当前，轨道交通已成为中国经济的大动脉，科学规划的密集高速铁路网迅速拉动了沿线经济的发展。截止2017年底，全球已投入运营的高速铁路里程达3.77万公里，中国的高铁运营总里程数占全球总量六成以上，位居世界第一。

　　与此同时，中国的轨道交通装备也已经走向世界，成为一张亮眼的“中国名片”。近日，中车株洲电力机车研究所有限公司（简称中车株洲所）总工程师、研究院院长冯江华在第281场工程科技论坛上对《高科技与产业化》记者表示，信息化时代中国轨道交通装备在全球范围内逐步实现并跑并局部领跑，“如今中国轨道交通装备正迈入智能化的门槛，智能化时代的中国轨道交通装备正与世界同步发展”。

　　中国轨道装备迈入智能化门槛

　　中国轨道交通在发展过程中，其高效和安全性取得了长足的进步，但同时也面临着很多的挑战，比如需要考虑全域、全时和全天侯的适应性，要适应各种运输需求，并需要高效地利用能源等等。此外，还需考虑复杂轮轨关系以及车辆动力学等一系列问题。

　　冯江华指出，轨道交通需通过一个综合性的庞大系统以应对各种挑战。该系统包括调度、列控、云端数据中心、能源供给的系统以及桥梁、隧道、轨道、线路等基础设施，从而保障轨道交通移动装备能在一个复杂运用环境中安全可靠全运行。

　　“这种复杂综合的铁路交通体系涉及到很多学科，包括电气、电子、计算机、通讯等需要。具体到车辆设备设计与制造，它又涵盖了电气传动、网络控制、通讯信号、自动等一系列的专业系统，由此构成了一个复杂的交通运输装备。”

　　当前，中国的交通装备为了适应交通运输的发展，在各个技术领域都取得了进步与突破。轨道交通装备正不断融合同一时期最先进的科技成果，积极推动新技术的工程化和产业化。

　　回顾轨道交通装备的发展史，冯江华指出，机械化装备阶段的主要特点即设备配制非常简单，以动力传动为主，并且通过机械技术来实现对机车车辆的控制。到了电气化时代，伴随功率半导体器件的问世，人们可以利用电能实现轨道交通机车车辆的动力与转换。而进入信息化时代后，信息电子和功率半导体（如绝缘栅双极型晶体管IGBT）的发展与升级不断增进轨道交通装备技术水平，但其主要控制模式仍是基于模型和逻辑的方式。

　　“在信息化时代中国轨道交通装备开始加速追赶，逐步实现了并跑，进而实现了局部领跑。如今中国的轨道交通装备正迈入智能化的门槛，在智能化时代中国轨道交通装备正与世界同步发展。”冯江华说。

　　打造复兴号“心脏”与“大脑”

　　2017年6月，由中车株洲所提供核心动力的复兴号动车组正式在京沪高铁上运营。在复兴号动车组的系统和部件中，用于列车控制的网络控制系统以及进行动力输出的牵引传动系统，相当于列车的“心脏”和“大脑”——中车株洲所是这些关键技术的核心源泉。

　　不仅仅只是牵引传动系统与网络控制系统，中车株洲所还提供了辅变装置、无线数据传输装置、轴温实时监控系统等在内的8大子系统。

　　众所周知，动车组在高速运行中面临着诸多技术领域的挑战。比如当列车时速越来越高时，列车取电的受电弓经常会发生跳空脱离电网的现象，速度越高跳空越频繁，这样容易造成车辆和电网之间的重大冲击。另外，同一个牵引供电地会有不同的机车车辆在同时运行，会使得电网系统存在稳定性的问题。

　　冯江华说：“我们基于车载的动态模型，实时去观测车-网之间的藕合关系，通过反馈控制和纵向网络学习的方法，来确保列车在任何时刻、任何速度、任何位置，甚至在电网品质不良的状况之下，都能确保稳定的工作。”

　　其次，由于轨道交通运输处于瞬息万变的过程之中。在牵引动力的控制过程中间，它的参数经常会迅速发生变化。为解决这个问题，冯江华带领研究团队采用了最优的轨迹动态规划，实时跟踪电机的状态，通过决策加执行的方式实现了对磁链快速的精确控制。

　　与此同时，轮子和轨道之间的粘着控制也是研究的重点。“简单来说，就是如何让列车动力得到最大地发挥，形成轨道交通车辆高速行驶中的充足动力。摩擦的状态、粘合的状态随时随地都在发生变化，因此整个动力传递的关系非常复杂，模型非线性也非常严重，工作过程中没有一个稳态。”

