學術前沿：《智能鐵路列控系統技術發展方向展望》

泡沫oO

2023年5月10日 14:02

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轉自高速鐵路信號技術交流

內容導讀 ID：gaotiexinhao

中國智能高鐵將融合新一代信息技術與高鐵技術，實現高鐵智能建造、智能裝備和智能運營。列車運行控制技術也將持續創新，增強功能，提升自動化、智能化水平，以滿足高速度、高密度的運營需求。本文聚焦智能列控領域，分析國內、國際智能列控技術現狀；總結智能列控系統內涵和設計目標；提出了高安全可靠的列控系統、更高自動化等級的自動駕駛系統、移動閉塞技術、智能運維技術等關鍵技術；展望智能列控系統技術發展方向~

人類社會在經歷了工業化、信息化之后必將向第四次工業革命智能化時代邁進。在此背景下，智能交通、智慧交通、智能鐵路的概念應運而生。全球范圍內全面開啟了智能鐵路研究，中國走在世界前列^［1］。國鐵集團于2020年發布了《智能高速鐵路體系架構1.0》，闡述了智能高鐵的內涵和體系架構。中國智能高鐵將采用云計算、物聯網、大數據、北斗定位、5G通信、人工智能等先進技術，通過新一代信息技術與高速鐵路技術的集成融合，實現高鐵智能建造、智能裝備、智能運營技術水平全面提升，使鐵路運營更加安全高效、服務智能、綠色環保、便捷舒適。京張高鐵作為智能高鐵的代表性項目已經安全平穩運用超過2年，圓滿完成了冬奧會保障任務。信號系統應用了智能調度集中系統、高鐵自動駕駛（ATO）等新技術。

智能鐵路技術的發展必須緊密圍繞提高運輸效率、確保運營安全和降低運維成本等鐵路運輸需求才有生命力。隨著電氣、電子、信息及自動化技術的快速發展，列車運行控制技術持續創新，功能不斷增強，自動化程度不斷提高，以滿足高速度、高密度的運營需求。本文聚焦智能列控領域進行技術發展方向展望。

1.技術現狀

1.1　我國列控系統技術現狀

我國列車運行控制系統伴隨著客運專線和高速鐵路的發展應運而生，二十余年來，實現了從無到有、從有到強的質變。在鐵道部、國鐵集團的統一領導下，全路電務人持續努力，經過了技術探索、技術引進、消化吸收、集成創新再到自主創新的歷程，經歷了從設備進口到中外聯合設計，再到完全自主創新的3個階段，構建了中國標準列控系統（CTCS）技術體系，成功打造了多個技術先進、功能完善、自主可控的高速鐵路列控技術平臺和成套裝備。我國列控系統在標準體系、系統研發、裝備制造、試驗測試、工程實施、運營維護等方面不斷創新和完善，電務裝備現代化水平快速發展，成為保障鐵路運營安全和運輸效率的核心系統。

在CTCS基礎上，經過功能擴展，在世界范圍內率先實現了高鐵ATO系統的商業運用。2016年珠三角城際成功運用C2+ATO系統，目前裝備該系統的動車組已經超過40余列，運行在莞惠、佛肇、珠機、廣清、廣州東環等6條線路上，總運營里程達到340 km。2019年底，我國又在京張高鐵率先實現了復興號動車組時速350 km自動駕駛功能，對于降低司機勞動強度、提升旅客出行體驗、綠色節能環保等具有重要意義，成為智能高鐵的重要標志，強化了我國高鐵技術世界領跑地位。

2018年，國鐵集團設立重大科研課題開展新型列控系統關鍵技術研究，包括：利用北斗導航實現多元融合列車自主定位；利用北斗導航和IP通信技術實現列車自主完整性檢查；利用IP通信技術實現車地無線通信、移動閉塞和虛擬自動閉塞，以及自成體系的列控運維系統等。新型列控系統符合CTCS技術標準體系，符合CTCS-4級列控系統的定義特征，集成衛星、無線通信、車載安全計算機和地面控制中心等構成空天地一體的新一代列控系統。新型列控系統結構示意見圖1 。

