楊曉娟，賈利民

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044）

列車(chē)控制系統(tǒng)[1]是保證鐵路運(yùn)輸安全的重要手段，它是以技術(shù)手段對(duì)列車(chē)運(yùn)行方向、運(yùn)行間隔和運(yùn)行速度進(jìn)行控制，使列車(chē)能夠安全運(yùn)行。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，列車(chē)控制系統(tǒng)正由基于軌道電路的時(shí)代進(jìn)入采用通信的方式進(jìn)行信號(hào)傳遞的時(shí)代。世界各國(guó)都在對(duì)其原有列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，不斷增加新的功能。國(guó)外很早就進(jìn)行了鐵路列車(chē)控制系統(tǒng)的研究和使用，歐洲有7大鐵路信號(hào)公司及其代表性的列車(chē)控制系統(tǒng)[1]，其中，最具有代表性的是ETCS[2~3]，ETCS目的是為了解決歐洲境內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)幕ヂ?lián)互通問(wèn)題。我國(guó)幅員遼闊，鐵路運(yùn)輸中客貨列車(chē)混跑、不同速度列車(chē)共線運(yùn)行，高密度、大重量運(yùn)輸和地面信號(hào)制式混雜、線路限速多樣，其運(yùn)輸強(qiáng)度和復(fù)雜度是世界之最。在這種復(fù)雜的條件下，參照ETCS的規(guī)范，根據(jù)我國(guó)的路況和借鑒國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，制定了中國(guó)的列車(chē)控制系統(tǒng)CTCS[4~6]的規(guī)范。

1 列車(chē)控制系統(tǒng)架構(gòu)

列車(chē)控制系統(tǒng)的主要體系[7]組成如下圖1，其包括車(chē)載部分、地面部分。地面部分可由以下組成：應(yīng)答器、軌道電路以及列車(chē)控制中心（TCC）/無(wú)線閉塞中心（RBC）；車(chē)載部分主要由以下組成：車(chē)載安全計(jì)算機(jī)、測(cè)速傳感器、監(jiān)控記錄設(shè)備和人機(jī)界面MMI。

圖1 列車(chē)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

鑒于列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)在鐵路運(yùn)輸中的重要性，伴隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的加快，國(guó)家間技術(shù)先進(jìn)性的競(jìng)爭(zhēng)演變成技術(shù)壟斷性的競(jìng)爭(zhēng)，科技競(jìng)爭(zhēng)中的焦點(diǎn)是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)，技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)歸根結(jié)底是專(zhuān)利的競(jìng)爭(zhēng)。因此，通過(guò)對(duì)該技術(shù)領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)利申請(qǐng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，能為國(guó)內(nèi)的高校和企業(yè)在進(jìn)行該技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究中提供重要幫助，以便于全面了解現(xiàn)有的技術(shù)水平，確定正確的研究方向，避免重復(fù)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)而節(jié)省時(shí)間與研究經(jīng)費(fèi)。本文將以該列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域在國(guó)內(nèi)的專(zhuān)利申請(qǐng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為國(guó)內(nèi)的高校和企業(yè)提供該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)初步創(chuàng)新策略。

2 列車(chē)控制系統(tǒng)技術(shù)分支

通過(guò)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和架構(gòu)的總結(jié)分析,針對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)框架組成，如圖2。

圖2 列車(chē)控制系統(tǒng)技術(shù)分支圖

在列車(chē)控制系統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備中，圖2技術(shù)分支圖中給出了車(chē)載安全計(jì)算機(jī)、測(cè)速定位、監(jiān)控記錄技術(shù)分支3方面。其中，車(chē)載安全計(jì)算機(jī)是ATP裝置的核心部分，負(fù)責(zé)從ATP各個(gè)模塊搜集信息，生成制動(dòng)模式曲線，必要時(shí)通過(guò)故障-安全電路向列車(chē)輸出制動(dòng)信息，控制列車(chē)安全運(yùn)行，本文將車(chē)載安全計(jì)算機(jī)的技術(shù)進(jìn)一步劃分為涉及安全冗余、制動(dòng)速度曲線以及人機(jī)界面MMI。監(jiān)控記錄設(shè)備用于規(guī)范機(jī)車(chē)乘務(wù)員駕駛，記錄與運(yùn)行管理相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，本文將監(jiān)控記錄的技術(shù)進(jìn)一步劃分為涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、監(jiān)控方式。測(cè)速定位技術(shù)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)列車(chē)運(yùn)行速度和位置，并計(jì)算列車(chē)走行距離，本文將測(cè)速定位技術(shù)進(jìn)一步劃分為單一方式的測(cè)速或定位，融合方式的測(cè)速或定位；并且給出了多種測(cè)速定位的技術(shù)方式。

