編者按：傳感器作為“信息時(shí)代的神經(jīng)末梢”，已滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的每一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。本報(bào)日前刊登《》一文，作者九三中央科技委副主任、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長郭源生指出，“站在‘十五五’的新起點(diǎn)，我國傳感器行業(yè)面臨著巨大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)”，并建議未來聚焦電力、重大裝備、智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療與大健康、智能家電及消費(fèi)電子、城市安防、低空經(jīng)濟(jì)八大領(lǐng)域與場景，建強(qiáng)傳感器產(chǎn)業(yè)。本報(bào)特邀郭源生副理事長就上述領(lǐng)域傳感器應(yīng)用前景、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、未來建議等進(jìn)行展開闡述，以形成產(chǎn)業(yè)共識(shí)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

當(dāng)復(fù)興號(hào)動(dòng)車組以350km/h的速度穿梭在東西南北、縱橫交錯(cuò)的鐵路線上時(shí)，鮮有人注意到，這份平穩(wěn) 安全與舒適快速的背后，是車體、軌道、接觸網(wǎng)等無數(shù)個(gè)高鐵傳感器在各個(gè)關(guān)鍵部位默默守護(hù)，通過動(dòng)態(tài)采集獲取多維度的控制數(shù)據(jù)，確保運(yùn)行安全可靠。截至2024年底，我國可運(yùn)行高鐵動(dòng)車組超4800標(biāo)準(zhǔn)組，每列標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組（如CR400系列）搭載的獨(dú)立傳感器總數(shù)約2500個(gè)，其中智能動(dòng)車組傳感器數(shù)量已提升至3800個(gè)，運(yùn)行車輛搭載的產(chǎn)品總數(shù)約1.2億只。2024年車載關(guān)鍵傳感器集成模塊裝機(jī)量208萬套，分布在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)等核心部位，每列CR400動(dòng)車組搭載的關(guān)鍵傳感器集成模塊數(shù)量為165-180臺(tái)。

從2008年京津城際鐵路開通，到350km/h商業(yè)運(yùn)營和450km/h實(shí)驗(yàn)速度，高鐵每一次突破都伴隨著傳感器的技術(shù)創(chuàng)新與迭代升級(jí)。在智能化轉(zhuǎn)型背景下，傳感器早已超越簡單“數(shù)據(jù)采集器”，成為串聯(lián)“監(jiān)測-傳輸-分析-應(yīng)用”全鏈路的智能模塊與節(jié)點(diǎn)。從技術(shù)體系、應(yīng)用現(xiàn)狀、未來趨勢三個(gè)維度看，高鐵傳感器技術(shù)正朝著核心技術(shù)突破、高度集成、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)及自主創(chuàng)新的方向探索突破、鼎力前行。

高鐵傳感器技術(shù)：構(gòu)建多維度感知體系

高鐵運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，涉及機(jī)械、電學(xué)、熱力學(xué)等領(lǐng)域，單一傳感器無法滿足全場景需求。經(jīng)過十余年積累，我國形成以“功能導(dǎo)向、技術(shù)原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”為核心的三維技術(shù)體系，各類傳感器織就覆蓋高鐵全流程的感知網(wǎng)絡(luò)。

功能導(dǎo)向。按功能劃分，高鐵傳感器可分為安全監(jiān)測類、調(diào)度控制類和車載舒適類，分別占應(yīng)用總量的52%、28%和20%，從不同維度保障高鐵運(yùn)行。

1. 安全監(jiān)測類傳感器。高鐵的“安全防線”，檢測輪軌關(guān)系與軸承狀態(tài)，是安全核心和應(yīng)用占比最高的品類。

輪軌壓力傳感器：安裝于轉(zhuǎn)向架輪軸連接處，外殼為耐沖擊不銹鋼，內(nèi)部封裝高精度應(yīng)變片。列車行駛時(shí)，輪軌接觸應(yīng)力傳遞至傳感器，應(yīng)變片將力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)電信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后以50Hz采樣頻率輸出。其量程0-300kN，精度±0.8%FS，非線性誤差±0.5%FS，可捕捉5kN的壓力波動(dòng)，壓力超250kN時(shí)觸發(fā)一級(jí)預(yù)警。