圖1 新型列控系統結構示意

1.2　國際主要列控新技術應用

1）Shfit2Rail計劃。歐盟為了實現軌道交通領域互聯互通、降本提效和持續技術創新，2014年推出的Shfit2Rail計劃已接近尾聲。在通信信號領域，主要圍繞新一代鐵路無線通信系統（FRMCS）、GOA2級ATO系統、列車自主定位及列車完整性檢查系統（TIMS）、列車虛擬連掛、列車遠程駕駛和控制指揮系統等進行技術創新。Shfit2Rail計劃之后，繼續開展了“歐洲鐵路合作伙伴計劃”推動持續技術創新，明確目標為構建智能化、數字化鐵路。信號系統包括GOA4級的ATO系統、新型智能列控系統和先進交通管理系統等^［2］。

2）未來混合E3。龐巴迪公司的歐洲低密度列車控制系統（ETCS Regional）2012年在瑞典投入應用^［3］，是面向低密度鐵路的ETCS-3級列控系統，取消了軌旁列車位置檢測設備和信號機，無線閉塞中心（RBC）集成聯鎖功能，車載設備完成列車定位及完整性檢查，實現移動閉塞。RBC根據列車位置報告等信息，生成移動閉塞的行車許可及線路描述等信息，并通過車地無線通信系統傳送給車載設備。在ETCS Regional基礎上，歐洲鐵路運輸管理系統（ERTMS）用戶組織提出了混合E3即HL3的概念，相關規范已納入ETCS基線3。純粹E3不設置軌旁列車占用檢查設備，一旦RBC故障重啟，所有列車位置和軌道占用條件將丟失，系統恢復對運輸的影響極大。混合E3系統維持了一部分軌旁的列車占用檢查系統，滿足具有列車自主完整性檢查功能的E3列車和普通E2列車混合運輸需求。實際應用中，混合E3采用移動閉塞縮短列車間隔，適用于繁忙干線，軌旁設備減少可降低建設和運維成本。

3）西門子的ETCS+ATO^［4］。德國數字鐵路計劃和英國高速鐵路計劃均涵蓋了ETCS+ATO功能。2018年，西門子ETCS+ATO系統在英國泰晤士聯絡線項目投入運營，截至2020底已經裝備115列動車組。2019年9月，在瑞士聯邦鐵路洛桑至維倫紐夫區段試驗了ATO功能。ATO試驗不調整地面設備，不增加應答器，GOA2級ATO基本功能試驗成功。西門子針對不同運用需求，制定了一系列GOA2級的解決方案，包括既有車改造、ATO基本功能、ATO全功能等。西門子與瑞士聯邦鐵路也成功進行了貨運列車ATO現場測試。更高自動化等級的GOA3/4級ATO功能正在研究階段，目前主要集中在基于傳感器和人工智能（AI）的線路監測、障礙物檢測和列車故障自診斷自處理方案研究。

4）歐洲列車衛星定位（ERSAT）。意大利在列車利用衛星定位技術方面研究比較深入，意大利鐵路基礎設施公司（RFI）基于衛星定位的ETCS系統計劃于2022年投入商業運營，這是ERSAT計劃的重要里程碑。ERSAT計劃的目標是將衛星定位集成于鐵路應用，特別是應用于ETCS-3級和混合ETCS-3級，提供經濟高效的衛星定位技術，用虛擬應答器替代物理應答器，配置靈活，既降低運營成本，還可提高運輸效率。虛擬應答器的應用方案限制在現有ETCS技術規則內，不改變現有技術規范。當衛星信號丟失無法檢測到虛擬應答器時，例如隧道，ERSAT提供本地信號增強技術。個別企業的基于衛星定位的虛擬應答器技術方案已經通過了SIL4級認證，即將納入新版ETCS規范。

