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北京2022年3月2日 /美通社/ -- 短短十幾年間，中國鐵路實現(xiàn)了從步入到引領世界高鐵發(fā)展，已成為當代的“經(jīng)濟大動脈”。從2008年基建狂飆期的“四橫四縱”到2017年的“十橫十縱”，高鐵將中國經(jīng)濟送上了快車道，如今當產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整使發(fā)展城市群和城市圈成為國家戰(zhàn)略時，“經(jīng)濟毛細血管”的城際高鐵、城際軌道交通理所當然被納入了新基建的范疇。
城際間的列車和高鐵相比，只是外形稍有不同。但由于城際間交通變得更加公交化，運營頻次更高、上下站點更多，這意味著要實現(xiàn)更多的重聯(lián)重組，對安全性有著更高要求，而且要確保列車通信網(wǎng)的準確高效。另一方面，由于高鐵的速度已經(jīng)基本滿足需求，人們更關注乘坐的舒適性、娛樂性，無線充電、按摩椅甚至投影等技術都會用到列車中。這些新的發(fā)展方向需要新技術的支持，大數(shù)據(jù)分析、人工智能、無線傳感器、以太網(wǎng)等將越來越多導入到軌道交通設施中。
從1879年第一臺電力機車誕生起，電力電子即登場，最初主要是幫助實現(xiàn)列車更快的運行速度和更大的裝載能力。之后軌道交通的一系列創(chuàng)新都離不開芯片，如今無論是軌道感應和監(jiān)控、輔助電源、電力推進、信息系統(tǒng)、控制管理以及軌道旁信令和控制等應用中，芯片都發(fā)揮著重要作用。根據(jù)德州儀器（TI）區(qū)域銷售經(jīng)理Leo Chen的預估，一列完整的高鐵中，包含的芯片數(shù)量會高達二十萬顆，其中僅TI的芯片使用量就要達數(shù)萬顆。
德州儀器（TI）區(qū)域銷售經(jīng)理Leo Chen
自主化之路上的挑戰(zhàn)
2008年中國初入高鐵圈時，走的是和很多領域相同的貿(mào)工技之路，進口國外的設備在國內(nèi)組裝生產(chǎn)。十年后，具有完全自主知識產(chǎn)權的“復興號”完全采用自主標準設計，90%以上基礎零部件已經(jīng)實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。高鐵未來的發(fā)展繞不開兩大難點（同時也是重點） -- 復雜性及可靠性。
我國幅員遼闊，一輛列車既要在冰雪之地的東北安全運行，又要在潮濕的南方運行，既要滿足西藏的高海拔，同時也要滿足新疆的干熱氣候，如此復雜的應用環(huán)境使得系統(tǒng)設計更為復雜。而極端的氣候和地理差異，需要芯片廠家能夠提供通用性更強，同時耐溫范圍以及可靠性更強的產(chǎn)品。
國際上并沒有類似的應用環(huán)境，而且由于行業(yè)窄導致玩家很少，需要設計者自己基于需求不斷升級迭代。這意味著我國高鐵研發(fā)已經(jīng)進入了“無人區(qū)”，之前沒人做過，之后也沒人知道該怎么去做。要穿越高科技的無人區(qū)，需要有芯片領域的合作伙伴共同前行，只不過與其他行業(yè)相比對合作伙伴的要求更高，需要芯片及方案供應商有很好的系統(tǒng)know-how，能夠提供完整的系統(tǒng)、完善的技術支持。同時，由于長生命周期，需要產(chǎn)品具有一致性及持續(xù)穩(wěn)定的供貨能力，而且還要滿足未來8至10年的要求。
所幸自主化之路上并不只有孤獨寂寞冷，20世紀90年代中期，我國第一版國產(chǎn)化的電力機車驅(qū)動電路板，就采用了TI的C2000?控制器。上世紀80年代量產(chǎn)的C2000處理器，今天還在服務中國的軌道交通事業(yè)，TI始終如一，陪伴中國客戶一起解決設計中的困難和挑戰(zhàn)。
簡單的追求
千差萬別的應用場景和不同的應用需求造就的設計復雜性，需要供應商提供靈活的解決方案。以數(shù)字電源為例，高鐵中的用電設備種類非常豐富，不同種類的負載對于電源方案的要求也是不同的。TI的C2000數(shù)字電源產(chǎn)品，可以支持任意的控制模式及環(huán)路拓撲設計，支持不同的開關頻率，這樣客戶就可以用一個平臺覆蓋到多樣性的復雜電路的設計。
