簡談未來軌道交通列車控制系統(tǒng)技術的發(fā)展

崔俊鋒

(1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

軌道交通列車控制系統(tǒng)肩負著列車高效、安全、有序運行的重大責任，其技術演進和發(fā)展歷來謹慎。然而隨著環(huán)境、經(jīng)濟等因素的快速變化，列車控制系統(tǒng)也需要不斷發(fā)展以適應外界需求。同時，科學技術發(fā)展日新月異，計算機、通信、傳感感知、人工智能等技術顯著提升，這些技術與軌道交通深度結合，為列車控制技術演化提供了賦能手段。未來如何進一步提升列車控制系統(tǒng)的安全和效率、提升系統(tǒng)通用和兼容性、降低全生命周期成本，如何在多交通制式競爭中占據(jù)骨干地位，研究面向未來的列車運行控制系統(tǒng)技術發(fā)展具有重要意義。下面分析了主要外部因素變化為軌道交通行業(yè)帶來機遇和挑戰(zhàn)。

1.1 氣候變化和空氣污染

氣候問題已經(jīng)成為21 世紀最難解決的問題，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告提出要實現(xiàn)全球氣溫增幅控制在1.5℃之內(nèi)的目標，全球各國土地、能源、工業(yè)、建筑、運輸和城市建設等都應“迅速而廣泛”地改變，二氧化碳凈排放至2030 年要比2010 年減少45%，2050 年要實現(xiàn)“零凈排放”[1]。這就要求各行各業(yè)使用更加低碳環(huán)保的方式進行替代。我國提出打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)，“公轉鐵”則是交通結構調(diào)整的重要舉措[2]。社會對排放和能耗的關注，使得鐵路成為較公路、航空等其他運輸形式更有競爭力的手段，未來交通向軌道交通匯聚遷移的趨勢明顯。

1.2 都市圈和城市化進程

越來越多的人口將居住在城市，形成規(guī)模越來越大、數(shù)量越來越多的大都市和城市圈。比如我國的京—津—冀地區(qū)、廣—深—港地區(qū)、美國的波士頓—紐約—華盛頓通道等。大城市的數(shù)量和規(guī)模都在不斷增加，不斷加快的城市化進程將給本已緊張的城市體系和基礎設施帶來更多壓力，勢必要求都市圈內(nèi)的城市地區(qū)提高運輸效率增加運力、都市圈內(nèi)的城市間互聯(lián)互通形成同城效應、都市圈間的旅行時間縮短、小時可達。鐵路作為一種便捷、快速、大運量的交通系統(tǒng)，能促使大城市、都市圈經(jīng)濟集聚，使都市圈之間的空間聯(lián)系密切而形成聯(lián)合體空間格局[3]。

1.3 旅客出行和貨運物流需求

根據(jù)國際交通論壇預測，未來旅客和貨物的流動性較以往將大大增加。旅客流動性將增加200% ～300%以上，貨運物流將增加150% ～250%以上[4]。這意味著需要實施智能高效的解決方案以提供足夠的運輸能力來滿足大規(guī)模的旅客和出行商品貨物運輸?shù)男枨蟆３丝推谕ㄟ^以軌道交通為主干，結合公共汽車、商業(yè)運營汽車和共享單車等多種交通模式聯(lián)運，實現(xiàn)門到門、無縫連接、快捷舒適的出行，更短的旅行時間、可靠和準確的時刻安排、便捷的換乘和引導、優(yōu)惠的價格將是關鍵。同樣，貨主也期望多種交通模式聯(lián)運，實現(xiàn)貨物到達時間可期、狀態(tài)可實時追蹤、貨物門到門、價格具有競爭力的貨物物流運輸。

2 對未來列車控制系統(tǒng)技術的發(fā)展設想

從列車控制的角度，未來的軌道交通控制系統(tǒng)無論是列車還是地面設備，都沉浸在立體泛在通信網(wǎng)絡中，從乘客、車站、基礎設施、列車的各式各樣的傳感器中獲取信息，在統(tǒng)一開放的全局時空坐標系中，根據(jù)列車和相干列車的位置、速度、狀態(tài)信息，連續(xù)計算其安全運行包絡，鎖定和釋放軌道資源，智能控制列車自動、安全、高效運行。同時，與其他軌道交通、公共汽車、無人駕駛汽車、物流機器人、共享自行車等多種交通方式信息互聯(lián)互通，實現(xiàn)以軌道交通控制為核心的多模式無縫連接、綜合一體化運輸。