5）日本的高級列車管理和通信系統（ATACS）。ATACS系統是東日本旅客鐵路公司研發的^［5］，于2010年投入商業應用。其概念與ETCS-3級，以及基于通信的列車自動控制系統（CBTC）相似，目的是減少軌旁設備，降低成本，減少運維，并且通過使用移動閉塞技術提高運輸效率。相較于傳統列控系統，列車的控制主要由地面設備完成，在ATACS系統中，列車的控制轉變為由地面與車載通過雙工無線通信網絡共同完成。ATACS系統將線路分成多個控制區，每個控制區作為1個獨立的單元，由1個據點裝置和1個無線電裝置組成。據點裝置之間通過無線電裝置相連，從無線電裝置接收列車的位置信息。

2.智能列控系統概念

近些年來，智能控制技術和方法不斷發展，智能控制的概念不斷豐富，機器人、生產智造、智能交通等不同專業領域均取得飛速進步。對于鐵路信號系統而言，積極應用了智能CTC系統、自主化列控系統、ATO系統、信號安全數據網等大量新技術、新裝備，與此同時，也仍然采用繼電器、信號燈、軌道電路等具有上百年歷史的傳統設備，高速鐵路也是如此。這是信號系統安全理念的傳承，體現了信號專業追求安全穩定的整體觀念。技術進步是永恒的主題，當前不斷涌現的新技術，既是挑戰，也是推動我國電務技術進步的動力。傳統設備電子化，電子設備數字化，數字設備智能化，鐵路信號設備的技術發展非常明確。

2.1　智能列控系統的內涵

借鑒國際領域智能列控技術發展情況，智能列控系統的內涵^［6］主要體現在2個方面：一是列車運行自動化程度的提升，我國已經建成了完善的CTCS列控系統技術標準體系，擁有了多個具有自主知識產權的列控系統安全平臺，在國際范圍內率先實現了復興號動車組時速350 km的GOA2級自動駕駛，未來要實現更高GOA等級的自動駕駛，最終實現列車自主運行控制；二是利用廣義智能控制的方法提高列車運行效率，包括減少軌旁設備，提高系統可靠性，降低運營成本，實現調度與控制一體化技術，實現移動閉塞等。智能列控系統是未來高速鐵路發展的方向。

2.2　設計目標

1）安全性能更高。目前構成列控系統的關鍵設備如車載安全計算機、地面控制設備等，其安全完善度等級均達到SIL4級。但SIL4級安全認證并不能保證系統不存在安全隱患，隨著高鐵運營里程、列車運行時間的快速增長，發生安全事件的概率逐漸增加，因此提升列控系統安全性的需求迫切。總體解決思路是應用系統安全的理念，通過多系統、多設備、多模塊安全比較來提升系統安全性。例如將來列車可通過衛星導航、5G導航等方式實現多元融合自主定位，探索研究列車與列車間的直接通信，或者車-地-車通信，提升系統安全。

2）運輸效率更高。一個關鍵技術指標是采用移動閉塞替代傳統的固定閉塞，在確保安全的前提下，進一步增加列車開行密度，通過ATO系統實現列車準點率和行車效率的提升，在自動駕駛控制過程中盡量減少列車運行沖擊率，提升旅客舒適度；另一個關鍵技術指標是實現從自動駕駛到智能駕駛的轉變，在現有自動駕駛功能基礎上，實現列車環境自感知、安全態勢自評估、設備故障自診斷、高鐵列車運行更穩定正點。

3）魯棒性更高。目前列控系統故障主要來自于3個方面：一是復雜軌旁設備導致的地面紅光帶、有源應答器故障等；二是車地通信環節引發的信息傳輸過程故障；三是車載設備本身由于冗余措施不到位，而由元器件故障引發的車載設備可用性故障。智能列控系統應致力于提升系統魯棒性。

4）更節能環保。鐵路網快速建設在宏觀上講有利于節能減排，但是高速鐵路將成為國家電網第一用電大戶，結合國家碳達峰碳中和戰略目標，鐵路領域節能環保需求也很迫切：一方面智能列控系統需持續優化節能控制算法，通過自動駕駛系統應用實現節能目標；另一方面，可利用動車組在減速時能夠發電，并自動返回電網形成再生能源的技術特點，智能列控系統要應用系統協同控制技術，通過與調度指揮、動車組控制、牽引供電等系統結合，實現列車群的協調配合、聯動控制，電能內部利用，進一步節能降耗。

