中國軌道交通駛向智能傳感時代
http://www.debgrams.com 2016-06-08 08:15 來源：中國科學報
如果說綠色是高鐵未來的一個支點，智能毫無疑問就是另一個支點。而傳感則是以高鐵為代表的先進軌道交通駛向智能時代的第一道大門。
過去的五年，中國高鐵從5年前事故創傷的陰影中艱難走出，一步步成為科技界屈指可數的產業化重器，成為老百姓和領導人引以為傲的國家名片。
接下來的五到十年，已經贏得鮮花和掌聲的中國高鐵又當向何處去？
如果說綠色是高鐵未來的一個支點，智能毫無疑問就是另一個支點。而傳感則是以高鐵為代表的先進軌道交通駛向智能時代的第一道大門。
寧波會議“集結號”
蓀湖，因湖畔多香蓀而得名，位于浙江省寧波市的西北郊。這里距離市中心二十多公里，三面環山，仿佛世外桃源，自古便是文人雅士的吟詩攬勝之地。
2016年4月28日，中國工程院院長周濟、機械與運載學部主任尹澤勇等一行的突然造訪，打破了蓀湖平日里的寧靜。他們是來參加由中國工程院與中國中車聯合主辦、中車株洲所承辦的一個工程前沿技術論壇。
翻開與會代表名單，11位中國工程院院士的名字赫然在列。
其中8位院士來自非軌道交通領域，他們是：機械工程專家、中國工程院院長周濟，航空發動機專家、中國航空工業集團尹澤勇，坦克專家、裝甲兵工程學院臧克茂，彈道學專家、南京理工大學李鴻志，艦炮專家、海軍裝備研究院邱志明，高炮專家、中國兵器工業集團李魁武，導彈專家、西北工業大學王興治，設備診斷專家、北京化工大學高金吉。
另外3位院士則是：鐵道電氣化與自動化專家、西南交通大學錢清泉，電力機車專家、中車株洲電力機車有限公司劉友梅，以及牽引電傳動與網絡控制專家、中車株洲電力機車研究所有限公司丁榮軍。
在上述院士里，除鐵路領域外，相當一部分來自軍隊科研院所，其中不少院士是飛機、艦船、大炮、裝甲車子系統的總設計師。講者里還有來自美國得州儀器、日本三菱電機的技術高層，以及中科院微電子所副所長陳大鵬等國內中青年專家。
“智能傳感技術在軌道交通中的應用”是這期工程前沿技術論壇的主題。從軍隊到民用領域，從機械到電子并覆蓋海陸空，眾多一流專家如此高密度聚焦一個具有極強針對性的主題，這在國內學術界尚不多見。
小小傳感器為何如此重要
傳感器實際上并不新鮮。
生活中常見的接觸式溫度計，就是一類最簡單的傳感器。對于廣大數碼發燒友和汽車族來說，傳感器三個字就更不陌生。比如智能手機上已成為標配的橫豎屏轉換功能，便是利用重力傳感器實現的；而汽車儀表盤之所以能顯示速度、油量等參數，也是各類看不見的傳感器在起作用。
近年來，隨著物聯網概念的興起，傳感器更是因其占據了“物聯”入口而被稱作物聯網的“末梢神經”，越來越受到行業關注。
對自動化、網絡化、智能化要求越來越高的軌道交通行業自然也不例外。
在寧波會議上，與會專家這樣定義傳感器：它是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
中國工程院院士、中車株洲所總經理丁榮軍描繪了傳感技術在軌道交通領域里的6大應用場景：一是收集列車的運行狀態信息；二是集成化的高速綜合檢測列車；三是列車綜合性能全面檢測；四是用于鋼軌探傷；五是軌道狀態遠程監測；六是室內外環境綜合傳感。
據介紹，僅以我國自主研發的高鐵列車代表作——和諧號380AL為例，一輛列車里的傳感器數量多達1000多個，平均每40個零部件里就有一個是傳感器。它們承擔著狀態監視、故障報警、車載設備控制等功能。這還只是車載傳感器系統。
關于傳感技術的重要性，“會議手冊”第一頁里這樣寫道：
“隨著‘中國制造2025’和‘十三五’戰略性新興產業等國家戰略的逐步實施，發展綠色智能的先進軌道交通裝備已成全行業共識。作為軌道交通運營安全的保障性技術和裝備持續升級的關鍵性技術，智能傳感技術的不斷應用和傳感器件的發展在軌道交通領域中發揮著至關重要的作用。”
從無到有的20年國產化之路
“傳感器的國產化程度一度阻礙了軌道交通車輛的完全自主化進程。”談及我國軌道交通用傳感產業的發展，不少專家感同身受。
曾經，作為國內軌道交通行業的領導者，南北合并前的中國中車在較長時間內使用的傳感器也一直為國外所壟斷。
