傳感則是以高鐵為代表的先進(jìn)軌道交通駛向智能時(shí)代的第一道大門(mén)

如果說(shuō)綠色是高鐵未來(lái)的一個(gè)支點(diǎn)，智能毫無(wú)疑問(wèn)就是另一個(gè)支點(diǎn)。而傳感則是以高鐵為代表的先進(jìn)軌道交通駛向智能時(shí)代的第一道大門(mén)。

過(guò)去的五年，中國(guó)高鐵從幾年前事故創(chuàng)傷的陰影中艱難走出，一步步成為科技界屈指可數(shù)的產(chǎn)業(yè)化重器，成為老百姓和領(lǐng)導(dǎo)人引以為傲的國(guó)家名片。接下來(lái)的五到十年，已經(jīng)贏得鮮花和掌聲的中國(guó)高鐵又當(dāng)向何處去？如果說(shuō)綠色是高鐵未來(lái)的一個(gè)支點(diǎn)，智能毫無(wú)疑問(wèn)就是另一個(gè)支點(diǎn)。而傳感則是以高鐵為代表的先進(jìn)軌道交通駛向智能時(shí)代的第一道大門(mén)。

位于寧波時(shí)代的傳感器展臺(tái)

寧波時(shí)代的傳感器組合

寧波會(huì)議“集結(jié)號(hào)”
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(huán)山，仿佛世外桃源，自古便是文人雅士的吟詩(shī)攬勝之地。2016年4月28日，中國(guó)工程院院長(zhǎng)周濟(jì)、機(jī)械與運(yùn)載學(xué)部主任尹澤勇等一行的突然造訪，打破了蓀湖平日里的寧?kù)o。他們是來(lái)參加由中國(guó)工程院與中國(guó)中車(chē)聯(lián)合主辦、中車(chē)株洲所承辦的一個(gè)工程前沿技術(shù)論壇。翻開(kāi)與會(huì)代表名單，11位中國(guó)工程院院士的名字赫然在列。其中8位院士來(lái)自非軌道交通領(lǐng)域，他們是：機(jī)械工程專(zhuān)家、中國(guó)工程院院長(zhǎng)周濟(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)家、中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)尹澤勇，坦克專(zhuān)家、裝甲兵工程學(xué)院臧克茂，彈道學(xué)專(zhuān)家、南京理工大學(xué)李鴻志，艦炮專(zhuān)家、海軍裝備研究院邱志明，高炮專(zhuān)家、中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)李魁武，導(dǎo)彈專(zhuān)家、西北工業(yè)大學(xué)王興治，設(shè)備診斷專(zhuān)家、北京化工大學(xué)高金吉。另外3位院士則是：鐵道電氣化與自動(dòng)化專(zhuān)家、西南交通大學(xué)錢(qián)清泉，電力機(jī)車(chē)專(zhuān)家、中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司劉友梅，以及牽引電傳動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)控制專(zhuān)家、中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司丁榮軍。在上述院士里，除鐵路領(lǐng)域外，相當(dāng)一部分來(lái)自軍隊(duì)科研院所，其中不少院士是飛機(jī)、艦船、大炮、裝甲車(chē)子系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)師。講者里還有來(lái)自美國(guó)得州儀器、日本三菱電機(jī)的技術(shù)高層，以及中科院微電子所副所長(zhǎng)陳大鵬等國(guó)內(nèi)中青年專(zhuān)家?！爸悄?a href="http://wenjunhu.com/article/88/142/" target="_blank">傳感技術(shù)在軌道交通中的應(yīng)用”是這期工程前沿技術(shù)論壇的主題。從軍隊(duì)到民用領(lǐng)域，從機(jī)械到電子并覆蓋海陸空，眾多一流專(zhuān)家如此高密度聚焦一個(gè)具有極強(qiáng)針對(duì)性的主題，這在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界尚不多見(jiàn)。

