城市轨道智慧列车技术研究

刘哲 于连震 景凤斌 尹智勇

中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116000

摘 要：本文基于目前轨道交通车辆设备的智能化发展现状，从智能技术装备、智能列车安全运行及智能乘客服务方面，对智慧列车的相关技术进行介绍，智慧列车新技术的应用将使列车在车辆运行的安全性、检修维护的方便性以及乘客乘车的舒适性等方面得到全面提升。持续不断的智能化和自主化技术研发，将强力助推地铁列车由城轨交通的高速发展向高质量发展转变。

关键词：智慧列车 智能运维系统 多网融合技术

1 前言

地铁建设的发展对城轨车辆的技术需求不断变化和提升，城市轨道交通已经城市居民出行的最佳选择，也逐渐成为了一种市民生活习惯。城轨车辆在轨道交通大环境中所承担的角色和交互需求已发生重大改变。

新兴信息技术和城轨交通业务深度融合，推动了城轨交通数字技术应用。为打造“高安全、高效率、低能耗、低成本”的智慧列车，要从智能技术装备、智能列车安全运行、智能乘客服务等多维度出发。

2 智能技术装备

智能技术装备是智慧出行全面推进的基础，轨道交通行业为了增强车辆故障的预判性对于车载智能技术的发展需求越发强烈，对车辆在智慧技术装备方面的要求越来越多，智能技术装备将全面提升地铁车辆安全性及乘坐舒适性。

2.1多网融合技术

列车网络控制系统采用全以太网结构，在物理通道上为整车设备提供了以太网接入的条件，各子系统及设备通过共用这套网络通讯资源实现列车的多网融合，其意义在于多网融合面向的是轨道交通列车控制与服务业务多样化、业务承载一体化的新需求，在列车上构建了具有大带宽、高可信、高可靠、智能化的列车控制与多业务服务融合网络。

2.1.1 系统功能

多网融合以太网系统可实现以下功能：

（1）整车以太网维护网功能：能够为各子系统微机控制单元提供一致的维护介质，各单元通过以太网交换机组成列车局域网。可通过使用各系统供应商提供的维护软件对相应的列车设备进行维护操作。

（2）PIS、PA系统多媒体网功能：PIS及PA系统接入融合以太网，建立整车音视频数据传输网，实现控制信息及多媒体数据的交互。

（3）以太网信息网功能：为整车搭建以太网信息网，为子系统的维护数据传输提供传输通道，列车数据采集单元通过融合以太网收集各子系统以太网维护数据，实现列车以太网信息网功能，并为列车大数据收集提供数据基础^[1]。

（4）子系统内部控制网功能：替代车载子系统原有的以太网内部控制网，实现子系统内部各控制单元数据传输的功能。

2.1.2 系统架构

以太网多网融合技术使列车各系统融入以太网系统中，实现数据传输网、多媒体网、维护网等多网合一，组建成一个整车一体化以太网数据大动脉。多网融合以太网系统具有高带宽、高实时性等优势，可提升列车的可靠性、可维护性、可监控性，有效降低列车运、管、修的难度，支撑日益增加的列车智能化、大数据等多元化业务需求。

2.2智能运维技术

2.2.1 智能运维系统架构

智慧列车智能运维系统以面向城市轨道交通网络的信息处理中心为主体，无线通信和互联网+为基础，以大数据分析为手段，以车联网在途监测系统和地面数据分析平台为核心，具有实时智能分析、大通道高安全性传输等技术特点，能够支持车辆设计制造、运营和检修的智慧列车智能运维系统。智能运维系统由车联网在途监测系统和地面数据中心平台组成^[2]。

2.2.2 智能运维界面

• 列车状态监控

线路页面首页显示了当前线路所有列车实时基本运行状态信息，包括：序号、列车号、状态、运行模式、客流量等信息。

• 故障查询及诊断

故障综合查询页面可以查询线路列车的全部故障记录，包括当前发生的和历史发生的，并可以通过故障所属系统进行综合查询。单击某条故障，可显示故障的详细信息，包括故障代码、等级、发生原因、解决措施等内容

• 故障统计分析及预警

历史故障的统计分析功能主要在多维度下统计故障发生情况，了解列车的整体状况，用于辅助列车的检修。自定义预警条件可以在列车网络定义好故障的基础上使故障库更加丰富。用户可以根据专家的检修经验，各线路的实际运行情况与运行条件，添加特定的预警判断条件。

2.3多屏融合技术

随着城轨车辆各系统应用的成熟及技术的发展，系统融合及车联网是必然趋势。显示屏作为司控台综合显控系统的重要组件，是列车控制及监控系统、信号系统、乘客信息显示系统与外界重要的信息交互纽带，同时在车辆维保过程中也是重要的信息交互工具。因此，各系统显示屏势必会根据系统需要进行融合。

显示屏融合技术是一款满足系统融合需要而开发的新型显示屏，可用于复杂控制和指示系统，显示列车运行状态信息和设置车辆参数信息，同时融合PIS系统监控的功能，可以实现监控图像轮循显示、监控图像存储、录像回放等功能。

3 智能列车安全运行

智能列车安全运行是乘客信赖、依赖的基础，也是客户放心的保障，更是智慧出行研究的基石。车辆受其所在的环境影响，系统环境的异常变化都将影响系统本身的状态。事故的发生是人、机、环、管四方面相互作用的结果，只有综合考虑、系统控制才能提高 地铁车辆安全运营水平。