3.關鍵技術

智能高鐵項目實施引領中國軌道交通領域邁入智能化發展新階段。智能軌道交通領域廣泛研究應用多層域狀態智能感知、系統協同控制、安全態勢評估、大數據融合與智能維護、行程智能引導等技術^［7］。現階段智能高鐵的信號系統主要包括智能調度指揮系統、以自動駕駛為標志的列車運行自動控制系統、電務大數據平臺和運營維護系統，以及信號系統配套的現代化監測監控系統等，實現了調度指揮智能化、列車控制自動化和運維監控現代化。其中，智能列控系統的關鍵技術主要包括高安全可靠的列控系統、更高自動化等級的自動駕駛系統、移動閉塞技術、智能運維技術等，其構成見圖2 。

圖2 智能列控系統關鍵技術構成

3.1　高安全可靠的列控系統

如何進一步提升列控系統安全性以適應高鐵運營里程日益增長的運用需求，以及更高速度、更大密度的運營需求？筆者認為有以下幾個研究方向。

1）通過減少軌旁設備提升系統魯棒性。CTCS列控系統是在既有線提速基礎上開始研發和應用的，只能采取類似于“搭積木”的設計原則，客觀導致列控系統結構復雜、軌旁設備較多等問題，設備故障率和維修成本相對較高。智能列控系統要在優化系統結構、減少軌旁設備、提高車載設備冗余度、后備控制模式、進一步提高運能和降低全生命周期成本等方面進行研究：一是實現列控聯鎖一體化，采用全電子安全計算機平臺，發展基于光纖傳輸的全冗余結構的目標控制器，實現軌旁設備的數字化和智能化控制；二是利用北斗衛星定位技術、虛擬應答器技術等實現列車自主定位和完整性檢查，研究探索在逐步取消軌道電路，提高系統可靠性的同時，減少軌旁設備。

2）通過車車通信提升系統安全性。單獨的CTCS-2級系統（簡稱“C2”）或CTCS-3級系統（簡稱“C3”）均屬于SIL4級安全苛求系統，但為了確保系統安全，國鐵集團仍研究采取了C3與C2行車許可雙曲線比較的方法來進一步提升系統安全性，降低RBC等地面控制設備的未知安全隱患。智能列控系統同樣也應秉承相同的設計理念，研究如何既減少軌旁設備，又提升系統安全性。車車通信或車-地-車通信是解決矛盾的突破口。后車通過與前車通信，實時掌握前車位置和運行狀態，再與接收到的行車許可進行安全比較，則同樣可以降低RBC等地面設備的未知風險。因此，車車通信的未來研究方向不僅是減少軌旁設備、減少調度與控制系統的通信環節，還有一個重要作用是提升系統安全。

3）多元融合列車自主定位和列車完整性檢查技術。提升列車智能化水平，實現列車及車載設備的自主定位及列車完整性檢查是世界列控技術的發展趨勢，歐洲已經陸續出臺列車自主定位的相關技術規范。傳統鐵路應用軌道電路、應答器、車載速度傳感器等實現相關功能，智能列控系統可應用衛星定位技術、速度傳感器、虛擬應答器乃至5G通信與導航一體化技術（簡稱“5G通導”）等實現多元融合列車自主定位和列車完整性檢查。5G通導融合技術已經納入5G的相關國際標準，可以充分利用5G無線通信的IP通信和多天線ID地址特征，實現在隧道、站內衛星遮擋區域基于無線的列車定位，可以作為智能列控系統定位的一種元素來開展研究，為諸如川藏鐵路等“高原地下高速鐵路”提供研究思路。