小小傳感器為何如此重要傳感器實(shí)際上并不新鮮。生活中常見(jiàn)的接觸式溫度計(jì)，就是一類(lèi)最簡(jiǎn)單的傳感器。對(duì)于廣大數(shù)碼發(fā)燒友和汽車(chē)族來(lái)說(shuō)，傳感器三個(gè)字就更不陌生。比如智能手機(jī)上已成為標(biāo)配的橫豎屏轉(zhuǎn)換功能，便是利用重力傳感器實(shí)現(xiàn)的；而汽車(chē)儀表盤(pán)之所以能顯示速度、油量等參數(shù)，也是各類(lèi)看不見(jiàn)的傳感器在起作用。近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，傳感器更是因其占據(jù)了“物聯(lián)”入口而被稱(chēng)作物聯(lián)網(wǎng)的“末梢神經(jīng)”，越來(lái)越受到行業(yè)關(guān)注。對(duì)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化要求越來(lái)越高的軌道交通行業(yè)自然也不例外。在寧波會(huì)議上，與會(huì)專(zhuān)家這樣定義傳感器：它是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。中國(guó)工程院院士、中車(chē)株洲所總經(jīng)理丁榮軍描繪了傳感技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域里的6大應(yīng)用場(chǎng)景：一是收集列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)信息；二是集成化的高速綜合檢測(cè)列車(chē)；三是列車(chē)綜合性能全面檢測(cè)；四是用于鋼軌探傷；五是軌道狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；六是室內(nèi)外環(huán)境綜合傳感。據(jù)介紹，僅以我國(guó)自主研發(fā)的高鐵列車(chē)代表作——和諧號(hào)380AL為例，一輛列車(chē)?yán)锏膫鞲衅鲾?shù)量多達(dá)1000多個(gè)，平均每40個(gè)零部件里就有一個(gè)是傳感器。它們承擔(dān)著狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警、車(chē)載設(shè)備控制等功能。這還只是車(chē)載傳感器系統(tǒng)。關(guān)于傳感技術(shù)的重要性，“會(huì)議手冊(cè)”第一頁(yè)里這樣寫(xiě)道：“隨著‘中國(guó)制造2025’和‘十三五’戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等國(guó)家戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，發(fā)展綠色智能的先進(jìn)軌道交通裝備已成全行業(yè)共識(shí)。作為軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的保障性技術(shù)和裝備持續(xù)升級(jí)的關(guān)鍵性技術(shù)，智能傳感技術(shù)的不斷應(yīng)用和傳感器件的發(fā)展在軌道交通領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

”從無(wú)到有的20年國(guó)產(chǎn)化之路“
傳感器的國(guó)產(chǎn)化程度一度阻礙了軌道交通車(chē)輛的完全自主化進(jìn)程?！闭劶拔覈?guó)軌道交通用傳感產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不少專(zhuān)家感同身受。曾經(jīng)，作為國(guó)內(nèi)軌道交通行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，南北合并前的中國(guó)中車(chē)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)使用的傳感器也一直為國(guó)外所壟斷。然而鮮為人知的是，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)儲(chǔ)備早在20多年前便已開(kāi)始布局。1990年，中國(guó)中車(chē)株洲所以極具戰(zhàn)略的眼光，創(chuàng)建寧波中車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)寧波時(shí)代），率先扛起了振興民族傳感產(chǎn)業(yè)的大旗。寧波時(shí)代始創(chuàng)于1990年10月，其前身為株洲電力機(jī)車(chē)研究所寧波分所，是寧波市首批成建制引進(jìn)的兩家部屬科研院所之一。2006年、2016年先后更名為寧波南車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司、寧波中車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司。據(jù)寧波時(shí)代總經(jīng)理徐永謙介紹，自寧波時(shí)代成立以來(lái)，先后完成了電流、電壓、壓力、溫度、位移、速度等6大類(lèi)多規(guī)格傳感器的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)，全方位覆蓋軌道交通車(chē)輛的各種測(cè)量需求，終于打破了國(guó)外企業(yè)在這一領(lǐng)域的壟斷，逐步實(shí)現(xiàn)了傳感器這一高端零部件的完全自主設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。如今，寧波時(shí)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(lèi)、12系列多種規(guī)格的系列產(chǎn)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(fā)當(dāng)中。經(jīng)過(guò)20余年發(fā)展，寧波時(shí)代的企業(yè)實(shí)力不斷壯大，從創(chuàng)立之初的年產(chǎn)幾萬(wàn)只手工生產(chǎn)發(fā)展成為如今年產(chǎn)百萬(wàn)只的自動(dòng)化生產(chǎn)能力，2009年傳感器銷(xiāo)售額突破1億元，2014年傳感器銷(xiāo)售額突破2億元，目前傳感器產(chǎn)業(yè)已達(dá)到近3億元的規(guī)模，在國(guó)內(nèi)軌道交通領(lǐng)域占據(jù)了60%的市場(chǎng)份額。就這樣，國(guó)外傳感器被一步步趕出了中國(guó)列車(chē)。寧波時(shí)代也借此成為了國(guó)內(nèi)軌道交通傳感行業(yè)領(lǐng)先者和客戶(hù)首選供應(yīng)商，并主持制定了多項(xiàng)軌道交通傳感器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不僅如此，還實(shí)現(xiàn)了向幾個(gè)過(guò)去國(guó)外合作伙伴的批量供貨。

