智慧高速铁路运行控制系统发展趋势综述

余祖俊，唐 涛，李开成，宿 帅，朱力强

(1.北京交通大学 先进轨道交通自主运行全国重点实验室，北京 100044；2.北京交通大学 轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；3.北京交通大学 智慧高铁系统前沿科学中心，北京 100044；4.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

铁路作为国家经济的重要支柱,在我国客、货运输中具有不可替代的关键地位和作用,既是国家基础设施的重要组成部分,也是直接影响民众生活和经济发展的重大工程[1]。截至2022年底,全国铁路营业里程达到15万km,覆盖全国81%的县,其中高速铁路(以下简称“高铁”)超过4.2万km,通达95%的50万以上人口的城市,铁路网络已经初步形成覆盖广泛、运行高效的体系架构,为广大人民群众的出行以及货物运输提供了极大的便利。经过近20年的探索与实践,我国实现了高铁从无到有、从探索到突破、从制造到创造、从追赶到领跑的崛起,建成并运营着世界上最大路网规模(占世界2/3以上)、最高速度等级(350 km/h)、最大客流密度(22.9亿人/年)的高铁网络,且正在研发世界最高运营速度为450 km/h的高速列车,已成为引领世界铁路发展的重要力量。

铁路科技创新是组成国家科技创新体系、实施创新驱动发展战略的基本内容之一,是建设科技强国、交通强国的重要举措,是引领铁路发展的第一动力[2]。而其中,高铁是铁路行业科技创新的核心领域,代表着铁路行业最高科技水平。

现代铁路已迈入高科技发展的新阶段,智慧化是世界铁路发展的前沿方向。为了在未来高铁发展中抢占“领跑”地位,我国需进一步加强在智慧高铁基础理论和前沿技术等领域的自主创新。由于“速度快、运量大”等特点,高铁车辆装备和子系统具有高安全、高可靠要求[1],是高铁技术进一步发展的根基,而将智慧化技术应用到高铁运行控制系统将更有效地保证列车运行的安全、高效。

因此,本文首先分析国内、国际上关于铁路智能化的战略规划及当前我国高铁发展面临的世界性难题,进而提出高铁智慧化过程中运行控制系统的关键技术及其基本实现原理。

1 智慧化是高铁发展的前沿方向,是国际铁路强国的必争之地

当前,国际铁路强国先后制定了未来10～30年的发展战略,围绕铁路智慧化均提出了明确的发展规划,如:欧盟Shift2Rail规划、欧盟Rail Route 2050战略规划、德国铁路4.0战略、法国数字法铁战略、英国数字铁路战略、韩国铁路BIM5.0战略、澳大利亚2040战略、美国高速客运计划、俄联邦2030战略、日本铁路2020战略规则等。

1.1 欧盟Shift2Rail规划

为进一步提升铁路在欧洲各种交通方式中的竞争力,保持欧洲铁路工业在世界的领导地位,欧盟在2013年提出以市场为导向的 Shift2Rail 科技创新规划。该规划包括高成本效益、高可靠性的列车,先进的运输管理与控制系统,可持续、高效、高可靠性的基础设施,轨道交通IT服务,可持续、有吸引力的欧洲货运技术[3]等5个方案。其主要经济技术指标是服务可靠性与准点率增加50%、运输能力增加100%、能耗减少15%。

1.2 欧盟Rail Route 2050战略规划

欧盟针对欧洲铁路的未来发展,于2011年发布《欧洲一体化运输发展路线图》白皮书,努力发展极具竞争力和高效可靠的轨道交通运输系统[4]。同时,欧洲铁路研究咨询委员会在上述白皮书的基础上又制定了《Rail Route 2050》战略规划[5]。该规划指出,到2050年,消除互联互通的壁垒,提供完全集成的解决方案,从智能移动、能源与环境、个人安全、安全与认证、竞争力和赋能技术、战略与经济、基础设施等7个领域,建设高效、智能且极具竞争力的轨道交通系统,并明确了如图1所示的到2050年的发展蓝图。

图1 Rail Route 2050发展蓝图

1.3 德国铁路4.0战略

为改变共享汽车、低价航空给德国轨道交通运输市场带来的冲击,德国铁路股份有限公司将数字化铁路视为重要的发展契机,并制定了包含运输、物流、基础设施、生产、工作环境、信息技术等的支撑战略,具体为:开发具有多功能的APP,优化乘客路线设计,改善购票及换乘体验;实现高效、快速的运行线路规划,提高线路使用效率;推出在线机车诊断工具,实现设施自诊断和自报修;向客户提供个性化物流解决方案[6]。

