高鐵列車(chē)將有“超級(jí)大腦”

　　王麟

　　中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司日前頒布《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確提出到2035年，率先完成智慧化鐵路網(wǎng)，全國(guó)鐵路網(wǎng)長(zhǎng)度將達(dá)到20萬(wàn)公里左右，其中高鐵佔(zhàn)據(jù)7萬(wàn)公里左右；高鐵列車(chē)將擁有基於北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信技術(shù)的空天地一體化的“超級(jí)大腦”。

　　那麼，高鐵列車(chē)的“超級(jí)大腦”究竟有多聰明？

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　　如今列車(chē)運(yùn)作間隔是怎樣控制的

　　無(wú)論是普速客貨運(yùn)鐵路，還是高速鐵路，一般而言都是鋪設(shè)兩條並行軌道，火車(chē)左右行車(chē)互不干擾。那麼動(dòng)輒數(shù)百至上千公里的鐵路線(xiàn)，是如何保證列車(chē)運(yùn)作安全的呢？

　　我們知道，汽車(chē)行駛在高速公路上，前後兩車(chē)間距不小于50米，才能保證必要的安全。我國(guó)普速火車(chē)一般運(yùn)作速度為120-160公里/小時(shí)，高速列車(chē)的運(yùn)作速度是350公里/小時(shí)，這麼快的速度，勢(shì)必對(duì)前後兩列高速列車(chē)的安全間距要求更加嚴(yán)格。

　　鐵路部門(mén)是通過(guò)“閉塞分區(qū)”來(lái)給列車(chē)劃分運(yùn)作空間的，從而為列車(chē)運(yùn)作提供安全保障?！伴]塞分區(qū)”就是通過(guò)軌道電路把鐵路線(xiàn)路分成若干個(gè)長(zhǎng)度不等的段落，每一段落兩端用信號(hào)機(jī)進(jìn)行控制，並在調(diào)度中心的顯示屏上顯示出來(lái)。當(dāng)列車(chē)在閉塞分區(qū)運(yùn)作時(shí)，車(chē)輛後端的信號(hào)機(jī)變紅，説明這個(gè)區(qū)間段落有車(chē)佔(zhàn)用，後面的列車(chē)就要提高警惕了，不能冒進(jìn)，只有運(yùn)作前方的信號(hào)顯示綠色，才能全速行駛。

　　如今，無(wú)論客貨混運(yùn)鐵路，還是高速鐵路，絕大多數(shù)採(cǎi)用的都是“自動(dòng)閉塞系統(tǒng)”。值得一提的是，“自動(dòng)閉塞分區(qū)”一旦劃分完畢，是不能隨便改變的，也就是説自動(dòng)閉塞分區(qū)是固定的，這和後面講述的“移動(dòng)閉塞”完全不同。

　　簡(jiǎn)單來(lái)説，固定的自動(dòng)閉塞分區(qū)通過(guò)軌道電路來(lái)劃分，其工作原理是這樣的：當(dāng)閉塞分區(qū)沒(méi)有列車(chē)時(shí)，電流從軌道電路的正極通過(guò)鋼軌、軌道繼電器到達(dá)另一股鋼軌電源負(fù)極。此時(shí)繼電器中有電流通過(guò)，銜鐵吸起，接通綠燈，指示區(qū)間空閒；當(dāng)閉塞分區(qū)有列車(chē)佔(zhàn)用時(shí)，車(chē)輪與軌道形成通路，電流被車(chē)輪短路之後不再給軌道繼電器通電，銜鐵開(kāi)關(guān)落下，接通紅燈，提醒後車(chē)該區(qū)間已經(jīng)被佔(zhàn)用。

　　在普速鐵路上，司機(jī)可以通過(guò)觀看信號(hào)機(jī)的信號(hào)變化來(lái)操控列車(chē)。到了高鐵時(shí)代，由於列車(chē)運(yùn)作速度很快，司機(jī)來(lái)不及對(duì)線(xiàn)路旁的信號(hào)做出反應(yīng)，必須採(cǎi)用先進(jìn)的列車(chē)運(yùn)作控制系統(tǒng)才能保證安全。顧名思義，列控系統(tǒng)就是確保行車(chē)安全的信號(hào)系統(tǒng)，利用地面提供的線(xiàn)路資訊、前車(chē)距離和進(jìn)路狀態(tài)，列控車(chē)載設(shè)備自動(dòng)生成列車(chē)允許速度的控制模式曲線(xiàn)，並實(shí)時(shí)與列車(chē)實(shí)際運(yùn)作速度進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)列車(chē)超速就及時(shí)進(jìn)行控制，從而保證高鐵列車(chē)的安全。這套系統(tǒng)取消了普速鐵路旁邊的信號(hào)機(jī)，在軌道中間設(shè)置應(yīng)答器，可以實(shí)現(xiàn)列車(chē)與地面間的數(shù)據(jù)交換。

