iScience
第 27 卷第 12 期,2024 年 12 月 20 日,111306
Review 评论Sustainable and smart rail transit based on advanced self-powered sensing technology
基于先进自供电传感技术的可持续智能轨道交通
Summary 摘要
随着轨道交通的不断发展,不断扩大的铁路网络增加了对可持续能源供应和智能基础设施管理的需求。近年来,先进的轨道自供电技术向人工智能和物联网(AIoT)方向快速发展。本综述主要讨论轨道交通中的自供电和自感应系统,分析其在不同场景下的现有特点和创新潜力。在此分析基础上,我们进一步探讨了可持续自供电传感系统支持的物联网框架,包括设备节点、网络通信和平台部署。此外,在铁路物联网中部署的云计算和边缘计算技术也能提高利用效率。部署的智能算法,如机器学习(ML)和深度学习(DL),可为铁路环境提供全面的监控、管理和维护。此外,本研究还探讨了其他交叉学科领域的研究,以研究新兴技术的潜力,并分析轨道交通未来发展的趋势。
Graphical abstract 图形摘要
Subject areas 学科领域
人工智能工程机械工程能源系统
Introduction 导言
轨道交通包括高速铁路、地铁、轻轨和其他城市轨道网络,在日常交通活动中发挥着不可或缺的作用。轨道交通的封闭性确保了安全性、经济性和可靠性,从而极大地促进了城市间的经济发展,减少了交通拥堵。全球铁路网正在迅速扩张,平均每年新增线路 6600 公里,其中仅在中国就有 3000 公里的高速铁路。 1 然而,铁路公里数的不断增加、客运速度的不断提高以及货运吨位的不断增加,导致对轨道交通持续维护的需求不断增长。然而,自供电技术、物联网、人工智能(AI)和其他新兴技术的发展为维护铁路基础设施提供了更节能、更智能的方法。
铁路的快速发展促使大规模信号和传感器网络在铁路运输系统中得到广泛应用。然而,它们所需的大量能源大大增加了整体运营成本。由于缺乏车载电源和空间限制,监控传感器依赖于电池。这些电池的大量维护和更换工作增加了成本,也带来了环境问题,因此不适合智能交通对低成本和可持续能源的需求。 2 因此,利用轨道环境中的清洁和可再生能源应用于铁路车辆和轨道具有巨大的潜力。 3 4 在铁路运营期间,大量研究表明,行驶中的车辆可以直接提供各种高能量密度、高可用性和环保的机械能源。 5 6 从可再生能源中收集能量来补充或替代电池,是目前实现铁路无线检测设备长期管理的最可行策略。
智能轨道交通的发展需要可靠的能源供应,同时也增加了对监控和轨道旁电子设备的需求。 7 通过各种传感器(光学传感器、超声波传感器、红外传感器和声学传感器)对铁路车辆和轨道环境进行实时、连续和有效的状态监测,是铁路智能化逐步提升的主要特征。 8 当前铁路物联网技术发展的重点主要在于全面的物联网架构,其中包括无线智能传感器(WSS)、无线传感器网络(WSN)和远程云监控平台。 9 10 自供电铁路物联网应用具有巨大的发展潜力。例如,它不再仅仅依靠单一的传感器,而是集成了已安装的能量收集设备,用于车辆或环境数据的收集和通信。 11 实现智能传感节点。 12 此外,通过研究铁路物联网中传感和通信技术的演变, 13 在此背景下的传感器网络发展将进入一个新阶段,包括更广泛的检测范围和更创新的管理方法,如数据分析、低功耗广域网(LPWAN)、 14 和人工智能(AI)技术。
有了来自自供电设备的持续、稳定和可持续的能源供应, 15 用于优化和监控轨道交通的智能算法就能适应不断变化的环境并提高性能。许多算法直接处理供电设备产生的电信号,执行识别、分类和异常检测等任务。这就实现了二次能源利用,即所谓的自供电传感。作为人工智能子集的机器学习 (ML) 和深度学习 (DL) 算法在这一过程中发挥着主导作用。 16 信息和通信技术(ICT)(如 5G 通信网络)的进步提高了数据收集率,从而满足了大量数据分析和更复杂的人工智能应用的要求。
自几年前的初步探索阶段以来, 17 这些算法已经超越了传统方法的能力,在对系统获取的数据集进行复杂而全面的分析方面取得了长足的发展。ML 算法已成功应用于交通流量预测、交通拥堵建模和调度任务(如模式选择)中。 18 19 20 21 在轨道交通领域,新出现的证据表明了这些算法的巨大潜力。 22 它们的应用包括分析车辆设备状况、检测驾驶员状态、监控周围环境安全、优化交通控制和管理能源。此外,磁悬浮技术、大型语言模型 (LLM) 和数字孪生 (DT) 等其他领域的新兴技术也为大容量智能轨道交通的快速发展方向提供了更广阔的前景。
根据工业 4.0 技术,人工智能与物联网的融合(即 AIoT)已广泛应用于轨道交通 24 ,并成为实现未来智能自主列车运行(iATO)的关键。 25 如图 1 所示,本综述主要讨论了各种轨道场景中使用的传统自供电、自感应设备,分析了它们的特点、创新和发展方向。本综述进一步对物联网等先进技术进行了分层分析,介绍了自供电传感设备在铁路物联网框架中的作用。此外,本综述还分析了广泛应用于不同铁路场景的各种算法,包括建模、ML 和 DL。本综述还重点介绍了这些算法的特点、优势和创新应用。最后,本综述从新兴人工智能物联网技术的角度,探讨了该领域的跨学科研究,分析了轨道交通未来智能化发展的潜在趋势。

Figure 1. Sketch and flowchart of AIoT applications and emerging technologies in sustainable and smart rail transit
图 1.可持续智能轨道交通中的 AIoT 应用和新兴技术草图和流程图
Self-powered sensing technology
自供电传感技术
自供电设备得到了长足的发展,各种设计和实施方法广泛应用于轨道交通领域。这些设备从该领域的不同场景中收集能量。 26 如表 1 所示,收集方法包括三电纳米发电机(TENGs), 27 28 通过接触电化和分离将机械振动转换为电能;压电纳米发电机(PENGs), 29 30 利用压电材料在机械应力下产生电荷的特性,适用于收集振动能量;以及电磁发电机 (EMG), 31 32 33 ,它依靠电磁感应,通过线圈和磁铁之间的相对运动产生电流;风力涡轮机也可以利用火车行驶时产生的气流发电。其他自然能源可通过光伏电池、 34 热电纳米发电机、 35 和声能收集器收集。 36
Table 1. Comparison of several energy harvesting technologies
表 1.几种能量收集技术的比较
Empty Cell | Triboelectric nanogenerator (TENG) 三电纳米发电机(TENG) | Electromagnetic generator (EMG) 电磁发生器(EMG) | Piezoelectric (PZT) 压电(PZT) | Photovoltaic (PV) 光伏(PV) |
---|---|---|---|---|
Principles 原则 | Triboelectric effect and electrostatic induction. 三电效应和静电感应 | Faraday’s laws of electrolysis. 法拉第电解定律。 | The asymmetric movement of charges in piezoelectric material when subjected to mechanical strain. 压电材料中的电荷在受到机械应变时的不对称运动。 | Electron-hole pair generated from the semiconductor materials. 半导体材料产生的电子-空穴对。 |
Efficiency 效率 | high area power density and energy conversion efficiency. 高区域功率密度和能量转换效率。 | High conversion efficiency, high current, low resistive impedance. 转换效率高、电流大、电阻阻抗低。 | High voltage and power density. 高电压和功率密度。 | Depends on the materials. 取决于材料。 |
