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我國高鐵為何不怕卡脖子?看完株洲所的黑科技就懂了

《中國經濟週刊》 記者 李永華│湖南株洲報道

“‘十四五’規劃建議提出把科技自立自強作為國家戰略支撐。而在圍繞高鐵等高端裝備自主可控的關鍵技術上,株洲所一方面做了一些比較前沿的探索和實踐,另一方面確保高鐵的供應鏈不受影響,這符合‘十四五’規劃建議指出的方向。”11月8日剛獲得第十三屆光華工程科技獎的馮江華表示,“進入軌道交通的智能時代,面向科技前沿,我們從追趕向並跑、領跑轉變,大膽去‘無人區’開展研究,比如,以智軌列車為代表的一系列創新成果,就是全新的突破,是全世界之前都沒有的。”

馮江華是中車株洲電力機車研究所有限公司(下稱“株洲所”)的總工程師。這家公司創立於1959年,前身是鐵道部株洲電力機車研究所,現為中國中車股份有限公司一級全資子公司,產業橫跨軌道交通、新材料、新能源、電力電子等四大領域,旗下擁有兩家上市公司,年營收超過300億元。

馮江華提到的智軌,全名是智能軌道快運系統,2019年12月5日,全球首條智軌商業運營線在宜賓開通。

這列虛擬軌道列車長達30多米,最多可乘坐300多人,雖然路面沒有實體軌道,整列車卻沿着一條虛擬的軌道前行,就像是一列開在路面的地鐵。

中國工程院院士丁榮軍認為,智軌集成了虛擬軌道生成和軌跡跟隨、永磁驅動等尖端技術,是全球首創的一款新型城市交通工具。

株洲所自主研製的新型列車,是其挺進軌道交通智能時代的集大成之作,而其長達10年的原始創新過程,可以説是株洲所自覺踐行科技自立自強戰略的生動實踐。

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馮江華指導系統研製

自主打造一套全新的軌道交通系統,“這是一場挑戰科技尖峯的大會戰。”

目前,城市公共交通系統主要構成為地鐵、輕軌、有軌電車、公交車、BRT(快速公交系統)等。

中國城市軌道交通協會的數據顯示,截至 2019 年底,共有 65個城市城軌交通規劃獲批,在建設規劃線路總長 7339.4 公里。當前城軌建設以地鐵為主,多制式協同發展,在6736.2公里的在建線路中,地鐵佔比76.9%;其他制式佔比23.1%。

地鐵和輕軌雖然運力強,但建設成本巨大。高昂的成本,給地方政府帶來極大的財政壓力,中小城市更是望而卻步。

有軌電車也不便宜,綜合建設成本約為每公里1.5億~2億元。同時,有軌電車需要專門的電力系統和軌道配合設計,維護成本高,而且必須建設專線,限制較多。

馮江華告訴《中國經濟週刊》記者,軌道交通是解決城市擁堵非常重要的一種交通方式,“我們逐漸發現,要破解現在公共交通難題,傳統軌道交通裝備制式面臨不少難以跨越的障礙。”

面對我國公共交通快速發展的多樣化需求,株洲所試圖探索一種經濟、綠色的新型公共交通工具,來解決中小城市公共交通方式中存在的運輸能力低、基礎設施建設和運營成本高、線路調配不便3個“老大難”問題,化解我國快速發展的城市化帶來的公共交通壓力。

結合軌道交通的優勢和公路交通的靈活性,2013年5月,馮江華和他的科研團隊提出研發一款適合中國道路的無軌列車正式立項。

這像是一列開在路面的地鐵,沒有軌道,實際上卻沿着軌道前行。但是,這在當時不啻天方夜譚。

馮江華表示,這是一種全新的方案,全球從基礎理論到關鍵技術都是一片空白。要實現這個目標,科研團隊從最基礎的數學算法開始探索,一步步攻克所遇到的各種難題。“可以説,這是一場挑戰無人區的大會戰。”

原始創新本就充滿了未知的艱難險阻,團隊設想的智軌列車長達30多米,要把這麼長的列車開上公路,首先要克服的就是超長車身的擺尾難題。在中國,道路上行駛的公交車長度要小於18米。這是出於運行的安全性考量,過長的車輛在城市中運行,會出現擺尾、變道等不受控的現象,給乘客及行人的生命安全帶來極大隱患。

