简谈未来轨道交通列车控制系统技术的发展

崔俊锋

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

轨道交通列车控制系统肩负着列车高效、安全、有序运行的重大责任，其技术演进和发展历来谨慎。然而随着环境、经济等因素的快速变化，列车控制系统也需要不断发展以适应外界需求。同时，科学技术发展日新月异，计算机、通信、传感感知、人工智能等技术显著提升，这些技术与轨道交通深度结合，为列车控制技术演化提供了赋能手段。未来如何进一步提升列车控制系统的安全和效率、提升系统通用和兼容性、降低全生命周期成本，如何在多交通制式竞争中占据骨干地位，研究面向未来的列车运行控制系统技术发展具有重要意义。下面分析了主要外部因素变化为轨道交通行业带来机遇和挑战。

1.1 气候变化和空气污染

气候问题已经成为21 世纪最难解决的问题，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）报告提出要实现全球气温增幅控制在1.5℃之内的目标，全球各国土地、能源、工业、建筑、运输和城市建设等都应“迅速而广泛”地改变，二氧化碳净排放至2030 年要比2010 年减少45%，2050 年要实现“零净排放”[1]。这就要求各行各业使用更加低碳环保的方式进行替代。我国提出打赢蓝天保卫战，“公转铁”则是交通结构调整的重要举措[2]。社会对排放和能耗的关注，使得铁路成为较公路、航空等其他运输形式更有竞争力的手段，未来交通向轨道交通汇聚迁移的趋势明显。

1.2 都市圈和城市化进程

越来越多的人口将居住在城市，形成规模越来越大、数量越来越多的大都市和城市圈。比如我国的京—津—冀地区、广—深—港地区、美国的波士顿—纽约—华盛顿通道等。大城市的数量和规模都在不断增加，不断加快的城市化进程将给本已紧张的城市体系和基础设施带来更多压力，势必要求都市圈内的城市地区提高运输效率增加运力、都市圈内的城市间互联互通形成同城效应、都市圈间的旅行时间缩短、小时可达。铁路作为一种便捷、快速、大运量的交通系统，能促使大城市、都市圈经济集聚，使都市圈之间的空间联系密切而形成联合体空间格局[3]。

1.3 旅客出行和货运物流需求

根据国际交通论坛预测，未来旅客和货物的流动性较以往将大大增加。旅客流动性将增加200% ～300%以上，货运物流将增加150% ～250%以上[4]。这意味着需要实施智能高效的解决方案以提供足够的运输能力来满足大规模的旅客和出行商品货物运输的需求。乘客期望通过以轨道交通为主干，结合公共汽车、商业运营汽车和共享单车等多种交通模式联运，实现门到门、无缝连接、快捷舒适的出行，更短的旅行时间、可靠和准确的时刻安排、便捷的换乘和引导、优惠的价格将是关键。同样，货主也期望多种交通模式联运，实现货物到达时间可期、状态可实时追踪、货物门到门、价格具有竞争力的货物物流运输。

2 对未来列车控制系统技术的发展设想

从列车控制的角度，未来的轨道交通控制系统无论是列车还是地面设备，都沉浸在立体泛在通信网络中，从乘客、车站、基础设施、列车的各式各样的传感器中获取信息，在统一开放的全局时空坐标系中，根据列车和相干列车的位置、速度、状态信息，连续计算其安全运行包络，锁定和释放轨道资源，智能控制列车自动、安全、高效运行。同时，与其他轨道交通、公共汽车、无人驾驶汽车、物流机器人、共享自行车等多种交通方式信息互联互通，实现以轨道交通控制为核心的多模式无缝连接、综合一体化运输。

2.1 不同轨道交通制式兼容和互联互通

中国列车控制系统采用自顶向下的规划和统一设计，CTCS 自身具有较好的系统间的兼容性和产品互换性，为进一步实现国家铁路不同速度等级铁路胯下运行，可以发展通用一体化车载设备支持列车在跨高速铁路、既有线、城际铁路运行。另一方面，由于城市核心区与外围城镇组团之间对于快速、大容量、公交化轨道交通系统需求的快速增长，可进一步研究CTCS 和CBTC 的互联互通，形成兼容干线铁路和城市轨道交通功能需求和技术规范；根据技术需求，研究通用的系统结构、硬件平台，达到制式间的互联互通和兼容运行[5]。

