高速列车智能化系统介绍

【摘 要】 铁路运输能力供给短缺已成为制约我国经济社会又好又快发展的主要矛盾之一。高速铁路因其运输能力大、安全舒适、全天候运输、环境友好、环保节能、可持续性等优势，已经成为铁路发展的重要趋势和国家现代化的重要标志。高速列车是由4万多个零部件构成的复杂运动物体，在速度高、跨度大、运距长的复杂运行条件下，通过列车智能化系统对走行、牵引、制动等直接影响行车安全的关键系统与部件进行动态监控、智能诊断与途中预警，对任何潜在的危险或故障状况提出警报，实现事故主动预防与故障快速处置，是提升列车运行安全性与服役可靠性的重要保障。本文介绍了高速列车智能化系统的设计与规划，希望对我国高速列车设计与生产产生一定的帮助作用。

【关键词】 高速列车 智能化 系统 介绍

6月25日，我国首列智能化高速列车样车在南车青岛四方机车车辆股份有限公司竣工下线。首次实现了物联网、传感网、列车控制网络、车载传输网络的多网融合，形成自检测、自诊断、自决策能力的智能化高速列车。本文主要介绍高速列车的智能化系统。

1 列车智能化系统架构

1.1 概述

列车智能化系统中采用的两大核心技术就是物联网与传感网技术。物联网技术被誉为信息技术领域新的革命，采用以标签识别、无线传感、无线网络传输、云计算等为特征的物联网技术，建立物与物、物与人直接的有机连接，形成庞大的智慧系统。采用物联网技术可以对智能列车的所有零部件进行全生命周期的管理，所有的零部件从出厂到淘汰都可以进行档案追踪与管理，借助检修基地的管理数据库，可以实现零件共享，维修提醒等功能。传感网技术解决了复杂工况下，高速列车运行动态数据全息化的问题。可以全面掌握高速列车实时运行状态，将包括温度、应力、加速度、电流、电压在内的传感器信息统一进行实时采集，进行去噪、去重、加密等预处理，然后通过网络汇聚至列车车载数据中心。车载数据中心根据定义的规则对数据进行再次的分析。对列车设备或者路况产生的异常情况进行预警或告警，对数据进行存储，根据数据的重要性与敏感度，定义数据老化策略。对重要和敏感的数据进行二次表达，并且进行压缩，将之传送至地面数据中心进行处理。地面数据中心主要进行数据存储，虚拟3D展现等工作。

1.2 车载物联网系统

车载物联网系统主要用于关键器件零部件生命周期管理。通过手持式RFID识别设备，采集部件的各种信息（包括生产日期、系统名、部件位置、检修信息、大修信息等等），通过USB或者通过无线的方式，经过车载环网，将其送入车载数据中心。数据中心对该类数据进行过滤，合并等操作以后，转入车载数据库进行存储。同时数据中心将数据转发至地面系统，通过公网或者铁路专用网实现物联网系统的后台整合。车载物联网系统由如下几种设备组合构成：抗金属RFID双频电子标签、手持式RFID采集器、物联传感节点、车载后台数据中心。RFID双频电子标签（Intag系列）由网新集团为铁路系统定制。可工作于金属环境下，能同时工作于HF和UHF频段。其工作的频率为UHF：920MHz～925MHz，HF：13.56MHz+-7KHz。能达到IP68的防尘、防水等级，在恶劣的电磁干扰工况下依然具有极佳的读写性能。RFID双频电子标签可存储列车零部件的初始化信息（静态信息）、检修信息（动态信息）、大修信息（动态信息）和私有信息（静态信息）。

手持式RFID采集器主要由铁路相关工作现场人员使用，能适应多种恶劣气候环境、机械环境和电磁环境。检修人员可利用该设备对列车零部件进行检修，检修的结果可通过无线和有线网传至后台数据中心和地面数据中心，从而可以形成完整的列车零部件履历。借助该类履历信息而形成的专家系统，可以为列车部件采购、维修、运营的智能决策提供坚实的技术支撑。该手持式RFID采集器由网新集团为铁路系统单独开发设计，功耗较低，具有极高的防水等级和抗震等级，能满足各种恶劣工况下的使用。

