火車不僅環(huán)保，也是最安全的旅行方式之一。越來越多尖端的安全技術(shù)已被應(yīng)用在列車、軌道和車站中，用以防止事故和人為疏失。

通過易于使用的票務(wù)門戶網(wǎng)站，以及在應(yīng)用程序、列車與車站內(nèi)導(dǎo)入提供最新出行信息的旅客信息系統(tǒng)，大幅提升了乘客的出行體驗。此外，越來越多的列車也開始提供網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)。

鐵路應(yīng)用向來是推動技術(shù)進步的重要驅(qū)動力。早在 1920 年，人類便首次嘗試實現(xiàn)列車自動運行。時至今日，全球已有多條鐵路網(wǎng)成功導(dǎo)入無人駕駛列車并投入運營。

現(xiàn)今多數(shù)鐵路系統(tǒng)已建置數(shù)字化系統(tǒng)、現(xiàn)代通信技術(shù)、各類傳感器與監(jiān)控設(shè)備。先進技術(shù)被廣泛應(yīng)用于列車控制、關(guān)鍵設(shè)備監(jiān)測，以及將信息傳送至中央控制中心，以提高運營效率并提升安全性。

此外，通過診斷數(shù)據(jù)的分析，維護與服務(wù)單位能及早發(fā)現(xiàn)異常，并在不影響列車運行的情況下，妥善規(guī)劃維修作業(yè)。

鐵路環(huán)境相當復(fù)雜。如圖 1 所示，整個系統(tǒng)包含列車車體、具備道岔與交叉軌道的鐵路網(wǎng)、信號系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并與控制中心保持持續(xù)通信。列車的維護與檢修則依據(jù)制造商所制定的保養(yǎng)周期，以及列車運行監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行。

驅(qū)動鐵路 AI 新時代：車載邊緣運算與智慧軌道的電源解決方案

加上乘客數(shù)量、列車延誤原因、停運或故障狀況、天氣條件以及能源消耗等信息，整個鐵路系統(tǒng)其實積累了龐大的數(shù)據(jù)量。然而，過去這些數(shù)據(jù)多半僅被分散且局部地分析，缺乏整體性的整合與運用。

人工智能特別擅長分析大量數(shù)據(jù)并找出其中的規(guī)律，因此鐵路產(chǎn)業(yè)被視為非常適合導(dǎo)入 AI 技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。通過 AI 與針對鐵路需求所開發(fā)的長周期專屬算法，鐵路運營商預(yù)期可實現(xiàn)以下目標：

通過數(shù)字孿生（Digital Twins）的模擬技術(shù)，優(yōu)化列車運行流量

通過優(yōu)化加速和制動來節(jié)省能源

依據(jù)實際需求改善資產(chǎn)管理與資源配置

基于更先進的監(jiān)控與傳感技術(shù)，提高安全性并防止人為錯誤

通過更好的客流管理與信息提供，提升乘客體驗

基于對軌道網(wǎng)絡(luò)和列車監(jiān)控數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)預(yù)測性維護

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如圖 2 所示，AI 在鐵路產(chǎn)業(yè)中主要有兩大應(yīng)用領(lǐng)域。其一，是整合列車與軌道端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并結(jié)合票務(wù)系統(tǒng)、氣象服務(wù)、維修廠、監(jiān)控攝像頭以及設(shè)備制造商等多方信息進行分析。通過比對歷史數(shù)據(jù)與實際運行狀況，可有效提升列車運行效率與交通流管理；同時，運維單位也能更快速地發(fā)現(xiàn)設(shè)備磨損或異常征兆，及早介入處理。

此外，AI 也可應(yīng)用于列車本身，用于優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)、提升行車安全，甚至實現(xiàn)無人駕駛運行。本文將聚焦于為機車頭或鐵路車輛后裝（retrofit） AI 系統(tǒng)時，供電架構(gòu)所面臨的復(fù)雜挑戰(zhàn)，以及如何支持本地端（邊緣端） AI 數(shù)據(jù)運算，或?qū)?shù)據(jù)預(yù)處理后傳送至中央高性能 AI 電腦進行分析。

