余祖俊，唐 濤，李開成，宿 帥，朱力強(qiáng)

(1.北京交通大學(xué) 先進(jìn)軌道交通自主運(yùn)行全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京 100044；3.北京交通大學(xué) 智慧高鐵系統(tǒng)前沿科學(xué)中心，北京 100044；4.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

鐵路作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)的重要支柱,在我國(guó)客、貨運(yùn)輸中具有不可替代的關(guān)鍵地位和作用,既是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分,也是直接影響民眾生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大工程[1]。截至2022年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15萬(wàn)km,覆蓋全國(guó)81%的縣,其中高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱“高鐵”)超過(guò)4.2萬(wàn)km,通達(dá)95%的50萬(wàn)以上人口的城市,鐵路網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初步形成覆蓋廣泛、運(yùn)行高效的體系架構(gòu),為廣大人民群眾的出行以及貨物運(yùn)輸提供了極大的便利。經(jīng)過(guò)近20年的探索與實(shí)踐,我國(guó)實(shí)現(xiàn)了高鐵從無(wú)到有、從探索到突破、從制造到創(chuàng)造、從追趕到領(lǐng)跑的崛起,建成并運(yùn)營(yíng)著世界上最大路網(wǎng)規(guī)模(占世界2/3以上)、最高速度等級(jí)(350 km/h)、最大客流密度(22.9億人/年)的高鐵網(wǎng)絡(luò),且正在研發(fā)世界最高運(yùn)營(yíng)速度為450 km/h的高速列車,已成為引領(lǐng)世界鐵路發(fā)展的重要力量。

鐵路科技創(chuàng)新是組成國(guó)家科技創(chuàng)新體系、實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的基本內(nèi)容之一,是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)的重要舉措,是引領(lǐng)鐵路發(fā)展的第一動(dòng)力[2]。而其中,高鐵是鐵路行業(yè)科技創(chuàng)新的核心領(lǐng)域,代表著鐵路行業(yè)最高科技水平。

現(xiàn)代鐵路已邁入高科技發(fā)展的新階段,智慧化是世界鐵路發(fā)展的前沿方向。為了在未來(lái)高鐵發(fā)展中搶占“領(lǐng)跑”地位,我國(guó)需進(jìn)一步加強(qiáng)在智慧高鐵基礎(chǔ)理論和前沿技術(shù)等領(lǐng)域的自主創(chuàng)新。由于“速度快、運(yùn)量大”等特點(diǎn),高鐵車輛裝備和子系統(tǒng)具有高安全、高可靠要求[1],是高鐵技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的根基,而將智慧化技術(shù)應(yīng)用到高鐵運(yùn)行控制系統(tǒng)將更有效地保證列車運(yùn)行的安全、高效。

因此,本文首先分析國(guó)內(nèi)、國(guó)際上關(guān)于鐵路智能化的戰(zhàn)略規(guī)劃及當(dāng)前我國(guó)高鐵發(fā)展面臨的世界性難題,進(jìn)而提出高鐵智慧化過(guò)程中運(yùn)行控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其基本實(shí)現(xiàn)原理。

1 智慧化是高鐵發(fā)展的前沿方向,是國(guó)際鐵路強(qiáng)國(guó)的必爭(zhēng)之地

當(dāng)前,國(guó)際鐵路強(qiáng)國(guó)先后制定了未來(lái)10～30年的發(fā)展戰(zhàn)略,圍繞鐵路智慧化均提出了明確的發(fā)展規(guī)劃,如:歐盟Shift2Rail規(guī)劃、歐盟Rail Route 2050戰(zhàn)略規(guī)劃、德國(guó)鐵路4.0戰(zhàn)略、法國(guó)數(shù)字法鐵戰(zhàn)略、英國(guó)數(shù)字鐵路戰(zhàn)略、韓國(guó)鐵路BIM5.0戰(zhàn)略、澳大利亞2040戰(zhàn)略、美國(guó)高速客運(yùn)計(jì)劃、俄聯(lián)邦2030戰(zhàn)略、日本鐵路2020戰(zhàn)略規(guī)則等。

1.1 歐盟Shift2Rail規(guī)劃

為進(jìn)一步提升鐵路在歐洲各種交通方式中的競(jìng)爭(zhēng)力,保持歐洲鐵路工業(yè)在世界的領(lǐng)導(dǎo)地位,歐盟在2013年提出以市場(chǎng)為導(dǎo)向的 Shift2Rail 科技創(chuàng)新規(guī)劃。該規(guī)劃包括高成本效益、高可靠性的列車,先進(jìn)的運(yùn)輸管理與控制系統(tǒng),可持續(xù)、高效、高可靠性的基礎(chǔ)設(shè)施,軌道交通IT服務(wù),可持續(xù)、有吸引力的歐洲貨運(yùn)技術(shù)[3]等5個(gè)方案。其主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)是服務(wù)可靠性與準(zhǔn)點(diǎn)率增加50%、運(yùn)輸能力增加100%、能耗減少15%。

1.2 歐盟Rail Route 2050戰(zhàn)略規(guī)劃

歐盟針對(duì)歐洲鐵路的未來(lái)發(fā)展,于2011年發(fā)布《歐洲一體化運(yùn)輸發(fā)展路線圖》白皮書,努力發(fā)展極具競(jìng)爭(zhēng)力和高效可靠的軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)[4]。同時(shí),歐洲鐵路研究咨詢委員會(huì)在上述白皮書的基礎(chǔ)上又制定了《Rail Route 2050》戰(zhàn)略規(guī)劃[5]。該規(guī)劃指出,到2050年,消除互聯(lián)互通的壁壘,提供完全集成的解決方案,從智能移動(dòng)、能源與環(huán)境、個(gè)人安全、安全與認(rèn)證、競(jìng)爭(zhēng)力和賦能技術(shù)、戰(zhàn)略與經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施等7個(gè)領(lǐng)域,建設(shè)高效、智能且極具競(jìng)爭(zhēng)力的軌道交通系統(tǒng),并明確了如圖1所示的到2050年的發(fā)展藍(lán)圖。