scalability and applicability 可扩展性和适用性 | Affected by humidity and other environmental factors. Apply to most scenarios, such as irregular and low-frequency mechanical energy collection. 受湿度和其他环境因素影响。适用于大多数情况,如不规则和低频机械能收集。 | Apply to most scenarios. 适用于大多数情况。 | Affected by the range of working frequency. Normally being integrated to MEMS. 受工作频率范围的影响。通常与 MEMS 集成。 | Affected by solar radiation and temperature. Apply to transportation equipment, household & building systems, and others. 受太阳辐射和温度影响。适用于运输设备、家用和建筑系统等。 |
这些自供电系统在提高能源效率、降低维护成本和促进轨道系统绿色交通方面展现出巨大潜力。它们可以部署在轨道交通的各种场景中,为远程监控设备、信号系统和传感器网络提供可持续的动力。它还可作为列车运行和维护的辅助能源,从而支持智能交通系统的发展。大量研究强调了这些自供电设备在发电模式、应用场景和材料方面的创新,将其视为轨道交通可持续发展的关键驱动力。
目前,轨道交通中能量收集器的典型应用包括从悬挂装置、转向架、轮轴轴承和周围轨道等列车部件收集机械能。 37 研究人员针对这些应用场景开发了其他功能,如节能减震、状态监测和道路改善。 38 与普通铁路相比,高速铁路系统需要更严格的维护和对导线系统的异物检测。例如,Zheng 等人重点研究了高速铁路的导线系统,检测异物入侵以减少能量损失,防止架空接触网线路受损。 39 图 2A 显示了 Xiong 等人提出的沿轨道安装风障的建议,该建议旨在解决大风天气对在高速铁路上运行的车辆造成的风险,以及传感器在保持可持续运营方面面临的挑战。这种创新的风障结构不仅能减轻横风对列车的影响,还能利用风能为传感器供电,从而建立一个可持续的系统来检测铁路环境中的风速安全。 40 41 此外,还有各种自供电传感器设备,用于监控和维护列车沿线的其他基础设施,如隧道和桥梁。图 2B 展示了 Pan 等人利用高速列车通过隧道时产生的活塞效应来收集可再生风能,并为偏远铁路场景中的传感器供电。 42 拟议的 S 型转子和 H 型转子收集器可以有效地收集风能,从而促进隧道内传感器的可持续监测和维护。 这种方法最终有助于高速列车运行的长期安全。图 2C 展示了 Zheng 等人的新型隧道 WSN 节点自供电系统,该系统有助于实时监测隧道结构的安全特性。该系统采用电磁感应和压电贴片来收集风能。这种混合能源收集方法使该设备能够在高风速和低风速条件下有效地捕获风能,从而解决了地铁隧道安全监控系统所面临的供电难题。 43 对于桥梁结构,自供电装置可实现实时监测和评估,找出潜在问题,以便及时维护和修理。 44 图 2D 介绍了 Huang 等人在桥梁缆索上设计的自驱动加速度 TENG 传感器,该传感器可用于实时监测基础设施,包括桥梁上的铁轨。该传感器可捕捉振动信号和结构加速度响应,将 TENG 技术融入结构健康监测中,便于对桥梁缆索结构进行持续、长期的实时监测。 45

Figure 2. Railway energy harvesters in different scenarios
图 2.不同场景下的铁路能量收集器
(A) 铁路旁装有传感器的风障。 (Elsevier Publishing. 40 经许可转载。保留所有权利)。
(B) 隧道口的风能收集器。(爱思唯尔出版社。 42 经许可转载。保留所有权利)。
(C) 隧道内安装了各种传感器和自供电系统。(爱思唯尔出版社。 43 经许可转载。保留所有权利)。
(D) 桥梁缆索上的 TENG 传感器用于结构检测。(Elsevier 出版社。 45 经许可转载。保留所有权利)。
应用场景的多样化促进了对改进自供电设备材料的广泛研究。在轨道交通领域,开发先进的多功能传感和自供电柔性设备是切实加强自供电系统的多功能性,从而克服相应限制的一种方法。 46 例如,如图 3A 所示,Jin 等人 47 通过改进材料应用,提出了一种磁悬浮多孔纳米发电机(MPNG),使自供电装置具有柔性,更适合列车转向架。新材料的多孔结构提供了一个粗糙的表面,增强了能量收集的稳定性和可持续性。因此,MPNG 阵列可持续供电,向其他设备传输实时数据,实现铁路监控。此外,受折纸多层结构表面积增大的启发,Zhang 等人 48 通过改变材料开发了纸质 TENG(P-TENG),为三电能收集提供了有效的拓扑结构,如图 3B 所示。P-TENG 可在更广泛的几何配置范围和更适应振动能量收集的环境中显著提高 TENG 的输出性能。

Figure 3. Diversification of materials for self-powered devices
图 3.自供电设备材料的多样化
(A) 具有多孔结构和可弯曲性的磁悬浮多孔纳米发电机。(爱思唯尔出版社。 47 经许可转载。保留所有权利)。
(B) 基于折纸镶嵌(OT)的多形状、多层面 TENG。 (Elsevier Publishing. 48 经许可转载。保留所有权利)。
(C) 堆叠多个化学薄膜单元的块状压电传感器。(爱思唯尔出版社。 49 经许可转载。保留所有权利)。
(D) 采用层-粉-层结构的自供电宽带振动传感器。(爱思唯尔出版社。 50 经许可转载。保留所有权利)。
(E) 基于电纺纳米纤维的 TENG 自供电振动传感器。(Elsevier 出版社。 51 经许可转载。保留所有权利)。
除了使设备适应应用场景之外,许多研究还将重点放在了提高这些设备的能量收集效率上。 52 53 54 例如,在图 3C 中,孙 49 提出了一种无需电池的振动驱动力传感系统 (VFSS),该系统集结构加载、传感和能量收集于一体。该系统还利用化学合成可感知拉力和压缩力的新材料,将应变薄膜传感器集成到轴承中。所提出的 VFSS 能够为铁路转辙机系统的安全运行和持续监控提供实时数据。因此,材料创新也赋予了自供电设备更强的功能。如图 3d 所示,Lin 等人设计了一种具有层-粉层结构的自供电高频振动传感器(HVS)。HVS 增强了对更宽频率范围的轨道振动的响应,可提供多种应用,如突发振动检测、轨道断裂识别、汽车发动机监测等。在图 3E 中,Yan 等人 51 在轨道扣件上开发了一种电纺纳米纤维 PENG 传感器。该系统不仅能利用轨道振动能量实现可持续供电,还能根据轨道扣件的振动特性准确评估其松紧度。这种双重功能为维护工作提供了更多检测方法,对确保铁路安全运行至关重要。
尽管进行了大量创新研究,但目前的大多数研究仅将自供电设备视为电源。自供电设备缺乏多功能性,因此不适合集成,导致利用率低,包括在设备不工作时造成一定的空间和成本浪费。然而,能量收集是一项涉及材料、机械、电子和控制的多学科技术。跨学科研究可以拓展自供电设备的功能。 55 56 尤其是自感应应用,它利用自供电设备直接产生的电压和电流信号,在轨道交通和其他自供电应用场景中得到了广泛讨论。自感应应用可对列车及其周围环境进行直观、准确的状态检测。在新兴信息和通信技术(包括物联网框架和人工智能算法)的支持下,自感应收集的电压和电流数据可用于创建更智能、更高效的自供电节点。为了实现铁路的可持续发展,自供电传感技术必须成为推动该领域发展和实现智能应用的基础。
Advanced IOT applications
先进的物联网应用
物联网技术已开发出各种具有广泛功能的铁路专用应用程序。这些应用包括铁路物流、管理、维护、监测和控制系统, 8 46 旨在提高铁路管理和运营的可持续性。 10 物联网的发展使传感器可以部署在任何地点,并从传感器网络中获得更多高质量的信息和数据。然而,物联网不断扩大的容量也带来了一些挑战:单个传感器节点功能不足、这些传感器之间协调性差、能源供应不足、运行和维护成本高以及无线传输网络的服务质量问题。 57 不稳定和低效的物联网组件会对轨道交通造成重大风险和影响,尤其是在铁路、电气和维护安全方面。
因此,整合前面讨论的自供电和自传感技术对于铁路物联网的可持续绿色发展至关重要。 58 59 60 各种能量采集和传感技术可使传感器或物联网应用实现自给自足或自我支持。 11 Liu 等人 61 讨论了若干自给自足的物联网系统,包括能量收集器、传感设备和信号传输系统。这些设备和系统利用广泛的铁路基础设施内的技术来降低其生命周期成本。同时,铁路设施可利用物联网应用进行预防性维护,从而提高轨道交通的安全性和效率。Yang等人 12 描述了一种更全面的物联网架构,包括从物理层、网络层到应用层的结构。本章也将参考此类架构,整理物联网中各种自供电和自传感设备的应用。如图 4 所示,本章将按照物联网的构成进行分析,重点关注无线智能传感器(WSS)、无线传感器网络(WSN)以及云端或本地终端数据存储。

