从追赶到领跑创新之车永远在路上

  2017年6月2日，中车株洲电力机车研究所有限公司全球首创的智能轨道快运系统首次发布。

  ▲我国首条全线采用永磁牵引系统的线路长沙地铁5号线千瓦机车在大秦线万吨重载列车。

  11月8日，北京。被誉为中国工程界最高奖项的“光华工程科技奖”，揭晓了第十三届获奖名单，有40位专家和1个团体获此殊荣。中车株洲电力机车研究所有限公司（以下简称株洲所）总工程师冯江华名列其中。

  众所周知，以“复兴号”高速列车为代表的中国高铁是一张誉满全球的“亮丽名片”，究竟我国高铁制造有哪些独创的领先技术？近日，我们走进株洲所，专访了本次获奖的“交通信息工程及控制”领域代表人物冯江华和他的科研团队，明白他们如何成功研制“复兴号”电力机车牵引控制管理系统，实现世界最高商业营运速度，并首创自主导向的“智轨”电车等一系列研发成果，在我国轨道交通控制与信息新技术上取得突破。

  近400年来，经历蒸汽机车、内燃机车和电力机车的3次大的跨越，铁路运输始终是全球交通运输行业的排头兵与中坚力量。

  此时的铁道部决策者认识到，与蒸汽牵引、内燃牵引相比，电力牵引有其显著的特点：一是功率大，运行速度快，运载能力强；二是电力牵引有明显的节能高效优势；三是电力牵引运输成本低；四是电力牵引不但适用于城市运输干线，还适应于缺水、高原、沙漠地区；五是电力牵引没有环境污染；六是能显著改善旅客的乘车条件。全力发展电气化铁路势在必行，我国电力机车研制迫在眉睫。

  1986年，在参考法国8K型电力机车、日本6K型电力机车、德国KM公司等同类装置，综合各国机车防空转/滑行系统优劣的基础上，株洲所研制出适合中国国情的韶山4型电力机车防空转/滑行系统。4年4次大改进，防空转/滑行效果达到法国8K型电力机车水平，而且机车牵引力和司机操纵自动化程度显著提升，1992年后推广应用于我国所有新造的电力机车。

  2014年，“沪昆高铁”开通之际，株洲所攻克了车网稳定性、装备安全等方面难题，有效保障了“沪昆高铁”的顺利开通。兰新线高寒动车组项目期间，由于原进口牵引技术没办法满足长大坡道持续高速运行需求，在系统配置固化、无法变更牵引变流器和牵引电机的情况下，采用新的控制技术路线，自主研制并替代原装进口的控制器，实现了在功率提升20%的同时温升降低25K，解决了高能效牵引难题。

  这些成果集成应用在以“复兴号”为代表的高速动车组上，打造了完全自主知识产权、世界领先的牵引系统产品平台，为“复兴号”在世界最大运营规模和最复杂运用环境下，实现世界最高运营时速、最大单轴异步牵引动力等顶层指标发挥了核心作用。在2018年两院院士大会上，习指出：“复兴号高速列车迈出从追赶到领跑的关键一步。”

  2008年2月26日，北京钓鱼台国宾馆。科技部与原铁道部签署了一份《中国高速列车自主创新联合行动计划合作协议》，其核心目标是：在引进技术消化吸收和再创新已取得阶段性重大成果的基础上，加大自主创新力度，突破关键技术，集成创新成果，研制新一代时速350公里及以上高速列车，为京沪高铁提供强有力的装备保障。这一科研计划的启动，标志着继“引进消化吸收”和“集成创新”两个阶段后，中国高铁发展开始向“全面自主创新”冲刺。株洲所又一次迎来了发展的历史机遇。

  轨道交通车辆的动力主要来自于牵引电机，电力机车的牵引系统被认为是高速动车组等轨道交通车辆的“心脏”，是高速列车动力节能升级的核心部件。世界轨道交通车辆牵引系统技术经历了直流系统、交流系统、永磁系统3个阶段。从全球来看，永磁同步牵引系统因其高效率、高功率密度等显著优势，成为新一代列车牵引系统重要方向。

  永磁牵引技术属于前瞻性核心技术，为了尽最大可能避免我国牵引传动技术重陷“落后、追赶”的被动局面，冯江华领军的株洲所科研团队加速抢占这一高地，2003年，他们组建了国内第一个永磁牵引系统研发团队。当时全球尚处于起步阶段，所有研发成员不但没有接触过该系统，就连研究对象也仅是一个概念。开展牵引系统向永磁升级换代的研究，是我国机车牵引技术研发第一次与国外站在同一个起跑线上展开较量。

  永磁体是一种能够长期保持磁性的磁体。永磁同步电机是通过在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能得到进一步的提升，并能使转子的转速与定子绕组的电流频率从始至终保持一致（即“同步”）。永磁同步电机具有较高的功率/质量比，体积小、重量轻，比别的类型电机的输出转矩更大，电机的极限转速和制动性能优异。但永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其磁性会下降，或发生退磁现象，以此来降低永磁电动机的性能。

