学术前沿：《智能铁路列控系统技术发展方向展望》

2023年5月10日 浏览：1546 评论：1

转自高速铁路信号技术交流 

内容导读  ID：gaotiexinhao

      中国智能高铁将融合新一代信息技术与高铁技术，实现高铁智能建造、智能装备和智能运营。列车运行控制技术也将持续创新，增强功能，提升自动化、智能化水平，以满足高速度、高密度的运营需求。本文聚焦智能列控领域，分析国内、国际智能列控技术现状；总结智能列控系统内涵和设计目标；提出了高安全可靠的列控系统、更高自动化等级的自动驾驶系统、移动闭塞技术、智能运维技术等关键技术；展望智能列控系统技术发展方向~

人类社会在经历了工业化、信息化之后必将向第四次工业革命智能化时代迈进。在此背景下，智能交通、智慧交通、智能铁路的概念应运而生。全球范围内全面开启了智能铁路研究，中国走在世界前列［1］。国铁集团于2020年发布了《智能高速铁路体系架构1.0》，阐述了智能高铁的内涵和体系架构。中国智能高铁将采用云计算、物联网、大数据、北斗定位、5G通信、人工智能等先进技术，通过新一代信息技术与高速铁路技术的集成融合，实现高铁智能建造、智能装备、智能运营技术水平全面提升，使铁路运营更加安全高效、服务智能、绿色环保、便捷舒适。京张高铁作为智能高铁的代表性项目已经安全平稳运用超过2年，圆满完成了冬奥会保障任务。信号系统应用了智能调度集中系统、高铁自动驾驶（ATO）等新技术。
智能铁路技术的发展必须紧密围绕提高运输效率、确保运营安全和降低运维成本等铁路运输需求才有生命力。随着电气、电子、信息及自动化技术的快速发展，列车运行控制技术持续创新，功能不断增强，自动化程度不断提高，以满足高速度、高密度的运营需求。本文聚焦智能列控领域进行技术发展方向展望。
1.技术现状 

1.1　我国列控系统技术现状

我国列车运行控制系统伴随着客运专线和高速铁路的发展应运而生，二十余年来，实现了从无到有、从有到强的质变。在铁道部、国铁集团的统一领导下，全路电务人持续努力，经过了技术探索、技术引进、消化吸收、集成创新再到自主创新的历程，经历了从设备进口到中外联合设计，再到完全自主创新的3个阶段，构建了中国标准列控系统（CTCS）技术体系，成功打造了多个技术先进、功能完善、自主可控的高速铁路列控技术平台和成套装备。我国列控系统在标准体系、系统研发、装备制造、试验测试、工程实施、运营维护等方面不断创新和完善，电务装备现代化水平快速发展，成为保障铁路运营安全和运输效率的核心系统。
在CTCS基础上，经过功能扩展，在世界范围内率先实现了高铁ATO系统的商业运用。2016年珠三角城际成功运用C2+ATO系统，目前装备该系统的动车组已经超过40余列，运行在莞惠、佛肇、珠机、广清、广州东环等6条线路上，总运营里程达到340 km。2019年底，我国又在京张高铁率先实现了复兴号动车组时速350 km自动驾驶功能，对于降低司机劳动强度、提升旅客出行体验、绿色节能环保等具有重要意义，成为智能高铁的重要标志，强化了我国高铁技术世界领跑地位。
2018年，国铁集团设立重大科研课题开展新型列控系统关键技术研究，包括：利用北斗导航实现多元融合列车自主定位；利用北斗导航和IP通信技术实现列车自主完整性检查；利用IP通信技术实现车地无线通信、移动闭塞和虚拟自动闭塞，以及自成体系的列控运维系统等。新型列控系统符合CTCS技术标准体系，符合CTCS-4级列控系统的定义特征，集成卫星、无线通信、车载安全计算机和地面控制中心等构成空天地一体的新一代列控系统。新型列控系统结构示意见 图1 。
学术前沿：《智能铁路列控系统技术发展方向展望》的图1
图1 新型列控系统结构示意

