智能高速铁路信号技术发展研究

任建新，龙光辉，李蔚，杨栋

（1.湖南省高铁运行安全保障工程技术研究中心，湖南 株洲 412006；2.武汉高速铁路职业技能训练段 信号教研室，湖北 武汉 430000；3.中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410083；4.中国铁路兰州局集团有限公司 银川电务段，宁夏 银川 750021）

1 研究背景

1.1 我国高铁信号技术自主化发展

根据2022年1月18日国务院发布的《“十四五”现代化综合交通运输体系发展规划》，截至2021年底，我国高速铁路运营里程已超过4万km［1］，高速铁路将在综合交通运输体系中发挥主骨架作用。已开通运营的京张高速铁路开启了新时代高速铁路智能化发展的历史先河［2］，信号技术作为直接控制列车运行、保障行车安全、提高行车效率、改善出行体验的核心技术，在铁路信息化发展过程中发挥了重大作用，将在未来高速铁路智能化发展进程中发挥巨大作用。

目前，我国高速铁路100%配备了中国列车运行控制系统（CTCS），已运营高速铁路中，2.5万余km装备CTCS-2级列控系统，1.5万余km装备CTCS-3级列控系统。当前，具有自主知识产权的CTCS-3级列控系统生产厂家有中国铁道科学研究院集团有限公司、北京全路通信信号研究设计院集团有限公司、北京和利时系统工程有限公司，CTCS-3级列控系统的2项关键设备无线闭塞中心（RBC）和列车自动防护系统（ATP）均已实现自主创新。以CTCS-3级列控系统为例，我国高速铁路信号技术自主化历程中实现了跨越式发展：

（1）装备研发生产自主化。尤指在CTCS-3级层面，已具备软硬件国产化设计生产能力，拥有完全自主知识产权。

（2）安装调试简单统一化。统一了安装接口、调试接口和互通接口，规范了操作流程，有利于实现互联互通。

（3）车载控制功能一体化。采用高度集成模块实现CTCS-2级和CTCS-3级列控双曲线安全比较功能，新增了区间逻辑占用检查功能；有效保障了列车区间行车安全。

（4）行车安全保障逻辑化。新增了无线闭塞中心的逻辑检查功能；车载子系统、RBC均采用双系热备冗余架构；有效保障了列车站内综合作业安全。

（5）运行工况监督远动化。通过G网实现列车运行监督数据实时下载，以及自动化预警功能，为智能化运营维护奠定了技术基础。

1.2 行业背景

2020年1月，习近平总书记对京张高铁开通运营作出重要指示［3］：京张高铁是我国建设运营的首条智能高铁。京张高铁的建成通车，标志着我国在建设智能高铁方面取得了重大成果。

2020年8月，中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）正式出台《新时代交通强国铁路先行规划纲要》（简称《纲要》）［4］，《纲要》全文25次提到“智能”，《纲要》明确指出：到21世纪中叶智能高铁率先建成，智慧铁路加快实现的发展目标；推进工电装备标准化、简统化，自主研发新型智能列控系统和智能综合调度指挥系统为典型代表的自主、先进高速铁路技术装备体系。

从追赶、跟随、并行到领跑，京张高铁的实践初步形成了智能高铁的技术架构［5］，成功开启了智能铁路的新篇章，未来智能高速铁路信号控制技术将引领轨道交通行业健康发展。

2 新时代智能高铁信号系统研究

2.1 智能高速铁路调度指挥子系统

在全部继承分散自律式调度集中子系统（CTC）全部功能和系统架构的基础上，智能列车调度指挥系统将实现下列功能：（1）智能化调整运行计划功能；（2）进路、作业流程及站细安全卡控功能；（3）客运、供电、施工、防灾等系统联动功能；（4）多场景化在线培训测试和仿真学习功能；（5）向智能列车操作系统发送阶段计划功能。其硬件和软件结构分别见图1、图2。

图1 智能高速铁路调度指挥系统硬件结构

图2 智能高速铁路调度指挥系统软件结构

2.2 列控与联锁一体化子系统

受铁路信号制造产业和运输组织实情影响，我国高速铁路信号系统［6］存在着叠加设计的情况，如在保持联锁系统（CBI）标准不变的情况下，单独设置了高速铁路列控中心（TCC），导致信号子系统复杂、维护工作量大、可能故障点变多；子系统接口较复杂，部分子系统缺少直接接口，存在数据迂回传输；全电子化程度不高等情况。