高端產(chǎn)品爭(zhēng)奪戰(zhàn)才剛剛開(kāi)始
盡管憑借著20余年技術(shù)積累，中車(chē)株洲所已占據(jù)了60%的國(guó)內(nèi)軌道交通傳感市場(chǎng)，但對(duì)接下來(lái)40%的爭(zhēng)奪，才更加激烈和殘酷。因?yàn)樵谶@個(gè)尚未占領(lǐng)的40%的市場(chǎng)里，有相當(dāng)一部分屬于高端產(chǎn)品。資料顯示，目前我國(guó)雖有1700余家機(jī)構(gòu)在從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用，但高端傳感器芯片進(jìn)口占比高達(dá)90%，仍嚴(yán)重依賴(lài)國(guó)外?！拔覀?cè)瓉?lái)做的傳感器仍以模擬量傳輸為主?！毙煊乐t告訴記者。中車(chē)株洲所總工程師馮江華也表示，“傳統(tǒng)傳感器大量采用模擬信號(hào)傳輸，容易受干擾，同時(shí)在惡劣條件下出故障后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自診斷，不具備自愈能力”。另?yè)?jù)記者了解，就軌道交通傳感器市場(chǎng)而言，目前技術(shù)含量相對(duì)較高的加速度傳感器還未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。如何立足軌道交通、向其他行業(yè)擴(kuò)展同樣是徐永謙關(guān)心的問(wèn)題。“雖然與手機(jī)、汽車(chē)行業(yè)相比，我們的傳感器技術(shù)含量并不低，但仍處于多品種、小批量的生產(chǎn)狀態(tài)，”他表示，“今后應(yīng)向大批量、低成本轉(zhuǎn)變?！薄罢嬲饬x上的國(guó)產(chǎn)化替代才剛剛開(kāi)始?！毙煊乐t坦言。事實(shí)上，不獨(dú)軌道交通行業(yè)，國(guó)內(nèi)整個(gè)傳感器產(chǎn)業(yè)仍普遍處于中低端水平。2014年10月，工業(yè)和信息化部首次發(fā)布《中國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)》（簡(jiǎn)稱(chēng)《白皮書(shū)》），在肯定成績(jī)后指出，“老產(chǎn)品比例在60%以上，新產(chǎn)品明顯不足，其中高新技術(shù)類(lèi)產(chǎn)品更少；同時(shí)，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺?！薄栋灼?shū)》顯示，我國(guó)傳感器行業(yè)從1986年才開(kāi)始進(jìn)入實(shí)質(zhì)研發(fā)階段，至2000年初步建立起敏感元件與傳感器產(chǎn)業(yè)，至“十二五”期間形成較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。2001年開(kāi)始，以開(kāi)發(fā)高、精、尖為特征的新一代傳感器被列入研發(fā)重點(diǎn)，我國(guó)與世界先進(jìn)國(guó)家間的差距進(jìn)一步縮短。目前整體形勢(shì)是“我國(guó)傳感器產(chǎn)業(yè)已由仿制、引進(jìn)逐步走向自主設(shè)計(jì)、創(chuàng)新發(fā)展階段”。在寧波會(huì)議上，馮江華作了一場(chǎng)題為《智能傳感技術(shù)發(fā)展綜述與應(yīng)用展望》的主題報(bào)告。他認(rèn)為，當(dāng)前對(duì)新型傳感器研發(fā)提出了三點(diǎn)更高要求，“一是傳感器的輸出應(yīng)從模擬改為數(shù)字信號(hào)輸出，無(wú)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(qiáng)”。馮江華所說(shuō)的第二和第三點(diǎn)，正是備受關(guān)注的新一代智能傳感器的主要特征。