1.4 英国数字铁路战略

2018年,为紧跟未来铁路数字化的发展趋势,英国制定了数字铁路战略。该战略强调未来英国将在列车运行控制、自动驾驶、交通管理和可靠性等领域进行拓展,并提出未来英国数字化铁路发展的三阶段蓝图。这一战略的主要目标是确保铁路资产的可持续性、提升运输能力、增强安全性,并在确保上述目标的前提下改善环境状况[7]。

1.5 法国数字法铁战略

法国国家铁路公司在2015年制定了数字法铁战略,其目标在于强化工业互联网的构建,建立起连接列车、铁路、车站等三大领域的紧密网络。这个战略的目标一方面是在推动企业保证安全的基础上进一步改善工作质量;另一方面是进一步满足旅客出行对于准点以及舒适性的要求,以提高旅客的出行体验。在未来,法国铁路战略将集中在信息技术等领域开展研究,以实现低成本的运营、全球范围的便捷门到门服务,以及新型的共享交通模式。通过这些举措,法国希望在铁路领域迈向更加智能化、高效率、环保和创新的未来[8]。

1.6 我国发展规划

在2019年,中共中央国务院在《交通强国建设纲要》中指出:到2035年,我国将基本建成“人民满意、保障有力、世界前列”的交通强国;到2050年全面建成交通强国,实现“人享其行、物优其流”[9]。在此基础上,2021年国家铁路局在《十四五铁路科技创新规划》中提到:到2025年,铁路创新能力、科技实力进一步提升,技术装备更加先进适用,工程建造技术持续领先,运输服务技术水平显著增强,智能铁路技术全面突破,安全保障技术明显提升,绿色低碳技术广泛应用,创新体系更加完善,总体技术水平世界领先[10]。针对铁路智慧化发展,我国相关头部企业也进行了一系列探索,如中国国家铁路集团有限公司发布了《智能高速铁路体系架构1.0》和《新时代交通强国铁路先行规划纲要》,并进行智能京张、京雄高铁的实践创新[11],但还需要在前沿科技领域进行系统性探索与研究。

综上,世界铁路强国均根据本国铁路发展实际,围绕铁路智能化制定了科学的发展规划。其中,列车自动驾驶、从“源头到目的地”的无缝化运输服务、BIM技术应用、新一代列车控制与调度系统(集中联锁、移动闭塞、列车实时定位等)、绿色低碳等相关技术和装备得到多国铁路的高度关注。以上技术和装备的发展将为我国智慧高铁的发展提供一定的参考。

2 我国高铁发展中的运行控制领域难题

列车运行控制系统是轨道交通的“大脑和神经中枢”,为轨道交通的安全运营和效率提升提供强有力保障。然而,轨道交通运行环境复杂、设备设施故障偶发,导致运营过程中仍存在列车脱轨、撞车等安全事故;恶劣天气和突发事件造成大面积晚点甚至瘫痪,严重影响运行效率;运输组织上仍同时存在坐席紧张和虚糜的现象;在客流压力巨大的重点干线,行车密度仍有待进一步提高。

1)传统的运行控制系统假设列车运行净空是“完好”的(因为线路是相对封闭的),但实际上我国高铁运营范围广、环境复杂,桥梁、隧道、泥石流高发路段依然会有异物侵限发生。如:2022年6月4日,因列车无法感知运行净空内的异物侵限,贵广线榕江站D2809次列车撞上泥石流脱线,造成巨大的人员和经济损失,社会影响巨大。如何实现复杂条件下对列车运行净空的智能监测,为行车安全进一步提供保障,是亟待解决的难题之一。

2)目前高铁采用的GSM-R通信技术,尚不能满足移动闭塞对车-地通信的高可信要求,车地信息传输可靠性仍有待进一步提升。

3)目前列车维修依然采用定期例行检查与维护的方式,一方面,一些隐性故障往往不易通过人工检查发现,可能导致影响列车行车安全;另一方面,不少设备/部件处于尚能工作的状态时就被更换了,造成成本浪费。因此需要开展列车运行状态实时监测与运维技术研究,进一步提高列车运行的可靠性与安全性,降低运维成本。

