CBTC动态
轨道交通信号与控制
利用人工智能、5G、边缘计算、实时监控、预测性维护和强大的网络安全，铁路（轨道交通）行业将在未来十年到十五年内实现性能和可持续性的显著提升。
随着轨道交通行业采用基于通信的列车控制（CBTC），其核心目标非常明确：提高运力，同时提高安全性。如今，在“智能铁路”的口号下，这些目标已得到进一步扩大，而这些目标的实现得益于在强大的CBTC基础上蓬勃发展的多种技术的推动。
一些人将CBTC誉为现代轨道交通信号的“黄金标准”，而另一些人则持更为谨慎的看法。毋庸置疑的是，CBTC具有革命性的影响，重塑了未来几十年甚至几个世纪的铁路信号概念。尽管CBTC的发展仍在继续，但它已经打破了创新障碍，使铁路行业能够实现更大胆的战略愿景并取得成就。
下一代CBTC架构
CBTC的技术进步很少会孤立存在。它们的协同作用有望打造更强大的支柱，以提升（在某些情况下甚至重新定义）铁路运营。
这一持续转变的关键要素已经得到确定。
人工智能控制算法
人工智能和物联网的突破重新定义了业务重点，重点是从数据中提取最大价值。CBTC在每次旅程中都会生成大量数据流，人工智能可以实时处理这些数据以及环境和历史数据，以提高可管理性并促进高级监控。列车和轨道设备之间的高容量双向无线电通信促进了安全关键数据在人工智能单元和人工智能单元之间的即时传输。
SelTrac G9项目等新项目获得了7100万美元的投资，凸显了人工智能在本世纪重塑轨道交通运营的潜力，为运营企业降低成本，最大限度地减少碳排放，并提升乘客体验。值得注意的是，借助机器学习和深度学习能力，人工智能算法可以不断训练和适应，以提高系统性能，延长系统生命周期并降低技术过时的风险。这种变革力量正在不断增强，为人工智能成为轨道交通行业游戏规则改变者提供了充分的机会。
目前，人工智能系统在以下核心方向展现其价值：
1、全局最优无人值守调度
2、多模式协同交通
3、GoA4下的高速自动控制
4、精准维护决策执行
基于通信的列车控制的5G网络实施
东京地铁正在研究5G，而其他轨道交通同行也在密切关注。这项高速、极低延迟且面向未来的技术有望成为轨道交通企业利用人工智能和复杂的传感和分析技术完成数字化转型的坚实基础。
一旦成功，将为基于通信的列车控制制定新的通信标准。在适应互操作使用后，5G CBTC通信的先驱者很可能成为无条件的行业领导者，并在未来几十年内占领市场。
成功的5G实施可以通过以下方式带来可观的价值：
增强的连接性：即使在隧道等具有挑战性的环境中也能保持高性能；
增加带宽：先进的数字资产管理解决方案效果更好；
面向未来的设计：新的技术迭代仍然兼容。
这种架构为列车控制和通信系统带来了一种全新的突破性方法。沿线列车的私有5G网络将提供低延迟和千兆级连接。创新的波束跟踪算法可以保持轨旁系统和车载系统之间的稳定连接。
边缘计算的广泛应用
边缘计算是上述精简应用的关键组成部分。随着铁路技术的进步，等待数据到达云端并返回列车变得不切实际。边缘设备（例如物联网网关）越来越多地用于由人工智能驱动的CBTC操作。这些设备充当车载计算机、轨道控制器和中央控制系统之间的中介，实现即时反馈。边缘设备处理的实时数据可实现透明且易于管理的铁路网络。
CBTC的实时监控和预测性维护
先进的监控可以彻底改变轨道交通行业管理CBTC维护的方式。新加坡地铁、纽约地铁、巴黎和伦敦地铁最近实施的措施已显著减少了服务中断，包括高成本的停机时间。然而，只有大约三分之一的美国轨道交通运营商依赖预测性维护，而其他运营商则面临高达30%的维护成本浪费和高达50%的计划外停机时间。未来十年，轨道交通维护预计将迎来新篇章，“预测性”将成为一项预定义功能。
