智慧高速鐵路運行控制系統發展趨勢綜述

余祖俊，唐 濤，李開成，宿 帥，朱力強

(1.北京交通大學 先進軌道交通自主運行全國重點實驗室，北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通運行控制系統國家工程研究中心，北京 100044；3.北京交通大學 智慧高鐵系統前沿科學中心，北京 100044；4.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

鐵路作為國家經濟的重要支柱,在我國客、貨運輸中具有不可替代的關鍵地位和作用,既是國家基礎設施的重要組成部分,也是直接影響民眾生活和經濟發展的重大工程[1]。截至2022年底,全國鐵路營業里程達到15萬km,覆蓋全國81%的縣,其中高速鐵路(以下簡稱“高鐵”)超過4.2萬km,通達95%的50萬以上人口的城市,鐵路網絡已經初步形成覆蓋廣泛、運行高效的體系架構,為廣大人民群眾的出行以及貨物運輸提供了極大的便利。經過近20年的探索與實踐,我國實現了高鐵從無到有、從探索到突破、從制造到創造、從追趕到領跑的崛起,建成并運營著世界上最大路網規模(占世界2/3以上)、最高速度等級(350 km/h)、最大客流密度(22.9億人/年)的高鐵網絡,且正在研發世界最高運營速度為450 km/h的高速列車,已成為引領世界鐵路發展的重要力量。

鐵路科技創新是組成國家科技創新體系、實施創新驅動發展戰略的基本內容之一,是建設科技強國、交通強國的重要舉措,是引領鐵路發展的第一動力[2]。而其中,高鐵是鐵路行業科技創新的核心領域,代表著鐵路行業最高科技水平。

現代鐵路已邁入高科技發展的新階段,智慧化是世界鐵路發展的前沿方向。為了在未來高鐵發展中搶占“領跑”地位,我國需進一步加強在智慧高鐵基礎理論和前沿技術等領域的自主創新。由于“速度快、運量大”等特點,高鐵車輛裝備和子系統具有高安全、高可靠要求[1],是高鐵技術進一步發展的根基,而將智慧化技術應用到高鐵運行控制系統將更有效地保證列車運行的安全、高效。

因此,本文首先分析國內、國際上關于鐵路智能化的戰略規劃及當前我國高鐵發展面臨的世界性難題,進而提出高鐵智慧化過程中運行控制系統的關鍵技術及其基本實現原理。

1 智慧化是高鐵發展的前沿方向,是國際鐵路強國的必爭之地

當前,國際鐵路強國先后制定了未來10～30年的發展戰略,圍繞鐵路智慧化均提出了明確的發展規劃,如:歐盟Shift2Rail規劃、歐盟Rail Route 2050戰略規劃、德國鐵路4.0戰略、法國數字法鐵戰略、英國數字鐵路戰略、韓國鐵路BIM5.0戰略、澳大利亞2040戰略、美國高速客運計劃、俄聯邦2030戰略、日本鐵路2020戰略規則等。

1.1 歐盟Shift2Rail規劃

為進一步提升鐵路在歐洲各種交通方式中的競爭力,保持歐洲鐵路工業在世界的領導地位,歐盟在2013年提出以市場為導向的 Shift2Rail 科技創新規劃。該規劃包括高成本效益、高可靠性的列車,先進的運輸管理與控制系統,可持續、高效、高可靠性的基礎設施,軌道交通IT服務,可持續、有吸引力的歐洲貨運技術[3]等5個方案。其主要經濟技術指標是服務可靠性與準點率增加50%、運輸能力增加100%、能耗減少15%。

1.2 歐盟Rail Route 2050戰略規劃

歐盟針對歐洲鐵路的未來發展,于2011年發布《歐洲一體化運輸發展路線圖》白皮書,努力發展極具競爭力和高效可靠的軌道交通運輸系統[4]。同時,歐洲鐵路研究咨詢委員會在上述白皮書的基礎上又制定了《Rail Route 2050》戰略規劃[5]。該規劃指出,到2050年,消除互聯互通的壁壘,提供完全集成的解決方案,從智能移動、能源與環境、個人安全、安全與認證、競爭力和賦能技術、戰略與經濟、基礎設施等7個領域,建設高效、智能且極具競爭力的軌道交通系統,并明確了如圖1所示的到2050年的發展藍圖。

