中国智能高铁技术：大国重器

中国高速铁路正朝着系列化、智能化和绿色化方向发展。中国高速铁路正在进入智能时代，智能高速铁路是中国高速铁路的发展方向，也是世界高速铁路的发展趋势。智能化是中国高速铁路进一步保障安全、提升速度、降低成本的必然选择。未来中国高速铁路在科技创新方面将要做的几项重要工作：打造安全高速铁路，要通过人防、物防、技防共同保安全；打造智能高速铁路，要研发环境感知、自学习、自决策的技术；打造更快高速铁路，要研发高速磁悬浮列车、真空管道飞行列车；打造绿色高速铁路，要研发更节能、更环保、噪声更小的动车组列车。中国高速铁路发展拟在以下几个方面进行创新研究。

（1）加强基础设施和移动装备检测监测技术研究，深化高速铁路故障预测及服役期健康管理、防灾减灾和应急救援技术攻关，提升高速铁路安全保障能力。加强对高速铁路网能力综合利用、高速铁路调度集中系统等技术研究，提升铁路运营技术应用水平。研究站区能源智能管控、绿色照明和新型热源替代等节能减排应用技术，研究铁路建设项目环境监控技术和环境监测评价标准体系，推动铁路实现绿色发展。

（2）推进智能高速铁路重大科研攻关。全面深化智能京张和智能京雄高速铁路技术研究，攻克智能建设、智能装备、智能运营等关键技术；开展京沈高速铁路综合试验，做好自主化列控、自动驾驶、铁路下一代移动通信、智能变电所、基于北斗及BIM平台的应用系统等关键技术的试验验证，推进智能高速铁路技术实现新突破。未来，中国高速铁路将研制不设分相、远程监控的牵引供电系统，基于LTE（长期演进技术）通信的列控系统，基于大数据的固定、移动设备智能监测和预警技术等。高速铁路车站也将实现智能化，车站提供智能引导、自助服务设施，能实现车站运营智能感知（非法侵入识别、人流聚集与扩散异常检测、环境监测与调节等），实现车站设备智能监控与管理，并配备空气源热泵、垃圾密闭式气力输送等节能环保技术。

（3）开展铁路基础理论和前瞻性技术研究。发挥中国铁路建设运营场景丰富、实践积累数据充分的独特优势，深化高速轮轨关系、空气动力学、减振降噪、弓网关系、电磁兼容等基础理论，以及新能源、新材料等前瞻性应用技术研究，推进先进轨道交通重点专项、北斗示范应用项目等重大专项，强化对铁路重大技术创新的基础支撑，增强科技持续创新能力。

（4）加快铁路信息化建设步伐。建设国铁集团数据中心和一体化信息集成平台，进一步健全信息化标准规范和规章制度体系。以智能京张、铁路12306和95306、互联网售票、多式联运、协同办公等信息化示范项目为牵引，大力推进业务应用系统整合、信息共享和大数据应用，深化客票、货票电子化工作，研究建立铁路财务共享中心，促进信息技术与业务应用深度融合。

（5）智能高速动车组。研制具备自动驾驶等智能化功能的动车组，开展示范应用，形成产业化能力。动车组最高运行时速达到350 km，具备工作状态自感知、运行故障自诊断、导向安全自决策功能。智能化列车控制平台是“安全、高效、绿色、智能”的新一代列车信息和能量管理综合解决方案。该平台具备高性能功率变换、智能变流控制策略、安全高速的车载网络控制、创新的司机人机交互及车载数据集中在线处理等特点，结合移动互联、大数据等技术，面向列车运营、管理和检修，提供了高能效传动、优化节能操纵、故障诊断与健康管理、智能检修与整备、智能人机交互等全方位解决方案。目前，我国正在研制时速 400 km的高速动车组，形成具备“超越遏制”和“战略高地”特征的新一代高速动车组。跨国互联互通，多制式牵引供电系统，轻量化、低阻力和动力系统优化技术，智能行车、智能运维、智能服务，主动安全和被动安全技术，主动降噪技术等多项高新前沿技术的运用助力时速400 km高速动车组达成安全、高速、舒适、智能、节能、环保、互联互通的顶层目标，全面提升中国高速客运装备的安全、效能、绿色、体系化和国际化水平。

