任建新，龍光輝，李蔚，楊棟

（1.湖南省高鐵運行安全保障工程技術(shù)研究中心，湖南 株洲 412006；2.武漢高速鐵路職業(yè)技能訓練段 信號教研室，湖北 武漢 430000；3.中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410083；4.中國鐵路蘭州局集團有限公司 銀川電務(wù)段，寧夏 銀川 750021）

1 研究背景

1.1 我國高鐵信號技術(shù)自主化發(fā)展

根據(jù)2022年1月18日國務(wù)院發(fā)布的《“十四五”現(xiàn)代化綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》，截至2021年底，我國高速鐵路運營里程已超過4萬km［1］，高速鐵路將在綜合交通運輸體系中發(fā)揮主骨架作用。已開通運營的京張高速鐵路開啟了新時代高速鐵路智能化發(fā)展的歷史先河［2］，信號技術(shù)作為直接控制列車運行、保障行車安全、提高行車效率、改善出行體驗的核心技術(shù)，在鐵路信息化發(fā)展過程中發(fā)揮了重大作用，將在未來高速鐵路智能化發(fā)展進程中發(fā)揮巨大作用。

目前，我國高速鐵路100%配備了中國列車運行控制系統(tǒng)（CTCS），已運營高速鐵路中，2.5萬余km裝備CTCS-2級列控系統(tǒng)，1.5萬余km裝備CTCS-3級列控系統(tǒng)。當前，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS-3級列控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家有中國鐵道科學研究院集團有限公司、北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司、北京和利時系統(tǒng)工程有限公司，CTCS-3級列控系統(tǒng)的2項關(guān)鍵設(shè)備無線閉塞中心（RBC）和列車自動防護系統(tǒng)（ATP）均已實現(xiàn)自主創(chuàng)新。以CTCS-3級列控系統(tǒng)為例，我國高速鐵路信號技術(shù)自主化歷程中實現(xiàn)了跨越式發(fā)展：

（1）裝備研發(fā)生產(chǎn)自主化。尤指在CTCS-3級層面，已具備軟硬件國產(chǎn)化設(shè)計生產(chǎn)能力，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

（2）安裝調(diào)試簡單統(tǒng)一化。統(tǒng)一了安裝接口、調(diào)試接口和互通接口，規(guī)范了操作流程，有利于實現(xiàn)互聯(lián)互通。

（3）車載控制功能一體化。采用高度集成模塊實現(xiàn)CTCS-2級和CTCS-3級列控雙曲線安全比較功能，新增了區(qū)間邏輯占用檢查功能；有效保障了列車區(qū)間行車安全。

（4）行車安全保障邏輯化。新增了無線閉塞中心的邏輯檢查功能；車載子系統(tǒng)、RBC均采用雙系熱備冗余架構(gòu)；有效保障了列車站內(nèi)綜合作業(yè)安全。

（5）運行工況監(jiān)督遠動化。通過G網(wǎng)實現(xiàn)列車運行監(jiān)督數(shù)據(jù)實時下載，以及自動化預(yù)警功能，為智能化運營維護奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 行業(yè)背景

2020年1月，習近平總書記對京張高鐵開通運營作出重要指示［3］：京張高鐵是我國建設(shè)運營的首條智能高鐵。京張高鐵的建成通車，標志著我國在建設(shè)智能高鐵方面取得了重大成果。

2020年8月，中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）正式出臺《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》（簡稱《綱要》）［4］，《綱要》全文25次提到“智能”，《綱要》明確指出：到21世紀中葉智能高鐵率先建成，智慧鐵路加快實現(xiàn)的發(fā)展目標；推進工電裝備標準化、簡統(tǒng)化，自主研發(fā)新型智能列控系統(tǒng)和智能綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)為典型代表的自主、先進高速鐵路技術(shù)裝備體系。

從追趕、跟隨、并行到領(lǐng)跑，京張高鐵的實踐初步形成了智能高鐵的技術(shù)架構(gòu)［5］，成功開啟了智能鐵路的新篇章，未來智能高速鐵路信號控制技術(shù)將引領(lǐng)軌道交通行業(yè)健康發(fā)展。

2 新時代智能高鐵信號系統(tǒng)研究

2.1 智能高速鐵路調(diào)度指揮子系統(tǒng)