圖1 Rail Route 2050發展藍圖

1.3 德國鐵路4.0戰略

為改變共享汽車、低價航空給德國軌道交通運輸市場帶來的沖擊,德國鐵路股份有限公司將數字化鐵路視為重要的發展契機,并制定了包含運輸、物流、基礎設施、生產、工作環境、信息技術等的支撐戰略,具體為:開發具有多功能的APP,優化乘客路線設計,改善購票及換乘體驗;實現高效、快速的運行線路規劃,提高線路使用效率;推出在線機車診斷工具,實現設施自診斷和自報修;向客戶提供個性化物流解決方案[6]。

1.4 英國數字鐵路戰略

2018年,為緊跟未來鐵路數字化的發展趨勢,英國制定了數字鐵路戰略。該戰略強調未來英國將在列車運行控制、自動駕駛、交通管理和可靠性等領域進行拓展,并提出未來英國數字化鐵路發展的三階段藍圖。這一戰略的主要目標是確保鐵路資產的可持續性、提升運輸能力、增強安全性,并在確保上述目標的前提下改善環境狀況[7]。

1.5 法國數字法鐵戰略

法國國家鐵路公司在2015年制定了數字法鐵戰略,其目標在于強化工業互聯網的構建,建立起連接列車、鐵路、車站等三大領域的緊密網絡。這個戰略的目標一方面是在推動企業保證安全的基礎上進一步改善工作質量;另一方面是進一步滿足旅客出行對于準點以及舒適性的要求,以提高旅客的出行體驗。在未來,法國鐵路戰略將集中在信息技術等領域開展研究,以實現低成本的運營、全球范圍的便捷門到門服務,以及新型的共享交通模式。通過這些舉措,法國希望在鐵路領域邁向更加智能化、高效率、環保和創新的未來[8]。

1.6 我國發展規劃

在2019年,中共中央國務院在《交通強國建設綱要》中指出:到2035年,我國將基本建成“人民滿意、保障有力、世界前列”的交通強國;到2050年全面建成交通強國,實現“人享其行、物優其流”[9]。在此基礎上,2021年國家鐵路局在《十四五鐵路科技創新規劃》中提到:到2025年,鐵路創新能力、科技實力進一步提升,技術裝備更加先進適用,工程建造技術持續領先,運輸服務技術水平顯著增強,智能鐵路技術全面突破,安全保障技術明顯提升,綠色低碳技術廣泛應用,創新體系更加完善,總體技術水平世界領先[10]。針對鐵路智慧化發展,我國相關頭部企業也進行了一系列探索,如中國國家鐵路集團有限公司發布了《智能高速鐵路體系架構1.0》和《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》,并進行智能京張、京雄高鐵的實踐創新[11],但還需要在前沿科技領域進行系統性探索與研究。

綜上,世界鐵路強國均根據本國鐵路發展實際,圍繞鐵路智能化制定了科學的發展規劃。其中,列車自動駕駛、從“源頭到目的地”的無縫化運輸服務、BIM技術應用、新一代列車控制與調度系統(集中聯鎖、移動閉塞、列車實時定位等)、綠色低碳等相關技術和裝備得到多國鐵路的高度關注。以上技術和裝備的發展將為我國智慧高鐵的發展提供一定的參考。

2 我國高鐵發展中的運行控制領域難題

列車運行控制系統是軌道交通的“大腦和神經中樞”,為軌道交通的安全運營和效率提升提供強有力保障。然而,軌道交通運行環境復雜、設備設施故障偶發,導致運營過程中仍存在列車脫軌、撞車等安全事故;惡劣天氣和突發事件造成大面積晚點甚至癱瘓,嚴重影響運行效率;運輸組織上仍同時存在坐席緊張和虛糜的現象;在客流壓力巨大的重點干線,行車密度仍有待進一步提高。