在一個以往的研究成果中,研發團隊得到了靈感:給列車設計一個虛擬軌道跟隨系統,以車載傳感器識別路面虛擬軌道,通過中央控制單元的指令,調整列車牽引、制動、轉向的準確性,精準控制列車行駛在既定虛擬軌跡上。

馮江華介紹這是柔性控制技術,“就像甩動一根柔軟的麪條,要讓麪條的每一段都在同一軌跡上,很難。”

在對比試驗中,依靠虛擬軌道跟隨技術,在轉彎半徑15米的彎道上運行時,12米大巴的通道寬度為5.8米,而30米長的智軌列車為3.83米,而且不用減速。這意味着凡是公交車能開的地方,智軌不僅都能行,比公交車還要靈活。

諸多原創“黑科技”加持,2015年底,株洲所終於完成車輛的整車製造及軌跡跟隨系統相關調試工作,實現了35米軌跡跟隨列車直線跟隨誤差小於10cm,圓周跟隨誤差小於30cm的目標。

虛擬軌道技術只是株洲所在這一場硬仗中拿下的一個山頭。在智軌項目中,中車株洲所研發了國內第一個多網融合實時以太網控制系統,還突破無軌導向控制、智能駕駛、雙源雙充高可靠儲能系統、低地板全鋁車身系統集成等多項核心技術。

中國工程院院士丁榮軍指出,智軌綜合了有軌電車和公交客車的特點,既可以作為立體化交通解決方案的補充,也能夠擔當區域交通線路的骨幹,是較為理想的交通解決方案。

馮江華稱,與有軌電車運力相同的情況下,智軌只需簡單的道路改造就能投入使用,整體線路的投資約為現代有軌電車的1/5,建設一條10公里的線路,成本至少能節省10億元以上。

與現代有軌電車相比,因為不需要鋪設鋼軌,也不用架設電網,一條智軌運行線路從啓動規劃至開通運營,只需一年時間。

2017年6月2日,智軌首次亮相湖南株洲。2019年,宜賓正式開通全球第一條智軌線。更多的城市正加入智軌行列之中。

馮江華表示,目前智軌正在進行技術迭代,各項性能都在提升,圍繞不同的應用場景,從極寒的哈爾濱到酷熱的卡塔爾都在做試驗,表明了智軌極強的適應性。“未來,我們會讓智軌更加智能,感知、認知、決策的能力不斷提升。”

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我國首條全線採用永磁牽引系統的線路

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智軌電車

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應用在復興號上的株洲所八大系統產品

永磁牽引技術:另一條長達十幾年的自強之路

原始創新的虛擬軌道跟隨技術讓智軌看起來非常炫酷,而株洲所在永磁牽引系統上的重大突破,則給了從智軌到高鐵強勁的心臟,也是軌道交通裝備智能時代高效化的核心技術。

牽引系統是實現軌道交通車輛能量轉換的關鍵,它決定了車輛的速度和性能,由變流器和電機兩大部分組成,其中變流器相當於列車的心臟,電機好比是列車的肌肉,主要負責產生動力,完成電能到機械能轉變,帶動列車平穩行駛。

馮江華説,我國交流傳動異步牽引系統研究起步晚,一度落後國外近30年,以中國工程院院士丁榮軍為代表的三代科研人員成功研發出中國完全自主的交流傳動異步牽引系統,該項成果使我國躋身世界上少數能夠獨立掌握交流傳動技術的國家之列。

此後,在交流傳動異步牽引系統之後,永磁牽引以其高效和高功率密度的天然優勢,為軌道交通牽引技術帶來一場新的革命。

2003年,株洲所率先組建了國內第一支永磁牽引系統研發團隊,“從零起步”。

像智軌一樣,這是另一條漫長而艱難的自強之路。

馮江華回憶,“沒有任何可以借鑑的資料,也缺少研發測試用的相關設備”,中車株洲所只能“摸着石頭過河”,不少數據仍要依靠比較原始的笨辦法。“比如説,電機升温試驗一做就是五六個小時,電機温控數據就人工全程蹲守來記錄,這樣來慢慢積累。”馮江華稱。

