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我国高铁为何不怕卡脖子?看完株洲所的黑科技就懂了

《中国经济周刊》 记者 李永华│湖南株洲报道

“‘十四五’规划建议提出把科技自立自强作为国家战略支撑。而在围绕高铁等高端装备自主可控的关键技术上,株洲所一方面做了一些比较前沿的探索和实践,另一方面确保高铁的供应链不受影响,这符合‘十四五’规划建议指出的方向。”11月8日刚获得第十三届光华工程科技奖的冯江华表示,“进入轨道交通的智能时代,面向科技前沿,我们从追赶向并跑、领跑转变,大胆去‘无人区’开展研究,比如,以智轨列车为代表的一系列创新成果,就是全新的突破,是全世界之前都没有的。”

冯江华是中车株洲电力机车研究所有限公司(下称“株洲所”)的总工程师。这家公司创立于1959年,前身是铁道部株洲电力机车研究所,现为中国中车股份有限公司一级全资子公司,产业横跨轨道交通、新材料、新能源、电力电子等四大领域,旗下拥有两家上市公司,年营收超过300亿元。

冯江华提到的智轨,全名是智能轨道快运系统,2019年12月5日,全球首条智轨商业运营线在宜宾开通。

这列虚拟轨道列车长达30多米,最多可乘坐300多人,虽然路面没有实体轨道,整列车却沿着一条虚拟的轨道前行,就像是一列开在路面的地铁。

中国工程院院士丁荣军认为,智轨集成了虚拟轨道生成和轨迹跟随、永磁驱动等尖端技术,是全球首创的一款新型城市交通工具。

株洲所自主研制的新型列车,是其挺进轨道交通智能时代的集大成之作,而其长达10年的原始创新过程,可以说是株洲所自觉践行科技自立自强战略的生动实践。

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冯江华指导系统研制

自主打造一套全新的轨道交通系统,“这是一场挑战科技尖峰的大会战。”

目前,城市公共交通系统主要构成为地铁、轻轨、有轨电车、公交车、BRT(快速公交系统)等。

中国城市轨道交通协会的数据显示,截至 2019 年底,共有 65个城市城轨交通规划获批,在建设规划线路总长 7339.4 公里。当前城轨建设以地铁为主,多制式协同发展,在6736.2公里的在建线路中,地铁占比76.9%;其他制式占比23.1%。

地铁和轻轨虽然运力强,但建设成本巨大。高昂的成本,给地方政府带来极大的财政压力,中小城市更是望而却步。

有轨电车也不便宜,综合建设成本约为每公里1.5亿~2亿元。同时,有轨电车需要专门的电力系统和轨道配合设计,维护成本高,而且必须建设专线,限制较多。

冯江华告诉《中国经济周刊》记者,轨道交通是解决城市拥堵非常重要的一种交通方式,“我们逐渐发现,要破解现在公共交通难题,传统轨道交通装备制式面临不少难以跨越的障碍。”

面对我国公共交通快速发展的多样化需求,株洲所试图探索一种经济、绿色的新型公共交通工具,来解决中小城市公共交通方式中存在的运输能力低、基础设施建设和运营成本高、线路调配不便3个“老大难”问题,化解我国快速发展的城市化带来的公共交通压力。

结合轨道交通的优势和公路交通的灵活性,2013年5月,冯江华和他的科研团队提出研发一款适合中国道路的无轨列车正式立项。

这像是一列开在路面的地铁,没有轨道,实际上却沿着轨道前行。但是,这在当时不啻天方夜谭。

冯江华表示,这是一种全新的方案,全球从基础理论到关键技术都是一片空白。要实现这个目标,科研团队从最基础的数学算法开始探索,一步步攻克所遇到的各种难题。“可以说,这是一场挑战无人区的大会战。”

原始创新本就充满了未知的艰难险阻,团队设想的智轨列车长达30多米,要把这么长的列车开上公路,首先要克服的就是超长车身的摆尾难题。在中国,道路上行驶的公交车长度要小于18米。这是出于运行的安全性考量,过长的车辆在城市中运行,会出现摆尾、变道等不受控的现象,给乘客及行人的生命安全带来极大隐患。