4)高铁系统作为一个复杂巨系统,恶劣天气以及难以避免的设备设施故障对列车运行势必产生影响。如:2022年8月12日,由于GSM-R系统设备失效导致全国大范围列车晚点;2020年京广高铁雾霾导致雾闪,停运1 h;2021年京广高铁大风限速,列车晚点2 h以上;2021年郑州暴雨,至少60趟列车晚点、停运;2022年1月22日降雪导致北京南站所有列车晚点。此外,异常及突发事件下,调度“事后”调整被动,手工模式自动化程度低,行车效率有待进一步提高。

3 关于智慧高铁运行控制领域关键技术的几点思考

面对上述挑战与难题,未来智慧高铁运行控制系统应突破“轨道无障碍”和“设备设施状态完好”2个假设,利用使能技术为列车加装“眼睛”和“大脑”,进一步减轻司机的劳动强度,更大程度上提升系统的智能化水平,实现运行环境和设备状态智能感知、突发事件下的自主决策和智能控制,支撑轨道交通网络安全和效率提升,进而实现列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制。列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制技术框架见图2,关键技术包括:移动闭塞、列车运行净空感知、列车状态智能监测、列车自主追踪、智能综合调度、车-地动态自组网通信等。

图2 列车(群)全天候全无人自主追踪运行控制技术框架

3.1 移动闭塞

3.1.1 功能和基本原理

移动闭塞是在固定闭塞基础上提出并发展的新型闭塞技术。在传统的固定闭塞模式下,列车采用 “撞硬墙”的模式运行,即追踪列车考虑前方列车处于某个固定停车状态或列车的前方存在固定的停车标志[6]。在这种模式下,列车只需考虑前行列车的占用信息,因此可以使用轨道电路和应答器等获取前行列车位置信息来保证运行安全。列车之间的闭塞分区通过信号机进行划分,一个闭塞分区只能允许被一列列车占用,因此列车之间的运行间距受闭塞分区的限制。而移动闭塞技术可以在现有设施基础上进一步缩短列车之间的安全间隔。与传统的固定闭塞相比,移动闭塞最显著的特点是取消了以信号机分隔的固定闭塞区间[12]。移动闭塞采用高可信的通信技术,且可以实现列车的精确测速和定位,因此后行列车可以将追踪目标点设置在前方列车包络的尾部。列车间的最小运行间距由考虑前后车运行位置、速度等状态的制动距离确定。固定闭塞与移动闭塞的区别见图3。

图3 固定闭塞与移动闭塞的区别

3.1.2 关键技术

在移动闭塞技术中,由于闭塞区间仅仅存在于逻辑上,与实际线路并无映射关系,因此列车的状态信息获取、安全距离与目标点计算等都与传统模式下不同。

1)多源融合的列车自主定位

由于列车定位的可靠性和精确程度对列车运行安全和运行效率有直接影响,因此列车定位是列车运行控制系统的一个关键点。现有列车定位主要依赖列车速度传感器、地面应答器和定位卫星等。这些传统方法需要大量的轨旁设备和稳定的卫星定位信息,在极端天气条件或者山区、隧道等特殊场景下,轨旁设备存在失效、卫星信号存在削减甚至遮蔽等风险,难以实现列车自主定位精度。另外,由于轨道交通列车运行环境较为复杂,单一传感器定位结果鲁棒性不强,无法在全天候和全场景下得到连续准确的列车位置信息[13]。因此,为满足各类线路条件和复杂天气条件下的列车自主定位需求,目前列车定位方式逐渐发展为“多源传感器+轨道地图+数据融合”模式,在保证列车运行安全性的前提下可提高运输效率,减少轨旁设备使用,通过对车载惯性单元、速度传感器、视觉标签信息、GNSS等多种传感器数据进行融合,并配合电子地图,从而获得精确、连续、高可靠的列车位置信息[14]。