1)傳統的運行控制系統假設列車運行凈空是“完好”的(因為線路是相對封閉的),但實際上我國高鐵運營范圍廣、環境復雜,橋梁、隧道、泥石流高發路段依然會有異物侵限發生。如:2022年6月4日,因列車無法感知運行凈空內的異物侵限,貴廣線榕江站D2809次列車撞上泥石流脫線,造成巨大的人員和經濟損失,社會影響巨大。如何實現復雜條件下對列車運行凈空的智能監測,為行車安全進一步提供保障,是亟待解決的難題之一。

2)目前高鐵采用的GSM-R通信技術,尚不能滿足移動閉塞對車-地通信的高可信要求,車地信息傳輸可靠性仍有待進一步提升。

3)目前列車維修依然采用定期例行檢查與維護的方式,一方面,一些隱性故障往往不易通過人工檢查發現,可能導致影響列車行車安全;另一方面,不少設備/部件處于尚能工作的狀態時就被更換了,造成成本浪費。因此需要開展列車運行狀態實時監測與運維技術研究,進一步提高列車運行的可靠性與安全性,降低運維成本。

4)高鐵系統作為一個復雜巨系統,惡劣天氣以及難以避免的設備設施故障對列車運行勢必產生影響。如:2022年8月12日,由于GSM-R系統設備失效導致全國大范圍列車晚點;2020年京廣高鐵霧霾導致霧閃,停運1 h;2021年京廣高鐵大風限速,列車晚點2 h以上;2021年鄭州暴雨,至少60趟列車晚點、停運;2022年1月22日降雪導致北京南站所有列車晚點。此外,異常及突發事件下,調度“事后”調整被動,手工模式自動化程度低,行車效率有待進一步提高。

3 關于智慧高鐵運行控制領域關鍵技術的幾點思考

面對上述挑戰與難題,未來智慧高鐵運行控制系統應突破“軌道無障礙”和“設備設施狀態完好”2個假設,利用使能技術為列車加裝“眼睛”和“大腦”,進一步減輕司機的勞動強度,更大程度上提升系統的智能化水平,實現運行環境和設備狀態智能感知、突發事件下的自主決策和智能控制,支撐軌道交通網絡安全和效率提升,進而實現列車(群)全天候全無人自主追蹤運行控制。列車(群)全天候全無人自主追蹤運行控制技術框架見圖2,關鍵技術包括:移動閉塞、列車運行凈空感知、列車狀態智能監測、列車自主追蹤、智能綜合調度、車-地動態自組網通信等。

圖2 列車(群)全天候全無人自主追蹤運行控制技術框架

3.1 移動閉塞

3.1.1 功能和基本原理

移動閉塞是在固定閉塞基礎上提出并發展的新型閉塞技術。在傳統的固定閉塞模式下,列車采用 “撞硬墻”的模式運行,即追蹤列車考慮前方列車處于某個固定停車狀態或列車的前方存在固定的停車標志[6]。在這種模式下,列車只需考慮前行列車的占用信息,因此可以使用軌道電路和應答器等獲取前行列車位置信息來保證運行安全。列車之間的閉塞分區通過信號機進行劃分,一個閉塞分區只能允許被一列列車占用,因此列車之間的運行間距受閉塞分區的限制。而移動閉塞技術可以在現有設施基礎上進一步縮短列車之間的安全間隔。與傳統的固定閉塞相比,移動閉塞最顯著的特點是取消了以信號機分隔的固定閉塞區間[12]。移動閉塞采用高可信的通信技術,且可以實現列車的精確測速和定位,因此后行列車可以將追蹤目標點設置在前方列車包絡的尾部。列車間的最小運行間距由考慮前后車運行位置、速度等狀態的制動距離確定。固定閉塞與移動閉塞的區別見圖3。