Figure 4. A comprehensive IoT structure applied in sustainable and smart rail transit
图 4.应用于可持续智能轨道交通的综合物联网结构
Wireless smart sensors (WSS)
无线智能传感器(WSS)
以往的研究 62 63 64 广泛讨论了铁路物联网中传感器网络的组成。基于各种传感器的无线传感器节点是 WSN 的组成单元,也是物联网的基本组成部分。通常,无线传感器节点部署在基础设施或基站上,集成了多种类型的传感器、移动计算处理器和通信模块。随着微机电系统 (MEMS) 的发展,轨道交通物联网架构中的 65 传感器节点可以与能量收集器完全集成。这些节点还可以通过自供电和自传感模式实现智能化,从而增强其功能。本节将讨论轨道交通中的自供电 WSS,比较和分析可持续智能传感器节点在应用场景和功能方面的特点。
充足的能源供应可使单个设备独立、适当地嵌入各种应用场景。灵活的应用意味着可以在轨道车辆运行时收集和监控更多数据。一些研究已在列车轮轴上安装了无线传感器节点。 66 67 例如,Gong 等人 68 将可变电阻能量收集器 (VREH) 作为 WSN 节点嵌入列车轮轴,以持续监控轴承状况。图 5A 显示了嵌入轨道和铁路道岔中的节点,这些节点使用应力传感器监控结构,同时收集振动能量用于无线数据传输。 49 69 这种设置形成了一个集成的 WSS,可收集应力、信号和能量流。因此,所提议的系统开发出了一个自主、无需电池、可持续的监测节点。Wang 等人 70 将 WSN 节点嵌入到列车耦合方案中,集成了处理器、能量收集器、传感器和信号发射器,创建了列车内力监测系统。随着无线传感器变得越来越智能,物联网节点必须提供更多的功能,而不仅仅是简单的监测。遗憾的是,大多数自供电 WSS 都依赖于单个传感器收集的数据。然而,将能量收集器、传感器和无线传输模块集成到单个自供电 WSS 中,可以为轨道交通中的各种状态检测提供更准确的数据。图 5B 吴 71 提出了一种用于轨道探伤和定位诊断系统的无线声学传感器网络(WASN)。WASN 节点快速采样轨道表面的声发射信号,然后计算其特征参数并无线传输到网关进行数据处理。Wang 等人 72 设计了一种基于混合 TENG 和压电能量发生器 (PEG) 振动机制的自持式 WSS 节点。它包括一个微控制器单元 (MCU) 和一个射频 (RF) 收发器,用于在恶劣环境中持续监测轨道振动信号,如图 5C 所示。在拟议的自持式节点中,TENG 的输出作为加速度感应信号,随后由 MCU 进行处理。同时,PEG 为 MCU 和射频收发器提供持续供电,从而实现加速度信号的有效传输。Cii 等人 73 展示了一个由太阳能电池板供电的节点,其设计集成了电源管理、数据采集和无线传输电路。该节点将其产生的电压信号传输到车载控制单元,同步监测和控制列车的状态。

Figure 5. WSS applications in different railway scenarios
图 5.WSS 在不同铁路场景中的应用
(A) 集成了应力、信号和能量流功能的智能组件。(爱思唯尔出版社。 49 经许可转载。保留所有权利)。
(B) WSS 监测结构振动响应。(爱思唯尔出版社。 71 经许可转载。保留所有权利)。
(C) 低功耗 WSS 设计用于监测各种设备的异常振动。(爱思唯尔出版社。 72 经许可转载。保留所有权利)。
Wireless sensor network (WSN)
无线传感器网络(WSN)
WSN 由空间分布式独立传感器节点组成。 62 轨道交通环境的动态特性要求构建更加稳定和安全的 WSN 74 ,以实现对嵌入式设备的统一、高效和智能监控和管理。除了 WSS 的自给自足和智能管理能力外,通信技术的进步还扩大了 WSN 的覆盖范围,使其能够适应铁路沿线的各种运行环境。本节将讨论工业 4.0 中 WSN 的改进、创新和发展趋势,通过集成自供电和自传感设备,为轨道交通提供基本通信功能。
Li 设计了一种 75 无电池铁路轨道缺陷监测系统,该系统利用射频能量收集铁路健康状态数据,并通过全球移动通信系统铁路(GSM-R)通信系统将数据传输到远程控制中心。Bi 76 提出了一种由 TENG 驱动的自供电传感器节点,该节点利用长时间演进(LTE)网络通信实现异常声音信号的远距离无线传输。除了 GSM-R、LTE-R 和 5G-R 等广域移动通信网络, 77 78 79 LPWAN(如长距离低功耗射频技术(LoRa)和窄带物联网(NB-IoT))也常用于轨道交通传感器节点与远程终端服务器之间的通信。 80 Quevy 等人使用 TENG 能量收集器为声学传感器供电。 81 考虑到能量收集的功耗限制,重点放在了传感器网络内协议和节点通信的功耗上。在嵌入式网关内的通信中选择了 LoRa 网络和云应用,以传输有关交通信号的数据。Gao 等人 82 构建了一个集成传感器节点,可在 MCU 中处理收集到的电压数据,识别负载并根据应变信号计算损坏程度。然后通过 LoRa 无线模块传输数据,对结构疲劳进行远程终端监控,如图 6 所示。

Figure 6. WSN applications with self-powered devices in railway: Processed voltage data is transmitted through the LoRa network
图 6.铁路中使用自供电设备的 WSN 应用:通过 LoRa 网络传输经过处理的电压数据
(爱思唯尔出版社。 82 经许可转载。保留所有权利)。
要利用传感器数据对列车进行控制和本地监控,就必须为局域网通信 83 84 构建一个高度移动的车载 ad-hoc 网络 (VANET),以确保数据的私密性和安全性。这些网络能够克服传输延迟和数据丢失问题,非常适合在具有挑战性的环境中进行长期监控。 85 蓝牙通常被用作一种方便且功耗相对较低的短距离本地通信方法,用于点对点传输自供电传感器节点在轨道环境中收集的数据。 66 Zanelli 演示了安装在列车车厢外的太阳能电池板,用于为传感器和通信模块供电。蓝牙低能耗 (BLE) 板从无线传感器节点接收数据并存储在本地。 13 Zigbee、WIFI 和射频识别 (RFID) 等其他短程通信网络也有广泛应用。 86 87 88 对于不同通信方法的性能和特点,表 2 列出了几种具体的比较结果。
Table 2. Comparison of different IoT communication networks and protocols based on self-powered systems
表 2.基于自供电系统的不同物联网通信网络和协议的比较
References 参考资料 | Self-powered harvesters 自供电收割机 | Communication 交流 | Distance 距离 | Power consumption 耗电量 | Application/Target 应用/目标 |
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Wang et al.86 Wang et al. | EMG | Zigbee | 10-100 m | Very low consumption 消耗量极低 | Transmit data from sensors mounted on the wheels to a monitoring terminal 从安装在车轮上的传感器向监控终端传输数据 |
Zanelli et al.13 Zanelli et al. | Photovoltaic generator 光伏发电机 | Bluetooth Low Energy 5.0(BLE) 低功耗蓝牙 5.0(BLE) /4G/LTE | 10-100 m | Very low consumption 消耗量极低 | Build a gateway, communicate with wireless sensor nodes through BLE in LAN; Data is transmitted to a remote PC via a 4G/LTE modem within the WAN 建立一个网关,通过局域网内的 BLE 与无线传感器节点通信;通过广域网内的 4G/LTE 调制解调器将数据传输到远程 PC 上 |