在全部繼承分散自律式調(diào)度集中子系統(tǒng)（CTC）全部功能和系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，智能列車調(diào)度指揮系統(tǒng)將實現(xiàn)下列功能：（1）智能化調(diào)整運行計劃功能；（2）進路、作業(yè)流程及站細安全卡控功能；（3）客運、供電、施工、防災(zāi)等系統(tǒng)聯(lián)動功能；（4）多場景化在線培訓測試和仿真學習功能；（5）向智能列車操作系統(tǒng)發(fā)送階段計劃功能。其硬件和軟件結(jié)構(gòu)分別見圖1、圖2。

圖1 智能高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖2 智能高速鐵路調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.2 列控與聯(lián)鎖一體化子系統(tǒng)

受鐵路信號制造產(chǎn)業(yè)和運輸組織實情影響，我國高速鐵路信號系統(tǒng)［6］存在著疊加設(shè)計的情況，如在保持聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）標準不變的情況下，單獨設(shè)置了高速鐵路列控中心（TCC），導致信號子系統(tǒng)復雜、維護工作量大、可能故障點變多；子系統(tǒng)接口較復雜，部分子系統(tǒng)缺少直接接口，存在數(shù)據(jù)迂回傳輸；全電子化程度不高等情況。

處于智能列車調(diào)度指揮子系統(tǒng)下位的列控與聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)將實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)備監(jiān)控、進路控制、軌道區(qū)段編碼等原聯(lián)鎖系統(tǒng)和原列控中心主要功能；列控與聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)還將實現(xiàn)全電子化配置功能，采用全電子化執(zhí)行單元代替原繼電器組合，實現(xiàn)對車站、區(qū)間設(shè)備一體化監(jiān)控；由全電子化執(zhí)行單位構(gòu)成的執(zhí)行層和列控與聯(lián)鎖一體化邏輯層之間采用光傳輸通道，大大降低了雷電通過電路通道對計算機電子設(shè)備侵害的隱患。根據(jù)執(zhí)行層所處的安裝位置，列控與聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)將有3類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別是室內(nèi)集中安裝式（見圖3）、軌旁安裝式（見圖4）和組合安裝式。在實際工程應(yīng)用中，采用集中安裝式結(jié)構(gòu)還是軌旁安裝式結(jié)構(gòu)，主要取決于車站所在地環(huán)境、離信號樓距離、車站規(guī)模等綜合因素。

圖3 室內(nèi)集中安裝式列控與聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

圖4 軌旁安裝式列控與聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)

2.3 智能列車自動操作子系統(tǒng)

在智能高速鐵路調(diào)度指揮子系統(tǒng)中新增了智能列車操作服務(wù)器，服務(wù)器將通過車地通信通道給智能列車自動操作子系統(tǒng)（車載）提供行車計劃，智能列車自動操作子系統(tǒng)（車載）依據(jù)行車計劃以最佳速度控制曲線對列車進行自動操作；智能列車自動操作子系統(tǒng)依據(jù)地面增設(shè)的應(yīng)答器實現(xiàn)精確對標停車、車門與站臺門精確聯(lián)動功能；智能列車自動操作子系統(tǒng)將實現(xiàn)列車自動發(fā)車、區(qū)間內(nèi)自動運行、車站內(nèi)自動停車（或站內(nèi)自動通過、扣車）等功能。

2.4 智能信號工程仿真測試系統(tǒng)

智能信號工程仿真測試系統(tǒng)主要由智能列車自動操作子系統(tǒng)（車載）接口仿真子系統(tǒng)、線路條件仿真子系統(tǒng)、測試執(zhí)行與監(jiān)督子系統(tǒng)、測試案例輔助生成子系統(tǒng)、列控與聯(lián)鎖一體化仿真測試子平臺構(gòu)成（見圖5）。

圖5 智能信號工程仿真測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能信號仿真測試系統(tǒng)應(yīng)具備仿真典型高速鐵路運營場景下被控基礎(chǔ)設(shè)備和運營環(huán)境狀態(tài)功能，并依托典型運營案例生成建議測試案例庫，供工程集成實施選用測試；智能信號仿真測試系統(tǒng)除滿足單項系統(tǒng)測試功能外，還能進行信號系統(tǒng)集成化測試，主要測試信號系統(tǒng)集成化安裝上道前接口數(shù)據(jù)流有效性；智能信號仿真測試系統(tǒng)具備提供全過程測試記錄和測試數(shù)據(jù)不合理預(yù)警功能，測試過程需要廠家、工程方、使用方協(xié)同開展，形成階梯式防護壁壘，保障工程安全性。