1.2　国际主要列控新技术应用

1）Shfit2Rail计划。欧盟为了实现轨道交通领域互联互通、降本提效和持续技术创新，2014年推出的Shfit2Rail计划已接近尾声。在通信信号领域，主要围绕新一代铁路无线通信系统（FRMCS）、GOA2级ATO系统、列车自主定位及列车完整性检查系统（TIMS）、列车虚拟连挂、列车远程驾驶和控制指挥系统等进行技术创新。Shfit2Rail计划之后，继续开展了“欧洲铁路合作伙伴计划”推动持续技术创新，明确目标为构建智能化、数字化铁路。信号系统包括GOA4级的ATO系统、新型智能列控系统和先进交通管理系统等［2］。
2）未来混合E3。庞巴迪公司的欧洲低密度列车控制系统（ETCS Regional）2012年在瑞典投入应用［3］，是面向低密度铁路的ETCS-3级列控系统，取消了轨旁列车位置检测设备和信号机，无线闭塞中心（RBC）集成联锁功能，车载设备完成列车定位及完整性检查，实现移动闭塞。RBC根据列车位置报告等信息，生成移动闭塞的行车许可及线路描述等信息，并通过车地无线通信系统传送给车载设备。在ETCS Regional基础上，欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）用户组织提出了混合E3即HL3的概念，相关规范已纳入ETCS基线3。纯粹E3不设置轨旁列车占用检查设备，一旦RBC故障重启，所有列车位置和轨道占用条件将丢失，系统恢复对运输的影响极大。混合E3系统维持了一部分轨旁的列车占用检查系统，满足具有列车自主完整性检查功能的E3列车和普通E2列车混合运输需求。实际应用中，混合E3采用移动闭塞缩短列车间隔，适用于繁忙干线，轨旁设备减少可降低建设和运维成本。
3）西门子的ETCS+ATO［4］。德国数字铁路计划和英国高速铁路计划均涵盖了ETCS+ATO功能。2018年，西门子ETCS+ATO系统在英国泰晤士联络线项目投入运营，截至2020底已经装备115列动车组。2019年9月，在瑞士联邦铁路洛桑至维伦纽夫区段试验了ATO功能。ATO试验不调整地面设备，不增加应答器，GOA2级ATO基本功能试验成功。西门子针对不同运用需求，制定了一系列GOA2级的解决方案，包括既有车改造、ATO基本功能、ATO全功能等。西门子与瑞士联邦铁路也成功进行了货运列车ATO现场测试。更高自动化等级的GOA3/4级ATO功能正在研究阶段，目前主要集中在基于传感器和人工智能（AI）的线路监测、障碍物检测和列车故障自诊断自处理方案研究。
4）欧洲列车卫星定位（ERSAT）。意大利在列车利用卫星定位技术方面研究比较深入，意大利铁路基础设施公司（RFI）基于卫星定位的ETCS系统计划于2022年投入商业运营，这是ERSAT计划的重要里程碑。ERSAT计划的目标是将卫星定位集成于铁路应用，特别是应用于ETCS-3级和混合ETCS-3级，提供经济高效的卫星定位技术，用虚拟应答器替代物理应答器，配置灵活，既降低运营成本，还可提高运输效率。虚拟应答器的应用方案限制在现有ETCS技术规则内，不改变现有技术规范。当卫星信号丢失无法检测到虚拟应答器时，例如隧道，ERSAT提供本地信号增强技术。个别企业的基于卫星定位的虚拟应答器技术方案已经通过了SIL4级认证，即将纳入新版ETCS规范。
5）日本的高级列车管理和通信系统（ATACS）。ATACS系统是东日本旅客铁路公司研发的［5］，于2010年投入商业应用。其概念与ETCS-3级，以及基于通信的列车自动控制系统（CBTC）相似，目的是减少轨旁设备，降低成本，减少运维，并且通过使用移动闭塞技术提高运输效率。相较于传统列控系统，列车的控制主要由地面设备完成，在ATACS系统中，列车的控制转变为由地面与车载通过双工无线通信网络共同完成。ATACS系统将线路分成多个控制区，每个控制区作为1个独立的单元，由1个据点装置和1个无线电装置组成。据点装置之间通过无线电装置相连，从无线电装置接收列车的位置信息。