圖1 Rail Route 2050發(fā)展藍(lán)圖

1.3 德國(guó)鐵路4.0戰(zhàn)略

為改變共享汽車、低價(jià)航空給德國(guó)軌道交通運(yùn)輸市場(chǎng)帶來(lái)的沖擊,德國(guó)鐵路股份有限公司將數(shù)字化鐵路視為重要的發(fā)展契機(jī),并制定了包含運(yùn)輸、物流、基礎(chǔ)設(shè)施、生產(chǎn)、工作環(huán)境、信息技術(shù)等的支撐戰(zhàn)略,具體為:開發(fā)具有多功能的APP,優(yōu)化乘客路線設(shè)計(jì),改善購(gòu)票及換乘體驗(yàn);實(shí)現(xiàn)高效、快速的運(yùn)行線路規(guī)劃,提高線路使用效率;推出在線機(jī)車診斷工具,實(shí)現(xiàn)設(shè)施自診斷和自報(bào)修;向客戶提供個(gè)性化物流解決方案[6]。

1.4 英國(guó)數(shù)字鐵路戰(zhàn)略

2018年,為緊跟未來(lái)鐵路數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì),英國(guó)制定了數(shù)字鐵路戰(zhàn)略。該戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)未來(lái)英國(guó)將在列車運(yùn)行控制、自動(dòng)駕駛、交通管理和可靠性等領(lǐng)域進(jìn)行拓展,并提出未來(lái)英國(guó)數(shù)字化鐵路發(fā)展的三階段藍(lán)圖。這一戰(zhàn)略的主要目標(biāo)是確保鐵路資產(chǎn)的可持續(xù)性、提升運(yùn)輸能力、增強(qiáng)安全性,并在確保上述目標(biāo)的前提下改善環(huán)境狀況[7]。

1.5 法國(guó)數(shù)字法鐵戰(zhàn)略

法國(guó)國(guó)家鐵路公司在2015年制定了數(shù)字法鐵戰(zhàn)略,其目標(biāo)在于強(qiáng)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建,建立起連接列車、鐵路、車站等三大領(lǐng)域的緊密網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)戰(zhàn)略的目標(biāo)一方面是在推動(dòng)企業(yè)保證安全的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善工作質(zhì)量;另一方面是進(jìn)一步滿足旅客出行對(duì)于準(zhǔn)點(diǎn)以及舒適性的要求,以提高旅客的出行體驗(yàn)。在未來(lái),法國(guó)鐵路戰(zhàn)略將集中在信息技術(shù)等領(lǐng)域開展研究,以實(shí)現(xiàn)低成本的運(yùn)營(yíng)、全球范圍的便捷門到門服務(wù),以及新型的共享交通模式。通過(guò)這些舉措,法國(guó)希望在鐵路領(lǐng)域邁向更加智能化、高效率、環(huán)保和創(chuàng)新的未來(lái)[8]。

1.6 我國(guó)發(fā)展規(guī)劃

在2019年,中共中央國(guó)務(wù)院在《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中指出:到2035年,我國(guó)將基本建成“人民滿意、保障有力、世界前列”的交通強(qiáng)國(guó);到2050年全面建成交通強(qiáng)國(guó),實(shí)現(xiàn)“人享其行、物優(yōu)其流”[9]。在此基礎(chǔ)上,2021年國(guó)家鐵路局在《十四五鐵路科技創(chuàng)新規(guī)劃》中提到:到2025年,鐵路創(chuàng)新能力、科技實(shí)力進(jìn)一步提升,技術(shù)裝備更加先進(jìn)適用,工程建造技術(shù)持續(xù)領(lǐng)先,運(yùn)輸服務(wù)技術(shù)水平顯著增強(qiáng),智能鐵路技術(shù)全面突破,安全保障技術(shù)明顯提升,綠色低碳技術(shù)廣泛應(yīng)用,創(chuàng)新體系更加完善,總體技術(shù)水平世界領(lǐng)先[10]。針對(duì)鐵路智慧化發(fā)展,我國(guó)相關(guān)頭部企業(yè)也進(jìn)行了一系列探索,如中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布了《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》和《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》,并進(jìn)行智能京張、京雄高鐵的實(shí)踐創(chuàng)新[11],但還需要在前沿科技領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性探索與研究。

綜上,世界鐵路強(qiáng)國(guó)均根據(jù)本國(guó)鐵路發(fā)展實(shí)際,圍繞鐵路智能化制定了科學(xué)的發(fā)展規(guī)劃。其中,列車自動(dòng)駕駛、從“源頭到目的地”的無(wú)縫化運(yùn)輸服務(wù)、BIM技術(shù)應(yīng)用、新一代列車控制與調(diào)度系統(tǒng)(集中聯(lián)鎖、移動(dòng)閉塞、列車實(shí)時(shí)定位等)、綠色低碳等相關(guān)技術(shù)和裝備得到多國(guó)鐵路的高度關(guān)注。以上技術(shù)和裝備的發(fā)展將為我國(guó)智慧高鐵的發(fā)展提供一定的參考。