2)可靠的车-地通信

现有的GSM-R通信技术除了可能面临技术封锁问题外,还存在可靠性不能满足移动闭塞对车地通信的要求、传输带宽受限等问题,因此需要对现有GSM-R通信网络进行改进。LTE-R是一种可能的通信解决方案,其采用完全基于分组交换的网络,更适合进行数据通信,可以提供适用于铁路操作的可靠、高效的通信系统。LTE-R具有如下优点:①通过使用高效的网络架构,数据包延迟更低;②通过使用先进多路复用和调制技术,可以提高频谱效率;③提供与GSM标准的互联机制。同时,LTE-R技术具有成熟的应用经验,目前在城轨和重载铁路中,基于LTE的LTE-M、LTE-U等技术已经应用于移动闭塞场景中。另外,随着5G通信技术的发展,未来高铁也可以采用5G-R技术,其具有更低的延时、更快的传输速度[15],以5G独立组网架构为基础,增加铁路特色应用业务。5G系统定义了灵活的物理层资源配置,具有支持实时数据以及视频监控数据的高速传输、方便高精度控制的低响应延迟、可连接更多的铁路设备、适应更广泛的运营场景,以及支持大规模物联网设备连接的特点,在未来可以作为更可靠的信息传输手段[16-19]。

3)钢轨断轨检测

在传统闭塞方式中,轨道电路不仅仅能够传递列车的位置信息,同时还能检测钢轨本身是否断轨,但这种检测方法仅能区分钢轨通断情况而无法判断钢轨出现伤损之前的状态,且易受到自然干扰的影响[20-21]。在欧洲ETCS-3级描述的移动闭塞技术中会取消轨道电路,而取消轨道电路就需要有其他技术来填补断轨检测功能。目前,超声导波技术被广泛应用于钢轨的断轨检测中,其应用示意见图4。超声导波技术利用多个超声波发射主机和超声波接收主机,将钢轨分为多个检测区段,通过分析接收主机收到的从发射主机定时传来的超声波来判断钢轨的状态[22]。由于超声波具有方向集中、速度快、能量大的特点,同时相较于轨道电路检测方法,其抗干扰能力更强,并且设备成本更低,因此可以应用于高铁运行控制中实现钢轨的断轨监测。

图4 利用超声导波进行断轨检测示意

3.2 列车运行净空感知

3.2.1 功能和基本原理

由于山区、隧道等在空间结构上存在隐蔽性,而且周边环境普遍复杂苛刻、地质灾害隐患点多,从而导致列车运行安全风险因素更具多变性和不确定性,若采用人工巡检方式无法做到对所有风险因素进行覆盖,因此也就无法评估整体风险隐患情况,难以监管。为进一步提升列车运行的安全水平,解决目前单纯依靠“信号”控车的问题,需研究智能化的列车运行环境净空感知技术。列车的净空感知技术基于高精度定位技术,同时融合雷达、视频和传感器等装置对隧道可能产生的落石、山体产生的滑坡和泥石流等灾害进行监测,提高高铁运行环境的安全性和可靠性。同时将高铁列车、铁路基础设施以及周边环境信息进行全面感知、融合,提高灾害预警的智能化与自动化能力。列车运行净空感知原理见图5。

图5 列车运行净空感知原理

3.2.2 关键技术

运行环境场景复杂是影响列车行车安全的主要因素之一,因恶劣环境而导致列车脱轨、倾覆的事故并不鲜见。恶劣的环境可能会直接影响到运行中的列车,也可能通过破坏钢轨等关键设备而间接影响列车运行,因此需要使用智能感知技术针对以上两点进一步提高行车安全。

1)超视距车地协同感知

基于高铁运行速度快的特点,必须在远距离快速、准确地识别铁路周界入侵,因此需要对高铁运行环境进行全场景三维建模,并设计基于场景理解的远距离障碍物检测识别等障碍物探测方法。同时需要研制并使用能够在全天候条件下工作并能够进行车地协同感知的传感器和能够对障碍物进行长距离探测与轨道异物入侵感知的装备[23]。基于以上装备,研究铁路先验知识图谱的场景理解、自适应聚类的周界入侵异常事件可信识别方法、基于深度学习的语义分割算法等进行高可靠识别,并对车地协同感知的传感器布局进行优化以做到轻量化、高效、可靠地提供识别功能[23]。

2)隧道廓形监测

隧道形变可能会引起环片裂缝、渗漏水、环片错台等问题,而这些问题可能会影响列车的运行安全[24],因此需要对隧道的廓形进行长期变形监测以便及时发现和预报险情。集成多传感器的车载移动测量技术是目前测绘界最前沿的技术之一,其采用三维激光扫描技术,能够快速、高精度、高自动化地进行数据采集和测量,并有效避免传统变形监测分析的局部性和片面性[25]。移动三维激光测量系统集成三维激光扫描仪、全景相机和定位定姿传感器,并采用组合导航算法和滑动最小二乘法对采集数据进行后处理,实现隧道廓形监测数据的准确,保障隧道环境下高铁列车的运行安全。