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　　“超級(jí)大腦”可大大縮短前後兩車(chē)的發(fā)車(chē)間隔

　　固定的自動(dòng)閉塞通過(guò)軌道電路劃分區(qū)間，“超級(jí)大腦”的關(guān)鍵元器件——無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞則是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)劃分不固定的移動(dòng)區(qū)間，這是二者本質(zhì)的區(qū)別，並且移動(dòng)閉塞對(duì)通信技術(shù)和定位技術(shù)要求更高。

　　在傳統(tǒng)的固定自動(dòng)閉塞方式下，系統(tǒng)無(wú)法知道列車(chē)在分區(qū)內(nèi)的具體位置，因此列車(chē)制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)總在某一分區(qū)的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車(chē)間增加一個(gè)防護(hù)區(qū)段，這使得列車(chē)間的安全間隔較大，大大降低了線(xiàn)路的使用效率。

　　無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞技術(shù)則在對(duì)列車(chē)的安全間隔控制上更前進(jìn)了一步，其資訊傳遞、列車(chē)定位、列車(chē)完整性檢查等功能，不再依賴(lài)地面軌道電路，從而大幅度減少軌道旁邊安裝的設(shè)備數(shù)量。無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞的車(chē)載設(shè)備子系統(tǒng)，利用速度感測(cè)器、雷達(dá)、光電感測(cè)器對(duì)列車(chē)進(jìn)行速度和距離的測(cè)量，並結(jié)合地面應(yīng)答器對(duì)列車(chē)位置進(jìn)行校正，能夠連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)列車(chē)位置進(jìn)行檢測(cè)，保證系統(tǒng)對(duì)列車(chē)速度以及行車(chē)間隔的安全防護(hù)。

　　如此一來(lái)，無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)可以通過(guò)車(chē)載設(shè)備和軌旁設(shè)備不間斷的雙向通信，調(diào)度控制中心可以根據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)的速度和位置，動(dòng)態(tài)計(jì)算列車(chē)的最大制動(dòng)距離，使得“列車(chē)的長(zhǎng)度+最大制動(dòng)距離+安全防護(hù)距離”組成一個(gè)與列車(chē)同步移動(dòng)的虛擬分區(qū)，這就是“移動(dòng)閉塞分區(qū)”。

　　由於保證了列車(chē)前後的安全距離，兩個(gè)相鄰的移動(dòng)閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時(shí)前進(jìn)，讓列車(chē)能以較高的速度和較小的間隔運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)高鐵列車(chē)的“小編組、高密度”運(yùn)輸組織目標(biāo)，大大縮短前後兩車(chē)的發(fā)車(chē)間隔，從而極大地提高了線(xiàn)路的使用效率。

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　　“超級(jí)大腦”離不開(kāi)“北斗”和5G

　　無(wú)線(xiàn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)可以説是高鐵列車(chē)“超級(jí)大腦”的關(guān)鍵元器件，其最顯著的特徵就是要求對(duì)列車(chē)動(dòng)態(tài)位置進(jìn)行精確定位，同時(shí)還要借助高速度、大容量的通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳遞列車(chē)的位置資訊，這樣才能讓調(diào)度中心人員準(zhǔn)確掌握列車(chē)的運(yùn)作情況，從而指揮列車(chē)運(yùn)作，保證行車(chē)安全。要完成這一艱巨任務(wù)，離不開(kāi)“北斗”導(dǎo)航和5G技術(shù)。

　　方興未艾的5G通信技術(shù)，既是智慧化時(shí)代必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，也是智慧化時(shí)代的標(biāo)誌性技術(shù)，高頻寬、高速度、大容量、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物互聯(lián)、資訊可感知可調(diào)控是其鮮明的優(yōu)點(diǎn)和特徵，可以滿(mǎn)足未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧製造、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用需求。

　　而“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球性、高精度時(shí)空基準(zhǔn)。其最大的優(yōu)勢(shì)在於對(duì)系統(tǒng)的全球性定位，能夠?qū)崿F(xiàn)全球時(shí)間的精確同步?！氨倍贰迸c5G相結(jié)合，形成“空天地”一體化網(wǎng)路系統(tǒng)，才能産生無(wú)與倫比的五大智慧：感知、學(xué)習(xí)、認(rèn)知、決策和調(diào)控。

