高速列车车载智能化系统总体设计

高速列车车载智能化系统总体设计作者：仲崇成李鹏吴冬华张涛

来源：《电子技术与软件工程》2013年第20期

摘要随着高速列车大规模的上线运营，如何保证在复杂多变环境下高速列车的安全运行，是目前高铁领域急需解决的问题，本为以高速列车为载体，在高速列车上应用物联网、传感网等关键技术，综合分析列车电磁干扰、恶劣环境及多物理干涉等因素对智能化设备集成影响，研究高速列车车载智能化系统，开展高速列车车载智能化系统总体设计，实现高速列车运行动态信息的实时感知、处理和在途预警，并将获取的信息传送到地面数据中心，并通过零部件试验、地面组合试验等验证系统结构及合理性，为实现评估与决策、运用与管理提供数据支撑。

【关键词】智能化高速列车物联网传感器

1 概述

2011年6月，举世瞩目的京沪高铁开通，新一代高速列车成功投入运营已安全运行两年多，以其优良的表现赢得了世人的赞许和认同，同时创造了世界铁路运营试验最高速

486.1km/h，在速度、安全、舒适、节能等技术指标均达到了世界领先水平，已成为为引领世界高速列车发展的方向。目前，包括时速200-250公里、时速300-350公里及新一代高速列车在内的“和谐号”CRH各型动车组已累计上线运营700余列，如何在复杂多变的运行环境下保证大规模高速列车持久安全运行，是目前研究的重要方向。

高速列车本身是由4万多个零部件构成的复杂装备，目前列车网络控制系统主要进行列车运行的控制、列车设备状态的监视、故障诊断及数据存储，关键性能参数监测量少，数据分析能力偏弱，尤其是不能提供历史故障数据，不具备自学习的功能。大部分车辆故障只能在动车组回库后，通过测试、试验、检查线路的方式进行故障处理，因此，建立车载智能化系统可以对走行、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、智能诊断与在途预警，实现事故主动预防与故障快速处置，并可以通过车地无线通信系统实现车地数据传输。

2 车载智能化系统构成

车载智能化系统是在既有高速列车网络信息控制系统基础上，集成目前流行的物联网、互联网以及车载智能传感网的多网融合系统，对列车运行状态、各关键部件进行实时、完备、准确的检测。车载智能化系统总体包括车载智能感知网络、车载数据处理中心、车载无线通信系统等系统，总体方案如图1所示，系统构成如图2所示。

2.1 车载智能感知网络

车载智能感知网络由车载感知网络节点、车载智能数据采集终端、新增传感器、新增电子标签、以及全景摄像机等组成，车载智能感知网络总体方案如图3 所示。

2.1.1 车载感知网络节点及传输

车载感知网络如图4 所示，每个车厢设置车载感知网络节点，并两两相联构建了一个车载感知环网。车载感知网络节点具有感知列车动态信息和信息传输的功能。它接收来自重要设备动态监控信息数据，对数据进行一定处理后，将数据送至车载数据处理中心进行数据归类和融合，并将数据通过车底无线模块送至地面数据中心（进行专家诊断）；车地无线模块接收地面数据中心的预警信息与旅客服务信息，在车载数据中心完成信息归类和融合后，最终通过车载感知网络将数据送至车载人机交互终端，实现预警提示及旅客信息交互。车载感知网络，实现了列车监测信息、控制信息、多媒体信息及用户交互信息的融合。

2.1.2传感器加装

高速列车是一个复杂的系统，其高压系统、牵引系统、制动系统、列车控制系统之间耦合程度高，一个故障往往有多种因素造成。因国外对华技术的封锁，从现有列车网络控制系统获取和新增监控信息都存在很大的困难。出于安全评估与科学研究需要，通过对现有高速列车重要部件新增传感器进行监控，并及时给出预警和报警信息，可提高故障定位的准确性，提升乘务人员对故障快速处置的效率，实现由定期维修向状态维修的转变，降低运营维护成本。

2.1.3 电子标签的加装

电子标签用来存储列车和主要零部件的履历信息（制造信息、维修记录、故障记录等）。智能列车选择对车辆运行安全和在列车运营过程中需要经常维护维修的零部件加装电子标签，以保证动车组履历信息的规范性、准确性、一致性，实现动车组从生产制造、物资供应、在线运用、检修维护等环节进行全方位的跟踪管理，确保高速列车的维修质量和运行品质。电子标签安装于车体、转向架、牵引系统、制动系统、网络控制系统、空调通风等系统的关键部件或定期检修相关部件，当信息发生变化时，采用人工读取和无线传输方式将数据传输到数据中心。

电子标签信息分为三个部分：标签ID号、标签初始化信息、检修信息。标签ID号：64位全球唯一编码，由数字或英文字母组成标签初始化信息：本信息包括产品标识码代码和生产日期代码，在零部件的全生命周期内不可更改检修信息：动车组零部件维修后，将检修信息写入电子标签。

2.1.4 全景摄像机

为进一步掌握高速列车运行信息，以便在列车遇到故障时能够及时排除故障，协助指导列车司机快速、正确的排除故障，保证列车的安全运行，在司机室加装全景摄像机。

2.2 车载数据处理中心

车载数据处理中心，包括主机和显示器，如图5所示。车载数据处理中心主机是智能列车数据集中处理、在途预警、统一传输的电子设备；车载数据处理中心显示器实现的功能主要有基本信息显示、运行数据显示、在途预警和报警、历史故障查询、应急故障处理指南、人工故障录入和零部件履历信息等。

车载数据处理中心具有五大功能模块：

（1）数据接入：列控网、传感网、标签信息的数据接入与融合；

（2）数据存储：实现列车动、静态数据的分类存储；

（3）数据处理：产生预警和报警信息，为故障处置提供专家支持；

（4）数据显示：为司乘人员提供应用界面；

（5）数据发送：监控数据的车-地传输。

车载数据处理中心具有以下主要功能：

（1）基本信息显示；

（2）运行数据显示；

（3）在途预警和报警；

（4）历史故障查询；

（5）应急故障处理指南；

（6）人工故障录入；

（7）零部件履历信息。

2.3 车载无线通信设备

车载无线通信设备主要实现车地信息的无线传输，主要包括车载基站、 WIFI和天线。通过GPRS实现列车状态数据和故障诊断数据的无线传输；通过宽带实现旅客服务信息的传输；通过WLAN实现动车组运行数据和故障数据的无线下载。

2.4 车在旅客服务设备

车载旅客服务设备主要包括旅客服务终端和旅客信息服务器，主要实现旅客导向服务、公共信息服务和出行决策支持；实现旅客移动通信和互联网服务。

3 系统设计原则

（1）为保证高速列车的安全可靠运行，新增设备对高速列车只起监控作用，与原有的列车网络控制系统通过车辆总线接口。新增设备故障不会影响高速列车的正常运行；

（2）充分利用车上空间，车内安装的新增设备或部件不能影响列车的内装整体效果；

（3）新增设备（电子标签、传感器、智能化设备）满足车辆的技术要求（可靠、稳定、环境适应性、耐电磁干扰等）；