2 我國(guó)高鐵發(fā)展中的運(yùn)行控制領(lǐng)域難題

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是軌道交通的“大腦和神經(jīng)中樞”,為軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)和效率提升提供強(qiáng)有力保障。然而,軌道交通運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、設(shè)備設(shè)施故障偶發(fā),導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)過(guò)程中仍存在列車脫軌、撞車等安全事故;惡劣天氣和突發(fā)事件造成大面積晚點(diǎn)甚至癱瘓,嚴(yán)重影響運(yùn)行效率;運(yùn)輸組織上仍同時(shí)存在坐席緊張和虛糜的現(xiàn)象;在客流壓力巨大的重點(diǎn)干線,行車密度仍有待進(jìn)一步提高。

1)傳統(tǒng)的運(yùn)行控制系統(tǒng)假設(shè)列車運(yùn)行凈空是“完好”的(因?yàn)榫€路是相對(duì)封閉的),但實(shí)際上我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)范圍廣、環(huán)境復(fù)雜,橋梁、隧道、泥石流高發(fā)路段依然會(huì)有異物侵限發(fā)生。如:2022年6月4日,因列車無(wú)法感知運(yùn)行凈空內(nèi)的異物侵限,貴廣線榕江站D2809次列車撞上泥石流脫線,造成巨大的人員和經(jīng)濟(jì)損失,社會(huì)影響巨大。如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下對(duì)列車運(yùn)行凈空的智能監(jiān)測(cè),為行車安全進(jìn)一步提供保障,是亟待解決的難題之一。

2)目前高鐵采用的GSM-R通信技術(shù),尚不能滿足移動(dòng)閉塞對(duì)車-地通信的高可信要求,車地信息傳輸可靠性仍有待進(jìn)一步提升。

3)目前列車維修依然采用定期例行檢查與維護(hù)的方式,一方面,一些隱性故障往往不易通過(guò)人工檢查發(fā)現(xiàn),可能導(dǎo)致影響列車行車安全;另一方面,不少設(shè)備/部件處于尚能工作的狀態(tài)時(shí)就被更換了,造成成本浪費(fèi)。因此需要開展列車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與運(yùn)維技術(shù)研究,進(jìn)一步提高列車運(yùn)行的可靠性與安全性,降低運(yùn)維成本。

4)高鐵系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng),惡劣天氣以及難以避免的設(shè)備設(shè)施故障對(duì)列車運(yùn)行勢(shì)必產(chǎn)生影響。如:2022年8月12日,由于GSM-R系統(tǒng)設(shè)備失效導(dǎo)致全國(guó)大范圍列車晚點(diǎn);2020年京廣高鐵霧霾導(dǎo)致霧閃,停運(yùn)1 h;2021年京廣高鐵大風(fēng)限速,列車晚點(diǎn)2 h以上;2021年鄭州暴雨,至少60趟列車晚點(diǎn)、停運(yùn);2022年1月22日降雪導(dǎo)致北京南站所有列車晚點(diǎn)。此外,異常及突發(fā)事件下,調(diào)度“事后”調(diào)整被動(dòng),手工模式自動(dòng)化程度低,行車效率有待進(jìn)一步提高。

3 關(guān)于智慧高鐵運(yùn)行控制領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的幾點(diǎn)思考

面對(duì)上述挑戰(zhàn)與難題,未來(lái)智慧高鐵運(yùn)行控制系統(tǒng)應(yīng)突破“軌道無(wú)障礙”和“設(shè)備設(shè)施狀態(tài)完好”2個(gè)假設(shè),利用使能技術(shù)為列車加裝“眼睛”和“大腦”,進(jìn)一步減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度,更大程度上提升系統(tǒng)的智能化水平,實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備狀態(tài)智能感知、突發(fā)事件下的自主決策和智能控制,支撐軌道交通網(wǎng)絡(luò)安全和效率提升,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車(群)全天候全無(wú)人自主追蹤運(yùn)行控制。列車(群)全天候全無(wú)人自主追蹤運(yùn)行控制技術(shù)框架見圖2,關(guān)鍵技術(shù)包括:移動(dòng)閉塞、列車運(yùn)行凈空感知、列車狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)、列車自主追蹤、智能綜合調(diào)度、車-地動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)通信等。

圖2 列車(群)全天候全無(wú)人自主追蹤運(yùn)行控制技術(shù)框架

3.1 移動(dòng)閉塞

3.1.1 功能和基本原理

移動(dòng)閉塞是在固定閉塞基礎(chǔ)上提出并發(fā)展的新型閉塞技術(shù)。在傳統(tǒng)的固定閉塞模式下,列車采用 “撞硬墻”的模式運(yùn)行,即追蹤列車考慮前方列車處于某個(gè)固定停車狀態(tài)或列車的前方存在固定的停車標(biāo)志[6]。在這種模式下,列車只需考慮前行列車的占用信息,因此可以使用軌道電路和應(yīng)答器等獲取前行列車位置信息來(lái)保證運(yùn)行安全。列車之間的閉塞分區(qū)通過(guò)信號(hào)機(jī)進(jìn)行劃分,一個(gè)閉塞分區(qū)只能允許被一列列車占用,因此列車之間的運(yùn)行間距受閉塞分區(qū)的限制。而移動(dòng)閉塞技術(shù)可以在現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮短列車之間的安全間隔。與傳統(tǒng)的固定閉塞相比,移動(dòng)閉塞最顯著的特點(diǎn)是取消了以信號(hào)機(jī)分隔的固定閉塞區(qū)間[12]。移動(dòng)閉塞采用高可信的通信技術(shù),且可以實(shí)現(xiàn)列車的精確測(cè)速和定位,因此后行列車可以將追蹤目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置在前方列車包絡(luò)的尾部。列車間的最小運(yùn)行間距由考慮前后車運(yùn)行位置、速度等狀態(tài)的制動(dòng)距離確定。固定閉塞與移動(dòng)閉塞的區(qū)別見圖3。

