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中国轨道交通驶向智能传感时代

发布时间:2016-06-23 来源: 浏览次数:203 视力?;ど?/span>
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过去的五年,中国高铁从5年前事故创伤的阴影中艰难走出,一步步成为科技界屈指可数的产业化重器,成为老百姓和领导人引以为傲的国家名片。

接下来的五到十年,已经赢得鲜花和掌声的中国高铁又当向何处去?

如果说绿色是高铁未来的一个支点,智能毫无疑问就是另一个支点。而传感则是以高铁为代表的先进轨道交通驶向智能时代的第一道大门。

宁波会议“集结号”

荪湖,因湖畔多香荪而得名,位于浙江省宁波市的西北郊。这里距离市中心二十多公里,三面环山,仿佛世外桃源,自古便是文人雅士的吟诗揽胜之地。

2016年4月28日,中国工程院院长周济、机械与运载学部主任尹泽勇等一行的突然造访,打破了荪湖平日里的宁静。他们是来参加由中国工程院与中国中车联合主办、中车株洲所承办的一个工程前沿技术论坛。

翻开与会代表名单,11位中国工程院院士的名字赫然在列。

其中8位院士来自非轨道交通领域,他们是:机械工程专家、中国工程院院长周济,航空发动机专家、中国航空工业集团尹泽勇,坦克专家、装甲兵工程学院臧克茂,弹道学专家、南京理工大学李鸿志,舰炮专家、海军装备研究院邱志明,高炮专家、中国兵器工业集团李魁武,导弹专家、西北工业大学王兴治,设备诊断专家、北京化工大学高金吉。

另外3位院士则是:铁道电气化与自动化专家、西南交通大学钱清泉,电力机车专家、中车株洲电力机车有限公司刘友梅,以及牵引电传动与网络控制专家、中车株洲电力机车研究所有限公司丁荣军。

在上述院士里,除铁路领域外,相当一部分来自军队科研院所,其中不少院士是飞机、舰船、大炮、装甲车子系统的总设计师。讲者里还有来自美国得州仪器、日本三菱电机的技术高层,以及中科院微电子所副所长陈大鹏等国内中青年专家。

“智能传感技术在轨道交通中的应用”是这期工程前沿技术论坛的主题。从军队到民用领域,从机械到电子并覆盖海陆空,众多一流专家如此高密度聚焦一个具有极强针对性的主题,这在国内学术界尚不多见。

小小传感器为何如此重要

传感器实际上并不新鲜。

生活中常见的接触式温度计,就是一类最简单的传感器。对于广大数码发烧友和汽车族来说,传感器三个字就更不陌生。比如智能手机上已成为标配的横竖屏转换功能,便是利用重力传感器实现的;而汽车仪表盘之所以能显示速度、油量等参数,也是各类看不见的传感器在起作用。

近年来,随着物联网概念的兴起,传感器更是因其占据了“物联”入口而被称作物联网的“末梢神经”,越来越受到行业关注。

对自动化、网络化、智能化要求越来越高的轨道交通行业自然也不例外。

在宁波会议上,与会专家这样定义传感器:它是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

中国工程院院士、中车株洲所董事长丁荣军描绘了传感技术在轨道交通领域里的6大应用场景:一是收集列车的运行状态信息;二是集成化的高速综合检测列车;三是列车综合性能全面检测;四是用于钢轨探伤;五是轨道状态远程监测;六是室内外环境综合传感。

据介绍,仅以我国自主研发的高铁列车代表作——和谐号380AL为例,一辆列车里的传感器数量多达1000多个,平均每40个零部件里就有一个是传感器。它们承担着状态监视、故障报警、车载设备控制等功能。这还只是车载传感器系统。

关于传感技术的重要性,“会议手册”第一页里这样写道:

“随着‘中国制造2025’和‘十三五’战略性新兴产业等国家战略的逐步实施,发展绿色智能的先进轨道交通装备已成全行业共识。作为轨道交通运营安全的保障性技术和装备持续升级的关键性技术,智能传感技术的不断应用和传感器件的发展在轨道交通领域中发挥着至关重要的作用。”

