如果說綠色是高鐵未來的一個(gè)支點(diǎn)，智能毫無疑問就是另一個(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。

過去的五年，中國高鐵從5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)人引以為傲的國家名片。

接下來的五到十年，已經(jīng)贏得鮮花和掌聲的中國高鐵又當(dāng)向何處去？

如果說綠色是高鐵未來的一個(gè)支點(diǎn)，智能毫無疑問就是另一個(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。

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攬勝之地。

2016年4月28日，中國工程院院長周濟(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靜。他們是來參加由中國工程院與中國中車聯(lián)合主辦、中車株洲所承辦的一個(gè)工程前沿技術(shù)論壇。

翻開與會(huì)代表名單，11位中國工程院院士的名字赫然在列。

其中8位院士來自非軌道交通領(lǐng)域，他們是：機(jī)械工程專家、中國工程院院長周濟(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)專家、中國航空工業(yè)集團(tuán)尹澤勇，坦克專家、裝甲兵工程學(xué)院臧克茂，彈道學(xué)專家、南京理工大學(xué)李鴻志，艦炮專家、海軍裝備研究院邱志明，高炮專家、中國兵器工業(yè)集團(tuán)李魁武，導(dǎo)彈專家、西北工業(yè)大學(xué)王興治，設(shè)備診斷專家、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)化專家、西南交通大學(xué)錢清泉，電力機(jī)車專家、中車株洲電力機(jī)車有限公司劉友梅，以及牽引電傳動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)控制專家、中車株洲電力機(jī)車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、裝甲車子系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)師。講者里還有來自美國得州儀器、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陳大鵬等國內(nèi)中青年專家。

“智能傳感技術(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，這在國內(nèi)學(xué)術(shù)界尚不多見。

小小傳感器為何如此重要

傳感器實(shí)際上并不新鮮。

生活中常見的接觸式溫度計(jì)，就是一類最簡單的傳感器。對(duì)于廣大數(shù)碼發(fā)燒友和汽車族來說，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；而汽車儀表盤之所以能顯示速度、油量等參數(shù)，也是各類看不見的傳感器在起作用。

近年來，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)”入口而被稱作物聯(lián)網(wǎng)的“末梢神經(jīng)”，越來越受到行業(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，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。

中國工程院院士、中車株洲所總經(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：一是收集列車的運(yùn)行狀態(tài)信息；二是集成化的高速綜合檢測(cè)列車；三是列車綜合性能全面檢測(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，僅以我國自主研發(fā)的高鐵列車代表作——和諧號(hào)380AL為例，一輛列車?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、車載設(shè)備控制等功能。這還只是車載傳感器系統(tǒng)。

關(guān)于傳感技術(shù)的重要性，“會(huì)議手冊(cè)”第一頁里這樣寫道：

“隨著‘中國制造2025’和‘十三五’戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)等國家戰(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。”

從無到有的20年國產(chǎn)化之路

“傳感器的國產(chǎn)化程度一度阻礙了軌道交通車輛的完全自主化進(jìn)程。”談及我國軌道交通用傳感產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不少專家感同身受。

曾經(jīng)，作為國內(nèi)軌道交通行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，南北合并前的中國中車在較長時(shí)間內(nèi)使用的傳感器也一直為國外所壟斷。

然而鮮為人知的是，相關(guān)技術(shù)的研發(fā)儲(chǔ)備早在20多年前便已開始布局。

1990年，中國中車株洲所以極具戰(zhàn)略的眼光，創(chuàng)建寧波中車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司（簡稱寧波時(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時(shí)代傳感技術(shù)有限公司、寧波中車時(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，先后完成了電流、電壓、壓力、溫度、位移、速度等6大類多規(guī)格傳感器的國產(chǎn)化開發(fā)，全方位覆蓋軌道交通車輛的各種測(cè)量需求，終于打破了國外企業(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、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)幾萬只手工生產(chǎn)發(fā)展成為如今年產(chǎn)百萬只的自動(dòng)化生產(chǎn)能力，2009年傳感器銷售額突破1億元，2014年傳感器銷售額突破2億元，目前傳感器產(chǎn)業(yè)已達(dá)到近3億元的規(guī)模，在國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域占據(jù)了60%的市場(chǎng)份額。

