火车不仅环保，也是最安全的旅行方式之一。越来越多尖端的安全技术已被应用在列车、轨道和车站中，用以防止事故和人为疏失。

通过易于使用的票务门户网站，以及在应用程序、列车与车站内导入提供最新出行信息的旅客信息系统，大幅提升了乘客的出行体验。此外，越来越多的列车也开始提供网络连接服务。

铁路应用向来是推动技术进步的重要驱动力。早在 1920 年，人类便首次尝试实现列车自动运行。时至今日，全球已有多条铁路网成功导入无人驾驶列车并投入运营。

现今多数铁路系统已建置数字化系统、现代通信技术、各类传感器与监控设备。先进技术被广泛应用于列车控制、关键设备监测，以及将信息传送至中央控制中心，以提高运营效率并提升安全性。

此外，通过诊断数据的分析，维护与服务单位能及早发现异常，并在不影响列车运行的情况下，妥善规划维修作业。

铁路环境相当复杂。如图 1 所示，整个系统包含列车车体、具备道岔与交叉轨道的铁路网、信号系统以及视频监控系统，并与控制中心保持持续通信。列车的维护与检修则依据制造商所制定的保养周期，以及列车运行监测数据来进行。

加上乘客数量、列车延误原因、停运或故障状况、天气条件以及能源消耗等信息，整个铁路系统其实积累了庞大的数据量。然而，过去这些数据多半仅被分散且局部地分析，缺乏整体性的整合与运用。

人工智能特别擅长分析大量数据并找出其中的规律，因此铁路产业被视为非常适合导入 AI 技术的应用领域。通过 AI 与针对铁路需求所开发的长周期专属算法，铁路运营商预期可实现以下目标：

• 通过数字孪生（Digital Twins）的模拟技术，优化列车运行流量
• 通过优化加速和制动来节省能源
• 依据实际需求改善资产管理与资源配置
• 基于更先进的监控与传感技术，提高安全性并防止人为错误
• 通过更好的客流管理与信息提供，提升乘客体验
• 基于对轨道网络和列车监控数据的分析，实现预测性维护

如图 2 所示，AI 在铁路产业中主要有两大应用领域。其一，是整合列车与轨道端系统的数据，并结合票务系统、气象服务、维修厂、监控摄像头以及设备制造商等多方信息进行分析。通过比对历史数据与实际运行状况，可有效提升列车运行效率与交通流管理；同时，运维单位也能更快速地发现设备磨损或异常征兆，及早介入处理。

此外，AI 也可应用于列车本身，用于优化监控系统、提升行车安全，甚至实现无人驾驶运行。本文将聚焦于为机车头或铁路车辆后装（retrofit） AI 系统时，供电架构所面临的复杂挑战，以及如何支持本地端（边缘端） AI 数据运算，或将数据预处理后传送至中央高性能 AI 电脑进行分析。

模拟电路通常需要多种不同的供电电压，且电源设计必须依照设备需求进行定制。相比之下，多数数字电路则采用标准化输入电压，例如 3.3V、5V、12V，或工业应用常见的 24V；而系统内部所需的其他电压，则可通过 PCB 上的小型 DC/DC 转换器产生。这种供电标准化的设计，也让铁路设备的后装升级能够以少量标准电源方案来实现。

然而，铁路应用仍面临列车供电电压变化幅度极大的挑战。不仅电压容许范围相当宽广（约为额定电压的 60%～140%），还可能出现长达 20 ms 的瞬时断电情况（如图 3 所示）。

为了降低全球后装升级（retrofit）所需的不同设备型号数量，电源供应器应能涵盖整个输入电压范围，同时在安装方式上也需具备高度弹性。以下示例展示了博大科技（P-DUKE）如何通过专为铁路应用所设计的新产品系列来实现这些需求。

障碍物检测
对于行车安全以及最终实现无人驾驶运行而言，障碍物检测至关重要。系统必须能够识别人员、动物、车辆或土石滑落等障碍物。为此，列车周围环境会通过摄像头（视频与热成像）、雷达以及长距离 LiDAR 进行持续监控。

考虑到列车制动距离相当长，相关系统通常需要具备 1000 米或更远的检测范围，并且能在数毫秒内（而非数秒后）实时识别危险状况。

这只有将 AI 整合至列车上的系统中才能实现。同时，通过其他列车回传至中央平台的数据，搭配 AI 服务器持续分析与优化算法，系统得以不断提升。通过这种方式，每一套系统的目标识别能力都能持续进化与改善。