圖3 固定閉塞與移動閉塞的區別

3.1.2 關鍵技術

在移動閉塞技術中,由于閉塞區間僅僅存在于邏輯上,與實際線路并無映射關系,因此列車的狀態信息獲取、安全距離與目標點計算等都與傳統模式下不同。

1)多源融合的列車自主定位

由于列車定位的可靠性和精確程度對列車運行安全和運行效率有直接影響,因此列車定位是列車運行控制系統的一個關鍵點。現有列車定位主要依賴列車速度傳感器、地面應答器和定位衛星等。這些傳統方法需要大量的軌旁設備和穩定的衛星定位信息,在極端天氣條件或者山區、隧道等特殊場景下,軌旁設備存在失效、衛星信號存在削減甚至遮蔽等風險,難以實現列車自主定位精度。另外,由于軌道交通列車運行環境較為復雜,單一傳感器定位結果魯棒性不強,無法在全天候和全場景下得到連續準確的列車位置信息[13]。因此,為滿足各類線路條件和復雜天氣條件下的列車自主定位需求,目前列車定位方式逐漸發展為“多源傳感器+軌道地圖+數據融合”模式,在保證列車運行安全性的前提下可提高運輸效率,減少軌旁設備使用,通過對車載慣性單元、速度傳感器、視覺標簽信息、GNSS等多種傳感器數據進行融合,并配合電子地圖,從而獲得精確、連續、高可靠的列車位置信息[14]。

2)可靠的車-地通信

現有的GSM-R通信技術除了可能面臨技術封鎖問題外,還存在可靠性不能滿足移動閉塞對車地通信的要求、傳輸帶寬受限等問題,因此需要對現有GSM-R通信網絡進行改進。LTE-R是一種可能的通信解決方案,其采用完全基于分組交換的網絡,更適合進行數據通信,可以提供適用于鐵路操作的可靠、高效的通信系統。LTE-R具有如下優點:①通過使用高效的網絡架構,數據包延遲更低;②通過使用先進多路復用和調制技術,可以提高頻譜效率;③提供與GSM標準的互聯機制。同時,LTE-R技術具有成熟的應用經驗,目前在城軌和重載鐵路中,基于LTE的LTE-M、LTE-U等技術已經應用于移動閉塞場景中。另外,隨著5G通信技術的發展,未來高鐵也可以采用5G-R技術,其具有更低的延時、更快的傳輸速度[15],以5G獨立組網架構為基礎,增加鐵路特色應用業務。5G系統定義了靈活的物理層資源配置,具有支持實時數據以及視頻監控數據的高速傳輸、方便高精度控制的低響應延遲、可連接更多的鐵路設備、適應更廣泛的運營場景,以及支持大規模物聯網設備連接的特點,在未來可以作為更可靠的信息傳輸手段[16-19]。

3)鋼軌斷軌檢測

在傳統閉塞方式中,軌道電路不僅僅能夠傳遞列車的位置信息,同時還能檢測鋼軌本身是否斷軌,但這種檢測方法僅能區分鋼軌通斷情況而無法判斷鋼軌出現傷損之前的狀態,且易受到自然干擾的影響[20-21]。在歐洲ETCS-3級描述的移動閉塞技術中會取消軌道電路,而取消軌道電路就需要有其他技術來填補斷軌檢測功能。目前,超聲導波技術被廣泛應用于鋼軌的斷軌檢測中,其應用示意見圖4。超聲導波技術利用多個超聲波發射主機和超聲波接收主機,將鋼軌分為多個檢測區段,通過分析接收主機收到的從發射主機定時傳來的超聲波來判斷鋼軌的狀態[22]。由于超聲波具有方向集中、速度快、能量大的特點,同時相較于軌道電路檢測方法,其抗干擾能力更強,并且設備成本更低,因此可以應用于高鐵運行控制中實現鋼軌的斷軌監測。