2.1 不同軌道交通制式兼容和互聯(lián)互通

中國列車控制系統(tǒng)采用自頂向下的規(guī)劃和統(tǒng)一設計，CTCS 自身具有較好的系統(tǒng)間的兼容性和產(chǎn)品互換性，為進一步實現(xiàn)國家鐵路不同速度等級鐵路胯下運行，可以發(fā)展通用一體化車載設備支持列車在跨高速鐵路、既有線、城際鐵路運行。另一方面，由于城市核心區(qū)與外圍城鎮(zhèn)組團之間對于快速、大容量、公交化軌道交通系統(tǒng)需求的快速增長，可進一步研究CTCS 和CBTC 的互聯(lián)互通，形成兼容干線鐵路和城市軌道交通功能需求和技術規(guī)范；根據(jù)技術需求，研究通用的系統(tǒng)結構、硬件平臺，達到制式間的互聯(lián)互通和兼容運行[5]。

2.2 統(tǒng)一的時空感知和坐標體系

時間和空間坐標系是列車控制的基礎，是用來描述列車運行位置、速度、安全包絡等信息的基本語言。就時間而言，除系統(tǒng)和子系統(tǒng)內(nèi)部使用的用于同步協(xié)調(diào)的內(nèi)部節(jié)拍之外，列車控制系統(tǒng)時間體系目前通過衛(wèi)星授時基本統(tǒng)一到UTC 時間。對于物理位置坐標體系，不同的列車控制系統(tǒng)采用的坐標體系還不盡相同。例如，CTCS-3/ETCS-2/CTCS-2 采用了基于應答器的坐標體系，既有線則采用了基于軌道電路區(qū)段的坐標體系，ITCS 則又使用基于關鍵點經(jīng)緯度的坐標體系。當前紛繁的坐標體系存在以下兩個方面的問題：第一，就安全控制本身而言，當前的坐標系不夠統(tǒng)一，互聯(lián)互通需要進行坐標系轉換；第二，未來的列車控制系統(tǒng)不局限于防止冒進和超速這個狹義的范圍，列車控制系統(tǒng)要和整體鐵路行業(yè)（如供電、車站、基礎設施）相結合，鐵路運輸和汽車、航空等其他行業(yè)相結合。列車的位置信息應該在一定約束的前提下可以被第三方共享，例如乘客通過App 可以獲取當前列車和接續(xù)列車的位置和狀態(tài)、貨主可以通過互聯(lián)網(wǎng)地圖看到貨物物流的軌跡等。目前定位坐標手段比較容易統(tǒng)一的是衛(wèi)星定位（虛擬應答器也是其表現(xiàn)形式之一），在隧道等衛(wèi)星定位效果差的地方可以輔以應答器或者其他傳感裝置作為定位的補充[6]。

2.3 基于狀態(tài)動態(tài)分配資源的列車控制

即使引入了虛擬導向、真空管運輸這些新型導向運輸模式，整個路網(wǎng)也依然是可以使用以道岔為頂點、軌道為邊的方式進行描述。列車運行控制的安全和效率就是線路和“道岔”這些路網(wǎng)資源對于列車的安全精確高效分配。因此列車控制系統(tǒng)本質(zhì)上也就保證列車在這個拓撲網(wǎng)絡上合理、有序占有軌道資源、道岔資源，保證這些資源不沖突，盡可能少閑置。以道岔為例，當前是通過聯(lián)鎖集中控制方式分配，也有一些信號廠家嘗試通過列車自行自主申請控制方式進行。但是，無論是使用哪一種方式，在未來統(tǒng)一時空體系的作用下，精確實時獲取列車位置、速度，明確知悉列車加減速屬性，就可以更加有效地鎖定和釋放道岔資源，進而提高整個運輸網(wǎng)絡的效率，并同時通過改變系統(tǒng)功能分配降低系統(tǒng)復雜度，從而降低設計、維護、升級的難度和成本，提高整體可靠性[7]。