Dziadak et al.66 Dziadak et al. | PENG | BLE/WIFI | 10-100 m | Very low/Higher consumption 消耗量极低/较高 | The transmission protocol is selected according to the power generation, so that different modes of measurement data communication can be carried out 根据发电量选择传输协议,可进行不同模式的测量数据通信 |
He et al.89 He et al. | EMG | Wireless Transceiver 无线收发器 | 10-100 m | Low consumption 低消耗 | The vibration profile parameters collected by the remote data logger are transmitted for train positioning and axle safety monitoring 远程数据记录器收集的振动曲线参数被传送用于列车定位和车轴安全监控 |
Quevy et al.81 Quevy et al. | TENG | LoRa/NB-IoT/EnOcean/Miwi | 1-10 km 1-10 公里 | Very low consumption 消耗量极低 | A new traffic signal control method is designed by communicating with the remote server while tracking the vehicle 通过与远程服务器通信,同时跟踪车辆,设计出一种新的交通信号控制方法 |
Gong et al.68 Gong et al. | Variable reluctance energy harvester (VREH) 可变磁阻能量收集器(VREH) | Wireless Transceiver(RF) 无线收发器(RF) | 1-100 m | Adjustable consumption 可调节的消耗量 | The recorded temperature, vibration and strain are stored on an SD card and then transmitted to a PC via RF signals for monitoring 记录的温度、振动和应变被存储在 SD 卡中,然后通过射频信号传输到 PC 进行监测 |
Magno et al.88 马格诺等人 88 | Photovoltaic generator 光伏发电机 | Bluetooth/Zigbee 蓝牙/Zigbee | 2-30 m | Low consumption 低消耗 | Design wireless video sensor nodes with local processing, low-power hardware, power management, and energy harvesting 设计具有本地处理、低功耗硬件、电源管理和能量收集功能的无线视频传感器节点 |
Li et al.75 Li et al. | Radio-frequency energy harvester 射频能量采集器 | GSM-R | 1-10 km 1-10 公里 | Relatively high 相对较高 | The power supply and track health status are collected through RF and the railway status data is transmitted to the control center 通过射频采集供电和轨道健康状态,并将铁路状态数据传输到控制中心 |
Bi et al.76 Bi et al. | PENG | LTE | 1-10 km 1-10 公里 | Lower than GSM, higher than short-haul communication 低于 GSM,高于短途通信 | The track data is transmitted wirelessly to the remote server through LTE for foreign object detection 轨道数据通过 LTE 无线传输到远程服务器,用于异物检测 |
Cii et al.73 Cii et al. | Photovoltaic generator 光伏发电机 | Zigbee | 10-100 m | Very low consumption 消耗量极低 | All measured values are collected and the microprocessor properly analyzes the data. 收集所有测量值,并由微处理器对数据进行适当分析。 |
Sun et al.49 Sun et al. | PENG | WIFI | 100-300 m | Higher consumption 更高的消费量 | The track vibration signal collected by the energy collector is transmitted wirelessly to the client through WIFI 能量收集器收集的轨道振动信号通过 WIFI 无线传输到客户端 |
Balid et al.59 Balid et al. | EH Unit EH 股 | Zigbee | 10-100 m | Very low consumption 消耗量极低 | Use the advantages of a mesh network topology, thereby eliminating a single point of failure. 利用网状网络拓扑结构的优势,从而消除单点故障。 |
IoT platform 物联网平台
从技术角度看,物联网平台位于架构的应用层,也称为应用启用平台(AEP)。它包括一个可操作的上层基础设施,并为传感器节点收集的所有数据提供服务端点。随着自供电和自传感设备对 WSS 和 WSN 的支持越来越多,传感器数据量的不断增长要求物联网平台加强设备管理、数据安全和信息监管。自动化和持续的远程监控大大降低了人力和时间成本。目前,一些铁路自供电物联网应用通过 WSN 将数据传输到本地服务器或边缘设备进行存储或边缘计算。例如,He 等人 90 设计了一种自供电铁路货车监测传感器,该传感器采用肌电图技术,安装在货运列车的车厢上,用于收集货运车辆的监测数据。这些数据随后通过边缘设备 MCU 中的嵌入式算法进行读取和分析,从而帮助检测车轴裂纹。然而,考虑到嵌入式设备的计算能力和性能限制,许多研究通过广域网将数据传输到远程终端进行处理、计算和监控, 91 92 从而利用了云计算应用。
就物联网平台功能的可扩展性而言,无论是内部部署还是基于云的服务器,都可以通过集成数据分析或算法功能来实现智能操作,而不仅仅是简单的数据监控。如图 7A 所示,基于云的部署可通过算法软件更轻松地扩展应用,在线维护也可降低成本, 12 93 94 。Gao 等人将原始数据传送到云端,由云端部署的算法识别异物入侵并检测轨道交通场景中的故障。 95 本地部署保留了实时可靠的性能和较高的安全性。相关研究的重点是在本地网关或服务器中嵌入 ML 算法,以便在各种场景中实现更快的异常检测, 13 67 91 如图 7B 所示。Chen 重点关注在边缘设备上提供各种功能,使用本地数据推理来检测异常。 96 他认为,本地部署可最大限度地减少维护工作和数据传输成本,而端到端推理可减少潜在的数据安全问题。

Figure 7. Cloud or local IoT platform based on self-powered devices
图 7.基于自供电设备的云或本地物联网平台
(A) 混合多模式可再生能源采集系统(HHMRES)的云处理和本地监控。(爱思唯尔出版社。 93 经许可转载。保留所有权利)。
(B) 本地数据接收和处理来自自供电传感器的数据。(爱思唯尔出版社。 91 经许可转载。保留所有权利)。
从架构的角度来看,物联网包括物理层、网络层和应用层,与所讨论的 WSS、WSN 和物联网平台组件相对应。自供电和自感应设备的使用推动了轨道交通物联网技术的各种进步。自供电技术可为铁路场景中的传感器设备提供可再生能源,而自传感技术则可在铁路环境中提供各种类型的传感器数据。这些技术的结合实现了更环保、更可持续的车辆和环境监测。然而,要满足工业 4.0 的智能需求,还需要进一步扩展应用功能。物联网平台已经为部署智能算法提供了必要的环境。因此,研究 ML 和 AI 算法的应用和发展对于在轨道交通物联网中实现智能 AIoT 至关重要。