軸溫傳感器：主流采用PT1000鉑電阻型，核心元件阻值隨溫度線性變化，測量范圍-40℃~150℃，分辨率0.1℃。通過真空封裝工藝，長期穩(wěn)定性誤差控制在±0.3℃/年以下，響應(yīng)時(shí)間不足0.8s。軸承溫度超80℃時(shí)駕駛室內(nèi)聲光報(bào)警，升至90℃時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)降速至200km/h以下。2024年全國高鐵通過該傳感器預(yù)警軸承過熱隱患67起，避免多起燒毀事故。

軌道位移傳感器：京滬高鐵軌道板基座每隔50米安裝一臺(tái)激光三角反射式傳感器，通過激光照射與反射計(jì)算位移，量程0-500mm，精度±0.08mm，重復(fù)性±0.02mm（相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的1/4）。軌道垂向沉降或橫向位移超2mm/24h時(shí)，系統(tǒng)推送養(yǎng)護(hù)工單。截至2024年底，全路安全監(jiān)測類傳感器總裝機(jī)量128萬套，重點(diǎn)線路如京滬線每公里配置62-65套。

2. 調(diào)度控制類傳感器：高鐵的“指揮中樞耳目”，是連接列車與調(diào)度中心，保障調(diào)度指令精準(zhǔn)執(zhí)行的“信息橋梁”。

速度傳感器：安裝在輪軸端部，通過感應(yīng)磁場變化輸出電信號(hào)。量程0-500km/h，300-450km/h區(qū)間精度±0.3km/h，輸出信號(hào)頻率0-10kHz，信噪比超60dB。與CTCS-3系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，列車速度與指令偏差超5km/h時(shí)自動(dòng)觸發(fā)制動(dòng)干預(yù)。

北斗定位傳感器：北斗三號(hào)雙頻傳感器，開闊場景平面定位精度±1.5m，高程精度±3m。隧道內(nèi)自動(dòng)切換“北斗+慣性導(dǎo)航”雙模模式，30秒內(nèi)定位誤差不超5m。定位數(shù)據(jù)以1Hz更新率傳輸至調(diào)度中心，助力優(yōu)化列車運(yùn)行間隔。

接觸網(wǎng)電壓傳感器：安裝在受電弓下方高壓柜內(nèi)電容分壓式傳感器，測量范圍15-35kV，精度±0.5% FS，適配50Hz±2Hz工頻交流電，25℃時(shí)介損值小于0.001。接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)超±10% 額定值（25kV）時(shí)，反饋至牽引變流器調(diào)整功率模塊，確保電機(jī)輸入電壓穩(wěn)定。

3. 車載舒適類傳感器：優(yōu)化乘客體驗(yàn)向“舒適出行”轉(zhuǎn)型，提升乘客舒適乘車體驗(yàn)。

車廂溫度傳感器：采用NTC熱敏電阻型，安裝在空調(diào)回風(fēng)口，測量范圍10℃-35℃，精度±0.3℃，采樣頻率2Hz。與空調(diào)PID 控制器聯(lián)動(dòng)，車廂溫度偏離24℃設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)調(diào)整出風(fēng)溫度與風(fēng)量，溫度波動(dòng)控制在±0.8℃以內(nèi)，避免“忽冷忽熱”。

振動(dòng)加速度傳感器：安裝在車體地板與座椅底部，量程±2g，靈敏度100mV/g，頻率響應(yīng)0.1-1000Hz，可捕捉低頻車體晃動(dòng)與高頻輪軌沖擊。垂向振動(dòng)加速度超0.15g 時(shí)，觸發(fā)座椅減震系統(tǒng)調(diào)整阻尼系數(shù)，降低乘客疲勞感。

CO?濃度傳感器：安裝在車廂側(cè)壁通風(fēng)口，測量范圍0-5000ppm，0-2000ppm 區(qū)間精度±50ppm，響應(yīng)時(shí)間不足20s。濃度超1500ppm 時(shí)，空調(diào)新風(fēng)量從20m3/(人?h) 提升至30m3/(人?h)。目前98%運(yùn)營高鐵配紅外氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)車廂環(huán)境參數(shù)全自動(dòng)調(diào)節(jié)。

技術(shù)原理。不同功能傳感器依賴差異化技術(shù)原理，力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、環(huán)境與位置檢測四大技術(shù)類別（占比 35%、25%、22%、18%），構(gòu)成高鐵傳感器技術(shù)基石。

1.力學(xué)檢測技術(shù)：監(jiān)測機(jī)械參數(shù)核心。

壓電式傳感器：基于PZT-5H壓電陶瓷材料，利用壓電效應(yīng)將外力轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大器與A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)數(shù)字量。絕緣電阻超1012Ω，工作溫度- 40℃~125℃，300km/h速度下動(dòng)態(tài)測量誤差±2%以內(nèi)，適用于輪軌沖擊力監(jiān)測。