列車(chē)控制系統(tǒng)的地面設(shè)備中，本文主要給出了軌道電路、應(yīng)答器以及軌道電纜、感應(yīng)環(huán)線的技術(shù)分支，其中，對(duì)于軌道電路，將其細(xì)分為分界點(diǎn)判斷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、報(bào)文編碼以及數(shù)字軌道幾方面，而對(duì)于應(yīng)答器，則將其進(jìn)一步細(xì)分為天線發(fā)送、解調(diào)控制、報(bào)文編碼。將對(duì)上述技術(shù)分支進(jìn)行分析和探討。

3 列車(chē)控制系統(tǒng)發(fā)展及創(chuàng)新方向

針對(duì)上述給出的技術(shù)分支，首先進(jìn)行了在中國(guó)申請(qǐng)的專(zhuān)利申請(qǐng)文件的檢索，在檢索的基礎(chǔ)上對(duì)這些技術(shù)分支所涉及的專(zhuān)利情況進(jìn)行了篩選、分析和統(tǒng)計(jì)。最后得到與列車(chē)控制系統(tǒng)上述技術(shù)分支圖密切相關(guān)的專(zhuān)利文獻(xiàn)量共100多篇。在這100多篇專(zhuān)利文獻(xiàn)中，通過(guò)分析，其中，涉及地面設(shè)備的專(zhuān)利文獻(xiàn)61篇，車(chē)載設(shè)備的專(zhuān)利文獻(xiàn)92篇。具體到技術(shù)分支點(diǎn)上，有關(guān)車(chē)載安全計(jì)算機(jī)的制動(dòng)曲線技術(shù)分支、測(cè)速/定位技術(shù)中的速度傳感器技術(shù)分支、軌道電路技術(shù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)置技術(shù)分支、應(yīng)答器技術(shù)中的報(bào)文編碼技術(shù)分支的專(zhuān)利文獻(xiàn)量均超過(guò)了10篇，初步說(shuō)明這些技術(shù)分支所受到的重視程度相對(duì)大，其技術(shù)發(fā)展較為迅速和成熟。同時(shí)，其他幾個(gè)技術(shù)分支點(diǎn)上的專(zhuān)利文獻(xiàn)基本則在10篇以下，反映出這些技術(shù)分支的研究較少而其有可能作為潛在的研究方向。根據(jù)進(jìn)一步的分析，其中有關(guān)車(chē)載安全計(jì)算機(jī)的制動(dòng)曲線技術(shù)分支、測(cè)速/定位技術(shù)中的速度傳感器技術(shù)分支、軌道電路技術(shù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)置技術(shù)分支、應(yīng)答器技術(shù)中的報(bào)文編碼技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，下文將結(jié)合上述技術(shù)分支圖中其他主要技術(shù)分支的專(zhuān)利文獻(xiàn)情況進(jìn)行相關(guān)創(chuàng)新建議說(shuō)明。

3.1 加大安全冗余方向的研究創(chuàng)新

在技術(shù)分支圖中，車(chē)載設(shè)備劃分為3個(gè)技術(shù)分支：車(chē)載安全計(jì)算機(jī)、監(jiān)控記錄部分和測(cè)速/定位部分。其中，車(chē)載安全計(jì)算機(jī)是列車(chē)控制系統(tǒng)的核心部分，而故障—安全是列車(chē)運(yùn)行的重要核心技術(shù)，因此，對(duì)于車(chē)載安全計(jì)算機(jī)必須保證其本身的故障—安全，因而其相關(guān)的安全冗余技術(shù)也是發(fā)展和研究的重點(diǎn)。在技術(shù)分支圖中將車(chē)載安全計(jì)算機(jī)又劃分為3個(gè)部分：人機(jī)界面MMI，制動(dòng)速度曲線以及安全冗余，而安全冗余又進(jìn)一步細(xì)分為雙機(jī)備份方式、3取2和2乘2取2方式[6]。根據(jù)獲得專(zhuān)利文獻(xiàn)，如圖3給出了技術(shù)分支圖中車(chē)載安全計(jì)算機(jī)涉及的各個(gè)分支的專(zhuān)利申請(qǐng)情況。