模擬電路通常需要多種不同的供電電壓，且電源設(shè)計必須依照設(shè)備需求進行定制。相比之下，多數(shù)數(shù)字電路則采用標準化輸入電壓，例如 3.3V、5V、12V，或工業(yè)應(yīng)用常見的 24V；而系統(tǒng)內(nèi)部所需的其他電壓，則可通過 PCB 上的小型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。這種供電標準化的設(shè)計，也讓鐵路設(shè)備的后裝升級能夠以少量標準電源方案來實現(xiàn)。

然而，鐵路應(yīng)用仍面臨列車供電電壓變化幅度極大的挑戰(zhàn)。不僅電壓容許范圍相當寬廣（約為額定電壓的 60%～140%），還可能出現(xiàn)長達 20 ms 的瞬時斷電情況（如圖 3 所示）。

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為了降低全球后裝升級（retrofit）所需的不同設(shè)備型號數(shù)量，電源供應(yīng)器應(yīng)能涵蓋整個輸入電壓范圍，同時在安裝方式上也需具備高度彈性。以下示例展示了博大科技（P-DUKE）如何通過專為鐵路應(yīng)用所設(shè)計的新產(chǎn)品系列來實現(xiàn)這些需求。

障礙物檢測

對于行車安全以及最終實現(xiàn)無人駕駛運行而言，障礙物檢測至關(guān)重要。系統(tǒng)必須能夠識別人員、動物、車輛或土石滑落等障礙物。為此，列車周圍環(huán)境會通過攝像頭（視頻與熱成像）、雷達以及長距離 LiDAR 進行持續(xù)監(jiān)控。

考慮到列車制動距離相當長，相關(guān)系統(tǒng)通常需要具備 1000 米或更遠的檢測范圍，并且能在數(shù)毫秒內(nèi)（而非數(shù)秒后）實時識別危險狀況。

這只有將 AI 整合至列車上的系統(tǒng)中才能實現(xiàn)。同時，通過其他列車回傳至中央平臺的數(shù)據(jù)，搭配 AI 服務(wù)器持續(xù)分析與優(yōu)化算法，系統(tǒng)得以不斷提升。通過這種方式，每一套系統(tǒng)的目標識別能力都能持續(xù)進化與改善。

LiDAR 系統(tǒng)（激光雷達）會發(fā)射短脈沖激光，測量反射信號的飛行時間和角度，計算出物體的距離與位置。某家長距離 LiDAR 產(chǎn)品系列的制造商，正在尋找一套可即插即用（plug-and-play）的解決方案，該方案需適用于所有列車電壓，并可在供電電壓中斷 20ms 的情況下維持系統(tǒng)運行。系統(tǒng)本身的輸入電壓范圍為 9V～36V，功率需求則為 15W 或 35W。

如圖 4 所示，P-DUKE 的 URCD 與 URED 系列產(chǎn)品已被選用于此應(yīng)用：

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它們涵蓋了 14 – 160V 的完整輸入電壓范圍，并提供 3.3 至 24V 的輸出電壓，功率等級有 10W、20W 和 40W。憑借 20ms 的維持時間（hold-up time）、EMI 濾波器和保護電路，無需外接任何元件。其 DIN 導(dǎo)軌安裝選項和直插式端子連接器（push-in connectors），使設(shè)備能在數(shù)分鐘內(nèi)快速安裝至機架中。

軌道控制

您是否還記得過去需要由工作人員沿著鐵軌步行，檢查軌道與道床狀況的方式？這是一項相當危險的工作，且過去經(jīng)常因此發(fā)生事故。如今，安裝于列車底部的系統(tǒng)已能在列車行進間進行 3D 測量，并將數(shù)據(jù)傳送至控制中心，再通過 AI 進一步分析，以用于安全監(jiān)控、維護管理以及維修規(guī)劃。