传感物联节点所构成的车载感知环网是车载物联网、传感网的核心通路。通过前端的无线接口，将收集到的物联网信息进行去重，过滤异常数据，合并等操作。而后采用实时或者分时上报的策略，将数据通过环网传至后台数据中心。同时，物联传感节点还可以接入列车TCN总线，例如MVB，ARCNET等。将列车原有的控制信息和状态信息进行采集后，将数据进行格式统一化处理，然后将其通过环网送入后台数据中心处理。为了保证环网在发生故障时依然可以提供服务，节点设计了多重冗余保护策略，包括主备控制系统保护、电源冗余保护、风扇冗余保护以及MRP环网故障保护。

车载后台数据中心将接收到的物联网信息再次进行分析，将具体的部件履历信息与新增的标签信息进行映射关联，提供友好的UI界面表达及各种用户友好的客户搜索条件后，将数据进行存储和转发。由于后台数据中心需要处理和过滤的数据量非常巨大，因此需要提供各种数据QOS（quality of service，服务质量分类）转发策略、日志策略和缓存优先级策略。将数据进行严格分类，按存储时间分成永久存储和可老化存储，按重要性和敏感度可以分成不同的转发优先级。对于较高优先级的数据保证其拥有较高的转发性能和较大的网络带宽，对于较低优先级的数据则根据预先定义的策略可以进行丢弃或者延迟转发。为了保证后台数据中心在发生故障的情况下依然拥有较高的可用度，设备需要提供多重保护。具体包括电源冗余保护、主备控制系统1+1备份保护等。

1.3 车载传感网系统

车载传感网系统解决了复杂工况下，高速列车运行动态数据全息化的问题。可以全面掌握高速列车实时运行状态，将包括温度、应力、加速度、电流、电压在内的传感器信息统一进行实时采集，将数据格式化统一处理以后，进行去噪、去重、加密等预处理，然后通过网络汇聚至列车后台数据中心。后台数据中心根据定义的规则对数据进行再次的分析。对列车设备或者路况产生的异常情况进行预警或告警，对数据进行存储，根据数据的重要性与敏感度，定义数据老化策略。对重要和敏感的数据进行二次表达，并且进行压缩，将之传送至地面数据中心进行处理。 地面数据中心主要进行数据存储，虚拟3D展现等工作。

车载传感网系统由多类型传感器族、物联传感节点、车载后台数据中心等设备组合构成。多类型传感器族主要由数量众多的传感器组成。从传感采集的信息分，可以分成温度、加速度、应力、电流、电压、气压等。从传感器系统架构分可以分成模拟量型传感器和数字型传感器。网新集团构建的车载传感器族具有高稳定、大量程、高精度的特点，能满足在恶劣的电磁、振动环境下稳定可靠的工作。

为了响应铁道部提出的列车“谱系化”的目标，网新集团针对不同的列车外部运行环境，比如高寒地带、高温地带，进行传感器家族的系列化。以温度传感器为例，网新集团针对上述需求考虑设计几款不同子类型的传感器，能够满足特定环境下的量程需求和可靠性需求。对于其余类型的传感器，均采用这样的设计开发思路。

物联传感节点所构成的车载感知环网是车载物联网、传感网的核心通路。通过前端模拟量、数字量和开关量接入，将采集到的原始的传感信息进行去重和基于频谱分析的去噪，并将上述异构数据进行数据格式统一化。处理完以后的数据，根据预先定义的分时或者实时策略，发送至后台数据中心。

列车工况十分复杂，客室、转向架、车头等场合环境迥异。因此对于不同的传感器需要设置不同的噪声过滤算法。网新集团与几大主机密切合作，在离散数字信号分析方面有比较深厚的积累，并且已形成一系列创新型的滤波处理算法。