另外，高速列车体量大、品种多，覆盖时速200～350 km不同速度等级，包含高温高寒、风沙等各种复杂运行环境，且具有长距离、大运量高速持续运行的特点。开发和应用先进的结构健康监测技术，对保障高速列车等轨道车辆的运行安全，提高列车运维保障能力，具有重要意义。作为一种新兴技术，结构健康监测目前在航空航天、桥梁、建筑等领域得到了广泛应用，为提高结构维护的智能化水平，保障结构全寿命周期安全，发挥了重要作用。随着高铁、城市地铁等轨道交通的快速发展，结构健康监测技术在轨道交通领域的应用前景也日益广阔。近年来，中车四方股份公司已在高速动车组和新一代地铁车辆上开展了结构健康监测技术的应用研究和探索，已经形成高速列车结构健康监测的技术方案。所谓轨道车辆结构健康监测，就是利用传感器采集车体、转向架构架、轮对等车辆结构的状态信息，对结构损伤进行实时监测，基于监测数据评估列车结构的健康状态，从而指导车辆维护，保障列车安全可靠运行。传统的检测方法，依靠人工定期对列车结构进行检测，无法做到“实时”监测，且依赖人工经验，费时费力，还存在不易检测的隐藏部位，检测效率和精度有局限性。相较传统手段，结构健康监测可以说是一项革命性创新技术，它将人工定期的检测，转变为自动、实时在线的监测。就像植入列车体内的“智能医生”，每时每刻都在感知列车结构的状态，能及时发现损伤，对结构的健康状况做出精确诊断，并进行预警报警，为车辆维护提供决策支持，使列车更加安全可靠。基于该技术，还能像管理人体健康一样，对列车结构进行健康管理，实现从计划修到状态修（基于结构健康状态的维修）的转变，降低维护成本，延长结构寿命。

（6）超速防护及自动驾驶控制系统。研制列车自动驾驶设备、CTCS-3级列控车载超速防护设备、地面关键设备无线闭塞中心和其他配套设备，建立技术标准体系和规范，满足动车组高速运行要求。

（7）基础设施智能化运营维护系统。采用大数据、云计算等技术，研制供电设备智能运维系统、高速道岔智能感知及预警系统、钢轨智能感知装备等，构建全生命周期管理系统，满足智能化数据处理分析和维修决策需要，提升高速铁路基础设施智能化运维保障水平。

（8）高铁的控制系统在高铁的安全运行中发挥重要作用。高铁在控制方面的目标是智能、自主和协同。高铁自动化的另一个方向，就是高铁运行控制和调度的动态一体化。中国拥有世界上最大的高铁网，停电、机车故障、电气故障等造成的运行延误，需要瞄准高铁运行网调度和控制的动态一体化，目标就是使系统迅速从故障中恢复。

（9）智能化调度指挥系统。攻克列车运行计划智能调整、进路和命令安全卡控、行车调度综合仿真和行车信息数据平台等关键技术，满足动车组高速运行、高效调度等要求。

（10）利用先进的计算机及数字技术开展高速铁路智能化研究，将海量的数据进行梳理和沉淀，利用三维可视化技术、BIM技术、铁路监测检测技术、物联网技术等先进手段，构建庞大的数字铁路系统。(www.xing528.com)

（11）铁路客票电子化。客票电子化后，将逐步取消纸质车票，从而改变基层站段现有票据管理模式，旅客在购票、进站验证、检票、出站时将更有条件减少比对核验环节，加快通过时间，客运组织流程将有很大优化空间。

（12）5G技术的启用。在移动互联网时代，用户对高速、可靠网络的需求越来越大，用户对高速网络的需求越来越大，随着5G时代的到来，如何更好地利用5G网络满足超高人流密度产生的电话、上网、移动支付等网络需求成为运营商不得不面临的重大课题。

中国智能铁路发展展望：2018—2020 年，完成智能京张、智能京雄高速铁路示范工程建设，构建智能铁路技术标准体系，初步形成智能铁路应用格局；2021—2025 年，突破基于BIM的智能建造标准体系、自学习及自适应的谱系化智能动车组、全面感知的列车无人驾驶（DTO）、面向多种交通方式的智能综合协同指挥旅客无障碍出行服务体系等重大智能铁路理论与技术，全面掌握从设计、建造到运营的全产业链技术；2026—2035 年，智能铁路应用由辅助协同向自主操控升级，智能建造技术广泛应用，研发自修复型智能动车组，探索全自动无人驾驶（UTO），突破极端复杂情况下高速铁路智能容错理论与技术，构建基于量子、区块链等新技术的智能安全体系，实现铁路运营全面自主操控、无人化。

【小知识】 高速动车+工业互联网：数据驱动下的“智造”新局。崭新的高速动车组如巨龙般整齐排列，蓄势待发。而“驱动”这一切的，则是中车四方在研发、制造、经营、服务等全流程和全产业链开展的智能制造应用。仅服务环节，在动车组远程技术支持中心，诊断工程师们就可以对运营在全国的中车四方平台动车组进行远程监控，一幅巨型中国地图上正闪烁着一个个绿色光点，在这个智能运维平台上，每个光点就是一列列车，从中车四方驶出的 1 300 余列动车组在这里可以实时监控，运行、维护情况尽收眼底。

