轨道交通列车智能控制技术发展分析

周留运

(天津轨道交通运营集团有限公司 天津300384)

近年来，随着科技的发展进步，轨道交通装备技术水平也越来越高。基于通信的列车自动控制系统(CBTC)已成为信号系统主流技术，正在向全自动运行系统发展。当前计算机、通信、大数据、人工智能等技术的发展，将会带动轨道交通行业技术装备向更高的水平迈进，列车智能控制技术将成为下一步的发展方向。

1 信号系统概述

1.1 信号系统设备构成

以基于通信的列车控制系统(CBTC)为例，信号系统硬件设备主要由轨旁设备、车载设备、车站设备、中心设备、传输网络等构成。以上设备共同实现了列车自动防护(ATP)、自动驾驶(ATO)、自动监控(ATS)功能。

1.2 联锁系统

联锁系统是保证列车运行安全，实现轨道占用、道岔、信号机之间正确联锁关系，也是轨道交通列车控制系统最基础的控制子系统。

1.3 列车位置检测和信息传输

用于列车位置检测和信息传输的技术，主要有无绝缘轨道电路、计轴设备、点式信标、交叉感应电缆环线、漏缆、波导管、无线局域网等。列车精确位置的实时监测则是通过车载雷达、测速电机、地面信标等实现的。

1.4 列车移动追踪

移动闭塞模式下，车载系统将列车的位置与运行方向发送给地面设备，区域控制系统结合联锁设备提供的轨旁设备状态、区段状态、道岔状态等信息为每列车计算移动授权，实现列车追踪间隔控制，保证前行列车和追踪列车间的安全间隔。

2 全自动运行系统

全自动运行系统(FAO)是基于现代计算机、通信、控制和系统集成技术，实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通控制系统，以信号系统、车辆控制系统为核心，融合了综合监控、通信、站台门等系统，具备列车自动唤醒、启动、休眠、自动出入库、自动行使、自动启停、自动开关车门、车辆自诊断等功能。

2.1 全自动运行系统构成

全自动运行系统中，信号车载系统与车辆系统通过电气接口、通信接口实现对列车的控制。同时信号系统与综合监控系统、电力监控系统、视频监控系统、乘客导向系统、广播系统、站台门系统、自动售检票系统等通过数据接口进行连接，实现系统间的数据交换。

2.2 自动化运行等级

国际公共交通协会将列车自动化运行分为G0A0、G0A1、G0A2、G0A3、G0A4 共5 个等级。

G0A0 为无ATP 防护下的人工驾驶；G0A1 为ATP 防护下的人工驾驶；G0A2 为半自动化列车运行STO；G0A3 为有人值守下列车自动运行DTO；G0A4为无人值守下的列车自动运行UTO。全自动运行系统指具备自动化等级G03 和G04 以上功能的系统。

2.3 全自动运行系统主要特点

一是系统兼容性：全自动运行系统以信号系统为基础，集成各设备系统功能，因此完全支持CBTC 运行功能。二是高可靠性：在信号系统设备冗余的基础上，采用了多重冗余技术，大大降低系统故障率。三是降低司乘人员劳动强度：由司机完成的操作完全由系统代替。四是安全性：全自动运行可以避免人为失误，且系统具有障碍物检测、脱轨检测等更多的安全防护手段，并可与各系统紧急装置进行联动。

3 列车智能控制系统

列车控制系统是伴随着科技进步而不断发展的。每次技术的升级，都将带来运行效率和安全性的提高以及人员劳动强度的降低。当前无线通信技术、人工智能的飞速发展，使得列车控制系统实现智能控制成为可能。

3.1 智能控制技术基础

近几年无线通信技术发展迅速，第五代蜂窝移动通信技术已经投入商用。无线通信实现了高带宽、高容量传输，通过帧结构的优化设计，无线通信时延可以达到低于1 ms 的水平。这为车地无线通信大量数据无延时交换和列车精确定位提供了技术基础。

计算机科学的进步，编程技术、数据算法、信息处理等技术的发展，推动了人工智能的研究和应用。神经网络、深度学习、专家系统等促进了人工智能在更多领域得到发展和应用，也为轨道交通行业列车智能控制创造了技术条件。

3.2 智能车站

借助于人工智能、物联网、大数据，通过计算机视觉、生物识别、智能传感器、激光、红外探测等技术，国内已经开始“智慧车站”建设试点，可实现票务、导乘等无人客运服务和车站设备设施智能化管理等。智能车站将为列车智能控制系统提供车站客流动态、设备状态等运营数据。

3.3 列车智能控制优势

列车智能控制系统将是在全自动运行系统基础上的一个技术升级。当前全自动运行系统已具有较高的自主性，但是系统仍然是按照既定程序做出相应控制动作，而智能控制系统将会赋予列车控制系统“思考”和“判断”的能力。系统通过深度学习、历史数据积累、自我感知等完成数据分析处理，从而具备智能判断能力，组织列车自主运行。

列车智能控制的另外一个重要特点就是实现列车运行图动态调整，即实现智能调度。全自动运行系统列车按照既定运行图、固定时刻表运行，列车区间运行、停站时间都是预先设定的。智能调度系统组织列车运行将会更灵活，每日运营前系统将根据历史运营数据生成基础运行图，运营过程中将根据车站、车厢上客流状况，实时调整所有列车运行时分和停站时间，自动增减上线列车数量，从而最大程度提高列车运行效率。

3.4 列车智能控制系统数据

智能控制系统的运行基础是数据分析处理，所有列车与中心系统将共享数据。数据大致分为两类：一类是基础数据，包括线路地图、线路条件、限速、道岔、信标、曲线、坡度等各类与运行相关的线路数据；另一类是实时数据，包括通过系统接口采集的其他系统数据、列车运行数据、位置信息数据、智能车站数据、列车传感数据，临时指令数据、故障信息等。

3.5 列车智能控制系统构成

列车智能控制系统将在现有全自动运行系统功能基础上，结合人工智能进行技术集成和功能整合，向下兼容全自动运行系统，在列车上将采用更多的传感、识别、探测技术为控制系统决策提供实时动态数据。

控制系统设备结构分为车载设备、地面和车站设备、中心设备。车载设备通过接口集成车辆各子系统及传感数据。智能车站系统集成综合监控、机电设备、站台门等各专业系统。

车载系统、地面控制系统、智能车站系统通过车地通信网和通信骨干网络接入中心系统。

4 结 语

列车控制系统正由基于通信的移动闭塞系统转向全自动运行系统，进而实现全自动无人驾驶。城市发展客流增加带来的实际运营需求和科技进步决定了智能控制系统将是轨道交通列车控制技术的发展方向，其对提高轨道交通运行效率，充分发挥行业公共交通载体功能具有重要意义。