2.智能列控系统概念  

近些年来，智能控制技术和方法不断发展，智能控制的概念不断丰富，机器人、生产智造、智能交通等不同专业领域均取得飞速进步。对于铁路信号系统而言，积极应用了智能CTC系统、自主化列控系统、ATO系统、信号安全数据网等大量新技术、新装备，与此同时，也仍然采用继电器、信号灯、轨道电路等具有上百年历史的传统设备，高速铁路也是如此。这是信号系统安全理念的传承，体现了信号专业追求安全稳定的整体观念。技术进步是永恒的主题，当前不断涌现的新技术，既是挑战，也是推动我国电务技术进步的动力。传统设备电子化，电子设备数字化，数字设备智能化，铁路信号设备的技术发展非常明确。

2.1　智能列控系统的内涵

借鉴国际领域智能列控技术发展情况，智能列控系统的内涵［6］主要体现在2个方面：一是列车运行自动化程度的提升，我国已经建成了完善的CTCS列控系统技术标准体系，拥有了多个具有自主知识产权的列控系统安全平台，在国际范围内率先实现了复兴号动车组时速350 km的GOA2级自动驾驶，未来要实现更高GOA等级的自动驾驶，最终实现列车自主运行控制；二是利用广义智能控制的方法提高列车运行效率，包括减少轨旁设备，提高系统可靠性，降低运营成本，实现调度与控制一体化技术，实现移动闭塞等。智能列控系统是未来高速铁路发展的方向。

2.2　设计目标

1）安全性能更高。目前构成列控系统的关键设备如车载安全计算机、地面控制设备等，其安全完善度等级均达到SIL4级。但SIL4级安全认证并不能保证系统不存在安全隐患，随着高铁运营里程、列车运行时间的快速增长，发生安全事件的概率逐渐增加，因此提升列控系统安全性的需求迫切。总体解决思路是应用系统安全的理念，通过多系统、多设备、多模块安全比较来提升系统安全性。例如将来列车可通过卫星导航、5G导航等方式实现多元融合自主定位，探索研究列车与列车间的直接通信，或者车-地-车通信，提升系统安全。
2）运输效率更高。一个关键技术指标是采用移动闭塞替代传统的固定闭塞，在确保安全的前提下，进一步增加列车开行密度，通过ATO系统实现列车准点率和行车效率的提升，在自动驾驶控制过程中尽量减少列车运行冲击率，提升旅客舒适度；另一个关键技术指标是实现从自动驾驶到智能驾驶的转变，在现有自动驾驶功能基础上，实现列车环境自感知、安全态势自评估、设备故障自诊断、高铁列车运行更稳定正点。
3）鲁棒性更高。目前列控系统故障主要来自于3个方面：一是复杂轨旁设备导致的地面红光带、有源应答器故障等；二是车地通信环节引发的信息传输过程故障；三是车载设备本身由于冗余措施不到位，而由元器件故障引发的车载设备可用性故障。智能列控系统应致力于提升系统鲁棒性。
4）更节能环保。铁路网快速建设在宏观上讲有利于节能减排，但是高速铁路将成为国家电网第一用电大户，结合国家碳达峰碳中和战略目标，铁路领域节能环保需求也很迫切：一方面智能列控系统需持续优化节能控制算法，通过自动驾驶系统应用实现节能目标；另一方面，可利用动车组在减速时能够发电，并自动返回电网形成再生能源的技术特点，智能列控系统要应用系统协同控制技术，通过与调度指挥、动车组控制、牵引供电等系统结合，实现列车群的协调配合、联动控制，电能内部利用，进一步节能降耗。