2.5 智能高速鐵路信號運維系統(tǒng)

基于智能化、集中化、圖示化、自動化原則，從服務(wù)高速鐵路安全運營角度出發(fā)，將采用多項先進信息化技術(shù)，構(gòu)建標準統(tǒng)一、接口安全的智能高速鐵路信號運維系統(tǒng)。按數(shù)據(jù)流方式，將系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)分為5層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)預(yù)處理層、數(shù)據(jù)挖掘?qū)?、業(yè)務(wù)分析層和可視化顯示層。數(shù)據(jù)采集層具體形式表現(xiàn)為高速鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備運營與維護大數(shù)據(jù)實時采集歸一化平臺，其通過信號設(shè)備履歷靜態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、集中監(jiān)測系統(tǒng)、通信綜合網(wǎng)絡(luò)管理監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)作業(yè)安全盯控管理系統(tǒng)和智能調(diào)度指揮系統(tǒng)建立。系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 智能高速鐵路信號運維系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

處于數(shù)據(jù)采集層上位的4層，將對大數(shù)據(jù)完成預(yù)處理、挖掘、分析、可視化顯示。智能高速鐵路信號運維系統(tǒng)采用“平臺+應(yīng)用”的模式開發(fā)，解決當前我國高速鐵路運用維護平臺建設(shè)標準不統(tǒng)一、設(shè)備運用數(shù)據(jù)共享不多、缺乏對信號設(shè)備全生命周期管理等諸多客觀問題，將高速鐵路運營維護方式由被動響應(yīng)轉(zhuǎn)變至主動預(yù)防為主。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 列車運行智能化調(diào)整技術(shù)

以當前高速鐵路在用分散自律式調(diào)度集中為基礎(chǔ)，不改變當前高速鐵路在用分散自律式調(diào)度集中架構(gòu)，總結(jié)和歸納同一區(qū)段內(nèi)造成高鐵列車運行計劃偏離的主要因素［7］，預(yù)先建立起基于本區(qū)段線路條件、設(shè)備故障、突發(fā)事件等運營場景下的高鐵列車運行計劃調(diào)整模型。

智能列車調(diào)度指揮子系統(tǒng)將依據(jù)應(yīng)急場景情況、車站、車組關(guān)聯(lián)關(guān)系及時調(diào)取預(yù)先設(shè)置的運行計劃調(diào)整模型，為行車調(diào)度員提供智能調(diào)整的方案，實現(xiàn)列車運行計劃的迅速和智能化調(diào)整，列車運行智能化調(diào)整技術(shù)將是支撐智能高速鐵路調(diào)度指揮子系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2 融合衛(wèi)星的列車自主定位技術(shù)

總結(jié)我國首條智能高速鐵路京張高鐵采用北斗全域信號增強技術(shù)［8］的經(jīng)驗，基于北斗導航系統(tǒng)的列車定位技術(shù)，采用多模式衛(wèi)星定位，融合慣性導航、輪軸轉(zhuǎn)速計、應(yīng)答器等綜合定位方式［9］，實現(xiàn)列車實時自主定位，同時利用列車頭篩和尾篩功能，進行邏輯區(qū)段占用、出清運算，取代基于傳統(tǒng)區(qū)段空閑監(jiān)測設(shè)備［10］而實現(xiàn)的軌道區(qū)段解鎖、防護等功能，對列車實現(xiàn)完整性監(jiān)測，建立起沿高速鐵路運營線路全時、全域、全天候的智能化時空信息體系。

列車定位技術(shù)是支撐列控與聯(lián)鎖一體化子系統(tǒng)的最關(guān)鍵技術(shù)之一，是實現(xiàn)下一代列車運行控制系統(tǒng)（CTCS-4級）移動閉塞制式的關(guān)鍵技術(shù)之一，將重點支撐智能列車自動操作子系統(tǒng)。融合衛(wèi)星的列車自主定位技術(shù)原理見圖7。

圖7 融合衛(wèi)星的列車自主定位技術(shù)原理

3.3 智能列車自動駕駛技術(shù)

智能列車自動駕駛技術(shù)針對當前高速鐵路車載信號系統(tǒng)大量依賴地面系統(tǒng)提供列控數(shù)據(jù)［11］，以傳統(tǒng)自動化理論生成速度曲線并控制列車運行，存在感知缺乏、決策單一和控制過程機械化過高，安全性、效能平衡性和舒適性較差等諸多問題。