圖3 固定閉塞與移動(dòng)閉塞的區(qū)別

3.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

在移動(dòng)閉塞技術(shù)中,由于閉塞區(qū)間僅僅存在于邏輯上,與實(shí)際線路并無(wú)映射關(guān)系,因此列車的狀態(tài)信息獲取、安全距離與目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算等都與傳統(tǒng)模式下不同。

1)多源融合的列車自主定位

由于列車定位的可靠性和精確程度對(duì)列車運(yùn)行安全和運(yùn)行效率有直接影響,因此列車定位是列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)?，F(xiàn)有列車定位主要依賴列車速度傳感器、地面應(yīng)答器和定位衛(wèi)星等。這些傳統(tǒng)方法需要大量的軌旁設(shè)備和穩(wěn)定的衛(wèi)星定位信息,在極端天氣條件或者山區(qū)、隧道等特殊場(chǎng)景下,軌旁設(shè)備存在失效、衛(wèi)星信號(hào)存在削減甚至遮蔽等風(fēng)險(xiǎn),難以實(shí)現(xiàn)列車自主定位精度。另外,由于軌道交通列車運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜,單一傳感器定位結(jié)果魯棒性不強(qiáng),無(wú)法在全天候和全場(chǎng)景下得到連續(xù)準(zhǔn)確的列車位置信息[13]。因此,為滿足各類線路條件和復(fù)雜天氣條件下的列車自主定位需求,目前列車定位方式逐漸發(fā)展為“多源傳感器+軌道地圖+數(shù)據(jù)融合”模式,在保證列車運(yùn)行安全性的前提下可提高運(yùn)輸效率,減少軌旁設(shè)備使用,通過(guò)對(duì)車載慣性單元、速度傳感器、視覺(jué)標(biāo)簽信息、GNSS等多種傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,并配合電子地圖,從而獲得精確、連續(xù)、高可靠的列車位置信息[14]。

2)可靠的車-地通信

現(xiàn)有的GSM-R通信技術(shù)除了可能面臨技術(shù)封鎖問(wèn)題外,還存在可靠性不能滿足移動(dòng)閉塞對(duì)車地通信的要求、傳輸帶寬受限等問(wèn)題,因此需要對(duì)現(xiàn)有GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。LTE-R是一種可能的通信解決方案,其采用完全基于分組交換的網(wǎng)絡(luò),更適合進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,可以提供適用于鐵路操作的可靠、高效的通信系統(tǒng)。LTE-R具有如下優(yōu)點(diǎn):①通過(guò)使用高效的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),數(shù)據(jù)包延遲更低;②通過(guò)使用先進(jìn)多路復(fù)用和調(diào)制技術(shù),可以提高頻譜效率;③提供與GSM標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)機(jī)制。同時(shí),LTE-R技術(shù)具有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),目前在城軌和重載鐵路中,基于LTE的LTE-M、LTE-U等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于移動(dòng)閉塞場(chǎng)景中。另外,隨著5G通信技術(shù)的發(fā)展,未來(lái)高鐵也可以采用5G-R技術(shù),其具有更低的延時(shí)、更快的傳輸速度[15],以5G獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ),增加鐵路特色應(yīng)用業(yè)務(wù)。5G系統(tǒng)定義了靈活的物理層資源配置,具有支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的高速傳輸、方便高精度控制的低響應(yīng)延遲、可連接更多的鐵路設(shè)備、適應(yīng)更廣泛的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景,以及支持大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接的特點(diǎn),在未來(lái)可以作為更可靠的信息傳輸手段[16-19]。

3)鋼軌斷軌檢測(cè)

在傳統(tǒng)閉塞方式中,軌道電路不僅僅能夠傳遞列車的位置信息,同時(shí)還能檢測(cè)鋼軌本身是否斷軌,但這種檢測(cè)方法僅能區(qū)分鋼軌通斷情況而無(wú)法判斷鋼軌出現(xiàn)傷損之前的狀態(tài),且易受到自然干擾的影響[20-21]。在歐洲ETCS-3級(jí)描述的移動(dòng)閉塞技術(shù)中會(huì)取消軌道電路,而取消軌道電路就需要有其他技術(shù)來(lái)填補(bǔ)斷軌檢測(cè)功能。目前,超聲導(dǎo)波技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋼軌的斷軌檢測(cè)中,其應(yīng)用示意見圖4。超聲導(dǎo)波技術(shù)利用多個(gè)超聲波發(fā)射主機(jī)和超聲波接收主機(jī),將鋼軌分為多個(gè)檢測(cè)區(qū)段,通過(guò)分析接收主機(jī)收到的從發(fā)射主機(jī)定時(shí)傳來(lái)的超聲波來(lái)判斷鋼軌的狀態(tài)[22]。由于超聲波具有方向集中、速度快、能量大的特點(diǎn),同時(shí)相較于軌道電路檢測(cè)方法,其抗干擾能力更強(qiáng),并且設(shè)備成本更低,因此可以應(yīng)用于高鐵運(yùn)行控制中實(shí)現(xiàn)鋼軌的斷軌監(jiān)測(cè)。

