重大進(jìn)步!“北斗”和5G助力高鐵“超級(jí)大腦”建設(shè)

多年來(lái)，歐洲開(kāi)發(fā)了適合本土的歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(ETCS)，其中ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)在地面采用無(wú)線閉塞中心生成的行車許可，通過(guò)固定應(yīng)答器提供列車定位基準(zhǔn)，利用GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“車-地”雙向信息傳輸，在歐洲實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用。

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司日前頒布《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》，明確提出到2035年，率先完成智能化鐵路網(wǎng)，全國(guó)鐵路網(wǎng)長(zhǎng)度將達(dá)到20萬(wàn)公里左右，其中高鐵占據(jù)7萬(wàn)公里左右;高鐵列車將擁有基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信技術(shù)的空天地一體化的“超級(jí)大腦”。

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如今列車運(yùn)行間隔是怎樣控制的

無(wú)論是普速客貨運(yùn)鐵路，還是高速鐵路，一般而言都是鋪設(shè)兩條并行軌道，火車左右行車互不干擾。那么動(dòng)輒數(shù)百至上千公里的鐵路線，是如何保證列車運(yùn)行安全的呢?

我們知道，汽車行駛在高速公路上，前后兩車間距不小于50米，才能保證必要的安全。我國(guó)普速火車一般運(yùn)行速度為120-160公里/小時(shí)，高速列車的運(yùn)行速度是350公里/小時(shí)，這么快的速度，勢(shì)必對(duì)前后兩列高速列車的安全間距要求更加嚴(yán)格。

鐵路部門是通過(guò)“閉塞分區(qū)”來(lái)給列車劃分運(yùn)行空間的，從而為列車運(yùn)行提供安全保障。“閉塞分區(qū)”就是通過(guò)軌道電路把鐵路線路分成若干個(gè)長(zhǎng)度不等的段落，每一段落兩端用信號(hào)機(jī)進(jìn)行控制，并在調(diào)度中心的顯示屏上顯示出來(lái)。當(dāng)列車在閉塞分區(qū)運(yùn)行時(shí)，車輛后端的信號(hào)機(jī)變紅，說(shuō)明這個(gè)區(qū)間段落有車占用，后面的列車就要提高警惕了，不能冒進(jìn)，只有運(yùn)行前方的信號(hào)顯示綠色，才能全速行駛。

如今，無(wú)論客貨混運(yùn)鐵路，還是高速鐵路，絕大多數(shù)采用的都是“自動(dòng)閉塞系統(tǒng)”。值得一提的是，“自動(dòng)閉塞分區(qū)”一旦劃分完畢，是不能隨便改變的，也就是說(shuō)自動(dòng)閉塞分區(qū)是固定的，這和后面講述的“移動(dòng)閉塞”完全不同。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，固定的自動(dòng)閉塞分區(qū)通過(guò)軌道電路來(lái)劃分，其工作原理是這樣的：當(dāng)閉塞分區(qū)沒(méi)有列車時(shí)，電流從軌道電路的正極通過(guò)鋼軌、軌道繼電器到達(dá)另一股鋼軌電源負(fù)極。此時(shí)繼電器中有電流通過(guò)，銜鐵吸起，接通綠燈，指示區(qū)間空閑;當(dāng)閉塞分區(qū)有列車占用時(shí)，車輪與軌道形成通路，電流被車輪短路之后不再給軌道繼電器通電，銜鐵開(kāi)關(guān)落下，接通紅燈，提醒后車該區(qū)間已經(jīng)被占用。

在普速鐵路上，司機(jī)可以通過(guò)觀看信號(hào)機(jī)的信號(hào)變化來(lái)操控列車。到了高鐵時(shí)代，由于列車運(yùn)行速度很快，司機(jī)來(lái)不及對(duì)線路旁的信號(hào)做出反應(yīng)，必須采用先進(jìn)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)才能保證安全。顧名思義，列控系統(tǒng)就是確保行車安全的信號(hào)系統(tǒng)，利用地面提供的線路信息、前車距離和進(jìn)路狀態(tài)，列控車載設(shè)備自動(dòng)生成列車允許速度的控制模式曲線，并實(shí)時(shí)與列車實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行比較，一旦發(fā)現(xiàn)列車超速就及時(shí)進(jìn)行控制，從而保證高鐵列車的安全。這套系統(tǒng)取消了普速鐵路旁邊的信號(hào)機(jī)，在軌道中間設(shè)置應(yīng)答器，可以實(shí)現(xiàn)列車與地面間的數(shù)據(jù)交換。

