軌道交通列車智能控制技術發展分析

周留運

(天津軌道交通運營集團有限公司 天津300384)

近年來，隨著科技的發展進步，軌道交通裝備技術水平也越來越高。基于通信的列車自動控制系統(CBTC)已成為信號系統主流技術，正在向全自動運行系統發展。當前計算機、通信、大數據、人工智能等技術的發展，將會帶動軌道交通行業技術裝備向更高的水平邁進，列車智能控制技術將成為下一步的發展方向。

1 信號系統概述

1.1 信號系統設備構成

以基于通信的列車控制系統(CBTC)為例，信號系統硬件設備主要由軌旁設備、車載設備、車站設備、中心設備、傳輸網絡等構成。以上設備共同實現了列車自動防護(ATP)、自動駕駛(ATO)、自動監控(ATS)功能。

1.2 聯鎖系統

聯鎖系統是保證列車運行安全，實現軌道占用、道岔、信號機之間正確聯鎖關系，也是軌道交通列車控制系統最基礎的控制子系統。

1.3 列車位置檢測和信息傳輸

用于列車位置檢測和信息傳輸的技術，主要有無絕緣軌道電路、計軸設備、點式信標、交叉感應電纜環線、漏纜、波導管、無線局域網等。列車精確位置的實時監測則是通過車載雷達、測速電機、地面信標等實現的。

1.4 列車移動追蹤

移動閉塞模式下，車載系統將列車的位置與運行方向發送給地面設備，區域控制系統結合聯鎖設備提供的軌旁設備狀態、區段狀態、道岔狀態等信息為每列車計算移動授權，實現列車追蹤間隔控制，保證前行列車和追蹤列車間的安全間隔。

2 全自動運行系統

全自動運行系統(FAO)是基于現代計算機、通信、控制和系統集成技術，實現列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通控制系統，以信號系統、車輛控制系統為核心，融合了綜合監控、通信、站臺門等系統，具備列車自動喚醒、啟動、休眠、自動出入庫、自動行使、自動啟停、自動開關車門、車輛自診斷等功能。

2.1 全自動運行系統構成

全自動運行系統中，信號車載系統與車輛系統通過電氣接口、通信接口實現對列車的控制。同時信號系統與綜合監控系統、電力監控系統、視頻監控系統、乘客導向系統、廣播系統、站臺門系統、自動售檢票系統等通過數據接口進行連接，實現系統間的數據交換。

2.2 自動化運行等級

國際公共交通協會將列車自動化運行分為G0A0、G0A1、G0A2、G0A3、G0A4 共5 個等級。

G0A0 為無ATP 防護下的人工駕駛；G0A1 為ATP 防護下的人工駕駛；G0A2 為半自動化列車運行STO；G0A3 為有人值守下列車自動運行DTO；G0A4為無人值守下的列車自動運行UTO。全自動運行系統指具備自動化等級G03 和G04 以上功能的系統。

2.3 全自動運行系統主要特點

一是系統兼容性：全自動運行系統以信號系統為基礎，集成各設備系統功能，因此完全支持CBTC 運行功能。二是高可靠性：在信號系統設備冗余的基礎上，采用了多重冗余技術，大大降低系統故障率。三是降低司乘人員勞動強度：由司機完成的操作完全由系統代替。四是安全性：全自動運行可以避免人為失誤，且系統具有障礙物檢測、脫軌檢測等更多的安全防護手段，并可與各系統緊急裝置進行聯動。

3 列車智能控制系統

列車控制系統是伴隨著科技進步而不斷發展的。每次技術的升級，都將帶來運行效率和安全性的提高以及人員勞動強度的降低。當前無線通信技術、人工智能的飛速發展，使得列車控制系統實現智能控制成為可能。

3.1 智能控制技術基礎

近幾年無線通信技術發展迅速，第五代蜂窩移動通信技術已經投入商用。無線通信實現了高帶寬、高容量傳輸，通過幀結構的優化設計，無線通信時延可以達到低于1 ms 的水平。這為車地無線通信大量數據無延時交換和列車精確定位提供了技術基礎。

計算機科學的進步，編程技術、數據算法、信息處理等技術的發展，推動了人工智能的研究和應用。神經網絡、深度學習、專家系統等促進了人工智能在更多領域得到發展和應用，也為軌道交通行業列車智能控制創造了技術條件。

3.2 智能車站

借助于人工智能、物聯網、大數據，通過計算機視覺、生物識別、智能傳感器、激光、紅外探測等技術，國內已經開始“智慧車站”建設試點，可實現票務、導乘等無人客運服務和車站設備設施智能化管理等。智能車站將為列車智能控制系統提供車站客流動態、設備狀態等運營數據。

3.3 列車智能控制優勢

列車智能控制系統將是在全自動運行系統基礎上的一個技術升級。當前全自動運行系統已具有較高的自主性，但是系統仍然是按照既定程序做出相應控制動作，而智能控制系統將會賦予列車控制系統“思考”和“判斷”的能力。系統通過深度學習、歷史數據積累、自我感知等完成數據分析處理，從而具備智能判斷能力，組織列車自主運行。

列車智能控制的另外一個重要特點就是實現列車運行圖動態調整，即實現智能調度。全自動運行系統列車按照既定運行圖、固定時刻表運行，列車區間運行、停站時間都是預先設定的。智能調度系統組織列車運行將會更靈活，每日運營前系統將根據歷史運營數據生成基礎運行圖，運營過程中將根據車站、車廂上客流狀況，實時調整所有列車運行時分和停站時間，自動增減上線列車數量，從而最大程度提高列車運行效率。

3.4 列車智能控制系統數據

智能控制系統的運行基礎是數據分析處理，所有列車與中心系統將共享數據。數據大致分為兩類：一類是基礎數據，包括線路地圖、線路條件、限速、道岔、信標、曲線、坡度等各類與運行相關的線路數據；另一類是實時數據，包括通過系統接口采集的其他系統數據、列車運行數據、位置信息數據、智能車站數據、列車傳感數據，臨時指令數據、故障信息等。

3.5 列車智能控制系統構成

列車智能控制系統將在現有全自動運行系統功能基礎上，結合人工智能進行技術集成和功能整合，向下兼容全自動運行系統，在列車上將采用更多的傳感、識別、探測技術為控制系統決策提供實時動態數據。

控制系統設備結構分為車載設備、地面和車站設備、中心設備。車載設備通過接口集成車輛各子系統及傳感數據。智能車站系統集成綜合監控、機電設備、站臺門等各專業系統。

車載系統、地面控制系統、智能車站系統通過車地通信網和通信骨干網絡接入中心系統。

4 結 語

列車控制系統正由基于通信的移動閉塞系統轉向全自動運行系統，進而實現全自動無人駕駛。城市發展客流增加帶來的實際運營需求和科技進步決定了智能控制系統將是軌道交通列車控制技術的發展方向，其對提高軌道交通運行效率，充分發揮行業公共交通載體功能具有重要意義。