4）網絡安全技術。列控系統是一種非典型的工業控制系統，堅持封閉獨立成網的設計特點，也應用了安全密鑰、專用安全協議等符合相關技術標準的網絡安全措施。但是隨著信息技術的發展，網絡攻擊手段和病毒種類也愈發繁多，給鐵路信號系統的網絡安全乃至列車的安全運行帶來了新的挑戰。智能列控系統應以網絡安全等級保護的相關要求為依據，結合鐵路信號系統安全防護實際需求，研究形成智能列控系統專用的網絡安全防護技術方案。諸如存儲加密、傳輸加密等措施如何實施？基于無線通信的開放的安全信息傳輸如何強化信息安全手段？如何從邊界防護向網絡縱深防護過渡？這些均是智能列控系統網絡安全的重要研究方向。

3.2　更高自動化等級的自動駕駛系統

高鐵ATO系統需要研究引入基于人工智能的控制模型自適應調整算法。高速鐵路ATO系統能夠提高運輸效率，提升乘客乘車體驗，減輕司機勞動強度，降低牽引能耗，是高速鐵路智能化的發展方向。高鐵ATO系統面臨的主要技術挑戰：一是控制速度高，ATO要實現動車組從最高運行速度到列車停穩停準的精確控制；二是高鐵路網復雜，要實現不同列控等級、駕駛方式、車型、運用環境和場景等各種運行條件下的安全自動控制。這些特點決定了地鐵、城際鐵路中常用的PID、模糊邏輯控制、神經網絡控制、迭代學習控制等傳統方法^［8］均不適用于高速列車自動駕駛。研究應用GOA3級或者GOA4級的自動駕駛系統，實現列車智能自主運行控制，是國際技術發展的趨勢。考慮到我國鐵路運用場景復雜、交路復雜、環境復雜、車型復雜等，GOA4級ATO在較長時期內不應是我國干線鐵路的研究方向。智能列控系統應以實現列車環境自感知、安全態勢自決策、運行控制自適應為目標，主要研究方向如下。

1）列車運行環境智能傳感與感知技術。研究列車與環境的耦合關系是智能列控系統的關鍵，而信息自動采集和感知是智能控制系統的基礎。例如，對于智能列控系統而言，如何適應復雜多變的氣候條件？如何適應山體滑坡、線路變形、接觸網懸掛異物等非常情況？因此，基于多傳感器信息融合的列車運行狀態在線感知與預測技術研究是智能列控系統的基礎。視頻分析識別技術、數據挖掘列車運行環境的方法、列車運行環境感知與運行狀態預測技術、障礙物檢測技術、異物入侵檢測技術、標準的傳感器網絡及接口構建等是重點研究內容，目的是實現智能識別和外部環境實時感知需求。

2）列車智能決策技術。高速鐵路列車運行需要考慮的因素較多，如長大坡道、電分相、惡劣天氣、非正常行車等，不同場景需要不同的駕駛策略。如何處理節能控制與列車正點運行的關系？非正常情況下的自動駕駛策略？如何將機車乘務員的相關技術、操縱方法和駕駛策略轉化為機器控制策略？這些列車智能決策技術的關鍵是構建駕駛策略多目標優化決策模型和自動駕駛評價體系。

3）列車智能控制技術。不同的車型、不同的運行場景，均需要相對應的控制方式。因此，研究不同運行條件的智能駕駛自適應技術和自學習方法，確保不同場景下列車運行的舒適度和停車精度是研究重點。

4）調度與控制系統的深度融合。單一的調度指揮系統今后要向調度控制一體化發展，采用基于大數據的列車運行智能調度方法，利用實時狀態反饋、精細抗擾控制和列車智能分群調度的思想，深度融合調度指揮和運行控制，形成突發事件的基于數據驅動的高鐵列車群協同控制與動態調度理論，以實現具有快速、智能、協同、穩定特色的調度與控制一體化，實現大規模復雜路網下的高速鐵路突發事件下的指揮調度，全面提升及時應對突發事件的能力。