應(yīng)變式傳感器：基于金屬箔式應(yīng)變片，變形時(shí)電阻值變化，通過電阻變化計(jì)算應(yīng)變。靈敏系數(shù)2.1±1%，柵長3mm，工作溫度-55℃~150℃，適用于軌道應(yīng)力、車體載荷等靜態(tài)或緩慢變化參數(shù)監(jiān)測。

2. 熱學(xué)檢測技術(shù)：捕捉溫度參數(shù)關(guān)鍵

熱電偶傳感器：由鎳鉻合金（正極）與鎳硅合金（負(fù)極）組成，兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)產(chǎn)生熱電勢，與溫度差成正比。測量范圍-270℃~1372℃，0-400℃區(qū)間精度±1.5℃，400℃時(shí)熱電勢28.943mV。用于列車制動(dòng)盤溫度監(jiān)測，溫度超 350℃時(shí)觸發(fā)冷卻系統(tǒng)噴水降溫。

紅外溫度傳感器：通過接收物體8-14μm 波長紅外線計(jì)算溫度，測量距離 0.1-10m，精度±2%FS，響應(yīng)時(shí)間不足100ms。安裝在軌道沿線電線桿上，非接觸測量接觸網(wǎng)線索溫度，超80℃時(shí)預(yù)警載流能力下降，調(diào)度中心調(diào)整列車運(yùn)行密度。

3.電學(xué)檢測技術(shù)：保障電氣系統(tǒng)安全

霍爾電流傳感器：基于霍爾效應(yīng)，電流通過導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生霍爾電壓，通過電壓計(jì)算電流。開環(huán)式霍爾電流傳感器量程0-500A，精度±0.5%FS，線性度小于 ±0.3%FS，帶寬20kHz，實(shí)時(shí)捕捉牽引電機(jī)電流變化。電流波動(dòng)超±15% 額定值時(shí)觸發(fā)電機(jī)保護(hù)。

絕緣電阻傳感器：測量范圍10?-1012Ω，精度±5%讀數(shù)，測試電壓可選500V或1000V。絕緣電阻小于10?Ω時(shí)，提示電纜絕緣層破損，觸發(fā)故障報(bào)警。

4. 環(huán)境與位置檢測技術(shù)：拓展應(yīng)用邊界

電容式濕度傳感器：通過濕敏電容電容值變化監(jiān)測濕度，測量范圍0-100% RH，20%-80% RH區(qū)間精度±3%RH，溫度系數(shù)小于±0.1%RH/℃。隧道濕度超85% RH時(shí)預(yù)警軌道銹蝕風(fēng)險(xiǎn)。

激光位移傳感器：接觸網(wǎng)導(dǎo)高測量用激光位移傳感器，量程0-200mm，精度 ±0.05mm，采樣頻率500Hz，捕捉導(dǎo)高動(dòng)態(tài)變化。導(dǎo)高偏差超±30mm時(shí)，提示調(diào)整接觸網(wǎng)高度，確保受電弓接觸良好。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。高鐵運(yùn)行工況多樣，接觸式、非接觸式、集成式三類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)（占比40%、35%、25%），適配不同場景需求。

1. 接觸式傳感器：精準(zhǔn)獲取局部參數(shù)

敏感元件與被測對象直接接觸，如軸溫傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器等。防護(hù)等級(jí)通常IP67，耐振動(dòng)等級(jí)20g，可承受20倍重力加速度振動(dòng)。使用壽命2.5-3年，年更換量約32萬套。國產(chǎn)化率達(dá)82%，軸溫、壓力等常規(guī)產(chǎn)品完全自主生產(chǎn)，性能對標(biāo)國際，價(jià)格低30%-40%。

2. 非接觸式傳感器：延長使用壽命

通過光學(xué)、電磁等非接觸方式獲取參數(shù)，如激光位移、紅外溫度傳感器，還有輪徑測量激光輪廓傳感器、受電弓碳滑板磨損監(jiān)測視覺傳感器等。防護(hù)等級(jí) IP65，耐沖擊等級(jí)50g（11ms），適用于軌道沿線惡劣環(huán)境。使用壽命6-7年，年更換量約16萬套，但精度＜±0.05mm的激光位移傳感器等高端型號(hào)進(jìn)口占比 63%，是產(chǎn)業(yè)突破關(guān)鍵領(lǐng)域。