圖4 利用超聲導(dǎo)波進(jìn)行斷軌檢測(cè)示意

3.2 列車運(yùn)行凈空感知

3.2.1 功能和基本原理

由于山區(qū)、隧道等在空間結(jié)構(gòu)上存在隱蔽性,而且周邊環(huán)境普遍復(fù)雜苛刻、地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)多,從而導(dǎo)致列車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)因素更具多變性和不確定性,若采用人工巡檢方式無(wú)法做到對(duì)所有風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行覆蓋,因此也就無(wú)法評(píng)估整體風(fēng)險(xiǎn)隱患情況,難以監(jiān)管。為進(jìn)一步提升列車運(yùn)行的安全水平,解決目前單純依靠“信號(hào)”控車的問(wèn)題,需研究智能化的列車運(yùn)行環(huán)境凈空感知技術(shù)。列車的凈空感知技術(shù)基于高精度定位技術(shù),同時(shí)融合雷達(dá)、視頻和傳感器等裝置對(duì)隧道可能產(chǎn)生的落石、山體產(chǎn)生的滑坡和泥石流等災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè),提高高鐵運(yùn)行環(huán)境的安全性和可靠性。同時(shí)將高鐵列車、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施以及周邊環(huán)境信息進(jìn)行全面感知、融合,提高災(zāi)害預(yù)警的智能化與自動(dòng)化能力。列車運(yùn)行凈空感知原理見圖5。

圖5 列車運(yùn)行凈空感知原理

3.2.2 關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)行環(huán)境場(chǎng)景復(fù)雜是影響列車行車安全的主要因素之一,因惡劣環(huán)境而導(dǎo)致列車脫軌、傾覆的事故并不鮮見。惡劣的環(huán)境可能會(huì)直接影響到運(yùn)行中的列車,也可能通過(guò)破壞鋼軌等關(guān)鍵設(shè)備而間接影響列車運(yùn)行,因此需要使用智能感知技術(shù)針對(duì)以上兩點(diǎn)進(jìn)一步提高行車安全。

1)超視距車地協(xié)同感知

基于高鐵運(yùn)行速度快的特點(diǎn),必須在遠(yuǎn)距離快速、準(zhǔn)確地識(shí)別鐵路周界入侵,因此需要對(duì)高鐵運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行全場(chǎng)景三維建模,并設(shè)計(jì)基于場(chǎng)景理解的遠(yuǎn)距離障礙物檢測(cè)識(shí)別等障礙物探測(cè)方法。同時(shí)需要研制并使用能夠在全天候條件下工作并能夠進(jìn)行車地協(xié)同感知的傳感器和能夠?qū)φ系K物進(jìn)行長(zhǎng)距離探測(cè)與軌道異物入侵感知的裝備[23]?；谝陨涎b備,研究鐵路先驗(yàn)知識(shí)圖譜的場(chǎng)景理解、自適應(yīng)聚類的周界入侵異常事件可信識(shí)別方法、基于深度學(xué)習(xí)的語(yǔ)義分割算法等進(jìn)行高可靠識(shí)別,并對(duì)車地協(xié)同感知的傳感器布局進(jìn)行優(yōu)化以做到輕量化、高效、可靠地提供識(shí)別功能[23]。

2)隧道廓形監(jiān)測(cè)

隧道形變可能會(huì)引起環(huán)片裂縫、滲漏水、環(huán)片錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題,而這些問(wèn)題可能會(huì)影響列車的運(yùn)行安全[24],因此需要對(duì)隧道的廓形進(jìn)行長(zhǎng)期變形監(jiān)測(cè)以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)報(bào)險(xiǎn)情。集成多傳感器的車載移動(dòng)測(cè)量技術(shù)是目前測(cè)繪界最前沿的技術(shù)之一,其采用三維激光掃描技術(shù),能夠快速、高精度、高自動(dòng)化地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和測(cè)量,并有效避免傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)分析的局部性和片面性[25]。移動(dòng)三維激光測(cè)量系統(tǒng)集成三維激光掃描儀、全景相機(jī)和定位定姿傳感器,并采用組合導(dǎo)航算法和滑動(dòng)最小二乘法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,實(shí)現(xiàn)隧道廓形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確,保障隧道環(huán)境下高鐵列車的運(yùn)行安全。

3)空天地一體化全天候感知

對(duì)于部分地面和車輛不易監(jiān)測(cè)的地點(diǎn),如密林、深山等,則需要采用空天地一體化技術(shù)進(jìn)行智能感知[26]。利用基于視覺(jué)和激光雷達(dá)融合的運(yùn)行環(huán)境專用無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)巡檢,同時(shí)利用高精度位置服務(wù)、時(shí)間同步服務(wù),將這些信息與軌旁設(shè)施的信息融合,構(gòu)建端-邊-云協(xié)同計(jì)算的運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)、交互、控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)、多源異構(gòu)監(jiān)測(cè)信息在不同時(shí)空維度下的精確配準(zhǔn)、多元融合和綜合決策,完善鐵路運(yùn)行環(huán)境不同安全等級(jí)下預(yù)警、告警以及運(yùn)行控制決策的機(jī)制,進(jìn)一步保障高鐵行車安全。

3.3 列車狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)

3.3.1 功能和基本原理

在高鐵的運(yùn)行過(guò)程中,除了外界環(huán)境可能對(duì)列車運(yùn)行產(chǎn)生不利影響外,列車自身相關(guān)設(shè)備的故障同樣會(huì)影響行車安全。而目前高速運(yùn)行狀態(tài)下的列車健康狀態(tài)在線診斷和態(tài)勢(shì)評(píng)估是世界性難題,缺少擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的車載式和搭載式列車運(yùn)行與線路狀態(tài)在線檢測(cè)診斷核心技術(shù)及成套裝備。

列車狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)示意見圖6,包括診斷技術(shù)和態(tài)勢(shì)評(píng)估。其中,診斷技術(shù)是對(duì)可能出現(xiàn)的設(shè)備故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè),使得工作人員可以有針對(duì)性地維護(hù),從而保持設(shè)備持續(xù)在正常工作狀態(tài)下運(yùn)行[27];態(tài)勢(shì)評(píng)估能夠綜合反映各種行車因素、設(shè)備因素對(duì)高鐵運(yùn)行的影響,能夠真實(shí)展示列車行車過(guò)程中設(shè)備與列車之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