3.关键技术 

智能高铁项目实施引领中国轨道交通领域迈入智能化发展新阶段。智能轨道交通领域广泛研究应用多层域状态智能感知、系统协同控制、安全态势评估、大数据融合与智能维护、行程智能引导等技术［7］。现阶段智能高铁的信号系统主要包括智能调度指挥系统、以自动驾驶为标志的列车运行自动控制系统、电务大数据平台和运营维护系统，以及信号系统配套的现代化监测监控系统等，实现了调度指挥智能化、列车控制自动化和运维监控现代化。其中，智能列控系统的关键技术主要包括高安全可靠的列控系统、更高自动化等级的自动驾驶系统、移动闭塞技术、智能运维技术等，其构成见 图2 。
学术前沿：《智能铁路列控系统技术发展方向展望》的图2
图2 智能列控系统关键技术构成

3.1　高安全可靠的列控系统

如何进一步提升列控系统安全性以适应高铁运营里程日益增长的运用需求，以及更高速度、更大密度的运营需求？笔者认为有以下几个研究方向。
1）通过减少轨旁设备提升系统鲁棒性。CTCS列控系统是在既有线提速基础上开始研发和应用的，只能采取类似于“搭积木”的设计原则，客观导致列控系统结构复杂、轨旁设备较多等问题，设备故障率和维修成本相对较高。智能列控系统要在优化系统结构、减少轨旁设备、提高车载设备冗余度、后备控制模式、进一步提高运能和降低全生命周期成本等方面进行研究：一是实现列控联锁一体化，采用全电子安全计算机平台，发展基于光纤传输的全冗余结构的目标控制器，实现轨旁设备的数字化和智能化控制；二是利用北斗卫星定位技术、虚拟应答器技术等实现列车自主定位和完整性检查，研究探索在逐步取消轨道电路，提高系统可靠性的同时，减少轨旁设备。
2）通过车车通信提升系统安全性。单独的CTCS-2级系统（简称“C2”）或CTCS-3级系统（简称“C3”）均属于SIL4级安全苛求系统，但为了确保系统安全，国铁集团仍研究采取了C3与C2行车许可双曲线比较的方法来进一步提升系统安全性，降低RBC等地面控制设备的未知安全隐患。智能列控系统同样也应秉承相同的设计理念，研究如何既减少轨旁设备，又提升系统安全性。车车通信或车-地-车通信是解决矛盾的突破口。后车通过与前车通信，实时掌握前车位置和运行状态，再与接收到的行车许可进行安全比较，则同样可以降低RBC等地面设备的未知风险。因此，车车通信的未来研究方向不仅是减少轨旁设备、减少调度与控制系统的通信环节，还有一个重要作用是提升系统安全。
3）多元融合列车自主定位和列车完整性检查技术。提升列车智能化水平，实现列车及车载设备的自主定位及列车完整性检查是世界列控技术的发展趋势，欧洲已经陆续出台列车自主定位的相关技术规范。传统铁路应用轨道电路、应答器、车载速度传感器等实现相关功能，智能列控系统可应用卫星定位技术、速度传感器、虚拟应答器乃至5G通信与导航一体化技术（简称“5G通导”）等实现多元融合列车自主定位和列车完整性检查。5G通导融合技术已经纳入5G的相关国际标准，可以充分利用5G无线通信的IP通信和多天线ID地址特征，实现在隧道、站内卫星遮挡区域基于无线的列车定位，可以作为智能列控系统定位的一种元素来开展研究，为诸如川藏铁路等“高原地下高速铁路”提供研究思路。
4）网络安全技术。列控系统是一种非典型的工业控制系统，坚持封闭独立成网的设计特点，也应用了安全密钥、专用安全协议等符合相关技术标准的网络安全措施。但是随着信息技术的发展，网络攻击手段和病毒种类也愈发繁多，给铁路信号系统的网络安全乃至列车的安全运行带来了新的挑战。智能列控系统应以网络安全等级保护的相关要求为依据，结合铁路信号系统安全防护实际需求，研究形成智能列控系统专用的网络安全防护技术方案。诸如存储加密、传输加密等措施如何实施？基于无线通信的开放的安全信息传输如何强化信息安全手段？如何从边界防护向网络纵深防护过渡？这些均是智能列控系统网络安全的重要研究方向。

