智能铁路列控系统技术发展方向

原载于《铁路计算机应用》，作者：莫志松

2022年9月28日，在由中国铁道学会、中国铁道科学研究院集团有限公司、国家铁路智能运输系统工程技术研究中心联合主办的中国铁道学会智能铁路委员会成立大会暨2022年智能铁路学术交流活动上，中国国家铁路集团有限公司工电部信号主管、正高级工程师莫志松发表了题为“智能铁路列控系统技术发展方向”的主旨演讲。

一起来回顾一下精彩内容。

01智能列控系统技术现状

我国列控系统技术现状

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智能高铁实现高铁智能建造、智能装备、智能运营技术水平全面提升，推动中国高铁技术持续高质量发展。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（CTC）、高铁自动驾驶（ATO）等新技术。

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2003年，原铁道部借鉴欧洲列控系统（ETCS）建设经验，结合我国铁路运输特点和既有信号设备制式，基于确保安全、提高运输效率，技术可持续发展的原则，制定了我国列控系统CTCS技术标准，分为CTCS-0、1、2、3、4级。

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2016年3月，珠三角城际铁路C2+ATO系统开通，运营速度达到200km/h。这是世界上首次实现200km速度等级下的自动驾驶。ATO系统在运营中取得了良好的使用效果。

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CTCS3+ATO主要是在CTCS3级列控系统的车载ATP设备上增加ATO单元，地面通过独立的车地通信通道向动车组提供运行计划，实现列车按最佳控制曲线自动运行；地面增设定位应答器，实现自动精确停车。

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新型列控系统

采用北斗定位、IP化无线通信、智能控制等技术，减少了轨旁设备，具备移动闭塞功能，符合CTCS技术体系，核心技术自主可控，可用于高速铁路和客货共线铁路，适配动车组和内燃、电力等机车。

国际主要列控新技术应用

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Shfit2Rail计划

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。

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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，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。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。

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西门子的ETCS+ATO

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。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全功能等方案。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。

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欧洲列车卫星定位（ERSAT）

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。

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日本的高级列车管理和通信系统（ATACS）

ATACS系统概念与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。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。

02智能列控系统概念

智能列控系统的内涵

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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350km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；

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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。

设计目标

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安全性能更高

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。

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运输效率更高

采用移动闭塞替代传统铁路的固定闭塞，在确保安全的前提下，进一步增加列车开行密度；

实现从自动驾驶到智能驾驶的转变，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。

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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。

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更节能环保

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；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，进一步节能降耗。

03智能列控系统的关键技术

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。

高安全可靠的列控系统

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通过减少轨旁设备提升系统鲁棒性

▷  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；

▷  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。 

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通过车车通信提升系统安全性

 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。

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多元融合列车自主定位和列车完整性检查技术研究

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。

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。

更高自动化等级的自动驾驶系统

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高铁ATO系统面临的主要技术挑战

▷  控制速度高

▷  高铁路网复杂 

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列车运行环境智能传感与感知技术

基于视频分析识别技术、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。

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列车智能决策技术

关键是需要构建驾驶策略多目标优化决策模型和自动驾驶评价体系。

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列车智能控制技术

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。

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调度与控制系统的深度融合

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。

移动闭塞技术

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基于5G车地通信技术

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、列车通导定位甚至虚拟连挂等功能。

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列车高密度追踪方法

列车自动防护ATP车载设备和RBC设备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方法，实现从“撞硬墙”到“撞软墙”的技术提升。

智能运维技术

智能高铁电务运维应用框架

04智能列控系统的发展路线展望

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，仍处于试用阶段 。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。

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。CR450项目正在紧张推进，5G-R无线通信系统建设处于发力阶段，关键基础设施网络安全仍需攻关。列控系统的智能化是川藏铁路的主要应用方向。

远期目标展望

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。

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。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。

素材来源：铁科院《铁路计算机应用》杂志官号