搭建“制造＋协同＋服务”工业互联网平台。中车四方通过“十三五”信息化建设，数字化工厂架构已初步建成。信息化在业务支撑、资源共享、效率提升、有效管理等方面取得显著效果，实现了数字化研发、数字化制造、数字化运营和数字化服务的全面应用。数据显示，通过改造，中车四方生产效率提高20%，运营成本降低2.37%，产品研发周期缩短22.3%，数据自动采集率达到90%，设备数控化率达到45.17%。而在行业工业互联网平台的建设中，中车四方以数字化运营和产品全生命周期管理为核心，依托一个基础、四个平台、三大体系的信息化建设基础，集成五大核心系统及N个业务系统应用，充分利用云计算、大数据、人工智能、5G、区块链等先进信息技术，实现产品互联、设备互联、产业链信息系统数据接入和跨境数据整合，开展建设轨道交通装备制造业数字化精益工业互联网平台，提供面向产业链的智能研发、智能制造、智能服务、智能运营服务，使得数据驱动有效落地。

在应用方面，中车四方一方面通过MRO（维护、维修、运行）系统实现动车组全生命周期管理，为车辆的全生命周期管理和数据积累提供有效支持。另一方面，通过车辆健康监测系统基于大数据、物联网和互联网技术，实时采集动车组运行状况数据，并将数据加载到大数据平台，进行安全运营、分析和挖掘，最终实现安全运行、维修服务、产品改进。此外，公司还利用四方速购配件服务系统实现了配件需求快速查找和精准定位，提供路局用户配件采购超市化和互联网化，实现一站式服务；提供配件智能查询和配件信息参考，实现了配件采购需求精准化和简单化管理。

通过“工业互联网＋轨道交通高端装备”产业赋能建设，中车四方正在探索轨道交通装备产业生产、运维、服务等的规范化和标准化模式，为轨道交通行业上下游产业及整个工业行业起到示范和引领的效果，为轨道交通高端装备制造向“制造＋协同＋服务”模式转型提供有效支撑，并实现平台、标准和模式的跨行业迁移、复制与推广，推动我国离散装备制造业整体能力提升。

电子化“制造履历”全程可追溯。透过枯燥的数据和一个个专业得有些拗口的术语，其实，工业互联网给中车四方带来的改变，十分生动、非常好懂。“复兴号”动车组包括16辆长编时速 350 km“复兴号”动车组，以及“超长版”的17辆编组时速 350 km“复兴号”动车组，在焊接过程中都能实现实时监控。传统的焊接，依靠焊工在焊完后进行自检、互检、巡检，无法对焊接过程进行实时监控。依托数字化技术，正在焊接的车体，每 0.5 s 就有一组数据上传，并自动与标准参数进行比对，一旦出现超差自动报警。通过布设在焊机上的数据采集器，焊接管理系统能够实时采集焊接过程中的所有焊接参数。这也是中国首个动车组焊接过程数字化管理系统。

在转向架智能生产车间，一个转向架有400多种零部件，从上线装配到完成制造，会产生近万项制造数据，包括人员、设备、物料、质量信息等。为了给每一个转向架产品“填写”一份电子化“制造履历”，车间建设构架了自动焊接柔性线、轴承自动检测线、轮对智能压装线、轴箱智能化组装线等，采用二维条码、影像、视频、激光检测技术、机器人、AGV（自动导引运输车）输送设备、自动化物流输送、系统集成等技术，并与公司上游的 PDM（产品数据管理）、ERP（企业资源计划）、MES（制造执行系统）、MRO 信息系统集成，转向架生产实现了构架的自动组焊、焊接、焊缝自动打磨、尺寸自动检测，轴承自动分解、清洗、检测、压装，轮对自动压装、自动检测，轴箱的自动化组装、转向架的自动化组装。有了这个“制造履历”，列车就能实现制造全程的可追溯。

“大数据”护航动车组运行安全。工业互联网在以“复兴号”为代表的高速动车组的运营维护中也拥有丰富的应用场景。目前，仅中车四方制造的动车组每天就有 1 300 多列奔驰在全国铁路线上。每列动车组每天的运行状态数据都会实时传回到企业数据中心。基于大数据技术，中车四方建成了动车组智能运维平台。在这里，大数据被应用到动车组运维，成为护航动车组运行安全的新“神器”。以“复兴号”为例，每列动车组密布了 2 500余个整车监测点，搭建了强大完善的智能化感知系统，渗透至列车的每个“毛细血管”。这些传感器能采集 1 500 多项车辆状态信息，对列车振动、轴承温度、牵引制动系统状态、车厢环境等进行监测。待动车组高速驰骋于广袤大地之时，每 10 s 就会向“家”中发送一次数据。企业利用实时数据，并融合列车的制造履历数据、线路数据、运用数据、维修数据、自然环境数据等，应用大数据挖掘技术和人工智能算法，开发出动车组关键部件故障预测模型，能够在发生故障之前对故障进行预测、预警，从而提供维护建议。这种基于大数据的运维模式，将传统被动式的故障后维修或定期修，变为了主动的预测性维护，从而能够有效降低列车故障率，更好地保障行车安全，提高运维效率。目前，在中车四方，动车组智能运维平台已上线应用近100个故障预测模型，利用大数据技术，每年成功预防故障隐患数百件。