车载后台数据中心将接收到的传感信息再次进行分析。根据预先定义好的各种参数，当分析之后的数据越过预警门限，则系统进行预警。当数据越过报警门限，则进行报警。列车司机根据数据中心分析得出的结论，例如采取制动等安全措施。对于某些比较关键的告警信息，将实时地传递给地面数据中心，以供地面指挥人员进行分析和命令发布之用。

2 网新系列产品介绍

2.1 Intag抗金属电子标签（图1）

INTAG系列电子标签是网新集团为铁路系统专门定制的工业级抗金属双频标签。严苛工况下，具有优秀的抗金属，抗震动，防水，防尘性能。部分性能指标如下：

（1）双频标签工作频率：UHF：920MHz～925MHz。HF：13.56MHz ±7KHz。（2）内存容量：标签内存容量：1～2Kbits。（3）读写距离（与网新手持式读写器配合）：UHF：读距离大于1m；UHF：写距离0m～ 0.8m。HF：读距离0cm～5cm。HF：写距离0cm～5cm。（4）通信协议：UHF：ISO18000-6C。HF：ISO 14443A，15693。

2.2 网新车载传感器族（图2）

网新集团凭借在城市轨道交通以及铁路领域多年的技术积累，为高速列车研制了车载传感器族。技术上具有大量程，高精度，高分辨率，抗扰度好的特点。此外，网新设计的传感器在恶劣的铁路工况中表现出性能稳定，鲁棒性好的特点，深受用户赞誉。（表1）

2.3 车载智能采集终端SA735（图3）

车载智能采集终端SA735是网新集团为南车集团定制的小型化传感接入产品，是物联传感节点的一种设备类型。具有被动散热设计，高防水防尘（达到IP67），高耐振等技术特点。主要应对传感器分布比较密集的场所的接入需求。部分性能参数和规格：

供电电压：70～125V（DC100V）；模块输入功率：<30W；模块重量：<15kg；耐振性：GB/T21563-2008 1类 B级。具有电源极性接反保护功能。

绝缘电阻：10MΩ以上；即DC100V电源正负线对机壳（地）之间的绝缘电阻，由500V兆欧表测量。

耐压试验：电源正负线对机壳（地），用50Hz工频1200V保持1min。

2.4 手持式RF设别设备RT320i（图4）

手持式RF设别设备RT320i主要用于采集高速列车零部件的物联网标签信息。 提供大修，检修等记录的查询录入，数据管理，文件传输，日志记录，错误校验等功能。 主要用于智能列车检修，零部件全生命周期管理等。主要技术指标如下：

（1）工作频率范围：UHF 920MHz～925MHz，HF：13.56 MHz +-7KHz。（2）调制方式：移幅键控的调制方式（ASK）。（3）通信协议：ISO18000-6C，ISO14443A（或ISO 15693）。（4）信道带宽及信道占用带宽（99%能量）：250kHz。（5）信道中心频率：fc（MHz）=920.125+M×0.25（M为整数，取值为0-19）。（7）工作模式：跳频扩频方式，每跳频信道最大驻留时间2秒。（7）发射功率：见表2。（8）邻道功率泄漏比：40dB（第一邻道），60dB（第二邻道）。（9）标签识别能力：具有单标签与多标签识别功能，正常环境下，识别率≥99.9%。（10）通信接口：蓝牙；USB；（11）工作方式：触发方式；命令方式。（12）电源适应性：充电变压器AC（100～240）V，50Hz。（表2）

3 结语

以列车为核心的高速铁路，需要线路、供电、运控、调度等各种高新技术的系统集成，是一个复杂巨系统，其发展也会带动信息通讯、电力电子、材料化工、机械制造、自动控制等多学科、多行业的发展，是世界各国科学技术和制造产业创新能力、综合国力以及国家现代化程度的集中体现和重要标志之一。其中，列车的运行安全智能化保障，列车的智能化管理与智能化维修，是高速铁路技术的核心。

参考文献：

[1]郭超勇，刘建强.高速列车网络控制系统第四讲：高速列车网络控制系统[J].电力电子，2012/02.

[2]赵乃莹，陈羽，杨志刚.列车底部结构对交会高速列车气动性能的影响[J].计算机辅助工程，2012/06.

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