在此應(yīng)用中，客戶希望使用一套原本為嚴苛工業(yè)環(huán)境所設(shè)計的雷達系統(tǒng)，并以標準 24V 工業(yè)總線供電。這些系統(tǒng)會安裝于公鐵兩用工程車（hi-rail truck）或檢測列車上，因此必須能同時支持列車供電電壓以及 24V 卡車電池供電（如圖 5 所示）。

由于設(shè)備需安裝于各式不同的車輛與列車底部，加上整體數(shù)量相對較少，因此需要一套易于安裝的解決方案。考慮到此應(yīng)用傳輸距離較短、所需功率較低，因此 10W 的 P-DUKE URCD10U 轉(zhuǎn)換器成為理想選擇，且可依需求采用 DIN 導(dǎo)軌安裝或壁掛式安裝方式。

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軌道監(jiān)控系統(tǒng)

軌道監(jiān)控系統(tǒng)已存在數(shù)十年，其目的在于確保兩列列車不會同時占用同一軌道區(qū)段。道床中的應(yīng)答器（Transponders/Transmitters）會自動限制最大速度，或?qū)斍拔恢脗魉徒o列車司機和控制中心。如果司機失去工作能力或毫無反應(yīng)，警惕裝置/無人警惕回路（Dead man circuits）會自動使列車停止。

現(xiàn)代系統(tǒng)則可執(zhí)行更多功能，例如計算列車軸數(shù)，或收集與安全相關(guān)的數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)向架振動、制動狀態(tài)，以及軸承與車軸溫度等信息。

這同樣產(chǎn)生了豐富的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)也非常適合進行 AI 分析，以改善列車系統(tǒng)中的算法。然而，隨之而來的是需要收集并傳輸更多數(shù)據(jù)，因此也必須對既有系統(tǒng)進行升級與改造（retrofit）。傳統(tǒng)系統(tǒng)使用的是 12V/30W 的加固型嵌入式電腦，并且使用了輸入范圍為 9V–36V、18V–75V 或 43–160V 的電源系列，具體取決于其最初安裝的列車類型。

然而，對不同列車的改裝必須在各自的檢修周期內(nèi)進行。因此，所有系統(tǒng)若能使用單一型號的電源，將意味著后勤補給工作會大幅減輕。P-DUKE 憑借 URED40U 系列再次提供了合適的解決方案，該系列不僅可涵蓋 14 – 160V 的列車電壓范圍，還能在相同的機殼尺寸中提供 40W 的輸出功率。

以上只是鐵路生態(tài)系統(tǒng)中部分現(xiàn)代化系統(tǒng)的例子，這些系統(tǒng)的功能皆可通過 AI 的導(dǎo)入進一步提升。通過現(xiàn)代傳感技術(shù)與適當?shù)姆治鲕浖熊嚒④壍馈⑵浇坏揽凇⑿盘栂到y(tǒng)、轉(zhuǎn)轍機、隧道、編組場以及站臺等設(shè)施都能被全面自動化監(jiān)測。借由 AI 的協(xié)助，來自數(shù)千個設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)百萬條數(shù)據(jù)點，可以被用來優(yōu)化各系統(tǒng)中的算法，進而提升對障礙物、危險情況或設(shè)備磨損跡象的識別能力。

再結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、訂票系統(tǒng)信息、實際乘客流量、實際行車時間，以及維修保養(yǎng)結(jié)果等數(shù)據(jù)，將有助于達成更高的安全性、更好的客戶滿意度，以及更進一步的自動化運營目標。

為了實現(xiàn)上述目標，列車所需的系統(tǒng)升級必須采用統(tǒng)一且易于安裝的解決方案，尤其是在電源供應(yīng)方面更是如此。P-DUKE 提供了一個絕佳的平臺，它涵蓋了所有列車輸入電壓，提供多種標準輸出電壓，通過了鐵路標準認證，無需外接元件，且易于安裝。