Advanced algorithms 高级算法
自供电和自传感技术为轨道交通提供了前景广阔的能源解决方案。物联网在轨道交通中的应用使轨道环境中的传感器数据收集更加稳定和多样化。因此,先进的自供电系统在系统的前端和后端智能应用中都展现出巨大的潜力。 97
算法的发展一直伴随着智能交通和智能铁路的发展。传统上,数据分析和统计主要通过数学建模来处理。 98 然而,随着算法的不断改进和计算能力的增强,现在越来越多的自供电场景支持人工智能算法的部署,包括机器学习 (ML) 和深度学习 (DL) 应用。 99 ML 使计算设备能够模仿人类行为,从而在一定程度上实现数据处理的自动化和智能化。 100 101 流行的 ML 算法包括支持向量机 (SVM)、决策树 (DT) 和随机森林。SVM 是一种监督学习算法,擅长解决中小型数据集(如异常检测)中的非线性分类问题。
近年来,DL,尤其是人工神经网络(ANN)的快速发展,使其更接近实现人工智能。DL 中的监督学习大大增强了模型训练。 22 例如,卷积神经网络(CNN)主要用于计算机视觉(CV)中的特征提取,在各种场景的分类任务中表现出强大的泛化能力。CNN 具有相对简单的模型结构和参数,可以处理恶劣环境中传感器收集的图像或复杂的多通道数据。此外,长短期记忆(LSTM)和门控递归单元(GRU)网络等递归神经网络(RNN)擅长处理长序列信号,如部署在现场的 TENG 传感器产生的长期电压功率序列信号。这些 RNN 可捕捉时间序列中的序列关系和位置信息,处理长距离依赖关系,并准确识别设备状态随时间的变化。此外,以在自然语言处理 (NLP) 领域取得成功而闻名的先进变压器网络还利用自我注意机制对一般时间序列进行回归预测,从而实现常规异常状态警告。
目前,算法在轨道交通研究中的应用已经形成了一个相对成熟的体系。 16 一方面,ML 以基本数学原理为基础,便于在广泛的应用场景中部署算法。另一方面,DL 凭借其模块化网络架构,可以实现更复杂、更智能的功能。因此,先进算法在轨道交通中的广泛应用是合理的,包括轨道环境监测、列车状态识别、车辆优化管理和驾驶员行为分析等。然而,无论是对轨道车辆 102 的控制,还是对基础设施的维护和故障检测,算法的研究和改进仍处于起步阶段。 103 目前的应用往往忽视了跨学科方法的重要性。由于单一算法的兼容性限制,许多研究都难以在不同场景中有效调整算法。因此,必须考虑算法在嵌入式设备上的实际部署,以便更有效地克服实际实施中的挑战。例如,Chen 等人 96 提出了一种基于自供电传感器和微小 ML 技术的低成本系统。嵌入式系统上部署了 RF 和深度神经网络 (DNN) 等多种算法和训练有素的模型。低成本 MCU 可以在毫瓦级功耗下运行设备上的 ML 模型,从而解决了高功耗和计算内存不足的问题。 他还利用在正常和异常轨道条件下收集的数据集来训练网络,最终检测出轨道环境中的各种异常状态。
本章分析了各种研究场景中的算法实例,为新兴智能算法与自供电、自传感技术和物联网应用相结合提供了新的证据,证明其具有显著优势和广阔前景。
Anomaly detection for rail environment
铁路环境异常检测
轨道交通基础设施的维护成本包括轨道、枕木、信号控制器和变压器等组件,占总支出的很大一部分,通常在 20% 到 30% 之间。 104 105 算法的应用对于减少轨道维护和管理所需的人力和物力资源尤为重要。通过在自供电系统中部署智能算法,可实现连续运行,从而在各种情况下对基础设施进行有效监控和预防性维护。 106
常见的监测和维护措施包括检测轨道上的缺陷或裂缝,以及监测轨道上的异物入侵或异常情况。表 3 举例说明了用于不同环境异常检测场景的自供电、自传感方法和算法类型。
Table 3. Algorithms and their features on self-powered devices
表 3.自供电设备上的算法及其特点
References 参考资料 | Self-powered 自供电 | Self-sensing 自感应 | Algorithm 算法 | Features of Algorithm 算法特点 | Application 应用 |
---|---|---|---|---|---|
Lu et al.69 Lu et al. | EMG | __ | Littlewood-Paley wavelet analysis Littlewood-Paley 小波分析 | For processing non-stationary signals and can provide both time and frequency information 用于处理非稳态信号,可同时提供时间和频率信息 | health monitoring of urban rail corrugation 城市轨道交通波纹管的健康监测 |
Meng et al.51 Meng et al. | TENG | Voltages 电压 | Features analysis of original voltage signals 原始电压信号的特征分析 | Extract key features of the voltage signal, such as amplitude, frequency, and phase 提取电压信号的主要特征,如振幅、频率和相位 | Rail fasteners tightness safety detection 轨道紧固件松紧度安全检测 |
Alavi et al.107 Alavi et al. | PENG | Voltages 电压 | Three-dimensional finite element model analysis 三维有限元模型分析 | Complex three-dimensional physics problems are simulated numerically 对复杂的三维物理问题进行数值模拟 | Road Detection 道路检测 |
Bi et al.76 Bi et al. | TENG | __ | Analysis of sensor capacitance changes resulting from by the sound signals 分析声音信号导致的传感器电容变化 | Measure the effect of sound signal on sensor capacitance 测量声音信号对传感器电容的影响 | Railway foreign matter intrusion detection 铁路异物入侵检测 |
Magno et al.88 马格诺等人 88 | Photovoltaic generator 光伏发电机 | __ | CV image processing: Background subtraction CV 图像处理:背景减影 | Remove the static background from the video frame to highlight moving objects 移除视频帧中的静态背景,突出移动物体 | Abandoned/Removed object detection 废弃/移除物体检测 |
Chellaswamy et al.108 Chellaswamy et al. | __ | __ | Particle Swarm Optimization(PSO) 粒子群优化(PSO) | An optimization algorithm based on swarm intelligence 基于蜂群智能的优化算法 | Railway track irregularity detection 铁路轨道不规则检测 |
Sun et al.109 Sun et al. | PENG | Voltages 电压 | Multi-stable phase trajectories and wavelet analysis 多稳相位轨迹和小波分析 | The behavior trajectories of the system in different stable states are analyzed for nonlinear dynamic system analysis 分析系统在不同稳定状态下的行为轨迹,进行非线性动态系统分析 | Rail corrugation detection 轨道波纹检测 |