圖4 利用超聲導波進行斷軌檢測示意

3.2 列車運行凈空感知

3.2.1 功能和基本原理

由于山區、隧道等在空間結構上存在隱蔽性,而且周邊環境普遍復雜苛刻、地質災害隱患點多,從而導致列車運行安全風險因素更具多變性和不確定性,若采用人工巡檢方式無法做到對所有風險因素進行覆蓋,因此也就無法評估整體風險隱患情況,難以監管。為進一步提升列車運行的安全水平,解決目前單純依靠“信號”控車的問題,需研究智能化的列車運行環境凈空感知技術。列車的凈空感知技術基于高精度定位技術,同時融合雷達、視頻和傳感器等裝置對隧道可能產生的落石、山體產生的滑坡和泥石流等災害進行監測,提高高鐵運行環境的安全性和可靠性。同時將高鐵列車、鐵路基礎設施以及周邊環境信息進行全面感知、融合,提高災害預警的智能化與自動化能力。列車運行凈空感知原理見圖5。

圖5 列車運行凈空感知原理

3.2.2 關鍵技術

運行環境場景復雜是影響列車行車安全的主要因素之一,因惡劣環境而導致列車脫軌、傾覆的事故并不鮮見。惡劣的環境可能會直接影響到運行中的列車,也可能通過破壞鋼軌等關鍵設備而間接影響列車運行,因此需要使用智能感知技術針對以上兩點進一步提高行車安全。

1)超視距車地協同感知

基于高鐵運行速度快的特點,必須在遠距離快速、準確地識別鐵路周界入侵,因此需要對高鐵運行環境進行全場景三維建模,并設計基于場景理解的遠距離障礙物檢測識別等障礙物探測方法。同時需要研制并使用能夠在全天候條件下工作并能夠進行車地協同感知的傳感器和能夠對障礙物進行長距離探測與軌道異物入侵感知的裝備[23]。基于以上裝備,研究鐵路先驗知識圖譜的場景理解、自適應聚類的周界入侵異常事件可信識別方法、基于深度學習的語義分割算法等進行高可靠識別,并對車地協同感知的傳感器布局進行優化以做到輕量化、高效、可靠地提供識別功能[23]。

2)隧道廓形監測

隧道形變可能會引起環片裂縫、滲漏水、環片錯臺等問題,而這些問題可能會影響列車的運行安全[24],因此需要對隧道的廓形進行長期變形監測以便及時發現和預報險情。集成多傳感器的車載移動測量技術是目前測繪界最前沿的技術之一,其采用三維激光掃描技術,能夠快速、高精度、高自動化地進行數據采集和測量,并有效避免傳統變形監測分析的局部性和片面性[25]。移動三維激光測量系統集成三維激光掃描儀、全景相機和定位定姿傳感器,并采用組合導航算法和滑動最小二乘法對采集數據進行后處理,實現隧道廓形監測數據的準確,保障隧道環境下高鐵列車的運行安全。

3)空天地一體化全天候感知

對于部分地面和車輛不易監測的地點,如密林、深山等,則需要采用空天地一體化技術進行智能感知[26]。利用基于視覺和激光雷達融合的運行環境專用無人機動態巡檢,同時利用高精度位置服務、時間同步服務,將這些信息與軌旁設施的信息融合,構建端-邊-云協同計算的運行環境監測、交互、控制系統,實現多平臺、多源異構監測信息在不同時空維度下的精確配準、多元融合和綜合決策,完善鐵路運行環境不同安全等級下預警、告警以及運行控制決策的機制,進一步保障高鐵行車安全。

3.3 列車狀態智能監測

3.3.1 功能和基本原理

在高鐵的運行過程中,除了外界環境可能對列車運行產生不利影響外,列車自身相關設備的故障同樣會影響行車安全。而目前高速運行狀態下的列車健康狀態在線診斷和態勢評估是世界性難題,缺少擁有自主知識產權的車載式和搭載式列車運行與線路狀態在線檢測診斷核心技術及成套裝備。

列車狀態智能監測示意見圖6,包括診斷技術和態勢評估。其中,診斷技術是對可能出現的設備故障進行診斷和預測,使得工作人員可以有針對性地維護,從而保持設備持續在正常工作狀態下運行[27];態勢評估能夠綜合反映各種行車因素、設備因素對高鐵運行的影響,能夠真實展示列車行車過程中設備與列車之間的動態關系。