然而鮮為人知的是，相關技術的研發儲備早在20多年前便已開始布局。
1990年，中國中車株洲所以極具戰略的眼光，創建寧波中車時代傳感技術有限公司（簡稱寧波時代），率先扛起了振興民族傳感產業的大旗。
寧波時代始創于1990年10月，其前身為株洲電力機車研究所寧波分所，是寧波市首批成建制引進的兩家部屬科研院所之一。2006年、2016年先后更名為寧波南車時代傳感技術有限公司、寧波中車時代傳感技術有限公司。
據寧波時代總經理徐永謙介紹，自寧波時代成立以來，先后完成了電流、電壓、壓力、溫度、位移、速度等6大類多規格傳感器的國產化開發，全方位覆蓋軌道交通車輛的各種測量需求，終于打破了國外企業在這一領域的壟斷，逐步實現了傳感器這一高端零部件的完全自主設計和生產。
如今，寧波時代已擁有電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器6大類、12系列多種規格的系列產品。此外，MEMS智能傳感器、光纖傳感器等新型傳感器也已在研發當中。
經過20余年發展，寧波時代的企業實力不斷壯大，從創立之初的年產幾萬只手工生產發展成為如今年產百萬只的自動化生產能力，2009年傳感器銷售額突破1億元，2014年傳感器銷售額突破2億元，目前傳感器產業已達到近3億元的規模，在國內軌道交通領域占據了60%的市場份額。
就這樣，國外傳感器被一步步趕出了中國列車。寧波時代也借此成為了國內軌道交通傳感行業領先者和客戶首選供應商，并主持制定了多項軌道交通傳感器的行業標準。不僅如此，還實現了向幾個過去國外合作伙伴的批量供貨。
高端產品爭奪戰才剛剛開始
盡管憑借著20余年技術積累，中車株洲所已占據了60%的國內軌道交通傳感市場，但對接下來40%的爭奪，才更加激烈和殘酷。
因為在這個尚未占領的40%的市場里，有相當一部分屬于高端產品。資料顯示，目前我國雖有1700余家機構在從事傳感器的研制、生產和應用，但高端傳感器芯片進口占比高達90%，仍嚴重依賴國外。
“我們原來做的傳感器仍以模擬量傳輸為主。”徐永謙告訴記者。
中車株洲所總工程師馮江華也表示，“傳統傳感器大量采用模擬信號傳輸，容易受干擾，同時在惡劣條件下出故障后，無法實現自診斷，不具備自愈能力”。
另據記者了解，就軌道交通傳感器市場而言，目前技術含量相對較高的加速度傳感器還未實現國產化。
如何立足軌道交通、向其他行業擴展同樣是徐永謙關心的問題。“雖然與手機、汽車行業相比，我們的傳感器技術含量并不低，但仍處于多品種、小批量的生產狀態，”他表示，“今后應向大批量、低成本轉變。”
“真正意義上的國產化替代才剛剛開始。”徐永謙坦言。
事實上，不獨軌道交通行業，國內整個傳感器產業仍普遍處于中低端水平。
2014年10月，工業和信息化部首次發布《中國傳感器產業發展白皮書》（簡稱《白皮書》），在肯定成績后指出，“老產品比例在60%以上，新產品明顯不足，其中高新技術類產品更少；同時，數字化、智能化、微型化產品嚴重欠缺。”
《白皮書》顯示，我國傳感器行業從1986年才開始進入實質研發階段，至2000年初步建立起敏感元件與傳感器產業，至“十二五”期間形成較為完整的傳感器產業鏈。2001年開始，以開發高、精、尖為特征的新一代傳感器被列入研發重點，我國與世界先進國家間的差距進一步縮短。目前整體形勢是“我國傳感器產業已由仿制、引進逐步走向自主設計、創新發展階段”。
在寧波會議上，馮江華作了一場題為《智能傳感技術發展綜述與應用展望》的主題報告。他認為，當前對新型傳感器研發提出了三點更高要求，“一是傳感器的輸出應從模擬改為數字信號輸出，無須二次處理；二是具備自校正、自診斷、自判斷和自愈能力；三是自主性更強”。
馮江華所說的第二和第三點，正是備受關注的新一代智能傳感器的主要特征。
未來屬于“智能傳感”
2014年的《白皮書》將全球傳感器發展大體分為三階段：1950年至1969年，結構型傳感器出現；1970年至1999年，固體型傳感器逐漸發展；2000年至今，智能型傳感器出現并快速發展。