3. 集成式傳感器：智能化發(fā)展方向

將多個(gè)不同功能敏感元件集成在一個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)“多參數(shù)一站式監(jiān)測”。CR400列動(dòng)車組車載多參數(shù)模塊，集成了溫、壓、振、濕度四種檢測功能，尺寸120×80×40mm，功耗小于5W，通過RS485接口與列車TCMS系統(tǒng)通信。降低布線復(fù)雜度，節(jié)省40%安裝空間，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。目前年增長率18%，CR400系列裝機(jī)率100%，成高鐵智能化“標(biāo)配”。

高鐵傳感器技術(shù)：應(yīng)用現(xiàn)狀與規(guī)模

經(jīng)過十余年規(guī)�；瘧�(yīng)用，高鐵傳感器形成 “全線路覆蓋、全參數(shù)監(jiān)測、全鏈路協(xié)同”格局。

整體應(yīng)用規(guī)模。高鐵傳感器已從早期“關(guān)鍵部件單點(diǎn)監(jiān)測”，發(fā)展為“全線路、全列車”面狀覆蓋，覆蓋范圍與配置密度持續(xù)提升。

1. 總量與分布

2024年車載傳感器裝機(jī)量208萬套，分布在動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)等部位，每列CR400動(dòng)車組搭載165-180臺(tái)；軌道沿線固定傳感器304萬套，含軌道位移、接觸網(wǎng)參數(shù)等類型，京滬、京廣等重點(diǎn)干線每公里配置62-65套，普通干線每公里45-50套，形成“每50米一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)”布局。

2. 線路與列車適配

所有運(yùn)營高鐵線路傳感器覆蓋率100%，無論是高寒哈大高鐵、山區(qū)成貴高鐵均實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)全面監(jiān)測。耐低溫軸溫傳感器工作溫度擴(kuò)展至-55℃~150℃，軌道位移傳感器增加熱模塊，2024年冬季通過傳感器監(jiān)測開展12次軌道除冰、8次接觸網(wǎng)融冰作業(yè)。列車配置上，CRH380系列單列車配置120-135臺(tái)傳感器，CR400BF-G智能動(dòng)車組達(dá)175-180臺(tái)，新增受電弓碳滑板磨損、輪徑自動(dòng)測量等傳感器。

全鏈路應(yīng)用。高鐵傳感器不僅是單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，更要通過“監(jiān)測-傳輸-分析-應(yīng)用”全鏈路數(shù)據(jù)協(xié)同將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為決策依據(jù)，實(shí)現(xiàn)軟硬件深度融合。

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測：精細(xì)化采樣策略

根據(jù)參數(shù)重要性動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣頻率與精度。安全參數(shù)（軸溫、輪軌壓力）采樣頻率30-50Hz，捕捉瞬間異常；舒適參數(shù)（溫度、濕度）1-2Hz，平衡精度與數(shù)據(jù)量；調(diào)度參數(shù)（速度、定位）10Hz，滿足實(shí)時(shí)性需求。其日均數(shù)據(jù)采集量 4.2TB，數(shù)據(jù)有效率超99.92%，為分析提供高質(zhì)量基礎(chǔ)。

2. 數(shù)據(jù)傳輸：多元化網(wǎng)絡(luò)保障

構(gòu)建“以太網(wǎng)+5G+光纖”傳輸網(wǎng)絡(luò)。內(nèi)部通過100Mbps車載以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，延遲＜20ms；列車與地面通過5G專網(wǎng)（時(shí)延＜50ms、帶寬1Gbps）傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，高速移動(dòng)場景丟包率＜0.01%；軌道沿線固定傳感器通過10Gbps 光纖連接區(qū)域數(shù)據(jù)中心。

3. 數(shù)據(jù)分析：混合架構(gòu)分層處理

采用“邊緣計(jì)算+云計(jì)算”混合架構(gòu)。通過部署2TOPS算力模塊，實(shí)時(shí)預(yù)處理數(shù)據(jù)，如濾波、異常值剔除，軸溫變化率超5℃/min 時(shí)1s內(nèi)觸發(fā)本地預(yù)警；云計(jì)算層國家高鐵調(diào)度中心大數(shù)據(jù)平臺(tái)，用隨機(jī)森林、LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法深度挖掘數(shù)據(jù)，2024年異常識(shí)別準(zhǔn)確率98.7%，通過軌道位移數(shù)據(jù)提前6個(gè)月預(yù)測 3處沉降隱患。