3.1轨道检测系统

轨道检测系统包括轨道几何参数测量子系统、钢轨轮廓检测子系统、轨道状态巡检子系统及定位同步子系统。

轨道几何参数测量子系统用于在线检测轨道几何参数（包括：轨距、超高、轨向等），检测结果用于指导工务线路检修。

钢轨轮廓检测子系统以激光三角测量法为测量原理，核心器件包含智能相机、线激光器等，结合速度传感器完成钢轨轮廓检测。

轨道状态巡检子系统对轨道表面信息进行动态采集，图像浏览和大容量数据的压缩、存储、伤损自动识别和数字化管理。

3.2障碍物检测系统

列车智能障碍物检测系统在地铁列车运行时，对轨面上方突发侵入或隧道结构设备落下障碍物，实时远距离检测和告警能力。将障碍物信息上报该列车运营控制中心。整体系统具备以下功能：

1. 1. 障碍物主动智能检测功能，对列车运行前方轨道的障碍物（如车辆、人、机箱等）进行主动识别同时精准感知障碍物距离，并具备向 OCC 或驾驶员预警功能，以及施加制动采取防护措施的能力。

   2. 障碍物被动检测功能，通过安装于列车头部下方的传感器设备判断列车撞击到障碍物，采取报警及制动措施。

   3. 列车脱轨检测功能，通过安装于列车头部的传感器设备，判断列车纵向冲击超限脱轨，采取报警及制动措施。

障碍物检测系统可独立于信号系统工作，可与车辆接口实现制动输出，便于安装，在全线直道、弯道、道岔区域准确可靠识别运行前方障碍物，不受相邻轨道障碍物或轨旁障碍物的影响。

4 智能乘客服务

智慧出行的首要目的就是满足民众幸福出行的需求。通过智慧乘客服务体系的建立，发展多项新技术，提升乘客出行体验，将乘客服务体系由“群体性服务”逐步升级为面向“个体化定制”的精准服务模式转变。实现智慧乘客服务的最终目的，为人民群众提供更加个性化、多样化、品质化、高效率的轨道交通运输服务和增值服务。

4.1手机APP站点信息推送技术

4.1.1系统功能

列车广播系统具备线路信息提示、列车预到站广播、到站广播、晚点提示、及其他应急广播功能，可将上述信息传输到指定的运营服务软件手机APP端。

手机APP站点信息推送系统工作原理是通过车载无线PA控制器（m-node），将PA系统的相关数据传输到乘客的移动终端中。

4.1.2系统架构

PA系统将相关数据传输给车载无线PA控制器（m-node），使用WIFI beacon和蓝牙信标（beacon）技术，无线PA控制器将这些信息通过加密算法在地铁车厢内广播，APP端通过密钥解析广播信号从而获知列车到站信息、线路信息、触发应急广播提示等，数据传输为单向传输，保证了车载PIS系统的数据安全、系统稳定。

图1 无线信标系统原理框架图

4.2智慧OLED车窗

智慧OLED车窗主要是通过列车侧窗玻璃与屏贴合实现文字、静态及动态图像信息的显示，并集成电容触摸屏实现智能人机交互的操作，满足乘客不断提高的乘车体验，不同于传统列车客室所配置的显示屏，智慧OLED车窗与列车侧窗实现融合，直接通过车窗玻璃进行信息显示，无需单独增加显示终端的配置，无需为显示屏单独开辟安装空间，是新型列车的一大亮点，具备划时代的意义^[3]。

4.2.1系统功能

智慧OLED车窗作为一台显示及控制终端，集成了透明显示、触摸控制以及与PIS的接口功能，客室实现静态及动态图像、文字等信息的显示，并通过电容式触摸屏为乘客提供人机交互体验功能。

智慧OLED车窗具备4G互联网通信功能和本地以太网通信功能，可以在与PIS系统交互实现流媒体播放、广播报站信息显示的同时，为乘客提供Interner信息浏览服务。

4.2.2系统构架

每台智慧OLED车窗由OLED侧窗玻璃显示总成、主机箱及连接线缆等部分构成，并通过自带的网口实现组网，并与本车厢PIS交换机连接。智慧OLED车窗集成4G上网模块和天线，无需外加4G路由器即可实现4G上网功能，其中4G上网模块集成于主机箱中，4G天线内置于车窗玻璃显示总成，与智慧OLED车窗系统组成网络拓扑。

5 结论

根据中国城市轨道交通协会于2020年发布的《智慧城轨发展纲要》，智慧列车的研究将成为城市轨道交通行业未来的发展趋势。本文从不同角度对智慧列车的相关技术进行了功能说明，随着未来新技术的发展将会有更多的智慧科技应用于地铁列车上，实现技术落地。

参 考 文 献

1. Ludger Boegerging.以4G LTE启程,开始您的5G之旅[J].电子产品世界,2020,27(5):26-29.

2. 张鹤,伊宏伟,曹琦.城市轨道交通车辆智能化运维检测[J].城市轨道交通研究,2020,23(4):89-93. DOI:10.16037/j.1007-869x.2020.04.022.

3. 单梁.OLED产业现状及发展策略研究[J].科技致富向导,2012（13）,:366.