圖6 列車狀態智能監測示意

3.3.2 關鍵技術

1)列車關鍵部件服役狀態監測診斷

對高鐵運行的歷史記錄和故障數據進行分類、分析、整理,以對可能發生的風險故障進行規避是至關重要的。首先采用層次分析法將高速鐵路信號系統風險行為具體化[28];其次針對關鍵部件故障頻次、原因、后果等特征,采用主成分分析法辨識列車行車安全相關的關鍵部件;同時在列車輪軸、發動機等部位安裝新型傳感器,實時監測這些部件的運行狀況;然后針對不同類型部件的不同故障特征表達方式,建立微弱信號的表達模型和獲取技術,并基于深度學習針對不同類型故障進行在線自診斷學習[29],這樣傳感器可以在設備出現故障或預測到設備即將發生故障時向列控系統發出預警信號,以便及時采取維修措施,保障高鐵列車安全運行。

2)運行風險態勢評估與處置決策

高鐵運行風險態勢評估包括3個方面:①危害的發生概率;②危害后果的嚴重性分析;③評估風險態勢。首先針對危害的發生概率,結合不同傳感器的測量數據,以及從列車安全性、可靠性、平穩性、準點性等多角度建立的評價指標[30],使用合適的訓練集訓練貝葉斯網絡進行網絡結構和網絡參數的學習,確定高鐵列車與不同關鍵設備在不同故障模式下事故發生的概率;其次計算風險態勢的嚴重性;繼而結合EN50126標準描述高鐵運行過程中的風險態勢評估嚴重度等級[31];最后根據不同風險的嚴重程度采取不同的應急措施。

3.4 列車自主追蹤

3.4.1 功能和基本原理

目前高鐵在CTCS-3級控制系統下的運行過程為:調度集中(CTC)根據運行計劃自動辦理列車進路,同時將進路信息交給計算機聯鎖自動排列該進路;無線閉塞中心根據計算機聯鎖提供的進路信息、軌道電路提供的閉塞分區狀態信息和車載設備提供的列車位置信息,生成行車許可,然后通過GSM-R網絡將行車許可及相關的線路數據發送給相應的列車;當高速列車收到來自地面的行車許可等信息后,車載計算機根據行車許可要求計算防護速度和目標距離速度曲線以保證列車的安全運行。隨著信息化的發展,列車的自主追蹤技術成為可能,可以減少對軌旁設備的依賴。基于鄰車實時傳輸的信息及列車運行態勢的分析,多列車可實現短距追蹤運行控制,在車輛牽引制動性能允許的前提下甚至可以實現與物理編組運行相似的效果,即虛擬編組,該技術可以實現列車靈活編組,以適應靈活變化的客運需求。

3.4.2 關鍵技術

1)面向動態時空的列車安全防護控制技術

面向“撞軟墻”的安全防護控制方法是實現列車自主追蹤的關鍵。因此,首先需要對列車中含有非線性動態特征的牽引/制動過程進行建模和性能預測[32-33],進而實現對列車運行軌跡預測[31];其次需要分析高密度追蹤過程中列車的安全風險、列車與其他列車及復雜環境因素間的相互影響關系,構建列車風險動態評估和控制模型,從而實現多列車系統全時空避撞控制[34]。面向動態時空防護的列車安全防護控制見圖7。

圖7 面向動態時空防護的列車安全防護控制

2)列車群平穩追蹤控制技術

對于需要進行虛擬編組的列車,首先向CTC發送編隊命令,然后在CTC同意后下達允許編組命令,之后列車之間才會進行動態編組。列車群(虛擬編組)平穩追蹤控制狀態轉移示意見圖8。解編過程也需要從上層發送解編命令,在CTC同意后列車群組開始解編[35]。在這個過程中,首先需要建立動態編組及解編過程中列車間相互關聯的耦合拓撲結構模型;其次為保證虛擬編組列車群組的穩定性,需要研究面向列車群組的多智能體協同控制方法,并建立基于列車追蹤距離動態收縮約束的列車群組協同控制模型[36-37],以實現列車群組的小間隔平穩追蹤控制,縮短行車間隔,實現車輛資源的靈活配置[38]。