2.2 统一的时空感知和坐标体系

时间和空间坐标系是列车控制的基础，是用来描述列车运行位置、速度、安全包络等信息的基本语言。就时间而言，除系统和子系统内部使用的用于同步协调的内部节拍之外，列车控制系统时间体系目前通过卫星授时基本统一到UTC 时间。对于物理位置坐标体系，不同的列车控制系统采用的坐标体系还不尽相同。例如，CTCS-3/ETCS-2/CTCS-2 采用了基于应答器的坐标体系，既有线则采用了基于轨道电路区段的坐标体系，ITCS 则又使用基于关键点经纬度的坐标体系。当前纷繁的坐标体系存在以下两个方面的问题：第一，就安全控制本身而言，当前的坐标系不够统一，互联互通需要进行坐标系转换；第二，未来的列车控制系统不局限于防止冒进和超速这个狭义的范围，列车控制系统要和整体铁路行业（如供电、车站、基础设施）相结合，铁路运输和汽车、航空等其他行业相结合。列车的位置信息应该在一定约束的前提下可以被第三方共享，例如乘客通过App 可以获取当前列车和接续列车的位置和状态、货主可以通过互联网地图看到货物物流的轨迹等。目前定位坐标手段比较容易统一的是卫星定位（虚拟应答器也是其表现形式之一），在隧道等卫星定位效果差的地方可以辅以应答器或者其他传感装置作为定位的补充[6]。

2.3 基于状态动态分配资源的列车控制

即使引入了虚拟导向、真空管运输这些新型导向运输模式，整个路网也依然是可以使用以道岔为顶点、轨道为边的方式进行描述。列车运行控制的安全和效率就是线路和“道岔”这些路网资源对于列车的安全精确高效分配。因此列车控制系统本质上也就保证列车在这个拓扑网络上合理、有序占有轨道资源、道岔资源，保证这些资源不冲突，尽可能少闲置。以道岔为例，当前是通过联锁集中控制方式分配，也有一些信号厂家尝试通过列车自行自主申请控制方式进行。但是，无论是使用哪一种方式，在未来统一时空体系的作用下，精确实时获取列车位置、速度，明确知悉列车加减速属性，就可以更加有效地锁定和释放道岔资源，进而提高整个运输网络的效率，并同时通过改变系统功能分配降低系统复杂度，从而降低设计、维护、升级的难度和成本，提高整体可靠性[7]。

2.4 采用虚拟耦合的相对闭塞方式

闭塞制式和线路运输能力有着直接的关系，其制式也经历了“固定闭塞—准移动闭塞—移动闭塞”的演化过程，列车的追踪间隔越来越短。但是随着运行速度的提高，列车制动距离显著增加，通过改固定闭塞为移动闭塞所提升的效率，不能从根本上解决运输能力的问题。在未来列控系统中可以采用虚拟耦合这种相对闭塞方式进一步提高轨道交通运输能力。即在统一的轨道交通时空坐标系基础上，借助先进无线通信等技术，对路网资源进行高实时动态分配，协调两列或者多列列车的运行速度和间隔距离，在没有物理连接的前提下，形成一个协调整体以共同完成的列车控制与调度组织。虚拟编组中的非本务列车突破了传统固定闭塞和移动闭塞的理念，列车间的间隔距离不再是基于假定前车静止而是基于两车相对速度，实现了效率更高的相对闭塞[8]。

2.5 自动化、智能化运营和综合一体化的控制指挥

自动运行是基于现代计算机、通信、控制和系统集成等技术实现运行过程自动化控制。轨道交通根据IEC62267 标准，依照人与系统对列车运行控制的不同水平以及列车运行自动化的不同程度，将铁路自动驾驶分为5 级。在汽车行业，美国汽车工程师协会J3016 标准规定将汽车自动驾驶技术分为0 ～5级，分别对应无自动驾驶、驾驶员辅助、部分自动驾驶、特定条件下自动驾驶、高度自动驾驶以及完全自动驾驶。相比于汽车，轨道交通运行环境相对封闭、随机性较低，轨道交通更有条件实现自动驾驶。事实上，国家铁路已经开通了GoA2 级，城规开通了GoA4 级自动驾驶，轨道交通有理由更早进入到全面自动驾驶时代。对于维护维修，通过引入大数据、人工智能以及智能机器，可以实现从数据收集、辅助诊断、自主诊断到健康预测的演进，实现从人工维修、虚拟现实辅助维修到智能机器人维修的变革。

可以预见未来交通中铁路骨干作用凸显，多种模式交通将趋向以轨道交通为主干的立体交通调度指挥一体化、智能化，逐步融合消除各交通运输组织管理服务边界，建立普适于多种交通形式的互联互通的信息接口标准和控制模式，构建立足于轨道交通、涵盖公路、航空等多种立体交通智能调度管理和指挥系统，形成综合一体化交通运输组织、安全保障与服务体系，提供安全高效的、端到端的、无间隙的综合运输服务。

3 总结和展望

不断发展的城市和城市圈、持续攀升的客运和货运需求以及全球气候变暖正在导致各种交通制式向铁路转移，快速发展的科学技术也将促进列车控制系统的演进。未来列控系统统一考虑干线铁路和城市轨道交通等多轨道交通制式需求，构造统一开放的时空体系，基于轨道情况动态给列车分配资源并通过多车协同大大提高网络的运输安全性和效率。列车运营维护也将从人工、半人工走向自动化、智能化和无人化。不同制式互联互通和多模式交通联运则应该考虑车—地、车—车、不同制式信息接口和模型的标准化。