　　为了解决粘着控制的问题，冯江华和团队提出了基于梯度下降的最佳粘着点的方法，结合电机、传动控制的模型、速度辨识的模型以及粘着利用观测的模型，最后顺利实现快速的收敛，保证车轮与轨道间粘着的最佳利用。

　　此外，列车的速度控制也是非常重要的指标。冯江华指出，速度控制主要表现在两个方面：一是列车的舒适性，速度越平稳旅客舒适性越高；二是安全防护，速度不稳可能会引起超速防护。

　　“为了解决这个问题，我们提出了基于通过列车自身载荷、线路数据、轮轨感知速度、加速度等信息的融合，构建出速度最大然似模型，从而实现列车速度的平稳与精准控制。”冯江华说。

　　在新年致辞中，习近平总书记以“复兴号高速列车迈出从追赶到领跑的关键一步”，作为首个例子论证“我们着力引领产业向中高端迈进”，体现出党和国家领导人对复兴号所代表的轨道交通先进技术的肯定。而且，使用自主控制技术控制相同的牵引变流器和牵引电机，输出功率提升了20%，而电机温升较国外技术控制结果下降了17K。

　　推动重载机车智能化

　　长期以来，诸多环境影响因素以及机车车辆自身条件的局限，使得铁路货运的速度和载重都受到了较大影响。事实上，重载运输在美国、澳大利亚、南非等国早有应用，但是这些国家的重载运输速度都非常低，而中国货运专线则要求保证一定的速度以及运载吨位。

　　冯江华指出，目前国内货运线路多在山区运行，弯道、隧道、坡道等非常多。在此种运行环境下，人工操控无法做到完全的安全和可控，所以只能降低货运列车的运行速度或者降低牵引的吨位。

　　针对重载货运这一领域，中车株洲所研究团队在冯江华的带领下，已构建出无线重联的重载组合列车的控制系统以及重载机车智能驾驶的系统。

　　冯江华告诉记者：“我们首先构建了一个系统构架，包括感知层面、决策层面与执行层面等。面对实际驾驶场景，我们可实时地感知运行环境、列车态势，以及列车运行的边界条件等，通过多层次网络化的通讯系统以及整个列车实时的动力学模型，实现运营速度的规划和分布式动力系统的控制。”

　　他指出，货运列车必须时刻对环境进行感知，因此构建出复合感知系统，包括激光雷达等。由于货运列车载重大，其制动距离长，需要感知的距离也要长。目前，感知距离已达400米。

　　“我们要形成分布式牵引动力的控制指令。该指令的形成过程既要依据规划速度曲线、线路数据、列车态势等，还要以列车纵向动力学为目标，并基于速度跟随的策略，最终形成了优化后的控制指令。通过这些综合运算和控制，使得重载货运列车之间的作用力下降30%以上。同时我们也利用感知的信息进行了安全导向的控制。”

　　目前，中车株洲所在全球第二家实现了无线重联的重载组合列车控制与机车智能驾驶技术的商业应用，而且在无线重联控制系统的纵向作用力表现更佳。

　　智能快轨电车已开通运营

　　在中国各类城市对于轨道交通的需求中，中等运量的交通运输体系是当前中国大中型城市所急需的类型。

　　冯江华指出，传统的中运量交通体系代表作为现代有轨电车，其基本形式是在平面交通道路上架设两条钢轨。但这样的一种交通运输方式必然有着严重的不足，即投资成本大、建设周期长，并且灵活性差。一旦城市发展后要改变某条有轨电车的路线，基本上都无法实现。

　　在中国轨道交通“十二五”相关规划中，计划建设现代有轨电车的长度为5000公里，但到“十二五”末期正式运营的仅有200多公里。

　　冯江华说：“因此我们开始尝试改变传统有轨电车的结构，设想打造一种虚拟列车在虚拟的轨道上运行。智能快轨电车的基本控制构架是通过运控中心发布运行指令后，电车自身可以感知运行的路径并进入运行轨迹，最后通过自主导向实现列车类轨道运行的式。”

　　这种智能快轨电车又被称为ART。ART将现代有轨电车和公共汽车的优势融为一体，既不需要单独建设轨道，又可与其他车辆共享路权且运量较大，可为中大型城市居民的出行带来全新选择和体验。

　　冯江华强调，路径感知、自动循迹、轨迹跟随以及主动防护是发展ART的几大关键技术环节。

　　路径感知即用各种感知技术加上特定路径的标识，形成电车行进中的虚拟轨道；自动循迹需要考虑列车的初始态势、速度，以及与整个虚拟轨道、线路相关的各种状态。电车通过自动循迹算法得到第一根轴转向控制的指令，让第一个轴快速平稳地进入虚拟路径，后续的轴则快速跟随其行进的轨迹，这一过程即轨迹跟随。