从无到有的20年国产化之路

“传感器的国产化程度一度阻碍了轨道交通车辆的完全自主化进程。”谈及我国轨道交通用传感产业的发展,不少专家感同身受。

曾经,作为国内轨道交通行业的领导者,南北合并前的中国中车在较长时间内使用的传感器也一直为国外所垄断。

然而鲜为人知的是,相关技术的研发储备早在20多年前便已开始布局。

1990年,中国中车株洲所以极具战略的眼光,创建宁波中车时代传感技术有限公司(简称宁波时代),率先扛起了振兴民族传感产业的大旗。

宁波时代始创于1990年10月,其前身为株洲电力机车研究所宁波分所,是宁波市首批成建制引进的两家部属科研院所之一。2006年、2016年先后更名为宁波南车时代传感技术有限公司、宁波中车时代传感技术有限公司。

据宁波时代总经理徐永谦介绍,自宁波时代成立以来,先后完成了电流、电压、压力、温度、位移、速度等6大类多规格传感器的国产化开发,全方位覆盖轨道交通车辆的各种测量需求,终于打破了国外企业在这一领域的垄断,逐步实现了传感器这一高端零部件的完全自主设计和生产。

如今,宁波时代已拥有电流传感器、电压传感器、压力传感器、速度传感器、位移传感器、温度传感器6大类、12系列多种规格的系列产品。此外,MEMS智能传感器、光纤传感器等新型传感器也已在研发当中。

经过20余年发展,宁波时代的企业实力不断壮大,从创立之初的年产几万只手工生产发展成为如今年产百万只的自动化生产能力,2009年传感器销售额突破1亿元,2014年传感器销售额突破2亿元,目前传感器产业已达到近3亿元的规模,在国内轨道交通领域占据了60%的市场份额。

就这样,国外传感器被一步步赶出了中国列车。宁波时代也借此成为了国内轨道交通传感行业领先者和客户首选供应商,并主持制定了多项轨道交通传感器的行业标准。不仅如此,还实现了向几个国外合作伙伴的批量供货。

高端产品争夺战才刚刚开始

尽管凭借着20余年技术积累,中车株洲所已占据了60%的国内轨道交通传感市场,但对接下来40%的争夺,才更加激烈和残酷。

因为在这个尚未占领的40%的市场里,有相当一部分属于高端产品。资料显示,目前我国虽有1700余家机构在从事传感器的研制、生产和应用,但高端传感器芯片进口占比高达90%,仍严重依赖国外。

“我们原来做的传感器仍以模拟量传输为主。”徐永谦告诉记者。

中车株洲所总工程师冯江华也表示,“传统传感器大量采用模拟信号传输,容易受干扰,同时在恶劣条件下出故障后,无法实现自诊断,不具备自愈能力”。

另据记者了解,就轨道交通传感器市场而言,目前技术含量相对较高的加速度传感器还未实现国产化。

如何立足轨道交通、向其他行业扩展同样是徐永谦关心的问题。“虽然与手机、汽车行业相比,我们的传感器技术含量并不低,但仍处于多品种、小批量的生产状态,”他表示,“今后应向大批量、低成本转变。”

“真正意义上的国产化替代才刚刚开始。”徐永谦坦言。

事实上,不独轨道交通行业,国内整个传感器产业仍普遍处于中低端水平。

2014年10月,工业和信息化部首次发布《中国传感器产业发展白皮书》(简称《白皮书》),在肯定成绩后指出,“老产品比例在60%以上,新产品明显不足,其中高新技术类产品更少;同时,数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。”

《白皮书》显示,我国传感器行业从1986年才开始进入实质研发阶段,至2000年初步建立起敏感元件与传感器产业,至“十二五”期间形成较为完整的传感器产业链。2001年开始,以开发高、精、尖为特征的新一代传感器被列入研发重点,我国与世界先进国家间的差距进一步缩短。目前整体形势是“我国传感器产业已由仿制、引进逐步走向自主设计、创新发展阶段”。

在宁波会议上,冯江华作了一场题为《智能传感技术发展综述与应用展望》的主题报告。他认为,当前对新型传感器研发提出了三点更高要求,“一是传感器的输出应从模拟改为数字信号输出,无须二次处理;二是具备自校正、自诊断、自判断和自愈能力;三是自主性更强”。

冯江华所说的第二和第三点,正是备受关注的新一代智能传感器的主要特征。

未来属于“智能传感”

2014年的《白皮书》将全球传感器发展大体分为三阶段:1950年至1969年,结构型传感器出现;1970年至1999年,固体型传感器逐渐发展;2000年至今,智能型传感器出现并快速发展。

据冯江华介绍,智能传感器(Smart Sensor)的概念,最早可以追溯到上世纪七八十年代,由美国航空航天局提出,起初主要用于航天飞船的状态监测。这类传感器有一个最基本的特征,就是除了收集信息外,还自带信息处理能力。他打了个形象的比方,所谓智能传感器,大体相当于传统传感器加上单片机。