未來(lái)屬于“智能傳感”
2014年的《白皮書(shū)》將全球傳感器發(fā)展大體分為三階段：1950年至1969年，結(jié)構(gòu)型傳感器出現(xiàn)；1970年至1999年，固體型傳感器逐漸發(fā)展；2000年至今，智能型傳感器出現(xiàn)并快速發(fā)展。據(jù)馮江華介紹，智能傳感器（Smart Sensor）的概念，最早可以追溯到上世紀(jì)七八十年代，由美國(guó)航空航天局提出，起初主要用于航天飛船的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這類(lèi)傳感器有一個(gè)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(gè)形象的比方，所謂智能傳感器，大體相當(dāng)于傳統(tǒng)傳感器加上單片機(jī)。這一概念將大大改變?nèi)藗儗?duì)傳感器的傳統(tǒng)理解。由于傳統(tǒng)傳感器只負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)動(dòng)作執(zhí)行的“器官”。而智能傳感器將信息收集、運(yùn)算與執(zhí)行合而為一，全部在“末梢”完成。這意味著，整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)很可能將從“中樞式”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺植际健?。在馮江華看來(lái)，未來(lái)的智能傳感器應(yīng)具備以下5大功能：自診斷自校正、復(fù)合敏感、計(jì)算、交互和網(wǎng)絡(luò)化。他舉例說(shuō)，所謂復(fù)合敏感，就是盡量減少傳感器數(shù)量，全面描述目標(biāo)物體的狀態(tài)；而網(wǎng)絡(luò)化，則是通過(guò)傳感器之間的互相通信，實(shí)現(xiàn)“相互校驗(yàn)”。在此基礎(chǔ)上，他提出了“網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器”的概念。據(jù)記者了解，在路虎汽車(chē)的最新車(chē)型中就用到了一種新型傳感技術(shù)，讓汽車(chē)的防撞反應(yīng)時(shí)間提前了。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在前保險(xiǎn)杠中配置傳感器管，用來(lái)監(jiān)測(cè)路邊行人是否被汽車(chē)碰撞到。一旦監(jiān)測(cè)到碰撞，汽車(chē)前擋風(fēng)玻璃前的安全氣囊就會(huì)迅速?gòu)堥_(kāi)，以緩沖汽車(chē)對(duì)行人的碰撞傷害。就在今年3月，一家名為Flirtey的無(wú)人機(jī)企業(yè)首次通過(guò)了美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的無(wú)人機(jī)快遞許可，其秘訣之一便是與斯坦福大學(xué)合作，通過(guò)一款新型傳感器成功解決了無(wú)人機(jī)的空中相撞難題。據(jù)介紹，這款無(wú)人機(jī)可以利用傳感器，成功避讓大樹(shù)、交通指示燈以及電話(huà)線(xiàn)等障礙，同時(shí)利用GPS芯片順利抵達(dá)目的地，從而可以在符合聯(lián)邦管理法規(guī)的前提下成功完成無(wú)人機(jī)快遞業(yè)務(wù)。雖然與汽車(chē)和無(wú)人機(jī)相比，行駛在固定軌道上的列車(chē)發(fā)生意外碰撞的概率要小得多，但此類(lèi)碰撞一旦發(fā)生，帶來(lái)的損失卻不可估量。中國(guó)工程院院士錢(qián)清泉在接受記者采訪時(shí)表示，對(duì)軌道交通而言，“安全仍是擺在第一位的需求”。他說(shuō)，“以前我們對(duì)列車(chē)的控制主要是靠信號(hào)燈，比較原始”，隨著新一代列車(chē)控制系統(tǒng)CTCS3的研發(fā)和部署，“情況已大大改觀”。相信隨著智能傳感技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用，列車(chē)在變得“更聰明”的同時(shí)，也會(huì)變得“更安全”。