处于智能列车调度指挥子系统下位的列控与联锁一体化系统将实现基础设备监控、进路控制、轨道区段编码等原联锁系统和原列控中心主要功能；列控与联锁一体化系统还将实现全电子化配置功能，采用全电子化执行单元代替原继电器组合，实现对车站、区间设备一体化监控；由全电子化执行单位构成的执行层和列控与联锁一体化逻辑层之间采用光传输通道，大大降低了雷电通过电路通道对计算机电子设备侵害的隐患。根据执行层所处的安装位置，列控与联锁一体化系统将有3类系统结构，分别是室内集中安装式（见图3）、轨旁安装式（见图4）和组合安装式。在实际工程应用中，采用集中安装式结构还是轨旁安装式结构，主要取决于车站所在地环境、离信号楼距离、车站规模等综合因素。

图3 室内集中安装式列控与联锁一体化系统

图4 轨旁安装式列控与联锁一体化系统

2.3 智能列车自动操作子系统

在智能高速铁路调度指挥子系统中新增了智能列车操作服务器，服务器将通过车地通信通道给智能列车自动操作子系统（车载）提供行车计划，智能列车自动操作子系统（车载）依据行车计划以最佳速度控制曲线对列车进行自动操作；智能列车自动操作子系统依据地面增设的应答器实现精确对标停车、车门与站台门精确联动功能；智能列车自动操作子系统将实现列车自动发车、区间内自动运行、车站内自动停车（或站内自动通过、扣车）等功能。

2.4 智能信号工程仿真测试系统

智能信号工程仿真测试系统主要由智能列车自动操作子系统（车载）接口仿真子系统、线路条件仿真子系统、测试执行与监督子系统、测试案例辅助生成子系统、列控与联锁一体化仿真测试子平台构成（见图5）。

图5 智能信号工程仿真测试系统结构

智能信号仿真测试系统应具备仿真典型高速铁路运营场景下被控基础设备和运营环境状态功能，并依托典型运营案例生成建议测试案例库，供工程集成实施选用测试；智能信号仿真测试系统除满足单项系统测试功能外，还能进行信号系统集成化测试，主要测试信号系统集成化安装上道前接口数据流有效性；智能信号仿真测试系统具备提供全过程测试记录和测试数据不合理预警功能，测试过程需要厂家、工程方、使用方协同开展，形成阶梯式防护壁垒，保障工程安全性。

2.5 智能高速铁路信号运维系统

基于智能化、集中化、图示化、自动化原则，从服务高速铁路安全运营角度出发，将采用多项先进信息化技术，构建标准统一、接口安全的智能高速铁路信号运维系统。按数据流方式，将系统的逻辑结构分为5层：数据采集层、数据预处理层、数据挖掘层、业务分析层和可视化显示层。数据采集层具体形式表现为高速铁路信号基础设备运营与维护大数据实时采集归一化平台，其通过信号设备履历静态数据管理系统、集中监测系统、通信综合网络管理监测系统、生产作业安全盯控管理系统和智能调度指挥系统建立。系统逻辑结构见图6。

图6 智能高速铁路信号运维系统逻辑结构

处于数据采集层上位的4层，将对大数据完成预处理、挖掘、分析、可视化显示。智能高速铁路信号运维系统采用“平台+应用”的模式开发，解决当前我国高速铁路运用维护平台建设标准不统一、设备运用数据共享不多、缺乏对信号设备全生命周期管理等诸多客观问题，将高速铁路运营维护方式由被动响应转变至主动预防为主。

3 关键技术

3.1 列车运行智能化调整技术

以当前高速铁路在用分散自律式调度集中为基础，不改变当前高速铁路在用分散自律式调度集中架构，总结和归纳同一区段内造成高铁列车运行计划偏离的主要因素［7］，预先建立起基于本区段线路条件、设备故障、突发事件等运营场景下的高铁列车运行计划调整模型。

智能列车调度指挥子系统将依据应急场景情况、车站、车组关联关系及时调取预先设置的运行计划调整模型，为行车调度员提供智能调整的方案，实现列车运行计划的迅速和智能化调整，列车运行智能化调整技术将是支撑智能高速铁路调度指挥子系统的关键技术之一。