圖8 列車群(虛擬編組)平穩追蹤控制狀態轉移示意

實現的誤差跟蹤目標為

(1)

(2)

式中:i為虛擬編組中的列車數量,i=1,2,…,n;t為列車的運行時刻;xi為虛擬編組中列車i的位置;di,i-1為虛擬編組中列車i與列車i-1之間的間隔距離;vi為虛擬編組列車中列車i的速度。

3.5 以行車為核心的智能綜合調度

3.5.1 功能和基本原理

隨著高速鐵路客流需求的增長,運營的規模和行車密度需要進一步提升,給目前的調度指揮系統帶來了挑戰。現有的調度指揮系統對于故障信息采集有限,報警信息顆粒度不足,影響故障診斷效率,難以支撐故障影響的預測;多專業聯動困難導致故障處置方案的生成主要依靠調度員的經驗和人工分析處理;隨著行車密度提升,故障影響傳播速度加快,在現有調度指揮系統下調度員很難在短時間內生成滿意的調度指揮策略。因此,在CTC層面,為保證列車以及列車群組的安全允許,在高鐵的智慧化中可以將計算機技術與人工結合以減輕人工的工作量,形成面向多制式多專業協同的新一代調度系統裝備與技術[39]。

3.5.2 關鍵技術

1)運輸態勢智能感知評估與推演技術

運輸態勢智能感知評估與推演技術見圖9。首先基于大數據處理引擎,分析列車調度在線推演所需的車站、線路、列車、環境等關鍵數據并進行實時采集,明確系統與其他系統間數據接口與數據傳輸機制;其次研究綜合考慮車站、線路、列車、環境的數據挖掘與預測技術,對影響列車運行的各個因素進行綜合分析和評估;最后結合態勢感知與推演感知技術,使用機器/深度學習方法利用推演數據進行訓練,建立模型,并將推演結果可視化,得到日常運輸態勢、應急運輸態勢以及突發事故恢復態勢[40-41]。

圖9 運輸態勢智能感知評估與推演技術

2)調度計劃智能編制與調整技術

面對日益復雜的運輸網絡,需要對列車行車的調度計劃進行智能編制與調整:利用邊緣計算技術對海量邊緣數據,如列車位置、速度、設備狀態等,進行采集、清洗、整合并將其提供給上層調度中心;調度中心實時檢測邊緣層提供的信息,并利用智能優化算法,如遺傳算法、模擬退火算法等,對多目標如最小化列車延誤時間、保證列車舒適度等進行綜合優化[42],同時根據實際運行情況不斷優化調度策略,收集邊緣層提供的反饋數據進行分析與學習,進而提高調度策略的質量[43]。當突發事件發生時,系統可以自動生成應急調度策略,保證列車運行的安全有序。

3)綜合調度智能決策與全流程管控技術

在運輸態勢感知評估與推演技術以及調度計劃智能編制與調整技術的基礎上,設計運輸綜合計劃協同管理平臺,通過運輸計劃閉環、專業作業協同、生產信息綜合等實現全過程的計劃編制與執行[42]。首先,基于不同領域信息的相互交匯,將維修、機務、客運、車站作業等各項工作統一圍繞一個計劃展開,確保在計劃變動時所有相關工作能夠同步進行調整。其次,將基本計劃、開行計劃、車底運用計劃、車站作業計劃協同進行閉環管理,確保計劃的指定與執行之間能夠緊密聯系,實現全過程的協同實施。此外,通過作業運作情況的實時顯示,可以使得計劃能夠根據不同情況進行調整,還可以實現緊急情況下災害現場的可視化以實時對列車的運行進行自動調整,提升在出現緊急事件下的輔助功能和監督功能[44]。最后,設計客運計劃執行過程中的評價方法,提供考核評價標準,自動給出優化的調度輔助調整建議。