在这样的应用中，基于物联网的分析工具与CBTC基础设施无缝协作，收集和分析数据以评估结构完整性和设备性能，并预测潜在故障。
它应该组织完善，监测生态系统，并有条不紊地收集关键资产（如信号设备、轨道电路和车载列车系统）的运营、性能、环境、历史和使用数据。借助高精度传感器和高级分析，这种全方位的方法可以实现最佳系统性能，同时延长铁路资产的使用寿命。
配备先进物联网传感器的自我报告铁路资产可以全面监控列车运行、基础设施状况和系统性能，从而有助于实现显著的成果：
维护成本减少40%
资产寿命延长40%
计划外停机时间减少60%
资产效率提高15%
基于现代通信的列车控制的网络安全框架
随着网络安全威胁的不断演变，全面的轨道交通安全框架超越了传统的IT安全措施。轨道交通网络安全必须继续在这个不断发展的领域中收集最佳实践。
对于基于通信的列车控制，威胁预防系统应具备：
跨物理层、网络层和应用层的多层监控
高度安全的列车与地面通信
异构数据快速降维
关键系统异常的智能分类
主动防御DoS、探测和数据篡改攻击
该系统通过实时安全监控区分网络攻击和系统故障。多个重叠的安全层形成纵深防御策略，深度数据包检测 (DPI) 分析所有铁路系统通信，以识别和消除潜在威胁。
关于区块链技术的讨论如何？十多年来，它一直是轨道交通利益相关者的热门话题，但我们主要看到的讨论是关于增强CBTC系统的数据安全性和完整性，而几乎没有可操作的步骤。
区块链有可能在列车、轨道旁设备和中央控制系统之间创建防篡改的数据交易记录。其分散的数据存储和加密技术提供了强大的网络攻击保护，同时确保了所有交易的透明、可审计的轨迹。这会以任何方式被使用吗？我们很快就会知道。
环境影响
尽管可持续性并不是基于通信的列车控制的最初目标，但该技术通过容量优化和故障减少增强了轨道交通运输对环境的影响。现代CBTC系统每年每条线路可消除超过14,000吨二氧化碳，从而减少约15%。因此，先进的CBTC算法有助于实现可持续性，但必须更进一步减少排放并支持到2050年实现净零经济的雄心勃勃的目标。可持续的下一代CBTC技术应结合能耗优化算法来调整列车速度和制动曲线，从而最大限度地减少能耗使用。
休眠模式技术可在空闲时实现零瓦特消耗，同时保持列车定位信息完好无损。轨旁基础设施会在这些时间段内跟踪列车，并在需要时立即恢复完整的CBTC功能。替代电源（例如从轨道或氢气中收集的能量）可能会为未来的列车提供动力。由于存在众多潜在用例，因此精确监控对于估算排放量和计算收益至关重要。先进的粒子计数器等支持物联网的解决方案将有助于轨道交通跟踪并将排放量保持在可接受的水平。这些创新正是轨道交通成为智慧城市不可或缺的一部分所需要的。
塑造理想的CBTC格局
在技术进步的推动下，CBTC的未来充满希望，轨道交通运营将更加安全、高效、环保。实现这一潜力取决于集成解决方案，这些解决方案可以促进由持续数据流和自我优化驱动的互联智能生态系统。
通过利用人工智能、5G、边缘计算、实时监控、预测性维护和强大的网络安全，轨道交通行业将在未来十年到十五年内实现性能和可持续性的显著提升。由于速度更快、可靠性更高、环境效益更高，基于CBTC的铁路非常适合成为未来智慧城市交通的基石。
作者：Julia Seredovich。Julia是 Professional Software Associates Inc. (PSA) 的业务开发员。
链接：https://highways.today/2024/12/19/communications-train-control/
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素材来源：读者荐稿