在一个以往的研究成果中,研发团队得到了灵感:给列车设计一个虚拟轨道跟随系统,以车载传感器识别路面虚拟轨道,通过中央控制单元的指令,调整列车牵引、制动、转向的准确性,精准控制列车行驶在既定虚拟轨迹上。

冯江华介绍这是柔性控制技术,“就像甩动一根柔软的面条,要让面条的每一段都在同一轨迹上,很难。”

在对比试验中,依靠虚拟轨道跟随技术,在转弯半径15米的弯道上运行时,12米大巴的通道宽度为5.8米,而30米长的智轨列车为3.83米,而且不用减速。这意味着凡是公交车能开的地方,智轨不仅都能行,比公交车还要灵活。

诸多原创“黑科技”加持,2015年底,株洲所终于完成车辆的整车制造及轨迹跟随系统相关调试工作,实现了35米轨迹跟随列车直线跟随误差小于10cm,圆周跟随误差小于30cm的目标。

虚拟轨道技术只是株洲所在这一场硬仗中拿下的一个山头。在智轨项目中,中车株洲所研发了国内第一个多网融合实时以太网控制系统,还突破无轨导向控制、智能驾驶、双源双充高可靠储能系统、低地板全铝车身系统集成等多项核心技术。

中国工程院院士丁荣军指出,智轨综合了有轨电车和公交客车的特点,既可以作为立体化交通解决方案的补充,也能够担当区域交通线路的骨干,是较为理想的交通解决方案。

冯江华称,与有轨电车运力相同的情况下,智轨只需简单的道路改造就能投入使用,整体线路的投资约为现代有轨电车的1/5,建设一条10公里的线路,成本至少能节省10亿元以上。

与现代有轨电车相比,因为不需要铺设钢轨,也不用架设电网,一条智轨运行线路从启动规划至开通运营,只需一年时间。

2017年6月2日,智轨首次亮相湖南株洲。2019年,宜宾正式开通全球第一条智轨线。更多的城市正加入智轨行列之中。

冯江华表示,目前智轨正在进行技术迭代,各项性能都在提升,围绕不同的应用场景,从极寒的哈尔滨到酷热的卡塔尔都在做试验,表明了智轨极强的适应性。“未来,我们会让智轨更加智能,感知、认知、决策的能力不断提升。”

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我国首条全线采用永磁牵引系统的线路

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智轨电车

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应用在复兴号上的株洲所八大系统产品

永磁牵引技术:另一条长达十几年的自强之路

原始创新的虚拟轨道跟随技术让智轨看起来非常炫酷,而株洲所在永磁牵引系统上的重大突破,则给了从智轨到高铁强劲的心脏,也是轨道交通装备智能时代高效化的核心技术。

牵引系统是实现轨道交通车辆能量转换的关键,它决定了车辆的速度和性能,由变流器和电机两大部分组成,其中变流器相当于列车的心脏,电机好比是列车的肌肉,主要负责产生动力,完成电能到机械能转变,带动列车平稳行驶。

冯江华说,我国交流传动异步牵引系统研究起步晚,一度落后国外近30年,以中国工程院院士丁荣军为代表的三代科研人员成功研发出中国完全自主的交流传动异步牵引系统,该项成果使我国跻身世界上少数能够独立掌握交流传动技术的国家之列。

此后,在交流传动异步牵引系统之后,永磁牵引以其高效和高功率密度的天然优势,为轨道交通牵引技术带来一场新的革命。

2003年,株洲所率先组建了国内第一支永磁牵引系统研发团队,“从零起步”。

像智轨一样,这是另一条漫长而艰难的自强之路。

冯江华回忆,“没有任何可以借鉴的资料,也缺少研发测试用的相关设备”,中车株洲所只能“摸着石头过河”,不少数据仍要依靠比较原始的笨办法。“比如说,电机升温试验一做就是五六个小时,电机温控数据就人工全程蹲守来记录,这样来慢慢积累。”冯江华称。