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“超級(jí)大腦”可大大縮短前后兩車的發(fā)車間隔

固定的自動(dòng)閉塞通過(guò)軌道電路劃分區(qū)間，“超級(jí)大腦”的關(guān)鍵元器件——無(wú)線移動(dòng)閉塞則是通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)劃分不固定的移動(dòng)區(qū)間，這是二者本質(zhì)的區(qū)別，并且移動(dòng)閉塞對(duì)通信技術(shù)和定位技術(shù)要求更高。

在傳統(tǒng)的固定自動(dòng)閉塞方式下，系統(tǒng)無(wú)法知道列車在分區(qū)內(nèi)的具體位置，因此列車制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)總在某一分區(qū)的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個(gè)防護(hù)區(qū)段，這使得列車間的安全間隔較大，大大降低了線路的使用效率。

無(wú)線移動(dòng)閉塞技術(shù)則在對(duì)列車的安全間隔控制上更前進(jìn)了一步，其信息傳遞、列車定位、列車完整性檢查等功能，不再依賴地面軌道電路，從而大幅度減少軌道旁邊安裝的設(shè)備數(shù)量。無(wú)線移動(dòng)閉塞的車載設(shè)備子系統(tǒng)，利用速度傳感器、雷達(dá)、光電傳感器對(duì)列車進(jìn)行速度和距離的測(cè)量，并結(jié)合地面應(yīng)答器對(duì)列車位置進(jìn)行校正，能夠連續(xù)、自動(dòng)地對(duì)列車位置進(jìn)行檢測(cè)，保證系統(tǒng)對(duì)列車速度以及行車間隔的安全防護(hù)。

如此一來(lái)，無(wú)線移動(dòng)閉塞系統(tǒng)可以通過(guò)車載設(shè)備和軌旁設(shè)備不間斷的雙向通信，調(diào)度控制中心可以根據(jù)列車實(shí)時(shí)的速度和位置，動(dòng)態(tài)計(jì)算列車的最大制動(dòng)距離，使得“列車的長(zhǎng)度+最大制動(dòng)距離+安全防護(hù)距離”組成一個(gè)與列車同步移動(dòng)的虛擬分區(qū)，這就是“移動(dòng)閉塞分區(qū)”。

由于保證了列車前后的安全距離，兩個(gè)相鄰的移動(dòng)閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時(shí)前進(jìn)，讓列車能以較高的速度和較小的間隔運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高鐵列車的“小編組、高密度”運(yùn)輸組織目標(biāo)，大大縮短前后兩車的發(fā)車間隔，從而極大地提高了線路的使用效率。

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“超級(jí)大腦”離不開(kāi)“北斗”和5G

無(wú)線移動(dòng)閉塞系統(tǒng)可以說(shuō)是高鐵列車“超級(jí)大腦”的關(guān)鍵元器件，其最顯著的特征就是要求對(duì)列車動(dòng)態(tài)位置進(jìn)行精確定位，同時(shí)還要借助高速度、大容量的通信技術(shù)實(shí)時(shí)傳遞列車的位置信息，這樣才能讓調(diào)度中心人員準(zhǔn)確掌握列車的運(yùn)行情況，從而指揮列車運(yùn)行，保證行車安全。要完成這一艱巨任務(wù)，離不開(kāi)“北斗”導(dǎo)航和5G技術(shù)。

方興未艾的5G通信技術(shù)，既是智能化時(shí)代必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，也是智能化時(shí)代的標(biāo)志性技術(shù)，高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低時(shí)延、萬(wàn)物互聯(lián)、信息可感知可調(diào)控是其鮮明的優(yōu)點(diǎn)和特征，可以滿足未來(lái)虛擬現(xiàn)實(shí)、智能制造、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用需求。

而“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球性、高精度時(shí)空基準(zhǔn)。其最大的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)系統(tǒng)的全球性定位，能夠?qū)崿F(xiàn)全球時(shí)間的精確同步?！氨倍贰迸c5G相結(jié)合，形成“空天地”一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，才能產(chǎn)生無(wú)與倫比的五大智能：感知、學(xué)習(xí)、認(rèn)知、決策和調(diào)控。