  电机控温难题是研究永磁牵引系统的关键难题之一。如果运行中电机温度过高，永磁系统将处于“罢工”状态。在高铁线路试验时，在大坡度轨道上运行，经历满手柄牵引、制动的“野蛮操作”考验，很快永磁电机就扛不住了。研发团队毫不气馁，继续日夜轮守在气温高达40多摄氏度的试验场，记录每一个细节、数据，查找每一个节点问题，经过无数次技术改进，仅用3个月时间，设计出最优方案重新装机，最终解决这一关键技术难题。

  2015年6月24日，安装了株洲所永磁牵引同步电机的高铁列车在北京环铁试验基地通过首次考核鉴定。这在某种程度上预示着我国变成全球上少数几个掌握可应用于高铁的永磁牵引技术的国家。中国具有完全自主知识产权的永磁牵引系统已经迈开产业化步伐。当年年底，永磁高铁技术被两院院士评选为“2015年中国十大科技进展新闻”。

  众多科技成果展示项目中，一台外形酷似地铁而车轮是胶轮的名为智能轨道快运系统的列车（以下简称智轨）亮相。这种由株洲所制造、采用虚拟轨迹跟随技术、以全电驱动胶轮车辆作为运载工具的中低运量轨道交通制式新产品，兼具有轨电车和公交车优势，拥有路径感知、自主导向、主动安防和智能运控四大核心技术，具备综合造价低、建设周期短、城市适用性很强等显著优点，未来可实现无人驾驶，其先进程度让人惊叹：这“黑科技”是真的吗？

  “高度智能化是智轨最大的优势之一，它智在轨道、智在安全、智在体验、智在运营、智在交管、智在维保。”湖南中车智行科技有限公司总经理彭忠红表示，智轨独创“智轨控制管理系统”，可实现列车在智能控制下的“类轨道”运行；在安全方面，采用“主动安防”技术来保障智轨的安全，安全性能更高；利用物联网技术，使乘客从有出行需求到抵达目的地都有真实“智能”感受，体验感更强；在运营上，对相关运营数据来进行采集、预处理、深度集成以及历史数据的对比分析与决策，实现智轨车辆在正线、折返段及车辆段的灵活调配、准时运行；交通管制方面，智轨主动融入交警交通监控平台，助力优化交通组织方案，提升智能信号控制水平，可实现全路段智能交通管控；在维保方面，智轨构建了集车辆、车辆段、线网等于一体的健康监测、智能诊断、设备运维、车辆检修等智能协同管理平台，降低运维管理成本，保障运营安全。

  “低成本、周期短、高智能的独特优势，有利于智轨在城市公共交通领域抢占市场先机。而随着宜宾智轨项目的推进示范，不仅将有效提升宜宾的城市形象和交通效率，也为智轨产业带来新的发展契机。”冯江华表示，期待智轨产业的发展，为城市轨道交通产业升级提供新的助力，为解决城市交通难题，提供一套行之有效的解决方案。

  60年前，株洲所立所受命于经济建设高潮之急需，国外技术封锁的特殊环境使其自主创新“与生俱来”。而在建设社会主义现代化强国的新时期，株洲所人因拥有一系列自主知识产权的创新成果而“自信满满”。

  仅在“十三五”期间，株洲所荣获国家、省部级科技奖励60余项，其中国家技术发明奖3项、国家科技进步奖2项。中国专利金奖2项；获授权专利2900余件，其中发明专利授权1600余件，获得国外专利授权57件。由十大国家级研发技术平台构建起一个强大的技术创新支撑体系。5年中，包括国家重点研发计划、“863”计划、科技支撑计划、科技重大专项等51个国家级科研项目在内的270项科研任务的实施，为科研队伍提供了明确的攻关目标和强大动力，不断巩固和提升了该所在轨道交通领域的领头羊，推动着一批应用基础理论创新和关键技术的突破，更为株洲所“人机一体化智能系统”奠定了坚实的基础。

  除此之外，还有智能服务。大数据是智能服务的技术基础，株洲所已建成涵盖轨道交通及工业领域大数据存储管理与分析挖掘业务体系，可支持海量工业设施数据接入“数据大脑”，有效管理轨道交通等行业装备的实时运作时的状态，评估其健康指数，提供数字化的检修、维修指导。实现打通设计、制造、物流、售后、质量等所有的领域的关键数据，并形成“闭环”，使服务价值倍增。

  在新能源领域，以风力发电、新能源乘用车电驱电控系统为代表的智能产品，为人类绿色出行、低碳生活带来新的突破。在新材料领域，以桥梁支座、空气弹簧、聚酰亚胺膜为代表的减震降噪、高分子复合材料，为众多世界级工程、高精尖科学技术产品提供优质的供应链保障。在海洋装备领域，以深海ROV、挖沟犁为代表的海工装备，为全球深海资源探索开发提供更大可能。在自动驾驶领域，株洲所对矿卡无人驾驶采用“地面控制管理系统（控制中心）+车地无线通信+车载系统”方案，填补了机车无人驾驶和矿卡无人驾驶空白，闯入了货运“无人区”。

  在采访结束前，冯江华说：“国家十四五规划和2035年远大目标，增强了工程科学技术人员的使命感和紧迫感。中国工业的现代化要从制造、速度、产品向智造、质量、品牌转变，创新的路上不能停歇，技术的追求永无止境。为交通强国、科技强国战略贡献力量，是株洲所科技人的终身使命。一个人不管在什么位置，都要关心社会的发展，并结合自己的专长，为行业进步和公司发展作贡献。”