3)空天地一体化全天候感知

对于部分地面和车辆不易监测的地点,如密林、深山等,则需要采用空天地一体化技术进行智能感知[26]。利用基于视觉和激光雷达融合的运行环境专用无人机动态巡检,同时利用高精度位置服务、时间同步服务,将这些信息与轨旁设施的信息融合,构建端-边-云协同计算的运行环境监测、交互、控制系统,实现多平台、多源异构监测信息在不同时空维度下的精确配准、多元融合和综合决策,完善铁路运行环境不同安全等级下预警、告警以及运行控制决策的机制,进一步保障高铁行车安全。

3.3 列车状态智能监测

3.3.1 功能和基本原理

在高铁的运行过程中,除了外界环境可能对列车运行产生不利影响外,列车自身相关设备的故障同样会影响行车安全。而目前高速运行状态下的列车健康状态在线诊断和态势评估是世界性难题,缺少拥有自主知识产权的车载式和搭载式列车运行与线路状态在线检测诊断核心技术及成套装备。

列车状态智能监测示意见图6,包括诊断技术和态势评估。其中,诊断技术是对可能出现的设备故障进行诊断和预测,使得工作人员可以有针对性地维护,从而保持设备持续在正常工作状态下运行[27];态势评估能够综合反映各种行车因素、设备因素对高铁运行的影响,能够真实展示列车行车过程中设备与列车之间的动态关系。

图6 列车状态智能监测示意

3.3.2 关键技术

1)列车关键部件服役状态监测诊断

对高铁运行的历史记录和故障数据进行分类、分析、整理,以对可能发生的风险故障进行规避是至关重要的。首先采用层次分析法将高速铁路信号系统风险行为具体化[28];其次针对关键部件故障频次、原因、后果等特征,采用主成分分析法辨识列车行车安全相关的关键部件;同时在列车轮轴、发动机等部位安装新型传感器,实时监测这些部件的运行状况;然后针对不同类型部件的不同故障特征表达方式,建立微弱信号的表达模型和获取技术,并基于深度学习针对不同类型故障进行在线自诊断学习[29],这样传感器可以在设备出现故障或预测到设备即将发生故障时向列控系统发出预警信号,以便及时采取维修措施,保障高铁列车安全运行。

2)运行风险态势评估与处置决策

高铁运行风险态势评估包括3个方面:①危害的发生概率;②危害后果的严重性分析;③评估风险态势。首先针对危害的发生概率,结合不同传感器的测量数据,以及从列车安全性、可靠性、平稳性、准点性等多角度建立的评价指标[30],使用合适的训练集训练贝叶斯网络进行网络结构和网络参数的学习,确定高铁列车与不同关键设备在不同故障模式下事故发生的概率;其次计算风险态势的严重性;继而结合EN50126标准描述高铁运行过程中的风险态势评估严重度等级[31];最后根据不同风险的严重程度采取不同的应急措施。

3.4 列车自主追踪

3.4.1 功能和基本原理

目前高铁在CTCS-3级控制系统下的运行过程为:调度集中(CTC)根据运行计划自动办理列车进路,同时将进路信息交给计算机联锁自动排列该进路;无线闭塞中心根据计算机联锁提供的进路信息、轨道电路提供的闭塞分区状态信息和车载设备提供的列车位置信息,生成行车许可,然后通过GSM-R网络将行车许可及相关的线路数据发送给相应的列车;当高速列车收到来自地面的行车许可等信息后,车载计算机根据行车许可要求计算防护速度和目标距离速度曲线以保证列车的安全运行。随着信息化的发展,列车的自主追踪技术成为可能,可以减少对轨旁设备的依赖。基于邻车实时传输的信息及列车运行态势的分析,多列车可实现短距追踪运行控制,在车辆牵引制动性能允许的前提下甚至可以实现与物理编组运行相似的效果,即虚拟编组,该技术可以实现列车灵活编组,以适应灵活变化的客运需求。