當(dāng)前技術(shù)水平。經(jīng)過多年攻關(guān)，在常規(guī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了自主突破，但高端技術(shù)與極端環(huán)境適應(yīng)性存短板，形成“部分領(lǐng)先、局部追趕”格局。

1. 優(yōu)勢領(lǐng)域：常規(guī)產(chǎn)品與集成技術(shù)領(lǐng)先

常規(guī)傳感器國產(chǎn)化率與性能達(dá)國際先進(jìn)水平。軸溫傳感器國產(chǎn)化率85%，速度國產(chǎn)化率92%。

2. 短板領(lǐng)域：高端與極端環(huán)境適配不足

高端傳感器依賴進(jìn)口：精度＜±0.05mm 的激光位移傳感器進(jìn)口占比68%；高精度振動(dòng)傳感器（±0.001g）進(jìn)口占比75%，壓電陶瓷元件在靈敏度與噪聲控制上有差距。

極端環(huán)境適應(yīng)性待提升：-40℃以下低溫，國產(chǎn)軸溫傳感器故障率14.8%（國際一流＜5%），低溫下信號(hào)調(diào)理電路漂移；強(qiáng)電磁環(huán)境（電場強(qiáng)度 30V/m），國產(chǎn)接觸網(wǎng)電壓傳感器數(shù)據(jù)偏差率 8.5%（國際標(biāo)準(zhǔn)3%），電磁屏蔽設(shè)計(jì)不足。

標(biāo)準(zhǔn)化缺失制約發(fā)展：無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系，不同企業(yè)傳感器接口、數(shù)據(jù)格式、通信協(xié)議不統(tǒng)一，難以兼容，增加運(yùn)維成本與管理復(fù)雜度。

高鐵傳感器技術(shù)：未來發(fā)展趨勢與自主創(chuàng)新途徑

隨著CR450科技創(chuàng)新工程推進(jìn)與高鐵智能化深入，高鐵傳感器技術(shù)將圍繞 “精度提升、環(huán)境適應(yīng)、集成化、智能化”展開迭代升級(jí)，通過核心技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，從“應(yīng)用大國”向“技術(shù)強(qiáng)國”轉(zhuǎn)變。

技術(shù)升級(jí)方向。適配更高運(yùn)營需求和標(biāo)準(zhǔn)。

1. 精度與響應(yīng)速度：滿足CR450型時(shí)速高達(dá)450km/h，對傳感器精度與響應(yīng)速度提出更高要求。

速度傳感器：精度從±0.3km/h 提升至±0.2km/h，響應(yīng)時(shí)間從10ms縮短至 5ms，通過優(yōu)化信號(hào)處理電路、采用24位ADC轉(zhuǎn)換器、引入數(shù)字濾波算法實(shí)現(xiàn)。

軸溫傳感器：測量誤差從±0.3℃控制在±0.2℃內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間從0.8s 縮短至0.5s，研發(fā)高純度（99.999%）鉑電阻元件，優(yōu)化繞組工藝，采用真空封裝與低溫漂電路設(shè)計(jì)。

軌道位移傳感器：精度從±0.08mm提升至±0.04mm，采樣頻率從10Hz提升至20Hz，依托量子傳感技術(shù)研究已突破。

2. 極端環(huán)境適應(yīng)性：攻克“高寒、高電磁、高振動(dòng)”難題。針對高鐵運(yùn)營環(huán)境多樣性，提升傳感器在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性。

高寒環(huán)境：目標(biāo)-50℃低溫故障率＜5%，采用陶瓷封裝材料將工作溫度范圍擴(kuò)展至-60℃~150℃，增加＜1W微型加熱模塊，選用低溫系數(shù)＜±5ppm/℃電子元件。哈大高鐵試點(diǎn)傳感器低溫故障率從 14.8% 降至 7.2%，預(yù)計(jì) 2026 年全面推廣。

高電磁環(huán)境：目標(biāo)強(qiáng)電磁環(huán)境數(shù)據(jù)偏差率＜3%，采用多層金屬屏蔽殼結(jié)構(gòu)，差分信號(hào)傳輸，研發(fā)抗干擾專用芯片。自主抗干擾接觸網(wǎng)電壓傳感器在30V/m 電場強(qiáng)度下，數(shù)據(jù)偏差率從8.5% 降至4.1%。