这一概念将大大改变人们对传感器的传统理解。由于传统传感器只负责在“末梢”收集各种信息,将信息传输至“大脑”后,再将指令反馈给负责动作执行的“器官”。而智能传感器将信息收集、运算与执行合而为一,全部在“末梢”完成。这意味着,整个神经系统很可能将从“中枢式”转变为“分布式”。

在冯江华看来,未来的智能传感器应具备以下5大功能:自诊断自校正、复合敏感、计算、交互和网络化。他举例说,所谓复合敏感,就是尽量减少传感器数量,全面描述目标物体的状态;而网络化,则是通过传感器之间的互相通信,实现“相互校验”。在此基础上,他提出了“网络化智能传感器”的概念。

据记者了解,在路虎汽车的最新车型中就用到了一种新型传感技术,让汽车的防撞反应时间提前了。这项技术通过在前保险杠中配置传感器管,用来监测路边行人是否被汽车碰撞到。一旦监测到碰撞,汽车前挡风玻璃前的安全气囊就会迅速张开,以缓冲汽车对行人的碰撞伤害。

就在今年3月,一家名为Flirtey的无人机企业首次通过了美国联邦航空管理局的无人机快递许可,其秘诀之一便是与斯坦福大学合作,通过一款新型传感器成功解决了无人机的空中相撞难题。据介绍,这款无人机可以利用传感器,成功避让大树、交通指示灯以及电话线等障碍,同时利用GPS芯片顺利抵达目的地,从而可以在符合联邦管理法规的前提下成功完成无人机快递业务。

虽然与汽车和无人机相比,行驶在固定轨道上的列车发生意外碰撞的概率要小得多,但此类碰撞一旦发生,带来的损失却不可估量。

中国工程院院士钱清泉在接受记者采访时表示,对轨道交通而言,“安全仍是摆在第一位的需求”。他说,“以前我们对列车的控制主要是靠信号灯,比较原始”,随着新一代列车控制系统CTCS3的研发和部署,“情况已大大改观”。相信随着智能传感技术的进一步发展和应用,列车在变得“更聪明”的同时,也会变得“更安全”。

迈向智能轨道交通的下一个十年

2015年5月,由李克强总理签署的《中国制造2025》路线图正式印发,提出实施国家制造业创新中心建设、智能制造、工业强基、绿色制造、高端装备创新等五项重大工程。以高铁列车为代表的先进轨道交通装备及其基础零部件和智能制造,因横跨几大工程而备受瞩目。

此外,《中国制造2025》更进一步细分确立的航空航天装备、海洋工程装备、先进轨道交通装备、机器人、电力装备等十大重点领域,则都与传感器技术息息相关。

周济在宁波会议开幕致辞中表示,智能传感技术是智能制造领域的关键技术,轨道交通装备是装备领域的排头兵。“二者的充分交叉结合,是实现未来发展的重要基础。用先进智能技术武装装备产业,是制造产业升级的重要途径。”

丁荣军认为,未来传感器和人工智能技术将在轨道交通领域实现深度融合,但轨道交通信息化的核心价值没有改变,仍然是:安全、可靠、高效、便捷和经济。

事实上,中国智能列车的工程化研发已经上路。

2013年6月,中国中车研制出我国首列智能化高速列车样车。由于其首次实现了新兴的物联网技术、传感网技术在大型交通运输装备上的工程化应用和物联网、传感网、列车控制网络、车载传输网络的多网融合,已初步具备自检测、自诊断、自决策能力。

2015年,中国中车首次推出自主化全自动“无人驾驶”地铁列车。该列车可通过感知系统实现自主识别障碍物、道路、交通信号,这套感知系统是机器取代驾驶员的关键。

就在宁波会议的次日,中国中车传感测量技术研发中心在宁波正式挂牌成立,其核心主体正是中车时代电气旗下宁波时代。据了解,根据中国中车的集团战略规划,该公司现已明确下一步拓展方向,第一是轨道交通传感器,第二是工业传感器,第三为新型新领域传感器。目前MEMS技术、ASIC芯片、集成传感系统,以及磁性材料、高分子复合材料等相关基础技术研究都已在着手进行。

“特别是在轨道交通应用领域,我们将加快推进关键传感器国产化,开展智能传感器的研发、产业化和推广,增强车辆健康状态监控能力,为实现未来智能列车运营作出贡献。”徐永谦说。(来源于科学网