右2個集電體，且在其中的通用電氣線路之間引導集流器和車體母線中相應的金屬導板。當其中一個金屬導板某個時刻的溫度超過確定值時，信號是否輸出，以及底盤是否受故障影響，是由金屬導板的溫度是否受機箱溫度升高的影響來確定的。

2.2.1.4 車輛整體狀態(tài)監(jiān)測技術

文獻[8]研究了一種車輛定位的方法，通過檢測接收行駛中車輛及相同線路上其他車輛的反射雷達信號，確定行駛車輛之間的距離及車速；同時對兩車進行定位，使車輛行駛速度得以匹配。

文獻[9]通過在軌道交通車輛上設置的多個傳感器，檢測并獲取車輛磨損特征變量，從而確定車輛驅動行駛期間的磨損參數，以此來評價車輛的運行狀態(tài)，保證車輛正常行駛。

2.2.2 株式會社日立制作所車輛故障預測與健康管理技術

2.2.2.1 火災監(jiān)測技術

文獻[10]提出了一種快速、準確地檢測蓄電池火災的方法。該項技術中，控制單元可監(jiān)測包括多個存儲單元的蓄電池單元的狀態(tài)；控制充電/放電的電池單元具有監(jiān)視多個蓄電池單元的溫度狀態(tài)，以及確定多個蓄電池單元之間溫度差的功能。若檢測到蓄電池單元的溫度等于或高于第一閾值，則控制單元將斷開與該單元串聯(lián)線路的斷路器。

2.2.2.2 車輛傳感器監(jiān)測技術

文獻[11]研發(fā)了一種鐵路車輛異常的檢測裝置。在軌道車輛和軌道分別設置檢測器，檢測運行數據和振動數據，并由數據分析部門分析車輛行駛是否正常。

2.2.3 阿爾斯通公司車輛故障預測與健康管理技術

阿爾斯通公司對障礙物及電氣系統(tǒng)的監(jiān)測做出了突出的貢獻。文獻[12]設計了一種軌道交通車輛，其前端設有防撞裝置與障礙物的檢測裝置。當檢測到車輛前方出現(xiàn)沖擊或存在障礙物時，防撞裝置的翻板即可打開。這樣，無論行人位于車輛的前方還是側方，本發(fā)明均能起到保護行人的作用。

文獻[13]設計了一種監(jiān)測鐵路供電狀況的裝置。

文獻[14]研發(fā)了一種用于檢測鐵路車輛上障礙物或脫軌的裝置，通過該檢測裝置上的傳感器至少從2個方向對移動橫梁的偏移及光束的移動進行檢測，判斷車輛旁是否有障礙物或者存在脫軌危險等，確保車輛行駛過程中的安全性。

文獻[15]設計了一種對地面供電設施和沿線軌道車輛與接觸網之間接觸故障的預防性探傷方法及故障診斷方法，能夠有效預防接觸供電故障及供電設施與車輛接觸器件的磨損狀態(tài)。

3 國內領先企業(yè)軌道交通車輛安全技術專利布局分析

國內軌道交通車輛安全技術，特別是故障預測與健康管理技術發(fā)展相對較晚，但也在迅速的發(fā)展中。以中國中車股份有限公司(中車青島四方機車車輛股份有限公司、中車長春軌道客車股份有限公司等)為代表的企業(yè)，以及北京交通大學、西南交通大學等科研院校在技術發(fā)展中取得了眾多突破和創(chuàng)新。

3.1 中車青島四方機車車輛股份有限公司軌道交通車輛安全技術

3.1.1 照明系統(tǒng)故障診斷技術

文獻[16]提出一種軌道交通車輛照明系統(tǒng)的故障診斷方法。該方法通過檢測電路來檢測照明系統(tǒng)故障的運行狀態(tài)。在檢測到照明系統(tǒng)中任意模塊的運行狀態(tài)為故障的情況下，獲取故障數據；對故障數據進行編碼，并將編碼結果傳輸至軌道交通車輛控制和管理系統(tǒng)中。

3.1.2 制動系統(tǒng)監(jiān)控技術

文獻[17]研發(fā)了一種軌道交通車輛制動系統(tǒng)的調試監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多組無線傳感器節(jié)點，來進行數據采集、數據預處理、數據暫存及數據傳輸；通過監(jiān)控列車制動系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2 中車長春軌道客車股份有限公司軌道交通車輛安全技術