高振動(dòng)環(huán)境：目標(biāo)耐振動(dòng)等級(jí)從20g提升至30g，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用硅膠墊減震，敏感元件與外殼柔性連接，選用耐振動(dòng)電子元件。牽引電機(jī)振動(dòng)傳感器耐振動(dòng)等級(jí)達(dá)28g-30g，以滿足復(fù)雜環(huán)境需求。

3. 集成化與小型化：為釋放車體空間資源，傳感器向集成化與小型化發(fā)展，適應(yīng)多參數(shù)監(jiān)測需求。

集成化升級(jí)：從溫/壓/振/濕度的“4合1”向增加電流/位移的“6合1”升級(jí)，支持多類型工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與TCMS系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)無縫對接，低功耗設(shè)計(jì)（＜3W）。

小型化突破：依托MEMS工藝，將敏感元件、調(diào)理電路、傳輸模塊集成芯片。MEMS 軸溫傳感器芯片尺寸5mm×5mm，精度±0.2℃，響應(yīng)時(shí)間0.5s，體積比傳統(tǒng)小70%，功耗低50%，已在CR400BF-G試點(diǎn)，預(yù)計(jì)2027年規(guī)模化生產(chǎn)。未來模塊體積將再縮小30%，至84×56×28。

應(yīng)用場景拓展：未來傳感器應(yīng)用從“實(shí)時(shí)監(jiān)測”向“預(yù)測性維護(hù)、無人化運(yùn)維、個(gè)性化服務(wù)”拓展，實(shí)現(xiàn)“被動(dòng)響應(yīng)”到“主動(dòng)預(yù)判”跨越和轉(zhuǎn)變。

1. 預(yù)測性維護(hù)：從“故障修”到“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)型

傳統(tǒng)“故障修”“定期修” 模式易致列車停運(yùn)與資源浪費(fèi)，預(yù)測性維護(hù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn) “狀態(tài)修”。

以列車軸承維護(hù)為例，技術(shù)鏈條為“數(shù)據(jù)采集-特征提取-模型訓(xùn)練-故障預(yù)測”：振動(dòng)加速度傳感器（500Hz）與溫度傳感器（10Hz）采集數(shù)據(jù)；邊緣計(jì)算模塊提取振動(dòng)信號(hào)峰值、均方根等特征；特征參數(shù)與歷史數(shù)據(jù)輸入LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸出剩余壽命預(yù)測值；剩余壽命＜3個(gè)月時(shí)推送維修工單。

2. 無人化運(yùn)維：提升效率與安全性

高鐵環(huán)境復(fù)雜，無人化運(yùn)維設(shè)備成主力，實(shí)現(xiàn)“無人化、高精度、高效率”新模式。

軌道無人巡檢車：搭載激光雷達(dá)（100Hz，±2mm）、1200萬像素相機(jī)（30fps）、軌道位移傳感器（±0.05mm）、鋼軌和枕木探傷傳感器（50mm深度），夜間自主行駛（15km/h，續(xù)航200km），5G專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。AI算法自動(dòng)識(shí)別隱患，軌距偏差超±5mm標(biāo)記一級(jí)隱患，鋼軌裂紋超10mm標(biāo)記二級(jí)隱患。2024年在滬昆、蘭新部署50余臺(tái)，巡檢超10萬公里，發(fā)現(xiàn)156處軌道幾何偏差、48處鋼軌損傷，設(shè)備故障率降35%。

巡檢無人機(jī)：搭載紅外熱像儀（±0.5℃）、激光測距儀（±1mm）、2000 萬像素相機(jī)，沿接觸網(wǎng)自主飛行，監(jiān)測導(dǎo)高、拉出值等參數(shù)。當(dāng)高偏差超±30mm 時(shí)拍照定位，絕緣子污穢超標(biāo)時(shí)檢測泄漏電流。2024年哈大、鄭西高鐵應(yīng)用，效率比人工高5倍，發(fā)現(xiàn)32處隱患。

規(guī)劃2028年實(shí)現(xiàn)“軌道、接觸網(wǎng)、隧道檢測”全覆蓋，無人巡檢設(shè)備保有量500臺(tái)（套），覆蓋率超65%，運(yùn)維人員減30%，效率提升50%，安全事故率每百公里降至0.1%以下。