3.3　移動閉塞技術

移動閉塞已經在地鐵領域成熟運用，但在干線鐵路運用較少。這主要是因為干線鐵路列車速度較高、車型復雜、站場復雜，運輸能力的限制條件往往不在區間而在站內。運行速度越高，移動閉塞的效果越不明顯。歐洲的ETCS-HL3（混合型E3）為干線鐵路移動閉塞技術的實現提出了值得借鑒的解決方案。對于移動閉塞的應用，可以立足于我國干線鐵路的高密度區段，例如京滬高鐵徐州東—蚌埠南段，以及樞紐低速區段等。重點研究方向如下。

1）基于5G車地通信技術。移動閉塞技術依賴車地實時通信系統，5G-R無線通信系統提供了良好的車地通信手段。5G-R具有高速率、IP通信、海量互聯等技術特征，能夠大幅提升車地信息傳輸的速率、靈活性和可靠性。智能列控系統通過5G-R通信可以研究實現無線通道冗余、車車通信、列車5G通導定位甚至虛擬連掛等功能。

2）列車高密度追蹤方法。列車自動防護ATP車載設備與RBC設備，以及車站聯鎖相互配合，可實現基于實時通信的列車高密度追蹤，實現從“撞硬墻”到“撞軟墻”的技術提升。

3.4　智能運維技術

展望智能維護系統的下一步發展，主要應體現在對信號系統復雜故障的精準定位、維護向導、預防性維修和綜合維護等方面。信號系統的物理架構、組織規模和控制模式，使得在復雜故障發生時難以精準定位，浪費大量的人力、物力和維修時間，且需要綜合型有經驗的資深技術專家，隨著傳感技術、大數據處理和云計算技術的不斷成熟和實踐，可以在對信號系統進行全面數字化、信息化和智能化的基礎上，通過海量數據挖據、機器自學習和數據關系建模等方法，提高監測監控系統的故障精準定位技術、故障處理向導技術，同時通過監測數據與生產維修調度指揮流程和業務的有機結合和聯動，健全信號系統健康管理（PHM）體系，在預防性維修和綜合維護方面發揮更加積極有效的作用。主要研究方向包括監測數據的匯聚與融合、數據服務、設備健康管理與故障預測、智能診斷分析、作業流程智能化卡控等。

4.發展路線展望

1）當前處于新技術應用推廣階段。我國已經成功研發了C3自主化列控系統、高鐵ATO系統、列控聯鎖一體化設備，目前處于試用階段。新型列控系統的研發進展順利。這些新技術的推廣應用應遵循穩中求進原則，在確保安全的前提下，積極穩妥地按規定程序推進。

2）結合工程應用推進新技術研發和應用。我國高鐵正在挑戰更高運行速度，工程實施需要列控系統技術配套。5G-R無線通信系統處于準備階段，關鍵基礎設施網絡安全仍需攻關。川藏鐵路已經開工一年多的時間，亟需研究適應于川藏鐵路的列控系統，既要與路網互聯互通，又要適應惡劣自然環境的運營需求，列控系統的智能化是川藏鐵路的主要應用方向。

3）遠期目標展望。文化差異、成本效益評估等是影響技術進步的重要因素，用戶已適應傳統系統，這將導致新技術的應用絕非單純的技術問題。另外，自動化、智能化帶來的就業壓力，以及傳統業務功能界面的調整也是重要的決策因素。通用的智能化新技術必須達到長期成熟運用階段后，才具備在鐵路列控系統應用的條件。本文中提及的調度與控制一體化、虛擬連掛、高鐵移動閉塞、列車自主運行控制系統等均屬于遠期目標，將伴隨著社會科技進步、從業者和旅客認知提升、鐵路信號設備更新換代等陸續研發和應用。

5.結束語

智能、綠色是社會發展的必然趨勢，智能鐵路必將在第四次工業革命中占據重要地位。本文在概括國內外智能列控系統現狀及發展趨勢的基礎上，總結了智能列控系統內涵及設計目標，探討了智能列控系統主要發展方向，構想了智能列控系統關鍵技術，并對發展路線進行了展望。積跬步以至千里，鐵路信號人應緊跟鐵路發展步伐，持續推進鐵路電務技術科技創新，助力實現智能鐵路向智慧鐵路發展的戰略目標。