圖3 車(chē)載安全計(jì)算機(jī)各技術(shù)分支申請(qǐng)專(zhuān)利情況

如圖3，車(chē)載安全計(jì)算機(jī)技術(shù)分支組成中，人機(jī)界面MMI所占比例較少，約為1/5，而制動(dòng)速度曲線以及安全冗余方面基本各占2/5，可見(jiàn)該領(lǐng)域申請(qǐng)人對(duì)制動(dòng)速度曲線以及安全冗余的技術(shù)相當(dāng)重視。安全冗余方面進(jìn)一步細(xì)分的雙機(jī)備份方式、3取2和2乘2取2方式中，前者又占據(jù)了安全冗余技術(shù)部分的近3/4，從一定程度上也說(shuō)明該雙機(jī)備份技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和技術(shù)成熟，后兩者僅占了安全冗余技術(shù)部分的1/4。因此，通過(guò)上述的比較分析，對(duì)于安全冗余方面的技術(shù)創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)企業(yè)和高?？梢钥紤]從3取2和2乘2取2的技術(shù)方向作進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。此外，考慮到人機(jī)界面MMI技術(shù)分支專(zhuān)利文獻(xiàn)較少，人機(jī)界面也是一個(gè)車(chē)載設(shè)備中的重要部件，建議在這方面結(jié)合相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)。

3.2 提高測(cè)速/定位技術(shù)融合的技術(shù)創(chuàng)新

列車(chē)的測(cè)速/定位是列車(chē)控制系統(tǒng)的重要組成部分，好比列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)這個(gè)大腦的五官，只有功能正常、運(yùn)行高效的五官才能為大腦做出正確、快速的判斷提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保證。在技術(shù)分支圖中，將列車(chē)測(cè)速/定位進(jìn)一步分為單一方式的測(cè)速/定位以及融合方式的測(cè)速/定位，并且給出了多種具體的測(cè)速/定位技術(shù)方式，在圖4中是對(duì)這些測(cè)速/定位方式的專(zhuān)利申請(qǐng)的統(tǒng)計(jì)情況。

圖4 多種測(cè)速/定位方式的專(zhuān)利申請(qǐng)情況

通過(guò)圖4可以看出，在測(cè)速/定位技術(shù)方面，僅從數(shù)量上來(lái)看，涉及傳統(tǒng)的速度傳感器的技術(shù)分支的專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量最多，軌道電路、應(yīng)答器的數(shù)量也不少，衛(wèi)星技術(shù)也占據(jù)較多的申請(qǐng)數(shù)量。此外，根據(jù)獲得的專(zhuān)利文獻(xiàn)，涉及單一方式的測(cè)速/定位的文獻(xiàn)占據(jù)了有關(guān)測(cè)速/定位的申請(qǐng)文件的絕大多數(shù)，達(dá)到了45篇，利用融合方式的測(cè)速/定位則僅僅只有4篇。因此通過(guò)上述兩方面分析，國(guó)內(nèi)企業(yè)、高校可以考慮：

（1）對(duì)上述申請(qǐng)數(shù)量較少的電子地圖、多普勒雷達(dá)、電子羅盤(pán)、慣性單元、泄露同軸、光纖光柵這些技術(shù)在列車(chē)測(cè)速/定位方向的應(yīng)用加大進(jìn)一步的研究。

（2）多種傳感器或是多種技術(shù)融合的測(cè)速/定位的研究創(chuàng)新的一個(gè)潛在發(fā)展方向，可以考慮在多傳感器及其融合方式上投入研究和開(kāi)發(fā)，例如將技術(shù)分支圖中的多種單一的測(cè)速/定位方式通過(guò)分析比較，結(jié)合相應(yīng)地融合算法，進(jìn)而進(jìn)行選擇性的組合，從而進(jìn)一步彌補(bǔ)單一傳感器或是單一技術(shù)方式的缺陷，大大地提高測(cè)速/定位系統(tǒng)的性能。