運(yùn)營車輛同步檢測模式創(chuàng)新：由于專用檢測車存在監(jiān)測間隔長、覆蓋不連續(xù)的局限。未來通過在運(yùn)營車輛上搭載軌道幾何、接觸網(wǎng)狀態(tài)、線路環(huán)境等專用檢測裝備與傳感器，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的數(shù)據(jù)回傳，還能通過智能系統(tǒng)靈活選擇定點(diǎn)監(jiān)測、定時(shí)采集等模式，構(gòu)建全域無縫的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

這一模式創(chuàng)新將催生龐大的傳感器新增需求。參考專職檢測設(shè)備配置，每列新增200-300個(gè)專用傳感器測算（低于專職檢測車但覆蓋核心監(jiān)測維度），結(jié)合截至2024年底我國4800列配屬動(dòng)車組的規(guī)模，僅存量車輛改造就將帶來96-144萬個(gè)傳感器的新增需求；若疊加每年新增動(dòng)車組的配置，未來5-8年內(nèi)這一領(lǐng)域的傳感器需求總量有望突破1000萬個(gè)，為全域運(yùn)維安全筑牢感知基礎(chǔ)。

3. 個(gè)性化服務(wù)：打造“千人千面”乘車體驗(yàn)

傳感器技術(shù)拓展至乘客服務(wù)領(lǐng)域，提供個(gè)性化服務(wù)，提升乘車體驗(yàn)。

未來車廂環(huán)境個(gè)性化調(diào)節(jié)：每排座椅附近安裝PM2.5傳感器（0-1000μg/m3，±5μg/m3）、噪音傳感器（30-120dB，±1dB）、光照傳感器（0-100000lux，±5%）。PM2.5 超 50μg/m3時(shí)開啟局部凈化器；噪音超 65dB 時(shí)提醒降音并調(diào)空調(diào)風(fēng)速；光照傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)閱讀燈亮度。2024年CR400BF-G 商務(wù)座試點(diǎn)，乘客空氣質(zhì)量滿意度從85%升至96%，噪音滿意度從78%升至 92%。

乘客健康與舒適服務(wù)：座椅靠背壓力傳感器（0-2000N，±10N）監(jiān)測坐姿壓力，自動(dòng)調(diào)整座椅角度與坐墊高度；扶手紅外體溫傳感器（35℃-42℃，±0.1℃）監(jiān)測體溫，超37.3℃時(shí)通知列車員；老年或行動(dòng)不便乘客佩戴智能手環(huán)，心率異常或迷路時(shí)通知列車員。

個(gè)性化服務(wù)推送：圖像識(shí)別傳感器（結(jié)合隱私算法）識(shí)別乘客年齡、性別與行為，攜帶嬰兒時(shí)推送母嬰設(shè)施信息，用筆記本時(shí)調(diào)電源與降噪音，閱讀時(shí)調(diào)亮閱讀燈并關(guān)廣告屏。

規(guī)劃2030年實(shí)現(xiàn)全車廂覆蓋，提供“環(huán)境調(diào)節(jié)、健康監(jiān)測、服務(wù)推送”三位一體服務(wù)，乘客滿意度超95%。

產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展：構(gòu)建自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)

通過核心技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新，突破國外壟斷，構(gòu)建 “自主可控、技術(shù)領(lǐng)先、應(yīng)用廣泛”的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

1. 核心技術(shù)攻關(guān)：突破“卡脖子”難題

集中資源攻關(guān)高端傳感器與核心部件技術(shù)。

激光位移傳感器：研發(fā)2μm像素CMOS圖像傳感器、±0.1nm 波長穩(wěn)定性激光發(fā)射模塊，開發(fā)FPGA實(shí)時(shí)信號(hào)處理算法，精度從±0.08mm提升至±0.04mm，長期穩(wěn)定性誤差±0.005mm/年。當(dāng)前軌道位移監(jiān)測用激光位移傳感器精度為±0.08mm；接觸網(wǎng)導(dǎo)高測量已應(yīng)用精度±0.05mm 的中端產(chǎn)品，其中精度＜±0.05mm 的高端激光位移傳感器進(jìn)口占比仍達(dá)63%。未來軌道位移傳感器精度將通過技術(shù)升級(jí)提升至 ±0.04mm，逐步實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品本土化發(fā)展。

高精度振動(dòng)傳感器：優(yōu)化石英晶體切割與鍍膜工藝，開發(fā)噪聲電壓＜1nV/Hz 的低噪聲信號(hào)調(diào)理電路，精度從±0.01g 提升至±0.001g，頻率響應(yīng) 0.1-10000Hz。2024年實(shí)驗(yàn)室突破（±0.002g），預(yù)計(jì)2028年產(chǎn)業(yè)化。