難題被一個個攻克,研發團隊成立8年後,也就是2011年底,株洲所永磁牽引系統在瀋陽地鐵2號線成功裝車,實現了國內軌道交通領域的首次應用,結束了中國鐵路沒有永磁牽引系統的歷史。株洲所成為我國唯一掌握自主永磁牽引系統全套技術的企業。

2011年,株洲所受命參與國家“863計劃”之“高速鐵路重大關鍵技術及裝備研製重點項目”,承擔高速動車組用永磁牽引系統的研發工作。

從“小功率”轉向“大功率”,從“地鐵用”轉向“高鐵用”,對永磁牽引系統的穩定性、可靠性等各方面都提出了極大的挑戰,有專家形容這就像是爬完衡山,又去攀登珠峯。

兩年後,株洲所登頂。2013年12月,株洲所成功開發出可用於時速350公里高鐵動車的永磁電機。

中國工程院院士劉友梅評價,株洲所自主開發的永磁同步牽引系統的電機額定效率達到了98%以上,將電機損耗降低至原來的三分之一,顯著降低了高速列車的牽引能耗,成為我國高速鐵路技術升級的一個典範。

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和諧1型八軸9600千瓦機車在大秦線牽引2萬噸重載列車

構築智能交通時代全產業鏈

從整車到永磁牽引系統,將鏡頭繼續深入“心臟”之中,變流器中的功率半導體作為牽引系統的心中之“芯”,可以説是軌道交通智能化的基礎器件。

IGBT作為大功率半導體器件的最先進一代的器件,是功率半導體“皇冠上的明珠”,也被稱為電力電子行業裏的“CPU”。如果不能掌握IGBT技術,要實現軌道交通的智能化,可以説是無本之木。當前,國內廠家的IGBT產品大多集中於低功率,涉及高功率IGBT產品的只有株洲所。

在株洲所的展廳裏,《中國經濟週刊》記者看到,8英寸IGBT是一個直徑20釐米左右的圓盤,在肉眼看不到的內部,潛藏着5萬個被稱作“元胞”的電子單元,能讓電流在百萬分之一秒的時間內實現快速轉換,從而獲得牽引整列高速動車組前行的穩定電力。

如今,株洲所IGBT生產基地年產12萬支,不光是用於軌道交通,還廣泛應用在智能電網、航空航天、電動汽車、新能源裝備等領域,銷售以每年200%的速度增長。

僅在電動汽車領域,IGBT市場空間就很龐大。有機構測算,一輛電動車IGBT採購成本大約在450美元,採購金額佔電動車總成本的8%至10%。

有形的智能硬件還要有無形的智能軟件相互配合,才能構成完整的智能軌道交通,其中,信號系統是關鍵之一。

CBTC (基於通信的列車自動控制)信號系統是城市軌道交通關鍵核心技術之一,過去在國內市場幾乎由國外企業壟斷。直到本世紀初,中國也沒有成熟的自主城市軌道交通CBTC系統。

“如果沒有CBTC信號系統,地鐵運營只能回到非常原始的狀態,無法跟上智能時代的步伐。” 株洲所研究院副院長方光華説。

2016年,株洲所在長沙市軌道交通4號線一期工程信號系統項目中,用上自主研發的CBTC信號系統。2020年 10月21日,株洲所發佈自主全自動運行系統(FAO),正式進入“全自動”時代。

IGBT、永磁驅動系統、軌跡跟隨控制技術,還有列車控制與通信技術、新一代SiC器件、集成功率組件、高壓電力電子變壓器、CBTC信號系統等一系列重大創新,株洲所近6000人的技術團隊,構建智能芯片—智能傳感—智能控制—智能動力的全流程產品體系,覆蓋高鐵、城軌、重載列車等軌道交通各領域。