　　基於“北斗”衛(wèi)星定位的列控系統(tǒng)，可以連續(xù)且精準(zhǔn)獲取列車(chē)位置資訊，改變傳統(tǒng)的基於固定自動(dòng)閉塞技術(shù)的列控追蹤間隔方式，而通過(guò)採(cǎi)用移動(dòng)閉塞的追蹤間隔方式，使得追蹤列車(chē)間隔大大縮小，從而提高運(yùn)輸效率。通過(guò)“北斗”衛(wèi)星，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一列車(chē)的車(chē)頭、車(chē)尾定位，從而開(kāi)展列車(chē)的完整性檢查，以防止列車(chē)解體後，給後面的列車(chē)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　“北斗”和5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?！氨倍贰笨梢栽谌虬迅兄獣r(shí)間和位置的能力賦給5G技術(shù)，激發(fā)出行動(dòng)通訊網(wǎng)、網(wǎng)際網(wǎng)路的強(qiáng)大動(dòng)能，可以對(duì)諸如高鐵列車(chē)等移動(dòng)資訊暫態(tài)定位，確定其去向和瞬間運(yùn)作的速度，滿(mǎn)足高鐵列車(chē)對(duì)移動(dòng)閉塞的技術(shù)需求。

　　按照《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》提出的目標(biāo)，我國(guó)的高速列車(chē)到2035年將擁有利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信技術(shù)等構(gòu)成空天地一體化的“超級(jí)大腦”——新一代更高效、更智慧、更環(huán)保的列控系統(tǒng)，列車(chē)追蹤間隔由目前的最短3分鐘縮短到2分鐘左右，提高線(xiàn)路運(yùn)輸能力30%以上，每人平均百公里能耗可降低30%左右。

　　延伸閱讀

　　各國(guó)高鐵列控技術(shù)的發(fā)展

　　多年來(lái)，歐洲開(kāi)發(fā)了適合本土的歐洲列車(chē)運(yùn)作控制系統(tǒng)(ETCS)，其中ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)在地面採(cǎi)用無(wú)線(xiàn)閉塞中心生成的行車(chē)許可，通過(guò)固定應(yīng)答器提供列車(chē)定位基準(zhǔn)，利用GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)“車(chē)-地”雙向資訊傳輸，在歐洲實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用。

　　從2013年起，歐洲開(kāi)始了新一代列控系統(tǒng)(NGTCS)的研發(fā)，其中的創(chuàng)新項(xiàng)目“現(xiàn)代交通管理與控制系統(tǒng)”提出了“移動(dòng)閉塞、最高等級(jí)的無(wú)人駕駛、列車(chē)安全定位(衛(wèi)星技術(shù))、車(chē)載設(shè)備整合、智慧信號(hào)系統(tǒng)、列車(chē)虛擬連掛”等技術(shù)發(fā)展方向。

　　美國(guó)的列車(chē)主動(dòng)控制系統(tǒng)(PTC)功能也很強(qiáng)大，具有列車(chē)超速防護(hù)、防止列車(chē)相撞、保護(hù)軌旁工作人員安全等功能。列車(chē)根據(jù)GPS定位系統(tǒng)，獲取自身所在位置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)路將列車(chē)位置發(fā)送至PTC伺服器，PTC伺服器可根據(jù)所得資訊計(jì)算列車(chē)停車(chē)位置，並將位置資訊發(fā)送至車(chē)載設(shè)備。PTC系統(tǒng)設(shè)有調(diào)度中心，可人為干預(yù)列車(chē)運(yùn)作，防止列車(chē)相撞。

　　而東日本旅客鐵路公司運(yùn)用移動(dòng)閉塞技術(shù)研發(fā)了ATACS系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要由無(wú)線(xiàn)電裝置、據(jù)點(diǎn)裝置、指令裝置及車(chē)載裝置組成。傳統(tǒng)的列控系統(tǒng)主要由地面設(shè)備完成，而在ATACS系統(tǒng)中，列車(chē)的控制由地面與車(chē)載共同完成。

　　由上可知，歐美日等高鐵發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，也一直致力於“移動(dòng)閉塞”技術(shù)的研究。

　　為了適應(yīng)高速鐵路建設(shè)發(fā)展需要，我國(guó)高速鐵路列控技術(shù)借鑒歐洲ETCS成功經(jīng)驗(yàn)，從無(wú)到有，取得了巨大飛躍。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的中國(guó)列車(chē)運(yùn)作控制系統(tǒng)(CTCS)一共分為5個(gè)等級(jí)，從CTCS-0到CTCS-4，都有不同的適用範(fàn)圍。我國(guó)時(shí)速300公里以上的高鐵主要是採(cǎi)用CTCS-3系統(tǒng)，這是基於無(wú)線(xiàn)通信、軌道電路和固定的自動(dòng)閉塞開(kāi)發(fā)的一套先進(jìn)的列車(chē)控制系統(tǒng)。

　　而CTCS-4系統(tǒng)是我國(guó)面向2035年，基於移動(dòng)閉塞、北斗導(dǎo)航和5G通信技術(shù)的新一代列車(chē)控制系統(tǒng)，被譽(yù)為列車(chē)的“超級(jí)大腦”，這是我國(guó)高鐵列控技術(shù)里程碑式的重大進(jìn)步。