基于“北斗”衛(wèi)星定位的列控系統(tǒng)，可以連續(xù)且精準(zhǔn)獲取列車位置信息，改變傳統(tǒng)的基于固定自動(dòng)閉塞技術(shù)的列控追蹤間隔方式，而通過(guò)采用移動(dòng)閉塞的追蹤間隔方式，使得追蹤列車間隔大大縮小，從而提高運(yùn)輸效率。通過(guò)“北斗”衛(wèi)星，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一列車的車頭、車尾定位，從而開(kāi)展列車的完整性檢查，以防止列車解體后，給后面的列車帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

“北斗”和5G技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。“北斗”可以在全球把感知時(shí)間和位置的能力賦給5G技術(shù)，激發(fā)出移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的強(qiáng)大動(dòng)能，可以對(duì)諸如高鐵列車等移動(dòng)信息瞬時(shí)定位，確定其去向和瞬間運(yùn)行的速度，滿足高鐵列車對(duì)移動(dòng)閉塞的技術(shù)需求。

延伸閱讀

各國(guó)高鐵列控技術(shù)的發(fā)展

從2013年起，歐洲開(kāi)始了新一代列控系統(tǒng)(NGTCS)的研發(fā)，其中的創(chuàng)新項(xiàng)目“現(xiàn)代交通管理與控制系統(tǒng)”提出了“移動(dòng)閉塞、最高等級(jí)的無(wú)人駕駛、列車安全定位(衛(wèi)星技術(shù))、車載設(shè)備集成、智能信號(hào)系統(tǒng)、列車虛擬連掛”等技術(shù)發(fā)展方向。

美國(guó)的列車主動(dòng)控制系統(tǒng)(PTC)功能也很強(qiáng)大，具有列車超速防護(hù)、防止列車相撞、保護(hù)軌旁工作人員安全等功能。列車根據(jù)GPS定位系統(tǒng)，獲取自身所在位置，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將列車位置發(fā)送至PTC服務(wù)器，PTC服務(wù)器可根據(jù)所得信息計(jì)算列車停車位置，并將位置信息發(fā)送至車載設(shè)備。PTC系統(tǒng)設(shè)有調(diào)度中心，可人為干預(yù)列車運(yùn)行，防止列車相撞。

而東日本旅客鐵路公司運(yùn)用移動(dòng)閉塞技術(shù)研發(fā)了ATACS系統(tǒng)。這套系統(tǒng)主要由無(wú)線電裝置、據(jù)點(diǎn)裝置、指令裝置及車載裝置組成。傳統(tǒng)的列控系統(tǒng)主要由地面設(shè)備完成，而在ATACS系統(tǒng)中，列車的控制由地面與車載共同完成。

由上可知，歐美日等高鐵發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，也一直致力于“移動(dòng)閉塞”技術(shù)的研究。

為了適應(yīng)高速鐵路建設(shè)發(fā)展需要，我國(guó)高速鐵路列控技術(shù)借鑒歐洲ETCS成功經(jīng)驗(yàn)，從無(wú)到有，取得了巨大飛躍。我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的中國(guó)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)一共分為5個(gè)等級(jí)，從CTCS-0到CTCS-4，都有不同的適用范圍。我國(guó)時(shí)速300公里以上的高鐵主要是采用CTCS-3系統(tǒng)，這是基于無(wú)線通信、軌道電路和固定的自動(dòng)閉塞開(kāi)發(fā)的一套先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)。

而CTCS-4系統(tǒng)是我國(guó)面向2035年，基于移動(dòng)閉塞、北斗導(dǎo)航和5G通信技術(shù)的新一代列車控制系統(tǒng)，被譽(yù)為列車的“超級(jí)大腦”，這是我國(guó)高鐵列控技術(shù)里程碑式的重大進(jìn)步。

此外，按照《新時(shí)代交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行規(guī)劃綱要》提出的目標(biāo)，我國(guó)的高速列車到2035年將擁有利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信技術(shù)等構(gòu)成空天地一體化的“超級(jí)大腦”——新一代更高效、更智能、更環(huán)保的列控系統(tǒng)，列車追蹤間隔由目前的最短3分鐘縮短到2分鐘左右，提高線路運(yùn)輸能力30%以上，人均百公里能耗可降低30%左右。