2.4 采用虛擬耦合的相對閉塞方式

閉塞制式和線路運輸能力有著直接的關系，其制式也經(jīng)歷了“固定閉塞—準移動閉塞—移動閉塞”的演化過程，列車的追蹤間隔越來越短。但是隨著運行速度的提高，列車制動距離顯著增加，通過改固定閉塞為移動閉塞所提升的效率，不能從根本上解決運輸能力的問題。在未來列控系統(tǒng)中可以采用虛擬耦合這種相對閉塞方式進一步提高軌道交通運輸能力。即在統(tǒng)一的軌道交通時空坐標系基礎上，借助先進無線通信等技術，對路網(wǎng)資源進行高實時動態(tài)分配，協(xié)調(diào)兩列或者多列列車的運行速度和間隔距離，在沒有物理連接的前提下，形成一個協(xié)調(diào)整體以共同完成的列車控制與調(diào)度組織。虛擬編組中的非本務列車突破了傳統(tǒng)固定閉塞和移動閉塞的理念，列車間的間隔距離不再是基于假定前車靜止而是基于兩車相對速度，實現(xiàn)了效率更高的相對閉塞[8]。

2.5 自動化、智能化運營和綜合一體化的控制指揮

自動運行是基于現(xiàn)代計算機、通信、控制和系統(tǒng)集成等技術實現(xiàn)運行過程自動化控制。軌道交通根據(jù)IEC62267 標準，依照人與系統(tǒng)對列車運行控制的不同水平以及列車運行自動化的不同程度，將鐵路自動駕駛分為5 級。在汽車行業(yè)，美國汽車工程師協(xié)會J3016 標準規(guī)定將汽車自動駕駛技術分為0 ～5級，分別對應無自動駕駛、駕駛員輔助、部分自動駕駛、特定條件下自動駕駛、高度自動駕駛以及完全自動駕駛。相比于汽車，軌道交通運行環(huán)境相對封閉、隨機性較低，軌道交通更有條件實現(xiàn)自動駕駛。事實上，國家鐵路已經(jīng)開通了GoA2 級，城規(guī)開通了GoA4 級自動駕駛，軌道交通有理由更早進入到全面自動駕駛時代。對于維護維修，通過引入大數(shù)據(jù)、人工智能以及智能機器，可以實現(xiàn)從數(shù)據(jù)收集、輔助診斷、自主診斷到健康預測的演進，實現(xiàn)從人工維修、虛擬現(xiàn)實輔助維修到智能機器人維修的變革。

可以預見未來交通中鐵路骨干作用凸顯，多種模式交通將趨向以軌道交通為主干的立體交通調(diào)度指揮一體化、智能化，逐步融合消除各交通運輸組織管理服務邊界，建立普適于多種交通形式的互聯(lián)互通的信息接口標準和控制模式，構建立足于軌道交通、涵蓋公路、航空等多種立體交通智能調(diào)度管理和指揮系統(tǒng)，形成綜合一體化交通運輸組織、安全保障與服務體系，提供安全高效的、端到端的、無間隙的綜合運輸服務。

3 總結和展望

不斷發(fā)展的城市和城市圈、持續(xù)攀升的客運和貨運需求以及全球氣候變暖正在導致各種交通制式向鐵路轉移，快速發(fā)展的科學技術也將促進列車控制系統(tǒng)的演進。未來列控系統(tǒng)統(tǒng)一考慮干線鐵路和城市軌道交通等多軌道交通制式需求，構造統(tǒng)一開放的時空體系，基于軌道情況動態(tài)給列車分配資源并通過多車協(xié)同大大提高網(wǎng)絡的運輸安全性和效率。列車運營維護也將從人工、半人工走向自動化、智能化和無人化。不同制式互聯(lián)互通和多模式交通聯(lián)運則應該考慮車—地、車—車、不同制式信息接口和模型的標準化。