圖6 列車狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)示意

3.3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)列車關(guān)鍵部件服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷

對(duì)高鐵運(yùn)行的歷史記錄和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、分析、整理,以對(duì)可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)故障進(jìn)行規(guī)避是至關(guān)重要的。首先采用層次分析法將高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)行為具體化[28];其次針對(duì)關(guān)鍵部件故障頻次、原因、后果等特征,采用主成分分析法辨識(shí)列車行車安全相關(guān)的關(guān)鍵部件;同時(shí)在列車輪軸、發(fā)動(dòng)機(jī)等部位安裝新型傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這些部件的運(yùn)行狀況;然后針對(duì)不同類型部件的不同故障特征表達(dá)方式,建立微弱信號(hào)的表達(dá)模型和獲取技術(shù),并基于深度學(xué)習(xí)針對(duì)不同類型故障進(jìn)行在線自診斷學(xué)習(xí)[29],這樣傳感器可以在設(shè)備出現(xiàn)故障或預(yù)測(cè)到設(shè)備即將發(fā)生故障時(shí)向列控系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào),以便及時(shí)采取維修措施,保障高鐵列車安全運(yùn)行。

2)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)評(píng)估與處置決策

高鐵運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)評(píng)估包括3個(gè)方面:①危害的發(fā)生概率;②危害后果的嚴(yán)重性分析;③評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)。首先針對(duì)危害的發(fā)生概率,結(jié)合不同傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),以及從列車安全性、可靠性、平穩(wěn)性、準(zhǔn)點(diǎn)性等多角度建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)[30],使用合適的訓(xùn)練集訓(xùn)練貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的學(xué)習(xí),確定高鐵列車與不同關(guān)鍵設(shè)備在不同故障模式下事故發(fā)生的概率;其次計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)的嚴(yán)重性;繼而結(jié)合EN50126標(biāo)準(zhǔn)描述高鐵運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)評(píng)估嚴(yán)重度等級(jí)[31];最后根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重程度采取不同的應(yīng)急措施。

3.4 列車自主追蹤

3.4.1 功能和基本原理

目前高鐵在CTCS-3級(jí)控制系統(tǒng)下的運(yùn)行過(guò)程為:調(diào)度集中(CTC)根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)辦理列車進(jìn)路,同時(shí)將進(jìn)路信息交給計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖自動(dòng)排列該進(jìn)路;無(wú)線閉塞中心根據(jù)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖提供的進(jìn)路信息、軌道電路提供的閉塞分區(qū)狀態(tài)信息和車載設(shè)備提供的列車位置信息,生成行車許可,然后通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)將行車許可及相關(guān)的線路數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)的列車;當(dāng)高速列車收到來(lái)自地面的行車許可等信息后,車載計(jì)算機(jī)根據(jù)行車許可要求計(jì)算防護(hù)速度和目標(biāo)距離速度曲線以保證列車的安全運(yùn)行。隨著信息化的發(fā)展,列車的自主追蹤技術(shù)成為可能,可以減少對(duì)軌旁設(shè)備的依賴?；卩徿噷?shí)時(shí)傳輸?shù)男畔⒓傲熊囘\(yùn)行態(tài)勢(shì)的分析,多列車可實(shí)現(xiàn)短距追蹤運(yùn)行控制,在車輛牽引制動(dòng)性能允許的前提下甚至可以實(shí)現(xiàn)與物理編組運(yùn)行相似的效果,即虛擬編組,該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)列車靈活編組,以適應(yīng)靈活變化的客運(yùn)需求。

3.4.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)面向動(dòng)態(tài)時(shí)空的列車安全防護(hù)控制技術(shù)

面向“撞軟墻”的安全防護(hù)控制方法是實(shí)現(xiàn)列車自主追蹤的關(guān)鍵。因此,首先需要對(duì)列車中含有非線性動(dòng)態(tài)特征的牽引/制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模和性能預(yù)測(cè)[32-33],進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行軌跡預(yù)測(cè)[31];其次需要分析高密度追蹤過(guò)程中列車的安全風(fēng)險(xiǎn)、列車與其他列車及復(fù)雜環(huán)境因素間的相互影響關(guān)系,構(gòu)建列車風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估和控制模型,從而實(shí)現(xiàn)多列車系統(tǒng)全時(shí)空避撞控制[34]。面向動(dòng)態(tài)時(shí)空防護(hù)的列車安全防護(hù)控制見圖7。

圖7 面向動(dòng)態(tài)時(shí)空防護(hù)的列車安全防護(hù)控制

2)列車群平穩(wěn)追蹤控制技術(shù)

對(duì)于需要進(jìn)行虛擬編組的列車,首先向CTC發(fā)送編隊(duì)命令,然后在CTC同意后下達(dá)允許編組命令,之后列車之間才會(huì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)編組。列車群(虛擬編組)平穩(wěn)追蹤控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意見圖8。解編過(guò)程也需要從上層發(fā)送解編命令,在CTC同意后列車群組開始解編[35]。在這個(gè)過(guò)程中,首先需要建立動(dòng)態(tài)編組及解編過(guò)程中列車間相互關(guān)聯(lián)的耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型;其次為保證虛擬編組列車群組的穩(wěn)定性,需要研究面向列車群組的多智能體協(xié)同控制方法,并建立基于列車追蹤距離動(dòng)態(tài)收縮約束的列車群組協(xié)同控制模型[36-37],以實(shí)現(xiàn)列車群組的小間隔平穩(wěn)追蹤控制,縮短行車間隔,實(shí)現(xiàn)車輛資源的靈活配置[38]。