3.2 融合卫星的列车自主定位技术

总结我国首条智能高速铁路京张高铁采用北斗全域信号增强技术［8］的经验，基于北斗导航系统的列车定位技术，采用多模式卫星定位，融合惯性导航、轮轴转速计、应答器等综合定位方式［9］，实现列车实时自主定位，同时利用列车头筛和尾筛功能，进行逻辑区段占用、出清运算，取代基于传统区段空闲监测设备［10］而实现的轨道区段解锁、防护等功能，对列车实现完整性监测，建立起沿高速铁路运营线路全时、全域、全天候的智能化时空信息体系。

列车定位技术是支撑列控与联锁一体化子系统的最关键技术之一，是实现下一代列车运行控制系统（CTCS-4级）移动闭塞制式的关键技术之一，将重点支撑智能列车自动操作子系统。融合卫星的列车自主定位技术原理见图7。

图7 融合卫星的列车自主定位技术原理

3.3 智能列车自动驾驶技术

智能列车自动驾驶技术针对当前高速铁路车载信号系统大量依赖地面系统提供列控数据［11］，以传统自动化理论生成速度曲线并控制列车运行，存在感知缺乏、决策单一和控制过程机械化过高，安全性、效能平衡性和舒适性较差等诸多问题。

将人工智能化控制技术引入列车自动驾驶领域，通过在列车上增加传感器等手段，提高列车主动感知能力，同时利用深度学习、强化学习等手段挖掘优秀司机丰富的驾驶经验和列车运行相关大数据，结合高速铁路线路数据、智能化运行调整计划等，最终形成主动安全、效能平衡、旅行体验舒适的智能化列车自动驾驶技术。

智能化列车自动驾驶技术将为实现列车超速防护系统监控下的车门与智能高铁站台门联动控制、列车停车精度控制提供技术保障。

3.4 列控与联锁一体化全电子技术

采用全电子技术实现列控与联锁一体化子系统与信号基础设备接口全电子化，用全电子化执行单元（板卡）代替当前高速铁路信号控制系统与信号基础设备继电电路接口［12］。利用全电子化执行单元（板卡）能大量减少继电器和继电器组合架使用［13］，并减少信号工程室内用地面积；通过冗余方式配置全电子化执行单元（板卡）能实现可靠性、安全性更高的信号设备监控功能；全电子化执行单元（板卡）通过母版和列控与联锁一体化子系统实现电气连接，无需配置线缆，可大量减少信号工程设计和施工工作量。

全电子化执行单元除继承信号继电器组合的所有功能外，还将给出执行单元工作状态提示，并实时转发至列控与联锁一体化子系统的维修工作站，再经维修工作站记录并实时上传至高速铁路信号基础设备运营与维护大数据实时采集归一化平台。

3.5 高精度虚拟仿真技术

通过高精度虚拟仿真技术［14］提供丰富的高速铁路信号工程开通试验方式和高速铁路列车群实景化多环节强耦合运营场景，避免因试验不彻底导致的行车事故发生，从高速铁路信号工程项目建设初期就确保高速铁路运输安全；同时高精度虚拟仿真技术还通过信号设备故障、行车事故仿真等多种方式演示高速铁路信号系统“强安全、精细化、高集成”的显著特征，构建高速列车信号装备测试平台，建立智能化高速铁路培训平台，为培养高水平科研人才和高技能产业大军奠定基础［15］。

3.6 新一代先进信息化技术

以物联网、大数据、云计算、北斗导航、BIM、GIS等技术为基础的新一代先进信息化技术［16］，将是实现智能高速铁路的根本保障，将在数据归一化平台、信号设备全生命周期管理、信号设备健康管理与故障预测［17］（PHM）、应急指挥、作业人员安全盯控、基于通信的列车自动运行控制分析、信号设备故障智能数据建模分析、多数据融合可视化展示等方面发挥重要作用。

4 结束语

以新时代为高速铁路发展背景，结合《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，从高速铁路信号系统智能化发展趋势入手，研究智能化对信号子系统赋予的新含义，重点研究探讨协同工作的智能信号子系统主要功能和逻辑结构，突出了新时代智能高速铁路信号系统“安全、智能、集成、简统、免维”的显著特征；研究智能信号系统的6项关键技术，对于高速铁路信号领域智能化研制、智能化建造、智能化运维等方面具有重要意义。