Wang et al.7 Wang et al. | EMG | Voltages& Electromotive forces 电压和电动势 | Short Time Fourier Transform (STFT) analysis 短时傅立叶变换 (STFT) 分析 | Fourier transform is applied to the local time period of the signal 对信号的局部时间段进行傅里叶变换 | Rail corrugation detection 轨道波纹检测 |
Sun et al.110 Sun et al. | EMG | Voltages& Electromotive forces 电压和电动势 | Time-frequency wavelet analysis 时频小波分析 | The combination of time and frequency analysis provides time-varying frequency characteristics of the signal 时间分析和频率分析相结合,可提供信号的时变频率特性 | Rail corrugation detection 轨道波纹检测 |
Wang et al.111 Wang et al. | EMG | __ | Stack Denoising Autoencoder (SDA) 堆栈去噪自动编码器(SDA) | Multiple Denoising Auto encoders are stacked together to form a deep architecture 多个去噪自动编码器堆叠在一起,形成一个深度架构 | Transformer fault detection 变压器故障检测 |
Kamakshi et al.84 卡马克西等人 84 | PENG | __ | Collision Avoidance Algorithm 避免碰撞算法 | Distance measurement and threshold crossing 距离测量和阈值跨越 | Train collision prevention 防止火车相撞 |
鉴于机械设备的振动信号通常是非线性和非稳态的,表 3 中的大多数研究都采用了时频分析方法,如快速傅立叶变换 (FFT) 或小波分析来提取信号特征。 7 69 110 FFT 适用于快速有效地获取信号的频率分布信息,尤其适用于静态或瞬态信号分析。例如, 109 在 MATLAB 程序中使用了低通巴特沃斯滤波器来获取能量收集传感器的实时时域感应电压,并应用 FFT 来获取频谱特征。此外,还对波纹钢轨和非波纹钢轨的加速度数据进行了小波时频变换,以比较小波频谱图中的敏感突变点,从而确定轨道的健康状况。
不同类型的 DL 可以适应各种功能。在图像数据处理中,CNN 主要用于计算机视觉(CV)中的特征提取,在不同场景的分类任务中表现出强大的泛化能力。Zheng等人提出了一种时空增强型(STE)CNN,通过特征级时空一致性强调异物的空间响应,有助于高速铁路导管系统的预防性维护。 39 因此,神经网络可以有效地从图像中提取特征进行学习和识别,从而实现更精确的轨道检测。 112
然而,在处理收集到的信号时,外部传感器总是容易受到天气和设施结构变化等环境因素的干扰。因此,利用自供电设备产生的自感应信号(如电压或功率时间序列)也是可行的。由于轨道基础设施直接影响铁路安全,将所有功能集成到自供电设备中可节省安装传感器的物理空间。此外,仅通过自供电和自传感设备部署算法应用,可避免侵入性设备对列车运行和周围轨道基础设施定期维护的影响。
除了跟踪基础设施外,还在自供电系统中部署了大量算法研究,以检测其他铁路基础设施。例如,Wang 等人 111 利用 EMG 和堆叠去噪自编码器 (SDA) 算法来重建受噪声影响的电压数据,并获得稳健的特征表示。SDA 包括无监督预训练和有监督微调过程,利用训练数据检测轨道环境中的变压器故障。对于安装在桥梁上的自供电自感应设备,也有各种环境监测方法。 113 在图 8 中,Zhang 等人 114 使用三维有限元分析和 LSTM 算法来检测铁路线穿越的桥梁结构,Alavi 等人也是如此。 115 此外,在车站等需要采取防碰撞措施的特定场景中,一些研究采用了 Balise 建模、 116 线性拟合、 117 CNN、 118 和碰撞算法 84 等方法来识别车辆信息和感知列车位置,从而实现在列车车身周围避免碰撞。

Figure 8. Self-powered devices with different algorithms in railway scenarios
图 8.铁路场景中采用不同算法的自供电设备
用于检测桥梁结构的 LSTM 模型。(爱思唯尔出版社。 119 经许可转载。保留所有权利)。
State detection of rail vehicles
轨道车辆的状态检测
尽管轨道交通监控系统取得了重大进展,但货运列车等其他轨道车辆状况监控系统仍需达到所需的性能水平。 120 由于列车设备的复杂性,列车事故通常归因于车辆部件的磨损和疲劳。 114 对列车状况的实时连续监控可以及早发现部件故障,从而提高轨道交通的效率和安全性。为避免破坏现有设备布局,许多研究建议利用自供电设备来提高检测系统的整体可靠性。通过采用算法进一步利用来自不同组件的传感器数据,可以对来自列车不同部分的实时数据进行更合理的分析。
如前所述,转向架、车轴和车轮在运行过程中会产生大量机械能,这些能量可以被收集起来,如图 9A 所示。然而,这些关键且经常磨损的部件是健康监测和稳定性测试的重点。列车转向架是车体与轨道之间的唯一连接装置,在确保列车安全运行方面发挥着至关重要的作用。例如,He 等人 89 分析了基于 EMG 的能量管理结构 (EMI) 产生的电压信号,利用策略算法检测车轴裂纹。此外,一些研究还在转向架上安装了共振电磁振动能量收集器(REVEHs)。这些系统收集并分析振动信息,为货运列车提供实时诊断和监控。 121 Huang 等人 122 利用一维 CNN(1-D-CNN)从收集到的振动信号中提取特征,实现了有效的故障分类和故障部件定位。除了 CNN 之外,LSTM 算法还可以分析和预测列车运行过程中产生的数据序列,例如轴承磨损模式或振动信号。在图 9B 中,Fang 等人 123 在轴承中的自供电装置内部署了一个 LSTM 网络,用于检测异常并评估车轴的稳定性。LSTM 还有助于预测维护时间,减少意外停机时间,提高运输效率和安全性。其他研究 124 125 分析了车轴的自供电信号,用于智能城市交通场景中的监控目的。车轴是火车车轮和轨道之间的直接接触面,经常受到磨损。 因此,监测车轮及其轴承的状况同样重要。 126 Bernal等人 127 提出了一种基于模拟信号处理的故障检测系统,利用模拟加速度信号识别车轮的平面缺陷。这种方法降低了内存要求和功耗。其他研究利用对车轮附近自供电设备发出的信号进行时频分析,以监测和预测车轮状况。 92 95 128 收集自感应振动信号,分析其与噪声数据的相关性,以检测列车的动态行为,如车轮缺陷引起的异常。

Figure 9. Algorithms for state detection of rail vehicles
图 9.轨道车辆状态检测算法
(A) 轨道车辆的不同组件。
(B) 用于自供电设备轴承检测的 LSTM 模型。(爱思唯尔出版社。 123 经许可转载。保留所有权利)。
除了监控特定组件外,还应关注与轨道车辆相关的其他数据。例如,Zanelli 等人 13 利用货运列车车体上的太阳能来智能测量系统中特定点的压力值,包括监测主管道和制动缸中的压力,以确保安全。监控列车运行期间自供电设备的发电效率也至关重要。一些研究采用建模和 DNN 算法来预测车载设备的电压和发电量,从而间接分析列车运行状况。 129 130 Tian 等人 131 利用耦合性好、预测精度高的 LSTM 网络预测光伏发电的负载,从而提高了光伏发电融入轨道交通系统的稳定性。在智能交通领域,自供电和自传感设备以及车辆状态监测算法的研究也在不断发展。这些系统正变得越来越全面,采用时频分析和 DL 算法来监控各种数据类型,如速度、加速度和流量。 67 132 133 由于交通行业的共性,这些改进的算法在一定程度上也适用于轨道车辆, 134 实现了对各种车辆参数的有效实时监控,并在不同场景中实现了智能应用。
Behavior analysis of train drivers
火车司机行为分析
除了车载列车系统和周围基础设施的物理因素外,驾驶员的状态和行为等人为因素也会对列车运行安全产生重大影响。驾驶员疲劳和分心的影响尤其大,占道路交通事故的 36%。 135 136 Li 等人对人机信任的评估在高速铁路自动化中的智能交通自动化发展中起着至关重要的作用。 137 随着算法的进步,先进的人机协同驾驶系统通常会分析驾驶员的生理信号,建立动态智能管理模式,从而实现列车的智能化运行。