就這樣，國外傳感器被一步步趕出了中國列車。寧波時(shí)代也借此成為了國內(nèi)軌道交通傳感行業(yè)領(lǐng)先者和客戶首選供應(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)過去國外合作伙伴的批量供貨。

高端產(chǎn)品爭(zhēng)奪戰(zhàn)才剛剛開始

盡管憑借著20余年技術(shù)積累，中車株洲所已占據(jù)了60%的國內(nèi)軌道交通傳感市場(chǎng)，但對(duì)接下來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)重依賴國外。

“我們?cè)瓉碜龅膫鞲衅魅砸阅M量傳輸為主。”徐永謙告訴記者。

中車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，無法實(shí)現(xiàn)自診斷，不具備自愈能力”。

另據(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)心的問題。“雖然與手機(jī)、汽車行業(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。”

“真正意義上的國產(chǎn)化替代才剛剛開始。”徐永謙坦言。

事實(shí)上，不獨(dú)軌道交通行業(yè)，國內(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《中國傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》（簡稱《白皮書》），在肯定成績后指出，“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。”

《白皮書》顯示，我國傳感器行業(yè)從1986年才開始進(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年開始，以開發(fā)高、精、尖為特征的新一代傳感器被列入研發(fā)重點(diǎn)，我國與世界先進(jìn)國家間的差距進(jìn)一步縮短。目前整體形勢(shì)是“我國傳感器產(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。

未來屬于“智能傳感”

2014年的《白皮書》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（SmartSensor）的概念，最早可以追溯到上世紀(jì)七八十年代，由美國航空航天局提出，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)?ldquo;分布式”。

在馮江華看來，未來的智能傳感器應(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，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，在路虎汽車的最新車型中就用到了一種新型傳感技術(shù)，讓汽車的防撞反應(yīng)時(shí)間提前了。這項(xiàng)技術(shù)通過在前保險(xiǎn)杠中配置傳感器管，用來監(jiān)測(cè)路邊行人是否被汽車碰撞到。一旦監(jiān)測(cè)到碰撞，汽車前擋風(fēng)玻璃前的安全氣囊就會(huì)迅速張開，以緩沖汽車對(duì)行人的碰撞傷害。

就在今年3月，一家名為Flirtey的無人機(jī)企業(yè)首次通過了美國聯(lián)邦航空管理局的無人機(jī)快遞許可，其秘訣之一便是與斯坦福大學(xué)合作，通過一款新型傳感器成功解決了無人機(jī)的空中相撞難題。據(jù)介紹，這款無人機(jī)可以利用傳感器，成功避讓大樹、交通指示燈以及電話線等障礙，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人機(jī)快遞業(yè)務(wù)。

雖然與汽車和無人機(jī)相比，行駛在固定軌道上的列車發(fā)生意外碰撞的概率要小得多，但此類碰撞一旦發(fā)生，帶來的損失卻不可估量。

中國工程院院士錢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，“以前我們對(duì)列車的控制主要是靠信號(hào)燈，比較原始”，隨著新一代列車控制系統(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，由李克強(qiáng)總理簽署的《中國制造2025》路線圖正式印發(fā)，提出實(shí)施國家制造業(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。”

丁榮軍認(rèn)為，未來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，中國智能列車的工程化研發(fā)已經(jīng)上路。

2013年6月，中國中車研制出我國首列智能化高速列車樣車。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)、列車控制網(wǎng)絡(luò)、車載傳輸網(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，中國中車首次推出自主化全自動(dòng)“無人駕駛”地鐵列車。該列車可通過感知系統(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，中國中車傳感測(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株洲所旗下寧波時(shí)代。據(jù)了解，根據(jù)中國中車的集團(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。

“特別是在軌道交通應(yīng)用領(lǐng)域，我們將加快推進(jìn)關(guān)鍵傳感器國產(chǎn)化，開展智能傳感器的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化和推廣，增強(qiáng)車輛健康狀態(tài)監(jiān)控能力，為實(shí)現(xiàn)未來智能列車運(yùn)營作出貢獻(xiàn)。”徐永謙說。

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