3.6 車-地動態自組網通信

3.6.1 功能和基本原理

在CTCS-3級列控系統中,使用基于GSM-R的無線通信實現車-地信息雙向傳輸,無線閉塞中心生成行車許可[45],因此車-地通信對CTCS-3級列控系統有著極其重要的意義[45-47]。隨著智慧高鐵技術的發展,高鐵綜合承載業務對信息的可靠性要求越來越高。自組網作為一種無中心網絡,支持車-地、軌旁設備之間直接進行通信,大大降低高鐵RBC轉發信息所需要的時延,并且由于軌旁基礎設施的精簡,通信網絡的維護成本也大幅降低。在自組網中,不再按照功能而是按照距離劃分節點類型,如簇間節點、中繼節點和普通節點。其中,普通節點負責接收車載數據并轉發;中繼節點負責轉發相鄰節點的數據;而簇間節點部署在區間和車站,負責管理簇成員和完成簇間的信息交互[47]。因此這種自組網不在過度依賴中心節點,自組網中的每個節點地位相同,可以互相輔助完成數據傳輸,提高網絡的抗毀性能[46-47]。車-地動態自組網節點設置與通信示意見圖10。

圖10 車-地動態自組網節點設置與通信示意

3.6.2 關鍵技術

1)高速移動車-地自組網傳輸與覆蓋提升關鍵技術

為進一步提升車-地自組網的傳輸與覆蓋能力,首先需要研究復雜高鐵運行條件下基于“通信-感知-計算”一體化協同的可靠性提升方法。由于車-地自組網中依賴車地間節點的多跳傳輸完成通信,所以低時延、高可靠的路由算法是充分利用自組網性能的關鍵。通過利用節點位置信息提前進行路由發現的方式進行路由更新,針對不同類別的業務采用不同的通信方式以防止通信信道質量惡化并減輕節點負擔[48]。如針對列控類的業務數據,可以采用組播的方式告知線路上的某些自組網節點,通過節點的冗余方式提升列車運行的安全性和可靠性。

2)多域復雜高速移動場景通信系統網絡故障恢復關鍵技術

針對高鐵運行環境復雜的特點,需要研究高鐵多域復雜場景下通信車-地自組網的內生安全機理。由于高鐵列車的高速移動,會導致無線通信信道的衰落與網絡狀態的變化,軌旁鏈路出現故障的概率較大[49]。采用分集技術進行多路徑傳輸,即當通信在該鏈路故障時,可以重新尋找一條新的通信路徑保證通信網絡具有路由容錯機制[50]。

4 結論

智慧高鐵運行控制相關基礎理論與前沿技術的突破是實現我國高鐵技術持續國際“領跑”的關鍵。本文依據國內外智慧高鐵的發展趨勢,結合我國高鐵列控技術的現狀,提出未來我國智慧高鐵運行控制的發展方向和核心關鍵技術,包括:利用先進的測速定位技術、基于LTE/5G的車地高可靠通信技術、基于超聲導波的斷軌監測技術等實現移動閉塞,以進一步縮短列車運行間隔;利用基于視覺等多傳感器融合的車地協同感知技術、基于三維激光的隧道輪廓監測技術、面向空天地一體化的全天候感知技術等實現列車運行凈空的安全監測,進一步提升列車運行安全;利用基于大數據分析的列車關鍵部件服役狀態監測診斷技術、運行風險態勢評估與處置決策方法,實現列車狀態的自主診斷與預測;利用面向動態時空的列車安全防護控制技術、列車群平穩追蹤控制技術實現列車高密度追蹤,進一步提升車輛資源的靈活性;利用運輸態勢智能感知評估與推演技術、調度計劃智能編制與調整技術、綜合調度智能決策與全流程管控技術實現智能綜合調度,進一步提升突發事件的處置效率。未來,智慧高鐵運行控制還將進一步結合新一代的使能技術持續賦能高速鐵路,進一步提升高鐵的安全、效率和服務水平。