3.2　更高自动化等级的自动驾驶系统

高铁ATO系统需要研究引入基于人工智能的控制模型自适应调整算法。高速铁路ATO系统能够提高运输效率，提升乘客乘车体验，减轻司机劳动强度，降低牵引能耗，是高速铁路智能化的发展方向。高铁ATO系统面临的主要技术挑战：一是控制速度高，ATO要实现动车组从最高运行速度到列车停稳停准的精确控制；二是高铁路网复杂，要实现不同列控等级、驾驶方式、车型、运用环境和场景等各种运行条件下的安全自动控制。这些特点决定了地铁、城际铁路中常用的PID、模糊逻辑控制、神经网络控制、迭代学习控制等传统方法［8］均不适用于高速列车自动驾驶。研究应用GOA3级或者GOA4级的自动驾驶系统，实现列车智能自主运行控制，是国际技术发展的趋势。考虑到我国铁路运用场景复杂、交路复杂、环境复杂、车型复杂等，GOA4级ATO在较长时期内不应是我国干线铁路的研究方向。智能列控系统应以实现列车环境自感知、安全态势自决策、运行控制自适应为目标，主要研究方向如下。
1）列车运行环境智能传感与感知技术。研究列车与环境的耦合关系是智能列控系统的关键，而信息自动采集和感知是智能控制系统的基础。例如，对于智能列控系统而言，如何适应复杂多变的气候条件？如何适应山体滑坡、线路变形、接触网悬挂异物等非常情况？因此，基于多传感器信息融合的列车运行状态在线感知与预测技术研究是智能列控系统的基础。视频分析识别技术、数据挖掘列车运行环境的方法、列车运行环境感知与运行状态预测技术、障碍物检测技术、异物入侵检测技术、标准的传感器网络及接口构建等是重点研究内容，目的是实现智能识别和外部环境实时感知需求。
2）列车智能决策技术。高速铁路列车运行需要考虑的因素较多，如长大坡道、电分相、恶劣天气、非正常行车等，不同场景需要不同的驾驶策略。如何处理节能控制与列车正点运行的关系？非正常情况下的自动驾驶策略？如何将机车乘务员的相关技术、操纵方法和驾驶策略转化为机器控制策略？这些列车智能决策技术的关键是构建驾驶策略多目标优化决策模型和自动驾驶评价体系。
3）列车智能控制技术。不同的车型、不同的运行场景，均需要相对应的控制方式。因此，研究不同运行条件的智能驾驶自适应技术和自学习方法，确保不同场景下列车运行的舒适度和停车精度是研究重点。
4）调度与控制系统的深度融合。单一的调度指挥系统今后要向调度控制一体化发展，采用基于大数据的列车运行智能调度方法，利用实时状态反馈、精细抗扰控制和列车智能分群调度的思想，深度融合调度指挥和运行控制，形成突发事件的基于数据驱动的高铁列车群协同控制与动态调度理论，以实现具有快速、智能、协同、稳定特色的调度与控制一体化，实现大规模复杂路网下的高速铁路突发事件下的指挥调度，全面提升及时应对突发事件的能力。