核心部件：研發(fā)24位Sigma-Delta 架構(gòu)ADC芯片（采樣率1MHz，信噪比＞100dB），替代ADI、TI產(chǎn)品；研發(fā)耐低溫鉑電阻（3850ppm/℃±10ppm/℃）、HV1200硬度壓電陶瓷等敏感材料。

2. 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)：統(tǒng)一技術(shù)與應(yīng)用規(guī)范

加快構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系，解決兼容問題。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：制定《高鐵傳感器通用技術(shù)條件》，明確環(huán)境適應(yīng)性、精度等指標(biāo)；《接口規(guī)范》統(tǒng)一M12航空插頭、12V/24V供電等；《數(shù)據(jù)格式規(guī)范》統(tǒng)一 JSON格式、Modbus-RTU協(xié)議。

測試標(biāo)準(zhǔn)：建立國家級(jí)檢測中心，制定《測試方法》，規(guī)范性能、環(huán)境、可靠性測試。

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：制定《安裝與維護(hù)規(guī)范》，明確軸溫傳感器安裝扭矩 20N?m 等；《數(shù)據(jù)應(yīng)用規(guī)范》規(guī)范數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)攘鞒獭?/p>

3. 產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新：打造“產(chǎn)學(xué)研用服”一體化生態(tài)體系，推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

產(chǎn)學(xué)研合作：建立“高鐵傳感器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”和高鐵傳感器產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，依托現(xiàn)有科研優(yōu)勢推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化。

產(chǎn)用結(jié)合：傳感器企業(yè)與運(yùn)營單位合作迭代開發(fā)。例如，中車株洲所與上海鐵路局合作，在CR400上試點(diǎn)高精度振動(dòng)傳感器，1年測試后優(yōu)化電路，合格率從85%升至98%。

產(chǎn)業(yè)集群與基金：打造3個(gè)年產(chǎn)值超50億元集群，長三角聚焦激光傳感器與集成模塊，珠三角聚焦芯片與通信模塊，京津冀聚焦高端傳感器研發(fā)測試。設(shè)立百億元產(chǎn)業(yè)基金，支持技術(shù)改造與國際并購。

結(jié)束語：

感知技術(shù)賦能中國高鐵邁向全球引領(lǐng)新征程

從2008年京津城際鐵路開始到如今CR400動(dòng)車組馳騁，通過全鏈路閉環(huán)，組成4.5萬公里的高鐵“神經(jīng)中樞”，將事故率控制在0.01次/百萬公里以下，正點(diǎn)率超99.85%，傳感器默默擔(dān)當(dāng)著背后的“隱形基石”。未來高鐵結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)融合，無人化運(yùn)維又將迎來關(guān)鍵突破。依賴高精度量子傳感、低故障率耐低溫傳感與 AI 維護(hù)系統(tǒng)；無人巡檢車、無人機(jī)運(yùn)維，乘客享受個(gè)性化服務(wù)；通過運(yùn)營車輛與檢測功能深度融合，讓每列運(yùn)營動(dòng)車組成為移動(dòng)檢測終端，這無疑對于推動(dòng)傳感器產(chǎn)業(yè)化和技術(shù)創(chuàng)新提出新的挑戰(zhàn)和更高要求。

我國高鐵傳感器發(fā)展是“引進(jìn)消化”到“自主創(chuàng)新”的奮斗史。實(shí)踐證明堅(jiān)持需求導(dǎo)向與協(xié)同創(chuàng)新，可實(shí)現(xiàn)“跟跑”到“領(lǐng)跑”跨越。未來技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)輸出“一帶一路”，向世界輸出“中國技術(shù)”與“中國方案”，推動(dòng)全球高鐵發(fā)展。站在新起點(diǎn)，高鐵傳感器技術(shù)關(guān)乎高鐵產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)核心競爭力，關(guān)乎全球產(chǎn)業(yè)鏈地位。相信未來通過核心技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)生態(tài)完善，必將為中國高鐵全球引領(lǐng)提供強(qiáng)勁動(dòng)力，以及智能化、綠色化、國際化“顯性名片”。

作者 丨九三學(xué)社中央科技委副主任、中國傳感器與物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟常務(wù)副理事長 郭源生

編輯丨楊鵬岳

美編丨馬利亞

監(jiān)制丨趙晨

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