據馮江華介紹，智能傳感器（SmartSensor）的概念，最早可以追溯到上世紀七八十年代，由美國航空航天局提出，起初主要用于航天飛船的狀態監測。這類傳感器有一個最基本的特征，就是除了收集信息外，還自帶信息處理能力。他打了個形象的比方，所謂智能傳感器，大體相當于傳統傳感器加上單片機。
這一概念將大大改變人們對傳感器的傳統理解。由于傳統傳感器只負責在“末梢”收集各種信息，將信息傳輸至“大腦”后，再將指令反饋給負責動作執行的“器官”。而智能傳感器將信息收集、運算與執行合而為一，全部在“末梢”完成。這意味著，整個神經系統很可能將從“中樞式”轉變為“分布式”。
在馮江華看來，未來的智能傳感器應具備以下5大功能：自診斷自校正、復合敏感、計算、交互和網絡化。他舉例說，所謂復合敏感，就是盡量減少傳感器數量，全面描述目標物體的狀態；而網絡化，則是通過傳感器之間的互相通信，實現“相互校驗”。在此基礎上，他提出了“網絡化智能傳感器”的概念。
據記者了解，在路虎汽車的最新車型中就用到了一種新型傳感技術，讓汽車的防撞反應時間提前了。這項技術通過在前保險杠中配置傳感器管，用來監測路邊行人是否被汽車碰撞到。一旦監測到碰撞，汽車前擋風玻璃前的安全氣囊就會迅速張開，以緩沖汽車對行人的碰撞傷害。
就在今年3月，一家名為Flirtey的無人機企業首次通過了美國聯邦航空管理局的無人機快遞許可，其秘訣之一便是與斯坦福大學合作，通過一款新型傳感器成功解決了無人機的空中相撞難題。據介紹，這款無人機可以利用傳感器，成功避讓大樹、交通指示燈以及電話線等障礙，同時利用GPS芯片順利抵達目的地，從而可以在符合聯邦管理法規的前提下成功完成無人機快遞業務。
雖然與汽車和無人機相比，行駛在固定軌道上的列車發生意外碰撞的概率要小得多，但此類碰撞一旦發生，帶來的損失卻不可估量。
中國工程院院士錢清泉在接受記者采訪時表示，對軌道交通而言，“安全仍是擺在第一位的需求”。他說，“以前我們對列車的控制主要是靠信號燈，比較原始”，隨著新一代列車控制系統CTCS3的研發和部署，“情況已大大改觀”。相信隨著智能傳感技術的進一步發展和應用，列車在變得“更聰明”的同時，也會變得“更安全”。
邁向智能軌道交通的下一個十年
2015年5月，由李克強總理簽署的《中國制造2025》路線圖正式印發，提出實施國家制造業創新中心建設、智能制造、工業強基、綠色制造、高端裝備創新等五項重大工程。以高鐵列車為代表的先進軌道交通裝備及其基礎零部件和智能制造，因橫跨幾大工程而備受矚目。
此外，《中國制造2025》更進一步細分確立的航空航天裝備、海洋工程裝備、先進軌道交通裝備、機器人、電力裝備等十大重點領域，則都與傳感器技術息息相關。
周濟在寧波會議開幕致辭中表示，智能傳感技術是智能制造領域的關鍵技術，軌道交通裝備是裝備領域的排頭兵。“二者的充分交叉結合，是實現未來發展的重要基礎。用先進智能技術武裝裝備產業，是制造產業升級的重要途徑。”
丁榮軍認為，未來傳感器和人工智能技術將在軌道交通領域實現深度融合，但軌道交通信息化的核心價值沒有改變，仍然是：安全、可靠、高效、便捷和經濟。
事實上，中國智能列車的工程化研發已經上路。
2013年6月，中國中車研制出我國首列智能化高速列車樣車。由于其首次實現了新興的物聯網技術、傳感網技術在大型交通運輸裝備上的工程化應用和物聯網、傳感網、列車控制網絡、車載傳輸網絡的多網融合，已初步具備自檢測、自診斷、自決策能力。
2015年，中國中車首次推出自主化全自動“無人駕駛”地鐵列車。該列車可通過感知系統實現自主識別障礙物、道路、交通信號，這套感知系統是機器取代駕駛員的關鍵。
就在寧波會議的次日，中國中車傳感測量技術研發中心在寧波正式掛牌成立，其核心主體正是中車株洲所旗下寧波時代。據了解，根據中國中車的集團戰略規劃，該公司現已明確下一步拓展方向，第一是軌道交通傳感器，第二是工業傳感器，第三為新型新領域傳感器。目前MEMS技術、ASIC芯片、集成傳感系統，以及磁性材料、高分子復合材料等相關基礎技術研究都已在著手進行。
“特別是在軌道交通應用領域，我們將加快推進關鍵傳感器國產化，開展智能傳感器的研發、產業化和推廣，增強車輛健康狀態監控能力，為實現未來智能列車運營作出貢獻。”徐永謙說。
編輯精選