圖8 列車群(虛擬編組)平穩(wěn)追蹤控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意

實(shí)現(xiàn)的誤差跟蹤目標(biāo)為

(1)

(2)

式中:i為虛擬編組中的列車數(shù)量,i=1,2,…,n;t為列車的運(yùn)行時(shí)刻;xi為虛擬編組中列車i的位置;di,i-1為虛擬編組中列車i與列車i-1之間的間隔距離;vi為虛擬編組列車中列車i的速度。

3.5 以行車為核心的智能綜合調(diào)度

3.5.1 功能和基本原理

隨著高速鐵路客流需求的增長(zhǎng),運(yùn)營(yíng)的規(guī)模和行車密度需要進(jìn)一步提升,給目前的調(diào)度指揮系統(tǒng)帶來(lái)了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的調(diào)度指揮系統(tǒng)對(duì)于故障信息采集有限,報(bào)警信息顆粒度不足,影響故障診斷效率,難以支撐故障影響的預(yù)測(cè);多專業(yè)聯(lián)動(dòng)困難導(dǎo)致故障處置方案的生成主要依靠調(diào)度員的經(jīng)驗(yàn)和人工分析處理;隨著行車密度提升,故障影響傳播速度加快,在現(xiàn)有調(diào)度指揮系統(tǒng)下調(diào)度員很難在短時(shí)間內(nèi)生成滿意的調(diào)度指揮策略。因此,在CTC層面,為保證列車以及列車群組的安全允許,在高鐵的智慧化中可以將計(jì)算機(jī)技術(shù)與人工結(jié)合以減輕人工的工作量,形成面向多制式多專業(yè)協(xié)同的新一代調(diào)度系統(tǒng)裝備與技術(shù)[39]。

3.5.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)運(yùn)輸態(tài)勢(shì)智能感知評(píng)估與推演技術(shù)

運(yùn)輸態(tài)勢(shì)智能感知評(píng)估與推演技術(shù)見圖9。首先基于大數(shù)據(jù)處理引擎,分析列車調(diào)度在線推演所需的車站、線路、列車、環(huán)境等關(guān)鍵數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,明確系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間數(shù)據(jù)接口與數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制;其次研究綜合考慮車站、線路、列車、環(huán)境的數(shù)據(jù)挖掘與預(yù)測(cè)技術(shù),對(duì)影響列車運(yùn)行的各個(gè)因素進(jìn)行綜合分析和評(píng)估;最后結(jié)合態(tài)勢(shì)感知與推演感知技術(shù),使用機(jī)器/深度學(xué)習(xí)方法利用推演數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,建立模型,并將推演結(jié)果可視化,得到日常運(yùn)輸態(tài)勢(shì)、應(yīng)急運(yùn)輸態(tài)勢(shì)以及突發(fā)事故恢復(fù)態(tài)勢(shì)[40-41]。

圖9 運(yùn)輸態(tài)勢(shì)智能感知評(píng)估與推演技術(shù)

2)調(diào)度計(jì)劃智能編制與調(diào)整技術(shù)

面對(duì)日益復(fù)雜的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò),需要對(duì)列車行車的調(diào)度計(jì)劃進(jìn)行智能編制與調(diào)整:利用邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)海量邊緣數(shù)據(jù),如列車位置、速度、設(shè)備狀態(tài)等,進(jìn)行采集、清洗、整合并將其提供給上層調(diào)度中心;調(diào)度中心實(shí)時(shí)檢測(cè)邊緣層提供的信息,并利用智能優(yōu)化算法,如遺傳算法、模擬退火算法等,對(duì)多目標(biāo)如最小化列車延誤時(shí)間、保證列車舒適度等進(jìn)行綜合優(yōu)化[42],同時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況不斷優(yōu)化調(diào)度策略,收集邊緣層提供的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與學(xué)習(xí),進(jìn)而提高調(diào)度策略的質(zhì)量[43]。當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)可以自動(dòng)生成應(yīng)急調(diào)度策略,保證列車運(yùn)行的安全有序。

3)綜合調(diào)度智能決策與全流程管控技術(shù)

在運(yùn)輸態(tài)勢(shì)感知評(píng)估與推演技術(shù)以及調(diào)度計(jì)劃智能編制與調(diào)整技術(shù)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)運(yùn)輸綜合計(jì)劃協(xié)同管理平臺(tái),通過(guò)運(yùn)輸計(jì)劃閉環(huán)、專業(yè)作業(yè)協(xié)同、生產(chǎn)信息綜合等實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的計(jì)劃編制與執(zhí)行[42]。首先,基于不同領(lǐng)域信息的相互交匯,將維修、機(jī)務(wù)、客運(yùn)、車站作業(yè)等各項(xiàng)工作統(tǒng)一圍繞一個(gè)計(jì)劃展開,確保在計(jì)劃變動(dòng)時(shí)所有相關(guān)工作能夠同步進(jìn)行調(diào)整。其次,將基本計(jì)劃、開行計(jì)劃、車底運(yùn)用計(jì)劃、車站作業(yè)計(jì)劃協(xié)同進(jìn)行閉環(huán)管理,確保計(jì)劃的指定與執(zhí)行之間能夠緊密聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的協(xié)同實(shí)施。此外,通過(guò)作業(yè)運(yùn)作情況的實(shí)時(shí)顯示,可以使得計(jì)劃能夠根據(jù)不同情況進(jìn)行調(diào)整,還可以實(shí)現(xiàn)緊急情況下災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的可視化以實(shí)時(shí)對(duì)列車的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整,提升在出現(xiàn)緊急事件下的輔助功能和監(jiān)督功能[44]。最后,設(shè)計(jì)客運(yùn)計(jì)劃執(zhí)行過(guò)程中的評(píng)價(jià)方法,提供考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)給出優(yōu)化的調(diào)度輔助調(diào)整建議。