在中國高鐵“智慧化”征程上,株洲所承擔了大量前沿技術的研究工作。讓人出乎想象的是,長達2公里、體重2萬噸的重載列車竟然也能像智軌一樣實現自動駕駛。

株洲所研究院基礎與平台研發中心副主任文宇良告訴《中國經濟週刊》記者,“整列車100多節車廂,加在一起兩公里長,一兩萬噸,你要控制它,讓它自動駕駛,世界上其他地方沒有這麼做的,我們做得最好。”

在大秦運煤專線上,11編組的 2萬噸重載列車自動駕駛通過各種場景下的試驗,單程行程超過 600公里不間斷運行。

文宇良説,長期的試驗充分驗證了自動(智能)駕駛系統能夠安全可靠地適應各種鐵路運營場合,速度控制精度達到0.5km/h,萬噸重載列車停車精度達到了5m以內。

全面應用軌道交通技術優勢推動相關行業技術進步

2020年10月11日,在網紅城市長沙,一輛裝載着“中車電動5G自動駕駛移動出行平台”的“5G智慧客車”試運行,已做到無人駕駛,實現遠程介入、自動調度和監控等功能,還可以為車輛運行繪製並存儲“最優軌跡”,確保車輛行駛安全。   

中車電動總經理劉凌稱,“我們把現有的高鐵牽引系統、網絡系統、控制系統的技術,應用到新能源汽車領域來,形成一種核心競爭優勢。”

在新能源汽車行業,中車電動已經躋身前五強。如今已成長至百億級別的時代新材風電業務基於同樣的邏輯,風電設備的核心技術同樣是電機電驅、控制系統等株洲所的老本行。

文宇良告訴《中國經濟週刊》記者,株洲所還將高速永磁直驅系統用於中央空調,直接顛覆了中央空調整個行業的生態,以前基本上都用異步交流驅動系統,“現在老外也跟着我們走高速永磁直驅路線”。

在礦卡自動駕駛方面,文宇良介紹,與汽車的自動駕駛不同,礦山是封閉又複雜的環境,而且礦卡是車隊運行,這方面正好可以發揮株洲所在列車編組調度方面的優勢。

馮江華表示,株洲所軌道交通的一些核心領域,包括牽引傳動技術,控制信息系統,還有一些關鍵的材料及應用等方面已經走到世界前列,“十四五”期間,我們的科技創新能力會得到更進一步的提升,也要利用我們在軌道交通領域積累的技術優勢和創新能力,進入新能源、船舶、電動汽車等延伸行業,去做全面的應用,推動行業共同成長和進步。

在關鍵核心技術上一次又一次實現自主突破,進而推動從軌道交通到其他行業的技術進步,馮江華認為,這得益於株洲所在創新模式上的探索。

正如“十四五”規劃建議所指出的科技自立自強要“加強基礎研究、注重原始創新,優化學科佈局和研發佈局,推進學科交叉融合,完善共性基礎技術供給體系”,株洲所依託10個國家級創新平台,不斷推進產學研深度融合,牽頭組建創新聯合體,承擔起眾多的國家重大科技項目。

當記者問及株洲所作為一家企業為何願意大量投入耗時耗錢的基礎研究時,擔任研究院基礎與平台研發中心副主任的文宇良一愣:“株洲所從來都是這樣的,大家都習慣了,就應該從基礎研究開始幹。”

馮江華介紹,株洲所研發理念是通過基礎共性技術的研究,形成相應的技術和產品平台,再去構建相應的市場產品;在組織機構方面,按照專業資源集聚,形成了創新協同機制,能夠組織航母式的大規模、系統化研發作戰,這是一個大的突破。永磁牽引、智軌等就是這種研發突破的成果。

在軌道交通智能化新時代,株洲所在研發技術上如何定位?馮江華強調,要保證軌道交通產業的健康有序發展,一方面積極培養自身在產業鏈前端的原始創新能力,既要做前沿技術的探索者,在核心關鍵產業與裝備方面,我們要做技術的領導者;另一方面要能夠打造完全自主可控的產業與創新生態圈,圍繞產品全生命週期去提供智能化的服務,打造自動化、數字化、智能化的產品和系統。

這是一場創新“無人區”裏的新長征。

(本文刊發於《中國經濟週刊》2020年第21期)

責任編輯:劉蘇寧

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