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轨道交通装备技术演进与智能化发展

摘要：轨道交通系统已经发展成为以车辆装备为核心的复杂大系统。在历次工业革命的过程中，轨道交通装备始终走在科技革命的最前沿，推动着技术应用与产业化发展。文章从轨道交通装备智能化发展的角度出发，介绍了轨道交通在智轨快运系统、重载机车智能驾驶和智能运维等领域开展的智能化应用初步探索和实践，以及轨道交通在运输安全与高效方面的提升。最后，从单体智能、群体智能和系统智能3个维度对轨道交通未来的智能形态进行了探讨和展望。
关键词：轨道交通装备；智能化；智能驾驶；智能运维
1城市交通变革方向
随着我国交通业的不断发展，城市交通解决了传统城市交通发展的“有无”问题。随着我国城市交通的不断发展，在土地的规划中以及相应的限制条件下，城市交通的发展通过增强内需逐步托大到控制内需的转变。从当前来看，我国的经济水平在不断提高，人们对于城市交通的要求逐步提高，未来的城市交通的发展必将成为城市发展的中心力量，同时也会对城市的运输系统产生影响。因此，城市交通在发展的过程中应当注重公共交通的运行质量。因此，首先应当将交通运输的质量与人们的交通需求进行有机结合，然后逐步提升交通服务的质量。随着科学技术的不断进步，解决城市居民的交通出行便利性仍是城市发展的主要工作。随着城市化的不断推进，提供居民的生活质量以及交通便利更需要我国政府和各界领导的关注。
2演进历程 
近现代以来，人类社会经历了数次工业革命。轨道交通装备作为大运量、远距离运输的主要运载工具，自1825年第一条铁路在英国建成以来，一方面其技术不断从工业革命的技术创新中汲取新动力，另一方面人们对于轨道交通运载的需求也推动着技术不断革新发展。总体而言，轨道交通装备技术经历了从机械化装备、电气化装备、信息化装备到智能化装备4个阶段。以蒸汽机车、内燃液压传动和内燃机械传动为主的机械化装备，其主要特点有：配制简单，以机械动力传动为主，通过机械技术来实现机车车辆的控制，车辆操控、诊断和维护需要依靠人工手动实现。机械化装备阶段从1825年一直持续到20世纪中期，机械化装备的出现标志着人类开始步入现代文明阶段，提升了大宗货物和大量客流的运输能力和效率，结束了数千年来陆上交通仅依靠畜力牵引运输的历史。
19世纪末20世纪初，以电力牵引为主要特点的电气化轨道交通装备开始兴起，主要包括直流电力机车、三相异步交流电力机车及内燃直流电力机车等。电气化装备阶段，机车车辆牵引功率得到大幅提升，速度也达到了160km/h。
20世纪中后期，随着功率半导体器件技术的发展，电气化装备的性能很快超过了机械化装备，成为轨道交通行业的主流。然而由于控制技术、通信技术等自动化程度不高，电气化装备的性能并没有得到充分的应用。进入信息化时代，轨道交通装备一方面通过应用微机技术、网络技术和通信技术大幅提升了控制和调度的效率，另一方面在大功率半导体器件IGBT技术的推动下，牵引性能得到了极大的提升，列车速度达到350km/h。
无线通信技术的发展使得轨道交通装备得以打破车地之间的分隔，构建车地一体化的平台。该平台提供了列车安全防护、设备状态监测、旅客信息服务等应用功能，相对于电气化时代，轨道交通装备的安全性与效率得到了进一步的提升。
3“智能+”时代
3.1 智轨快运系统
现代有轨电车的发展趋势之一是有轨电车无轨化，即胶轮无轨列车，其特点表现为胶轮无轨、共享路权及类轨行驶。它既拥有公路交通行驶灵活、建设和维护成本低的优点，又具备轨道交通运量大的优势，并且克服了地铁、轻轨及有轨电车等基础设施建设成本高、周期长的缺点。电力机车研究所有限公司提出的智轨快运系统解决方案，改变了传统有轨电车的配置，其采用胶轮承载的多编组铰接列车，用虚拟的轨道替换有形的钢轨。智轨电车基本控制构架包括从运控中心获取运行指令、自主感知运行路径、跟踪运行路径和全轴转向跟随，最终实现类轨道运行。
3.1.1路径感知
如图1所示，为替换有形的钢轨，智轨电车根据路径规划及行为决策，使用包括雷达、摄像头等类型的传感器，获取车道线以及目标宽度、目标类别、距离、相对速度等信息，经过信号处理及曲线拟合，生成列车需要行进的虚拟轨道。
图1路径感知
图2自动循迹
3.1.2自动循迹
为实现对虚拟轨道的跟踪，智轨电车具备自动循迹能力，如图2所示。智轨电车是一个极其复杂的非线性系统，其控制性能受到多种因素的影响，难以建立精确的动力学模型；而理想的控制器又需要充分考虑这些因素的影响并具备应对变化的良好适应能力：故采用模型预测控制实现自动循迹控制。模型预测控制的原理如图3所示。自动循迹的具体控制方式如图4所示，根据列车与目标轨迹之间的位置和姿态关系，输入车辆模型，计算出未来一段时间内的期望转角指令序列，取第一个转角指令作为当前时刻的控制输出，之后每个周期均重复这一过程，通过滚动优化最终实现列车第一轴快速平稳地跟踪虚拟轨道。
图3模型预测控制原理
图4视觉循迹原理
3.1.3轨迹跟随
为使列车后续各轴能够快速准确跟随第一轴的行进轨迹，智轨电车具备轨迹跟随能力，以保证各个轴在不同时刻、不同位置都能正确执行符合期望车身姿态的转角控制指令，实现对智轨电车的精准姿态控制。
3.1.4主动防护
为保障在公共路权下运行的安全，智轨电车具备主动防护能力，借助雷达、摄像头等环境感知传感器，基于碰撞预警模型，形成对多编组列车的360°监测，实现列车的主动防护，如图5所示。
图5主动防护
4结语
在历次工业革命的过程中，轨道交通装备始终走在科技前沿，不断融合同时期先进的研究成果，同时推动了新技术的工程化和产业化。进入“智能+”时代，轨道交通在智轨快运系统、重载机车智能驾驶、智能运维等领域开展了智能化应用的初步探索和实践，实现了在运输安全与高效方面的提升。
Reference：
[1]赵庆国.高速铁路产业发展政策研究[D].南昌：江西财经大学，2013.
[2]刁心宏.城市轨道交通概论[M].北京：中国铁道出版社，2009.

-全文完-