3.6 車-地動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)通信

3.6.1 功能和基本原理

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中,使用基于GSM-R的無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)車-地信息雙向傳輸,無(wú)線閉塞中心生成行車許可[45],因此車-地通信對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)有著極其重要的意義[45-47]。隨著智慧高鐵技術(shù)的發(fā)展,高鐵綜合承載業(yè)務(wù)對(duì)信息的可靠性要求越來(lái)越高。自組網(wǎng)作為一種無(wú)中心網(wǎng)絡(luò),支持車-地、軌旁設(shè)備之間直接進(jìn)行通信,大大降低高鐵RBC轉(zhuǎn)發(fā)信息所需要的時(shí)延,并且由于軌旁基礎(chǔ)設(shè)施的精簡(jiǎn),通信網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本也大幅降低。在自組網(wǎng)中,不再按照功能而是按照距離劃分節(jié)點(diǎn)類型,如簇間節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。其中,普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收車載數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā);中繼節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù);而簇間節(jié)點(diǎn)部署在區(qū)間和車站,負(fù)責(zé)管理簇成員和完成簇間的信息交互[47]。因此這種自組網(wǎng)不在過(guò)度依賴中心節(jié)點(diǎn),自組網(wǎng)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)地位相同,可以互相輔助完成數(shù)據(jù)傳輸,提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀性能[46-47]。車-地動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與通信示意見圖10。

圖10 車-地動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置與通信示意

3.6.2 關(guān)鍵技術(shù)

1)高速移動(dòng)車-地自組網(wǎng)傳輸與覆蓋提升關(guān)鍵技術(shù)

為進(jìn)一步提升車-地自組網(wǎng)的傳輸與覆蓋能力,首先需要研究復(fù)雜高鐵運(yùn)行條件下基于“通信-感知-計(jì)算”一體化協(xié)同的可靠性提升方法。由于車-地自組網(wǎng)中依賴車地間節(jié)點(diǎn)的多跳傳輸完成通信,所以低時(shí)延、高可靠的路由算法是充分利用自組網(wǎng)性能的關(guān)鍵。通過(guò)利用節(jié)點(diǎn)位置信息提前進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)的方式進(jìn)行路由更新,針對(duì)不同類別的業(yè)務(wù)采用不同的通信方式以防止通信信道質(zhì)量惡化并減輕節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)[48]。如針對(duì)列控類的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),可以采用組播的方式告知線路上的某些自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn),通過(guò)節(jié)點(diǎn)的冗余方式提升列車運(yùn)行的安全性和可靠性。

2)多域復(fù)雜高速移動(dòng)場(chǎng)景通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)高鐵運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn),需要研究高鐵多域復(fù)雜場(chǎng)景下通信車-地自組網(wǎng)的內(nèi)生安全機(jī)理。由于高鐵列車的高速移動(dòng),會(huì)導(dǎo)致無(wú)線通信信道的衰落與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,軌旁鏈路出現(xiàn)故障的概率較大[49]。采用分集技術(shù)進(jìn)行多路徑傳輸,即當(dāng)通信在該鏈路故障時(shí),可以重新尋找一條新的通信路徑保證通信網(wǎng)絡(luò)具有路由容錯(cuò)機(jī)制[50]。

4 結(jié)論

智慧高鐵運(yùn)行控制相關(guān)基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)的突破是實(shí)現(xiàn)我國(guó)高鐵技術(shù)持續(xù)國(guó)際“領(lǐng)跑”的關(guān)鍵。本文依據(jù)國(guó)內(nèi)外智慧高鐵的發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合我國(guó)高鐵列控技術(shù)的現(xiàn)狀,提出未來(lái)我國(guó)智慧高鐵運(yùn)行控制的發(fā)展方向和核心關(guān)鍵技術(shù),包括:利用先進(jìn)的測(cè)速定位技術(shù)、基于LTE/5G的車地高可靠通信技術(shù)、基于超聲導(dǎo)波的斷軌監(jiān)測(cè)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞,以進(jìn)一步縮短列車運(yùn)行間隔;利用基于視覺(jué)等多傳感器融合的車地協(xié)同感知技術(shù)、基于三維激光的隧道輪廓監(jiān)測(cè)技術(shù)、面向空天地一體化的全天候感知技術(shù)等實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行凈空的安全監(jiān)測(cè),進(jìn)一步提升列車運(yùn)行安全;利用基于大數(shù)據(jù)分析的列車關(guān)鍵部件服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷技術(shù)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)評(píng)估與處置決策方法,實(shí)現(xiàn)列車狀態(tài)的自主診斷與預(yù)測(cè);利用面向動(dòng)態(tài)時(shí)空的列車安全防護(hù)控制技術(shù)、列車群平穩(wěn)追蹤控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車高密度追蹤,進(jìn)一步提升車輛資源的靈活性;利用運(yùn)輸態(tài)勢(shì)智能感知評(píng)估與推演技術(shù)、調(diào)度計(jì)劃智能編制與調(diào)整技術(shù)、綜合調(diào)度智能決策與全流程管控技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能綜合調(diào)度,進(jìn)一步提升突發(fā)事件的處置效率。未來(lái),智慧高鐵運(yùn)行控制還將進(jìn)一步結(jié)合新一代的使能技術(shù)持續(xù)賦能高速鐵路,進(jìn)一步提升高鐵的安全、效率和服務(wù)水平。