將人工智能化控制技術(shù)引入列車自動駕駛領(lǐng)域，通過在列車上增加傳感器等手段，提高列車主動感知能力，同時利用深度學習、強化學習等手段挖掘優(yōu)秀司機豐富的駕駛經(jīng)驗和列車運行相關(guān)大數(shù)據(jù)，結(jié)合高速鐵路線路數(shù)據(jù)、智能化運行調(diào)整計劃等，最終形成主動安全、效能平衡、旅行體驗舒適的智能化列車自動駕駛技術(shù)。

智能化列車自動駕駛技術(shù)將為實現(xiàn)列車超速防護系統(tǒng)監(jiān)控下的車門與智能高鐵站臺門聯(lián)動控制、列車停車精度控制提供技術(shù)保障。

3.4 列控與聯(lián)鎖一體化全電子技術(shù)

采用全電子技術(shù)實現(xiàn)列控與聯(lián)鎖一體化子系統(tǒng)與信號基礎(chǔ)設(shè)備接口全電子化，用全電子化執(zhí)行單元（板卡）代替當前高速鐵路信號控制系統(tǒng)與信號基礎(chǔ)設(shè)備繼電電路接口［12］。利用全電子化執(zhí)行單元（板卡）能大量減少繼電器和繼電器組合架使用［13］，并減少信號工程室內(nèi)用地面積；通過冗余方式配置全電子化執(zhí)行單元（板卡）能實現(xiàn)可靠性、安全性更高的信號設(shè)備監(jiān)控功能；全電子化執(zhí)行單元（板卡）通過母版和列控與聯(lián)鎖一體化子系統(tǒng)實現(xiàn)電氣連接，無需配置線纜，可大量減少信號工程設(shè)計和施工工作量。

全電子化執(zhí)行單元除繼承信號繼電器組合的所有功能外，還將給出執(zhí)行單元工作狀態(tài)提示，并實時轉(zhuǎn)發(fā)至列控與聯(lián)鎖一體化子系統(tǒng)的維修工作站，再經(jīng)維修工作站記錄并實時上傳至高速鐵路信號基礎(chǔ)設(shè)備運營與維護大數(shù)據(jù)實時采集歸一化平臺。

3.5 高精度虛擬仿真技術(shù)

通過高精度虛擬仿真技術(shù)［14］提供豐富的高速鐵路信號工程開通試驗方式和高速鐵路列車群實景化多環(huán)節(jié)強耦合運營場景，避免因試驗不徹底導致的行車事故發(fā)生，從高速鐵路信號工程項目建設(shè)初期就確保高速鐵路運輸安全；同時高精度虛擬仿真技術(shù)還通過信號設(shè)備故障、行車事故仿真等多種方式演示高速鐵路信號系統(tǒng)“強安全、精細化、高集成”的顯著特征，構(gòu)建高速列車信號裝備測試平臺，建立智能化高速鐵路培訓平臺，為培養(yǎng)高水平科研人才和高技能產(chǎn)業(yè)大軍奠定基礎(chǔ)［15］。

3.6 新一代先進信息化技術(shù)

以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、北斗導航、BIM、GIS等技術(shù)為基礎(chǔ)的新一代先進信息化技術(shù)［16］，將是實現(xiàn)智能高速鐵路的根本保障，將在數(shù)據(jù)歸一化平臺、信號設(shè)備全生命周期管理、信號設(shè)備健康管理與故障預(yù)測［17］（PHM）、應(yīng)急指揮、作業(yè)人員安全盯控、基于通信的列車自動運行控制分析、信號設(shè)備故障智能數(shù)據(jù)建模分析、多數(shù)據(jù)融合可視化展示等方面發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)束語

以新時代為高速鐵路發(fā)展背景，結(jié)合《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》，從高速鐵路信號系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢入手，研究智能化對信號子系統(tǒng)賦予的新含義，重點研究探討協(xié)同工作的智能信號子系統(tǒng)主要功能和邏輯結(jié)構(gòu)，突出了新時代智能高速鐵路信號系統(tǒng)“安全、智能、集成、簡統(tǒng)、免維”的顯著特征；研究智能信號系統(tǒng)的6項關(guān)鍵技術(shù)，對于高速鐵路信號領(lǐng)域智能化研制、智能化建造、智能化運維等方面具有重要意義。