与其他车载传感器一样,自供电和自感应研究可应用于驾驶室内的各种设施。然而,摄像头和红外摄像机等非接触式传感器通常需要外接电源,且易受环境影响。相反,具有自供电和自传感功能的直接接触式设备更为合适。一种常见的方法是在方向盘上安装 TENG 传感器,以收集能量和信号。 138 Chen等人 139 利用多层感知器(MLP)从电压序列信号中提取特征,间接识别驾驶员行为并对其进行分类。此外,长时间操作的制动踏板也具有能量采集和信息收集的潜力。一些研究 140 141 将 TENG 传感器安装在移动的制动踏板上,并使用 FFT 算法分析驾驶员行为,如图 10A 所示。Zhang 等人 142 提出了一种驾驶员培训辅助系统(DTAS),该系统集成了三个三电驾驶操作传感器,包括换挡传感器、转向角传感器和踏板传感器。他还采用了在从时间序列数据中提取微妙特征方面特别有效的 CNN 网络来学习制动踏板产生的信号,从而检测和分析驾驶员的驾驶习惯。

Figure 10. Algorithms applied in Train cab scene
图 10.应用于火车驾驶室场景的算法
(A) 用于分析电压序列信号提取特征的 MLP。(爱思唯尔出版社。 140 经许可转载。保留所有权利)。
(B) CNN 用于监控驾驶员状态。(爱思唯尔出版社。 143 经许可转载。保留所有权利)。
(C) 用于识别驾驶员行为的多尺度 RCNN 训练。(爱思唯尔出版社。 144 经许可转载。保留所有权利)。
然而,通过其他设施进行的间接信号采集无法准确监测驾驶员的生理信号。先进智能交通的发展趋势强调了将人因工程学纳入车辆人体工程学的重要性。人因工程学为开发驾驶员监测系统(包括可穿戴设备和 ML 算法)提供了跨学科的视角,以提高安全性和舒适性。 145 Luo 等人 143 设计了一种安装在可穿戴颈圈上的绿色、可拉伸三电传感器,如图 10B 所示。将颈环置于安全位置,可收集颈部肌肉运动(包括转头、咳嗽和说话)产生的信号。通过 K-近邻(KNN)、SVM 和 CNN 算法,智能颈环还能对动作进行分类,以检测驾驶员疲劳和其他危险驾驶行为。在图 10C 中,Chen 等人和 Yang 等人 144 146 都设计了作为能量收集器和信号收集器的可穿戴腕带设备。Chen 等人的方法包括使用多尺度 RCNN 算法训练自感信号,从而准确识别驾驶员行为,提高驾驶系统中人机交互的可靠性。新的研究表明,还有其他有效的生理信号监测方法,可以最大限度地减少驾驶员的不适感。Zhang 等人 147 采用了一种使用 LSTM 算法的环形装置来识别驾驶员的手势和动作。它展示了人因工程学在交通场景中自供电和自传感可穿戴设备中的实际应用。
Optimization and control of rail transit devices
轨道交通设备的优化与控制
除了被动记录来自各种轨道交通场景的传感器数据外,自供电设备还应积极参与列车和其他基础设施的优化和控制。 148 利用灰狼优化和粒子群优化(GWO-PSO)算法开发了有限元分析模型,用于优化安装在货运列车悬挂减震器上的自供电设备。他们建立了一个车辆-轨道耦合模型,以预测更精确的振动响应,并提高列车悬挂系统在运行过程中的振动能量收集效率。同样,Fu 等人将 FFT 分析应用于从列车转向架上的振动能量收集器收集的传感器数据。 149 他们揭示了主振动频率在时域和频域上的变化,从而确定了设备的最佳振动频率。Lopes 等人 70 利用交互式自适应加权遗传算法(I-AWGA)确定了装置的最佳几何形状,充分利用了算法的适应性、并行性和全局搜索能力。这些研究旨在通过算法设计最大限度地收集能量。
在运行期间优化列车控制系统时,Zuo 等人 150 开发了基于自供电 PENG 的机电耦合模型,以预测图 11 所示的不同负载条件和列车速度下的性能。该模型随后被用于控制列车制动。Guo 等人 151 提出了一种很有前景的速度感应和制动监控解决方案。它采用控制算法来管理电子控制单元 (ECU),以实现速度控制。先进的智能控制系统对于确保关键时刻的车辆安全至关重要。

Figure 11. Optimizing control algorithms algorithm in railway scenes
图 11.铁路场景中的优化控制算法算法
用于激励分析的车辆-轨道耦合模型。(爱思唯尔出版社。 150 经许可转载。保留所有权利)。
除了设备和控制优化,算法在列车结构优化中也发挥着作用。例如,Lian 等人 152 利用 LSTM 模型来描述系统内数据关系的非线性函数。这使得高速铁路路基振动碾压过程的自适应参数控制成为可能,从而增强了结构稳定性。Sun 等人 153 通过采用改进的先验算法分析存储的历史数据并确定磁悬浮列车悬挂系统的自适应模糊规则,建立了中低速磁悬浮列车悬挂系统的数学模型。
Energy management of rail transit devices
轨道交通设备的能源管理
由于自供电设备的发展,一般传感器的能源需求可以得到充分满足。然而,由于收集的能量过剩,自供电设备必须具备能量存储和管理功能。一些研究利用控制策略 154 和频域分析 155 来有效管理自供电设备的功率流,从而实现能量平衡。Morais 等人 156 利用模糊逻辑控制和遗传算法元启发式自动调整模糊规则权重,优化了铁路运输系统中充电控制器的效率。智能能源管理对轨道交通的长期运营至关重要,尤其是当能量收集器暂时停止工作时。
此外,对于智能化程度越来越高的电网系统,将轨道交通的剩余能量传输到智能电网,进行统一的算法管理,可以全面监控电网状态和运行状况。 157 如图 12A-12C 所示,Liao 等人应用 CNN 算法对高压线路中传输的高频载波信号进行了精确解调。 158 在采用分布式自供电系统的轨道环境中,使用微电网和分布式电网可以增强电力系统的弹性,有效解决突然断电等潜在问题。 159

Figure 12. smart self-powered high-voltage monitoring
图 12. 智能自供电高压监控
(爱思唯尔出版社。 158 经许可转载。保留所有权利)。
(A) 自供电电力线监测系统的结构。
(B) 应用于信号分析的 CNN 网络。
(C) 识别谐波污染的训练和验证结果。
随着轨道交通自供电传感器的发展,利用 ML 算法来利用自传感数据是非常合理的。无论是监测铁路环境还是车辆状况,这些算法都能提高检测精度并增加新的功能。这些改进为工业 4.0 框架下的轨道交通智能化发展提供了支持。此外,针对设备和能源的优化算法可增强自供电设备的适应性和稳健性,确保可持续运行,为绿色铁路奠定基础。与公路上的自动驾驶技术类似,针对列车驾驶员的自供电自感应技术的人因工程研究也有助于轨道交通的自动化。
还有许多其他算法活跃在轨道交通领域。DL 的迁移学习尤其促进了先进算法在自供电和自感应技术等交叉学科领域的应用。正如本节所讨论的,自供电设备可在轨道交通场景中利用丰富的可再生能源,并利用与物联网技术相结合的算法来记录能量采集过程。跨学科应用可有效利用这些场景中的所有可用信息,为系统智能提供充足的数据和基础算法逻辑。算法的使用满足了工业 4.0 160 中数据驱动的复杂检测和决策要求,并展示了轨道交通中其他新兴技术的集成。
Opportunities for emerging technologies
新兴技术的机遇
除了在人工智能物联网和人工智能算法方面满足工业 4.0 的智能发展需求外,工业 5.0 引入了以人为本的理念,强调技术发展,优先考虑人类福祉、社会进步和环境可持续性。本节重点介绍轨道交通领域的新兴技术,包括人机交互的进步、数字物理空间的双向分析,以及对高速、大容量列车的改进。
Large language models (LLMs) for human-machine interaction
用于人机交互的大型语言模型 (LLMs)
如前所述,基于人工智能的方法可以自动分析数据,并通过学习历史数据提供准确的预测。特别是最近在大型语言模型(LLMs)方面取得的革命性进展,在处理自然语言处理(NLP)方面具有良好的性能。 161 Wang 等人 162 提出将LLMs与传感器网络和监控系统集成,分析运行历史数据和设备状态,从而生成相应的警报。LLMs 还可用于开发智能操作员辅助系统,以提供实时、精确的建议和决策支持,从而促进工业 5.0 所倡导的人机协作。由于其特性,LLMs 可以创建特定领域的知识库,并使用指令或提示进行微调。这些操作都允许在不同场景中处理定制任务。