难题被一个个攻克,研发团队成立8年后,也就是2011年底,株洲所永磁牵引系统在沈阳地铁2号线成功装车,实现了国内轨道交通领域的首次应用,结束了中国铁路没有永磁牵引系统的历史。株洲所成为我国唯一掌握自主永磁牵引系统全套技术的企业。

2011年,株洲所受命参与国家“863计划”之“高速铁路重大关键技术及装备研制重点项目”,承担高速动车组用永磁牵引系统的研发工作。

从“小功率”转向“大功率”,从“地铁用”转向“高铁用”,对永磁牵引系统的稳定性、可靠性等各方面都提出了极大的挑战,有专家形容这就像是爬完衡山,又去攀登珠峰。

两年后,株洲所登顶。2013年12月,株洲所成功开发出可用于时速350公里高铁动车的永磁电机。

中国工程院院士刘友梅评价,株洲所自主开发的永磁同步牵引系统的电机额定效率达到了98%以上,将电机损耗降低至原来的三分之一,显著降低了高速列车的牵引能耗,成为我国高速铁路技术升级的一个典范。

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和谐1型八轴9600千瓦机车在大秦线牵引2万吨重载列车

构筑智能交通时代全产业链

从整车到永磁牵引系统,将镜头继续深入“心脏”之中,变流器中的功率半导体作为牵引系统的心中之“芯”,可以说是轨道交通智能化的基础器件。

IGBT作为大功率半导体器件的最先进一代的器件,是功率半导体“皇冠上的明珠”,也被称为电力电子行业里的“CPU”。如果不能掌握IGBT技术,要实现轨道交通的智能化,可以说是无本之木。当前,国内厂家的IGBT产品大多集中于低功率,涉及高功率IGBT产品的只有株洲所。

在株洲所的展厅里,《中国经济周刊》记者看到,8英寸IGBT是一个直径20厘米左右的圆盘,在肉眼看不到的内部,潜藏着5万个被称作“元胞”的电子单元,能让电流在百万分之一秒的时间内实现快速转换,从而获得牵引整列高速动车组前行的稳定电力。

如今,株洲所IGBT生产基地年产12万支,不光是用于轨道交通,还广泛应用在智能电网、航空航天、电动汽车、新能源装备等领域,销售以每年200%的速度增长。

仅在电动汽车领域,IGBT市场空间就很庞大。有机构测算,一辆电动车IGBT采购成本大约在450美元,采购金额占电动车总成本的8%至10%。

有形的智能硬件还要有无形的智能软件相互配合,才能构成完整的智能轨道交通,其中,信号系统是关键之一。

CBTC (基于通信的列车自动控制)信号系统是城市轨道交通关键核心技术之一,过去在国内市场几乎由国外企业垄断。直到本世纪初,中国也没有成熟的自主城市轨道交通CBTC系统。

“如果没有CBTC信号系统,地铁运营只能回到非常原始的状态,无法跟上智能时代的步伐。” 株洲所研究院副院长方光华说。

2016年,株洲所在长沙市轨道交通4号线一期工程信号系统项目中,用上自主研发的CBTC信号系统。2020年 10月21日,株洲所发布自主全自动运行系统(FAO),正式进入“全自动”时代。

IGBT、永磁驱动系统、轨迹跟随控制技术,还有列车控制与通信技术、新一代SiC器件、集成功率组件、高压电力电子变压器、CBTC信号系统等一系列重大创新,株洲所近6000人的技术团队,构建智能芯片—智能传感—智能控制—智能动力的全流程产品体系,覆盖高铁、城轨、重载列车等轨道交通各领域。