邁向智能軌道交通的下一個(gè)十年
2015年5月，由******簽署的《中國(guó)制造2025》路線(xiàn)圖正式印發(fā)，提出實(shí)施國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)、智能制造、工業(yè)強(qiáng)基、綠色制造、高端裝備創(chuàng)新等五項(xiàng)重大工程。以高鐵列車(chē)為代表的先進(jìn)軌道交通裝備及其基礎(chǔ)零部件和智能制造，因橫跨幾大工程而備受矚目。此外，《中國(guó)制造2025》更進(jìn)一步細(xì)分確立的航空航天裝備、海洋工程裝備、先進(jìn)軌道交通裝備、機(jī)器人、電力裝備等十大重點(diǎn)領(lǐng)域，則都與傳感器技術(shù)息息相關(guān)。周濟(jì)在寧波會(huì)議開(kāi)幕致辭中表示，智能傳感技術(shù)是智能制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，軌道交通裝備是裝備領(lǐng)域的排頭兵。“二者的充分交叉結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。用先進(jìn)智能技術(shù)武裝裝備產(chǎn)業(yè)，是制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要途徑?！倍s軍認(rèn)為，未來(lái)傳感器和人工智能技術(shù)將在軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)深度融合，但軌道交通信息化的核心價(jià)值沒(méi)有改變，仍然是：安全、可靠、高效、便捷和經(jīng)濟(jì)。事實(shí)上，中國(guó)智能列車(chē)的工程化研發(fā)已經(jīng)上路。2013年6月，中國(guó)中車(chē)研制出我國(guó)首列智能化高速列車(chē)樣車(chē)。由于其首次實(shí)現(xiàn)了新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)在大型交通運(yùn)輸裝備上的工程化應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)、列車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載傳輸網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合，已初步具備自檢測(cè)、自診斷、自決策能力。2015年，中國(guó)中車(chē)首次推出自主化全自動(dòng)“無(wú)人駕駛”地鐵列車(chē)。該列車(chē)可通過(guò)感知系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別障礙物、道路、交通信號(hào)，這套感知系統(tǒng)是機(jī)器取代駕駛員的關(guān)鍵。就在寧波會(huì)議的次日，中國(guó)中車(chē)傳感測(cè)量技術(shù)研發(fā)中心在寧波正式掛牌成立，其核心主體正是中車(chē)株洲所旗下寧波時(shí)代。據(jù)了解，根據(jù)中國(guó)中車(chē)的集團(tuán)戰(zhàn)略規(guī)劃，該公司現(xiàn)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(yè)傳感器，第三為新型新領(lǐng)域傳感器。目前MEMS技術(shù)、ASIC芯片、集成傳感系統(tǒng)，以及磁性材料、高分子復(fù)合材料等相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究都已在著手進(jìn)行?！疤貏e是在軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域，我們將加快推進(jìn)關(guān)鍵傳感器國(guó)產(chǎn)化，開(kāi)展智能傳感器的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和推廣，增強(qiáng)車(chē)輛健康狀態(tài)監(jiān)控能力，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)智能列車(chē)運(yùn)營(yíng)作出貢獻(xiàn)?！毙煊乐t說(shuō)。