3.3　移动闭塞技术

移动闭塞已经在地铁领域成熟运用，但在干线铁路运用较少。这主要是因为干线铁路列车速度较高、车型复杂、站场复杂，运输能力的限制条件往往不在区间而在站内。运行速度越高，移动闭塞的效果越不明显。欧洲的ETCS-HL3（混合型E3）为干线铁路移动闭塞技术的实现提出了值得借鉴的解决方案。对于移动闭塞的应用，可以立足于我国干线铁路的高密度区段，例如京沪高铁徐州东—蚌埠南段，以及枢纽低速区段等。重点研究方向如下。
1）基于5G车地通信技术。移动闭塞技术依赖车地实时通信系统，5G-R无线通信系统提供了良好的车地通信手段。5G-R具有高速率、IP通信、海量互联等技术特征，能够大幅提升车地信息传输的速率、灵活性和可靠性。智能列控系统通过5G-R通信可以研究实现无线通道冗余、车车通信、列车5G通导定位甚至虚拟连挂等功能。
2）列车高密度追踪方法。列车自动防护ATP车载设备与RBC设备，以及车站联锁相互配合，可实现基于实时通信的列车高密度追踪，实现从“撞硬墙”到“撞软墙”的技术提升。

3.4　智能运维技术

展望智能维护系统的下一步发展，主要应体现在对信号系统复杂故障的精准定位、维护向导、预防性维修和综合维护等方面。信号系统的物理架构、组织规模和控制模式，使得在复杂故障发生时难以精准定位，浪费大量的人力、物力和维修时间，且需要综合型有经验的资深技术专家，随着传感技术、大数据处理和云计算技术的不断成熟和实践，可以在对信号系统进行全面数字化、信息化和智能化的基础上，通过海量数据挖据、机器自学习和数据关系建模等方法，提高监测监控系统的故障精准定位技术、故障处理向导技术，同时通过监测数据与生产维修调度指挥流程和业务的有机结合和联动，健全信号系统健康管理（PHM）体系，在预防性维修和综合维护方面发挥更加积极有效的作用。主要研究方向包括监测数据的汇聚与融合、数据服务、设备健康管理与故障预测、智能诊断分析、作业流程智能化卡控等。
4.发展路线展望 
1）当前处于新技术应用推广阶段。我国已经成功研发了C3自主化列控系统、高铁ATO系统、列控联锁一体化设备，目前处于试用阶段。新型列控系统的研发进展顺利。这些新技术的推广应用应遵循稳中求进原则，在确保安全的前提下，积极稳妥地按规定程序推进。
2）结合工程应用推进新技术研发和应用。我国高铁正在挑战更高运行速度，工程实施需要列控系统技术配套。5G-R无线通信系统处于准备阶段，关键基础设施网络安全仍需攻关。川藏铁路已经开工一年多的时间，亟需研究适应于川藏铁路的列控系统，既要与路网互联互通，又要适应恶劣自然环境的运营需求，列控系统的智能化是川藏铁路的主要应用方向。
3）远期目标展望。文化差异、成本效益评估等是影响技术进步的重要因素，用户已适应传统系统，这将导致新技术的应用绝非单纯的技术问题。另外，自动化、智能化带来的就业压力，以及传统业务功能界面的调整也是重要的决策因素。通用的智能化新技术必须达到长期成熟运用阶段后，才具备在铁路列控系统应用的条件。本文中提及的调度与控制一体化、虚拟连挂、高铁移动闭塞、列车自主运行控制系统等均属于远期目标，将伴随着社会科技进步、从业者和旅客认知提升、铁路信号设备更新换代等陆续研发和应用。
5.结束语 
智能、绿色是社会发展的必然趋势，智能铁路必将在第四次工业革命中占据重要地位。本文在概括国内外智能列控系统现状及发展趋势的基础上，总结了智能列控系统内涵及设计目标，探讨了智能列控系统主要发展方向，构想了智能列控系统关键技术，并对发展路线进行了展望。积跬步以至千里，铁路信号人应紧跟铁路发展步伐，持续推进铁路电务技术科技创新，助力实现智能铁路向智慧铁路发展的战略目标。



引用本文：莫志松.智能铁路列控系统技术发展方向展望[J].铁道通信信号,2022,58(08):1-7.

作者简介：
莫志松：中国国家铁路集团有限公司 正高级工程师 100844 北京

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