3.3 完善和發(fā)展軌道電路技術(shù)

在地面設(shè)備中，在獲得專(zhuān)利申請(qǐng)文獻(xiàn)中，涉及軌道電路技術(shù)分支的有31篇，而軌道電路技術(shù)分支包括了分界點(diǎn)判斷、數(shù)字化軌道電路技術(shù)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)、報(bào)文編碼、定位技術(shù)幾個(gè)技術(shù)分支。關(guān)于上述軌道電路技術(shù)分支的幾個(gè)技術(shù)分支的具體申請(qǐng)文獻(xiàn)情況如圖5：

圖5 軌道電路技術(shù)分支中各部分的雷達(dá)信息圖

根據(jù)雷達(dá)信息圖5可知，軌道電路技術(shù)各分支均有不同程度數(shù)量的專(zhuān)利申請(qǐng)文獻(xiàn)，反映了軌道電路作為傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展情況。其中，有關(guān)分界點(diǎn)判斷的技術(shù)較少，只有4篇申請(qǐng)文獻(xiàn)，關(guān)于定位技術(shù)、報(bào)文編碼、數(shù)字化軌道電路以及軌道電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面依次有5、8、7、11篇申請(qǐng)文獻(xiàn)?？紤]到軌道電路技術(shù)在列車(chē)控制系統(tǒng)CTCS的規(guī)范中應(yīng)用廣泛，例如在CTCS-2、CTCS-3中將用于檢測(cè)列車(chē)完整性。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以考慮對(duì)軌道電路技術(shù)部分進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，如可考慮進(jìn)一步提高數(shù)字化軌道電路的開(kāi)發(fā)，并加強(qiáng)對(duì)分界點(diǎn)判斷技術(shù)的研究。

3.4 提高應(yīng)答器設(shè)備的性能

在地面設(shè)備技術(shù)分支中，統(tǒng)計(jì)得出涉及應(yīng)答器技術(shù)分支的有26篇，該應(yīng)答器技術(shù)分支中又進(jìn)一步劃分為天線發(fā)送、解調(diào)控制、報(bào)文編碼以及定位技術(shù)，對(duì)于這些技術(shù)分支圖6給出了相應(yīng)的申請(qǐng)文獻(xiàn)數(shù)量的比例組成。可以清楚地看到，有關(guān)應(yīng)答器報(bào)文編碼的專(zhuān)利申請(qǐng)較多，占了54%，其他關(guān)于應(yīng)答器天線發(fā)送技術(shù)、解調(diào)控制技術(shù)兩者的專(zhuān)利申請(qǐng)較少，兩者總共只占了23%。因此，從上述比例分析中可以得到，應(yīng)答器報(bào)文編碼技術(shù)發(fā)展較為成熟，在今后研發(fā)中可以適當(dāng)跟蹤現(xiàn)有技術(shù)，必要時(shí)可減少相應(yīng)的研究投入；對(duì)于其他幾個(gè)技術(shù)部分，由于都是比較重要的部分，但申請(qǐng)量較少，因而可以考慮適當(dāng)增加應(yīng)答器的天線發(fā)送技術(shù)、解調(diào)控制技術(shù)等部分的研究和開(kāi)發(fā)；此外，利用應(yīng)答器作為列車(chē)的定位，是CTCS-4的重要組成部分，從現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)來(lái)看申請(qǐng)數(shù)量并不多，相關(guān)研究人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)該方面技術(shù)分支的創(chuàng)新和開(kāi)發(fā)。

圖6 應(yīng)答器技術(shù)分支各部分的申請(qǐng)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)城市軌道和鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，作為軌道交通的中樞和神經(jīng)的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，在指揮行車(chē)、保證列車(chē)安全和提高行車(chē)效率上將發(fā)揮日益巨大的作用。研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTCS體系下列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的各部分技術(shù)，是我們需要不斷科技攻關(guān)的領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的組成框架的分析，對(duì)該列車(chē)控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)分支的劃分，并對(duì)其中多個(gè)技術(shù)分支在中國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)情況進(jìn)行了分析和統(tǒng)計(jì)，初步給出了列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)重要技術(shù)分支的發(fā)展方向和創(chuàng)新建議，為我國(guó)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CTCS體系下列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)提供了研究參考。

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