3.2.1 轉向架監(jiān)控技術

文獻[18]研發(fā)了一種軌道交通車輛空氣彈簧故障狀態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用2個或4個高度閥對軌道交通車輛空氣彈簧故障狀態(tài)進行控制。當其中一個轉向架的空氣彈簧出現(xiàn)泄漏時，可自動檢測并控制另一個轉向架空氣彈簧同步排風，最終實現(xiàn)車體保持水平狀態(tài)而不發(fā)生傾斜。

3.2.2 電氣系統(tǒng)監(jiān)控技術

文獻[19]設計了一種動車組安全環(huán)路旁路系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控車安全環(huán)路控制電路和旁路系統(tǒng)。其中，旁路系統(tǒng)包括第1旁路開關和第2旁路開關。通過對第1旁路開關或第2旁路開關的閉合，實現(xiàn)安全環(huán)路故障時的應急閉合。

3.2.3 制動系統(tǒng)監(jiān)控技術

文獻[20]設計了一種軌道交通車輛制動試驗控制及實時反饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括制動系統(tǒng)在線診斷狀態(tài)收集模塊，用于實時收集目前列車的各類狀態(tài)，并進行故障診斷和檢測。

3.3 北京交通大學軌道交通車輛安全技術

北京交通大學在軌道交通車輛故障診斷、檢測等方面的專利技術主要涉及設備測控、信號處理、數據傳輸、無線通信及故障診斷等技術。如：高鐵信號系統(tǒng)級“故障-安全”方法，基于數據融合模式識別的嵌入式故障智能診斷裝置及其診斷方法，地鐵車輛轉向架軸承的故障診斷方法，無絕緣軌道電路調諧區(qū)設備故障在線診斷方法，基于GLRT(廣義似然比檢驗)列車懸掛系在途故障檢測系統(tǒng)及檢測方法，基于Dempster-Shafer證據理論信息融合的列車懸掛系統(tǒng)故障分離方法，列車動力系統(tǒng)在線監(jiān)控故障診斷系統(tǒng)及其診斷方法，列車軸箱軸承壽命的試驗預測方法，地鐵車輛遠程診斷系統(tǒng)等。

文獻[21]研發(fā)了一種動車組傳動系統(tǒng)故障預測與健康管理裝置。該裝置包括通過列車總線互聯(lián)的駕駛臺處理器、地面故障診斷預測器和隨車診斷服務器，以及通過千兆以太網連接到對應隨車診斷服務器的數據采集預處理器。該故障預測與健康管理裝置內置數據處理單元，可準確預測出電機軸承的剩余使用壽命。

3.4 西南交通大學軌道交通車輛安全技術

西南交通大學在軌道交通車輛故障檢測與診斷等方面的專利技術主要包括：具有列車減振器動力學性能的無線檢測方法與裝置，使用非接觸式電磁感應故障定位裝置對AT供電(自藕變壓器供電)牽引網進行故障定位的方法，基于數據投影模式變換的列車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，基于同步測量的牽引供電信息采集系統(tǒng)，弓網燃弧發(fā)生時牽引電流擾動量的獲取方法及燃弧檢測裝置，基于模型的CRH3型動車組牽引逆變器IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開路故障診斷方法，鐵道車輛車輪踏面擦傷的檢測方法，高速動車組絕緣子的泄漏電流監(jiān)測系統(tǒng)等。除此之外,文獻[22]設計一種基于字典學習的列車轉向架軸承故障監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可采集列車轉向架軸承的振動信號和溫度信號，通過溫度信號判斷軸承是否已經發(fā)生故障；同時基于字典學習技術，通過振動信號提取各個部位的軸承故障特征，判斷軸承是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的部位，極大地提高了軸承故障識別的準確性。

4 結語

國外在軌道交通車輛安全技術發(fā)展，尤其是在領先企業(yè)中已布局大量專利。目前，國內相關技術已處于快速發(fā)展階段，中國中車股份有限公司以及其他主要研究機構在軌道交通車輛安全技術方面均有突出的研究成果，但其專利申請量較國外領先企業(yè)仍存在一定差距。在目前軌道交通車輛相關技術積累的條件下，可考慮與國際領先企業(yè)相互合作，取長補短，進一步尋求技術創(chuàng)新和突破，以提高全車技術的安全性；同時應注意技術創(chuàng)新的專利保護，以及專利侵權風險的規(guī)避。