LiDAR 系统（激光雷达）会发射短脉冲激光，测量反射信号的飞行时间和角度，计算出物体的距离与位置。某家长距离 LiDAR 产品系列的制造商，正在寻找一套可即插即用（plug-and-play）的解决方案，该方案需适用于所有列车电压，并可在供电电压中断 20ms 的情况下维持系统运行。系统本身的输入电压范围为 9V～36V，功率需求则为 15W 或 35W。

如图 4 所示，P-DUKE 的 URCD 与 URED 系列产品已被选用于此应用：

它们涵盖了 14 – 160V 的完整输入电压范围，并提供 3.3 至 24V 的输出电压，功率等级有 10W、20W 和 40W。凭借 20ms 的维持时间（hold-up time）、EMI 滤波器和保护电路，无需外接任何元件。其 DIN 导轨安装选项和直插式端子连接器（push-in connectors），使设备能在数分钟内快速安装至机架中。

轨道控制

您是否还记得过去需要由工作人员沿着铁轨步行，检查轨道与道床状况的方式？这是一项相当危险的工作，且过去经常因此发生事故。如今，安装于列车底部的系统已能在列车行进间进行 3D 测量，并将数据传送至控制中心，再通过 AI 进一步分析，以用于安全监控、维护管理以及维修规划。

在此应用中，客户希望使用一套原本为严苛工业环境所设计的雷达系统，并以标准 24V 工业总线供电。这些系统会安装于公铁两用工程车（hi-rail truck）或检测列车上，因此必须能同时支持列车供电电压以及 24V 卡车电池供电（如图 5 所示）。

由于设备需安装于各式不同的车辆与列车底部，加上整体数量相对较少，因此需要一套易于安装的解决方案。考虑到此应用传输距离较短、所需功率较低，因此 10W 的 P-DUKE URCD10U 转换器成为理想选择，且可依需求采用 DIN 导轨安装或壁挂式安装方式。

轨道监控系统

轨道监控系统已存在数十年，其目的在于确保两列列车不会同时占用同一轨道区段。道床中的应答器（Transponders/Transmitters）会自动限制最大速度，或将当前位置传送给列车司机和控制中心。如果司机失去工作能力或毫无反应，警惕装置/无人警惕回路（Dead man circuits）会自动使列车停止。

现代系统则可执行更多功能，例如计算列车轴数，或收集与安全相关的数据，如转向架振动、制动状态，以及轴承与车轴温度等信息。

这同样产生了丰富的数据，这些数据也非常适合进行 AI 分析，以改善列车系统中的算法。然而，随之而来的是需要收集并传输更多数据，因此也必须对既有系统进行升级与改造（retrofit）。传统系统使用的是 12V/30W 的加固型嵌入式电脑，并且使用了输入范围为 9V–36V、18V–75V 或 43–160V 的电源系列，具体取决于其最初安装的列车类型。

然而，对不同列车的改装必须在各自的检修周期内进行。因此，所有系统若能使用单一型号的电源，将意味着后勤补给工作会大幅减轻。P-DUKE 凭借 URED40U 系列再次提供了合适的解决方案，该系列不仅可涵盖 14 – 160V 的列车电压范围，还能在相同的机壳尺寸中提供 40W 的输出功率。

以上只是铁路生态系统中部分现代化系统的例子，这些系统的功能皆可通过 AI 的导入进一步提升。通过现代传感技术与适当的分析软件，列车、轨道、平交道口、信号系统、转辙机、隧道、编组场以及站台等设施都能被全面自动化监测。借由 AI 的协助，来自数千个设备所产生的数百万条数据点，可以被用来优化各系统中的算法，进而提升对障碍物、危险情况或设备磨损迹象的识别能力。

再结合气象数据、订票系统信息、实际乘客流量、实际行车时间，以及维修保养结果等数据，将有助于达成更高的安全性、更好的客户满意度，以及更进一步的自动化运营目标。

为了实现上述目标，列车所需的系统升级必须采用统一且易于安装的解决方案，尤其是在电源供应方面更是如此。P-DUKE 提供了一个绝佳的平台，它涵盖了所有列车输入电压，提供多种标准输出电压，通过了铁路标准认证，无需外接元件，且易于安装。