3.4.2 关键技术

1)面向动态时空的列车安全防护控制技术

面向“撞软墙”的安全防护控制方法是实现列车自主追踪的关键。因此,首先需要对列车中含有非线性动态特征的牵引/制动过程进行建模和性能预测[32-33],进而实现对列车运行轨迹预测[31];其次需要分析高密度追踪过程中列车的安全风险、列车与其他列车及复杂环境因素间的相互影响关系,构建列车风险动态评估和控制模型,从而实现多列车系统全时空避撞控制[34]。面向动态时空防护的列车安全防护控制见图7。

图7 面向动态时空防护的列车安全防护控制

2)列车群平稳追踪控制技术

对于需要进行虚拟编组的列车,首先向CTC发送编队命令,然后在CTC同意后下达允许编组命令,之后列车之间才会进行动态编组。列车群(虚拟编组)平稳追踪控制状态转移示意见图8。解编过程也需要从上层发送解编命令,在CTC同意后列车群组开始解编[35]。在这个过程中,首先需要建立动态编组及解编过程中列车间相互关联的耦合拓扑结构模型;其次为保证虚拟编组列车群组的稳定性,需要研究面向列车群组的多智能体协同控制方法,并建立基于列车追踪距离动态收缩约束的列车群组协同控制模型[36-37],以实现列车群组的小间隔平稳追踪控制,缩短行车间隔,实现车辆资源的灵活配置[38]。

图8 列车群(虚拟编组)平稳追踪控制状态转移示意

实现的误差跟踪目标为

(1)

(2)

式中:i为虚拟编组中的列车数量,i=1,2,…,n;t为列车的运行时刻;xi为虚拟编组中列车i的位置;di,i-1为虚拟编组中列车i与列车i-1之间的间隔距离;vi为虚拟编组列车中列车i的速度。

3.5 以行车为核心的智能综合调度

3.5.1 功能和基本原理

随着高速铁路客流需求的增长,运营的规模和行车密度需要进一步提升,给目前的调度指挥系统带来了挑战。现有的调度指挥系统对于故障信息采集有限,报警信息颗粒度不足,影响故障诊断效率,难以支撑故障影响的预测;多专业联动困难导致故障处置方案的生成主要依靠调度员的经验和人工分析处理;随着行车密度提升,故障影响传播速度加快,在现有调度指挥系统下调度员很难在短时间内生成满意的调度指挥策略。因此,在CTC层面,为保证列车以及列车群组的安全允许,在高铁的智慧化中可以将计算机技术与人工结合以减轻人工的工作量,形成面向多制式多专业协同的新一代调度系统装备与技术[39]。

3.5.2 关键技术

1)运输态势智能感知评估与推演技术

运输态势智能感知评估与推演技术见图9。首先基于大数据处理引擎,分析列车调度在线推演所需的车站、线路、列车、环境等关键数据并进行实时采集,明确系统与其他系统间数据接口与数据传输机制;其次研究综合考虑车站、线路、列车、环境的数据挖掘与预测技术,对影响列车运行的各个因素进行综合分析和评估;最后结合态势感知与推演感知技术,使用机器/深度学习方法利用推演数据进行训练,建立模型,并将推演结果可视化,得到日常运输态势、应急运输态势以及突发事故恢复态势[40-41]。

图9 运输态势智能感知评估与推演技术

2)调度计划智能编制与调整技术

面对日益复杂的运输网络,需要对列车行车的调度计划进行智能编制与调整:利用边缘计算技术对海量边缘数据,如列车位置、速度、设备状态等,进行采集、清洗、整合并将其提供给上层调度中心;调度中心实时检测边缘层提供的信息,并利用智能优化算法,如遗传算法、模拟退火算法等,对多目标如最小化列车延误时间、保证列车舒适度等进行综合优化[42],同时根据实际运行情况不断优化调度策略,收集边缘层提供的反馈数据进行分析与学习,进而提高调度策略的质量[43]。当突发事件发生时,系统可以自动生成应急调度策略,保证列车运行的安全有序。