　　“为了确保公共路权下车辆的安全，我们还通过感知技术形成了多编组列车的360度监测，以实现智能快轨电车的主动防护。”冯江华说。

　　ART自2017年推出以后，受到了各界的高度关注，先后有170多个城市来到中车株洲所考察。据冯江华透露，目前株洲市的ART示范线与体验线均在顺利运营中，今年年底还将在四川省宜宾市等地正式开通运行新的ART。

　　“目前这一车辆的基本指标为长度32米，远超城市车辆最长为18米的限制；最高速度能达到80公里且能稳定运行，最小转弯半径为15米，爬坡可超过10%，这也是我们所创造的一种中运量新的交通新制式。”冯江华总结道。

　　轨道交通智能技术仍处于初级阶段

　　随着轨道交通技术的快速提升，智能控制技术已经呈现出丰富多彩的态势，且正在不断地加快融合，但冯江华指出，智能技术本身仍然处于初级的阶段，和传统控制理论的融合才刚刚开始。虽然未来智能技术的发展可期，但在当前而言还存在诸多的不足。

　　“比如通用的人工智能技术，包括算力甚至一些感知的能力等都还不够。轨道交通装备的智能化技术也没有形成一体化的智能体系架构，另外支撑轨道的交通大系统，包含车辆、运控、调度、轨道、基础设施及车站等完整系统的智能化理论体系，应当说仍是一片空白。”冯江华说。

　　那么，轨道交通未来智能化发展的路径究竟在何方？

　　对此，冯江华认为，应当从单体智能、群体智能和系统智能三个维度的并行协同发展入手。

　　单体智能即基于目前的控制理论和传统的理论，以及基于安全模型和物理模型，融合感知、学习、思辩、决策等构建一体化。通过动力学与信息处理系统，理解单体自身与环境信息，分析、判断和规划自身的行为，并根据环境和需求的变化做出调整决策，达到全域、全时、全天候安全和支持高效运营。

　　群体智能则是构建同类轨道交通装备间有效的学习、通信、协同与共享机制。通过群体定位和群体态势感知、自主与协调控制、群体通信等，共同完成开放环境下的复杂决策任务，从而涌现出超越单体智能的形态和特征，更安全、高效的地发挥群体协同的效应。

　　冯江华说：“其中将包括群体定位等一些关键技术，将来的应用场景还会有轨道交通车辆的虚拟联挂，以及基于资产最优化的管理等。”

　　他指出，基于计划和安全相互协同的异构多样的轨道交通装备系统，则可通过泛在感知、信息交互融合、竞争与协作、智能体决策功能授权、按需即时直通交互、信息共享互信等机制，以系统级的智能技术构建安全高效导向下的扁平化、弱中心系统结构，从而实现全生命周期的安全性、经济性和运营过程中的高效性。

　　人物名片

　　冯江华，1964年出生于湖南衡阳，教授级高级工程师；1989年毕业于浙江大学电机专业，2008年获中南大学工学博士学位，现任中车株洲电力机车研究所有限公司副总经理、总工程师，研究院院长、新型功率半导体器件国家重点实验室主任。

　　冯江华是我国电气传动领域杰出领军人才。长期从事电气传动控制与系统工程研究工作，潜心研究电机与变流控制、分散系统协同控制、系统稳定性等理论与方法，致力于列车牵引系统集成和平台产品工程化研究，取得系列重大技术创新成果。实现科技成果规模产业化，参与建立了世界领先水平的自主高速、重载牵引控制技术、标准和产品体系，推动了我国轨道交通装备技术进步并将核心成果拓展到商用空调、冶金轧机、矿山电动轮车等高端装备领域，创造了显著的社会经济效益。

　　主持并参与国家级科研项目6项，主持省部级科技项目12项；获得国家科技进步奖二等奖1项、国家技术发明奖二等奖1项、中国专利金奖1项、省部级科技奖励8项；获发明专利授权41件；发表论文58余篇，出版著作3部；组织制定国际标准9项，并荣获2016年度国家标准创新贡献组织奖；带领团队获得科技部“列车网络控制与信息系统创新团队”；入选“百千万人才工程”“国家万人计划”；先后获“中央企业劳动模范”“詹天佑科学技术成就奖”“茅以升科学技术奖”“湖南光召科技奖”“当代发明家”等荣誉。