在中国高铁“智慧化”征程上,株洲所承担了大量前沿技术的研究工作。让人出乎想象的是,长达2公里、体重2万吨的重载列车竟然也能像智轨一样实现自动驾驶。

株洲所研究院基础与平台研发中心副主任文宇良告诉《中国经济周刊》记者,“整列车100多节车厢,加在一起两公里长,一两万吨,你要控制它,让它自动驾驶,世界上其他地方没有这么做的,我们做得最好。”

在大秦运煤专线上,11编组的 2万吨重载列车自动驾驶通过各种场景下的试验,单程行程超过 600公里不间断运行。

文宇良说,长期的试验充分验证了自动(智能)驾驶系统能够安全可靠地适应各种铁路运营场合,速度控制精度达到0.5km/h,万吨重载列车停车精度达到了5m以内。

全面应用轨道交通技术优势推动相关行业技术进步

2020年10月11日,在网红城市长沙,一辆装载着“中车电动5G自动驾驶移动出行平台”的“5G智慧客车”试运行,已做到无人驾驶,实现远程介入、自动调度和监控等功能,还可以为车辆运行绘制并存储“最优轨迹”,确保车辆行驶安全。   

中车电动总经理刘凌称,“我们把现有的高铁牵引系统、网络系统、控制系统的技术,应用到新能源汽车领域来,形成一种核心竞争优势。”

在新能源汽车行业,中车电动已经跻身前五强。如今已成长至百亿级别的时代新材风电业务基于同样的逻辑,风电设备的核心技术同样是电机电驱、控制系统等株洲所的老本行。

文宇良告诉《中国经济周刊》记者,株洲所还将高速永磁直驱系统用于中央空调,直接颠覆了中央空调整个行业的生态,以前基本上都用异步交流驱动系统,“现在老外也跟着我们走高速永磁直驱路线”。

在矿卡自动驾驶方面,文宇良介绍,与汽车的自动驾驶不同,矿山是封闭又复杂的环境,而且矿卡是车队运行,这方面正好可以发挥株洲所在列车编组调度方面的优势。

冯江华表示,株洲所轨道交通的一些核心领域,包括牵引传动技术,控制信息系统,还有一些关键的材料及应用等方面已经走到世界前列,“十四五”期间,我们的科技创新能力会得到更进一步的提升,也要利用我们在轨道交通领域积累的技术优势和创新能力,进入新能源、船舶、电动汽车等延伸行业,去做全面的应用,推动行业共同成长和进步。

在关键核心技术上一次又一次实现自主突破,进而推动从轨道交通到其他行业的技术进步,冯江华认为,这得益于株洲所在创新模式上的探索。

正如“十四五”规划建议所指出的科技自立自强要“加强基础研究、注重原始创新,优化学科布局和研发布局,推进学科交叉融合,完善共性基础技术供给体系”,株洲所依托10个国家级创新平台,不断推进产学研深度融合,牵头组建创新联合体,承担起众多的国家重大科技项目。

当记者问及株洲所作为一家企业为何愿意大量投入耗时耗钱的基础研究时,担任研究院基础与平台研发中心副主任的文宇良一愣:“株洲所从来都是这样的,大家都习惯了,就应该从基础研究开始干。”

冯江华介绍,株洲所研发理念是通过基础共性技术的研究,形成相应的技术和产品平台,再去构建相应的市场产品;在组织机构方面,按照专业资源集聚,形成了创新协同机制,能够组织航母式的大规模、系统化研发作战,这是一个大的突破。永磁牵引、智轨等就是这种研发突破的成果。

在轨道交通智能化新时代,株洲所在研发技术上如何定位?冯江华强调,要保证轨道交通产业的健康有序发展,一方面积极培养自身在产业链前端的原始创新能力,既要做前沿技术的探索者,在核心关键产业与装备方面,我们要做技术的领导者;另一方面要能够打造完全自主可控的产业与创新生态圈,围绕产品全生命周期去提供智能化的服务,打造自动化、数字化、智能化的产品和系统。

这是一场创新“无人区”里的新长征。

(本文刊发于《中国经济周刊》2020年第21期)

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责任编辑:寻慧蓉
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