3)综合调度智能决策与全流程管控技术

在运输态势感知评估与推演技术以及调度计划智能编制与调整技术的基础上,设计运输综合计划协同管理平台,通过运输计划闭环、专业作业协同、生产信息综合等实现全过程的计划编制与执行[42]。首先,基于不同领域信息的相互交汇,将维修、机务、客运、车站作业等各项工作统一围绕一个计划展开,确保在计划变动时所有相关工作能够同步进行调整。其次,将基本计划、开行计划、车底运用计划、车站作业计划协同进行闭环管理,确保计划的指定与执行之间能够紧密联系,实现全过程的协同实施。此外,通过作业运作情况的实时显示,可以使得计划能够根据不同情况进行调整,还可以实现紧急情况下灾害现场的可视化以实时对列车的运行进行自动调整,提升在出现紧急事件下的辅助功能和监督功能[44]。最后,设计客运计划执行过程中的评价方法,提供考核评价标准,自动给出优化的调度辅助调整建议。

3.6 车-地动态自组网通信

3.6.1 功能和基本原理

在CTCS-3级列控系统中,使用基于GSM-R的无线通信实现车-地信息双向传输,无线闭塞中心生成行车许可[45],因此车-地通信对CTCS-3级列控系统有着极其重要的意义[45-47]。随着智慧高铁技术的发展,高铁综合承载业务对信息的可靠性要求越来越高。自组网作为一种无中心网络,支持车-地、轨旁设备之间直接进行通信,大大降低高铁RBC转发信息所需要的时延,并且由于轨旁基础设施的精简,通信网络的维护成本也大幅降低。在自组网中,不再按照功能而是按照距离划分节点类型,如簇间节点、中继节点和普通节点。其中,普通节点负责接收车载数据并转发;中继节点负责转发相邻节点的数据;而簇间节点部署在区间和车站,负责管理簇成员和完成簇间的信息交互[47]。因此这种自组网不在过度依赖中心节点,自组网中的每个节点地位相同,可以互相辅助完成数据传输,提高网络的抗毁性能[46-47]。车-地动态自组网节点设置与通信示意见图10。

图10 车-地动态自组网节点设置与通信示意

3.6.2 关键技术

1)高速移动车-地自组网传输与覆盖提升关键技术

为进一步提升车-地自组网的传输与覆盖能力,首先需要研究复杂高铁运行条件下基于“通信-感知-计算”一体化协同的可靠性提升方法。由于车-地自组网中依赖车地间节点的多跳传输完成通信,所以低时延、高可靠的路由算法是充分利用自组网性能的关键。通过利用节点位置信息提前进行路由发现的方式进行路由更新,针对不同类别的业务采用不同的通信方式以防止通信信道质量恶化并减轻节点负担[48]。如针对列控类的业务数据,可以采用组播的方式告知线路上的某些自组网节点,通过节点的冗余方式提升列车运行的安全性和可靠性。

2)多域复杂高速移动场景通信系统网络故障恢复关键技术

针对高铁运行环境复杂的特点,需要研究高铁多域复杂场景下通信车-地自组网的内生安全机理。由于高铁列车的高速移动,会导致无线通信信道的衰落与网络状态的变化,轨旁链路出现故障的概率较大[49]。采用分集技术进行多路径传输,即当通信在该链路故障时,可以重新寻找一条新的通信路径保证通信网络具有路由容错机制[50]。

4 结论

智慧高铁运行控制相关基础理论与前沿技术的突破是实现我国高铁技术持续国际“领跑”的关键。本文依据国内外智慧高铁的发展趋势,结合我国高铁列控技术的现状,提出未来我国智慧高铁运行控制的发展方向和核心关键技术,包括:利用先进的测速定位技术、基于LTE/5G的车地高可靠通信技术、基于超声导波的断轨监测技术等实现移动闭塞,以进一步缩短列车运行间隔;利用基于视觉等多传感器融合的车地协同感知技术、基于三维激光的隧道轮廓监测技术、面向空天地一体化的全天候感知技术等实现列车运行净空的安全监测,进一步提升列车运行安全;利用基于大数据分析的列车关键部件服役状态监测诊断技术、运行风险态势评估与处置决策方法,实现列车状态的自主诊断与预测;利用面向动态时空的列车安全防护控制技术、列车群平稳追踪控制技术实现列车高密度追踪,进一步提升车辆资源的灵活性;利用运输态势智能感知评估与推演技术、调度计划智能编制与调整技术、综合调度智能决策与全流程管控技术实现智能综合调度,进一步提升突发事件的处置效率。未来,智慧高铁运行控制还将进一步结合新一代的使能技术持续赋能高速铁路,进一步提升高铁的安全、效率和服务水平。