随着LLM算法成为前沿研究领域,目前与自供电传感或物联网研究相关的文献还很少。然而,LLM在轨道交通领域具有巨大的潜力,尤其是在预测性维护和健康管理 (PHM) 系统中,其中包括对铁路设备的实时监控和评估,以及预测潜在故障。 163 在前面讨论的自供电传感和物联网框架中,能源供应充足和智能传感器管理等条件促进了通过其他 ML 或 DL 算法在轨道交通中广泛实施 PHM。因此,我们相信未来LLM可以很好地集成到自供电传感系统中,从而在轨道交通中实现先进的 PHM。
Digital twin (DT) for the virtual
虚拟数字孪生(DT)
数字孪生(DT)技术从物理空间收集大量数据,并对实体进行全面分析。其目的是生成完整的描述并将其显示在信息空间中,从而实现精确的远程管理。 164 165 在轨道交通领域,DT 技术可以对物理列车进行动态、个性化的数字模拟,从而实现预测性维护、自适应优化和故障检测等实时应用。 166 167 168 Liu 等人 169 建立了一个 DT 框架,用于填充列车运行的历史数据以进行故障诊断。他还在 DT 框架内利用虚拟现实映射来优化列车轴承的动力学模型。与 AIoT 框架下开发的大多数技术一样,DT 也集成了 ML 或 DL 算法,以做出数据驱动的智能决策,如虚拟环境中的模式识别和预测分析。Wu 等人 170 提出了基于 DT 的转向架故障诊断框架,该框架集成了七个维度的数据(从物理设备到供应商网络),并利用多层 CNN 数据驱动模型进行故障诊断,以应对转向架实时监控的挑战。Bosso 等人 171 在 DT 框架内采用 SVM 算法进行多体模拟。通过结合这两种技术,可以增强列车动力学分析的建模能力。
虽然有关自供电传感系统 DT 技术的文献有限,但许多研究都侧重于通过 DT 框架提高铁路安全、维护和效率。Wang 等人 172 分析了 DT 技术在牵引供电系统中的必要性,并全面探讨了其在节能方面的应用模式。文章强调,DT 可以促进轨道或铁轨模型的自我进化和更新。因此,它可以从多个维度收集状态数据,从而在轨道交通中以高可靠性和高效率实现对能源消耗和运营的并行控制。
High-temperature superconducting (HTS) and magnetic levitation (maglev) for high-speed railways
用于高速铁路的高温超导(HTS)和磁悬浮(maglev)
随着材料科学的发展,日趋成熟的高温超导(HTS)技术因其卓越的能量传输特性开始应用于轨道交通领域。 173 Allais等人 174 提出了 "超级铁路"(SuperRail)项目,该项目涉及铁路应用中高温超导直流电缆系统的开发、制造、安装和长期运行。该项目旨在增强火车站的电力供应。基于 HTS 材料的磁悬浮(maglev)技术可以使列车在没有任何控制系统或运行速度的情况下保持稳定的悬浮状态。 175 HTS磁悬浮列车模型不需要车载牵引动力装置或车轮牵引附着力,因此车辆相对较轻,在高速轨道交通领域展现出巨大潜力。在图 13A 中,Fu 等人 176 讨论了车辆-轨道耦合振动的性能如何影响车辆的运行稳定性,并为提高此类高速列车的安全性提供了合理建议。此外,控制和优化算法也适用于该技术支持的列车。Li等人 177 采用模糊PID算法控制HTS磁悬浮列车的二级悬挂,提高了乘坐舒适性,为高速铁路应用中的人机工程学发展提供了更好的启示。图 13B 显示了 HTS 磁悬浮技术迄今为止取得的实际成果。

Figure 13. Advanced applications of HTS maglev train
图 13.HTS 磁悬浮列车的先进应用
(A) HTS 磁悬浮列车的垂直结构图。(爱思唯尔出版社。 176 经许可转载。保留所有权利)。
(B) 西南交通大学的 HTS 磁悬浮列车试验线。
Conclusion and challenges
结论与挑战
随着全球铁路网络的不断扩大和发展,自供电和自感应设备在各种轨道交通应用场景中变得越来越有效。本综述全面回顾了铁路行业自主能量采集设备的发展特点。它从发电方法、材料选择和应用场景等多个角度总结了当前自供电设备的特点和实现方法。此外,报告还分析了这些设备在现有物联网框架下的应用,讨论了这些设备与传感、通信和计算等物联网功能的集成所带来的自感应能力。通过广泛的研究讨论,我们可以明显看出,利用物联网架构中的网络层作为桥梁,物理层的机械设备可以与应用层的各种先进算法相结合。所有例子都展示了轨道交通中自供电和自传感设备的潜力和可能性。
结果表明,尖端技术(尤其是 DL 算法)的不断迭代和改进为轨道交通问题提供了全面的解决方案。这些方法提高了设备产生的传感器信号的利用率,并提供了成熟的人工智能物联网解决方案,将物联网与轨道交通相结合。因此,将自供电和自传感设备与先进技术相结合,可以极大地解决轨道交通中的现有难题,尤其是在高原、偏远山区和高寒地区的自主监控以及复杂信号的采集、处理和传输方面。然而,自供电传感技术的发展仍面临一些挑战,特别是在多种技术的集成方面。考虑到空间成本和经济成本,自供电设备与嵌入式系统(如物联网通信模块或人工智能芯片)之间的协调必须融入整体设计中。随着多种技术的整合研究,不同领域之间缺乏协调的问题趋于严重。
因此,我们确定了几个关键点,并探索了一些新兴的研究方向,最终为轨道交通的智能化发展提供了补充解决方案和更广阔的视角,如图 14 所示。

Figure 14. Prospects of sustainable and smart rail transit
图 14.可持续智能轨道交通的前景
Multifunctional deployment integration
多功能部署集成
目前的自供电技术大大提高了发电效率,并扩展了发电方式。那些仅作为电源的设备不足以适应不断变化的环境,缺乏实用价值。虽然本综述主要关注涉及自供电应用的场景,但随着功能的增加,相关研究的数量也在减少。因此,人们越来越重视将多种功能集成到单个自供电设备中,包括自感应、设备优化控制、数据通信和算法部署。值得注意的是,先进的自供电设备可通过 MEMS 技术集成物联网和人工智能功能,例如 TinyML 框架下的功能,而不会降低能效。 178 在轨道交通环境中,自供电技术的发展方向将继续集成和部署多种功能, 179 以便吸收和适应更先进的技术。
Customization and improvement of technologies and algorithms
定制和改进技术与算法
随着铁路环境变得越来越复杂多变,自供电和自传感设备所收集的能源和数据源也变得越来越多样化和异质化。研究中的单一方法已显示出局限性,例如太阳能或风能收集器在恶劣天气条件下无法发挥作用。可以采用特定的混合能源采集方法来解决环境中的其他有效能源。 180 它确保至少有一种可用资源可用于轨道交通的正常监控和维护。针对收集到的信息质量参差不齐和不完整等问题,需要对具体算法进行改进。改进措施包括引入噪声和偏差、轻量级模型和多模式信息融合。 181 轻量级模型可以提高在嵌入式边缘设备上部署的可行性。同时,多模式信息融合方法可以将从环境中收集到的丰富信号结合起来,增强轨道监控和车辆状态监控任务的鲁棒性。
Cross-disciplinary 跨学科
一些研究已经将轨道自供电和自传感技术与 DL 算法结合起来。可穿戴设计 182 和材料科学 183 等其他技术表明,跨学科应用仍然是技术发展的主流趋势。大量研究表明,单一领域内的具体问题可能过于复杂,要求过高,难以有效解决。然而,结合其他领域的工具可以直接帮助当前的研究工作。无论是辅助数据处理的算法,还是材料结构设计的理论方法,都有助于更好地优化轨道环境中安装的设备。此外,其他领域的先进分析方法也可以通过类似于迁移学习的方法提高研究效率。
Acknowledgments 致谢
本研究得到国家自然科学基金(51975490)、四川省科技计划项目(23QYCX0280、2022NSFSC0461)、宜宾市科技计划项目(2021ZYCG017、2023SJXQYBKJJH005、SWJTU2021020001、SWJTU2021020002ZYCG017、2023SJXQYBKJJH005、编号 SWJTU2021020001 和 SWJTU2021020002;以及成都市科技项目,资助号 2021YF0800138GX。
Author contributions 作者供稿
H.T.:方法、软件、写作--原稿。L.K.:调查、资源、写作--审阅和编辑。Z.F.:调查、资源、形式分析。Z.Z.:监督、项目管理、获取资金。J.Z:正式分析、写作--审查和编辑。H.C.:调查、资源。J.S.:资源。X.Z:资源
Declaration of interests 利益声明
作者声明,他们没有可能影响本综述所报告工作的已知经济利益或个人关系。
References
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