同時，C2000還具有實時處理特性以及完整的電源監(jiān)控和保護功能，下一代C2000還滿足SIL-D的功能安全特性，從而簡化復雜的安全設計流程要求。TI的處理器中集成了高性能的Arm®核與DSP，可以單芯片滿足復雜的運算及控制需求。同時還支持多協(xié)議通信接口，以實現(xiàn)高度可靠的互聯(lián)。
最安心的保障
眾所周知，鐵路系統(tǒng)的使用生命周期長達數(shù)十年之久，因此各個環(huán)節(jié)對可靠性都要求很高。就電力系統(tǒng)而言，列車中的動力電壓很高，從受電弓獲得的直流電壓約為1500伏，而后還包括交流380伏、直流110伏等等一系列不同電壓。因此為了避免芯片被擊穿燒毀，以及保證信號傳輸?shù)母呖煽啃裕捎酶咝阅芨綦x技術勢在必行。
TI基于二氧化硅的電容隔離技術，具有三大特點：首先是具有高達2100V的隔離電壓；其次是隔離層壽命長達一百年，滿足功能安全的時效要求；第三則是具有極低的電磁輻射。這三個特點使其非常適合軌道交通行業(yè)。
而在處理器方面，針對鐵路軌交對于備份冗余的需求，TI的雙核及多核處理器可以提供鎖步或者冗余功能，從而達到可靠性要求。
在功能安全方面，所有 TI 產(chǎn)品在發(fā)布之前都要接受資質(zhì)認證和可靠性測試或基于相似性證明的鑒定，從而保證產(chǎn)品具有高可靠性。TI的模擬和嵌入式處理產(chǎn)品滿足嚴格的功能安全標準要求（如 ISO 26262 和 IEC 61508）。并使用 TUV SUD 認證的功能安全硬件和軟件開發(fā)流程來開發(fā)并生產(chǎn)產(chǎn)品。TI 有大量的HiRel和車規(guī)級的產(chǎn)品，都可以滿足功能安全的要求。
一輛全新的高鐵從設計到測試再到正式量產(chǎn)載客，需要經(jīng)歷一個漫長的過程，這其中還要進行長達60萬公里的測試，以確保產(chǎn)品的安全可靠。TI始終為客戶提供高可靠、穩(wěn)定且超長的供貨周期以及不停產(chǎn)的承諾支持，并且可以提供涵蓋從處理器到模擬，從電源到傳感器，從隔離保護到無線的豐富產(chǎn)品組合及系統(tǒng)解決方案。
高鐵自主之路的同行者
除了復雜性和可靠性這兩個設計痛點之外，設計過程中另一個頭痛的則是對方案更新迭代的制約。各種原因造成高鐵的系統(tǒng)設計一旦定板，就幾乎沒有修改的可能，因此需要開發(fā)團隊具有長遠的思考。作為供應商，TI給出的解決方案是從產(chǎn)品定義開始就和客戶緊密合作，共同推進系統(tǒng)開發(fā)。
早在2008年TI就與南車株洲研究所（如今的中車株洲電力機車研究所）建立了聯(lián)合實驗室，雙方一起探討未來的場景、技術需要如何發(fā)展。2021年4月，聯(lián)合實驗室升級，株洲所的設計師可以借助TI品類齊全的模擬和嵌入式處理系列產(chǎn)品進行設計，包括實時數(shù)字信號處理器、氮化鎵(GaN)電源集成電路、行業(yè)領先的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及其他高可靠性產(chǎn)品。該實驗室可以支撐中車株洲做一些前沿性的設計和研究，同時TI也會投入資源為其專門定義和開發(fā)產(chǎn)品。
聯(lián)合實驗室升級的背后，體現(xiàn)出我國高鐵自主技術的進步，也體現(xiàn)出TI進入中國30多年來，對于中國鐵路發(fā)展歷史的見證。從當初的進口組裝到“復興號”的推出，如今中國引領了全球的軌道交通市場，高鐵也成為國家名片。在這個從跟隨到學習、再到超越的過程中，TI高度本地化的團隊一直陪在這條引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的路上。
未來除了現(xiàn)在的高鐵、地鐵、城際之外，也許磁懸浮列車、無軌列車等都會應用到日常的城市內(nèi)的交通出行上，而且智能交通系統(tǒng)中需要智能化、數(shù)據(jù)化以互聯(lián)化。TI正在與中車基于聯(lián)合實驗室進行更深層次的交流和互動，更深入地理解系統(tǒng)，共同探索也是為了能提供更多支持。Leo說道，希望看到通過TI和中車的合作，有更多的中國列車伴隨著“一帶一路”的發(fā)展飛馳在世界各個角落，這也是一名TIer“芯向中國，科創(chuàng)世界”的初心。
