軌道交通列車智能控制技術(shù)發(fā)展分析

周留運(yùn)

(天津軌道交通運(yùn)營集團(tuán)有限公司 天津300384)

近年來，隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，軌道交通裝備技術(shù)水平也越來越高?；谕ㄐ诺牧熊囎詣?dòng)控制系統(tǒng)(CBTC)已成為信號(hào)系統(tǒng)主流技術(shù)，正在向全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)展。當(dāng)前計(jì)算機(jī)、通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)帶動(dòng)軌道交通行業(yè)技術(shù)裝備向更高的水平邁進(jìn)，列車智能控制技術(shù)將成為下一步的發(fā)展方向。

1 信號(hào)系統(tǒng)概述

1.1 信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成

以基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)為例，信號(hào)系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由軌旁設(shè)備、車載設(shè)備、車站設(shè)備、中心設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。以上設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)了列車自動(dòng)防護(hù)(ATP)、自動(dòng)駕駛(ATO)、自動(dòng)監(jiān)控(ATS)功能。

1.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)

聯(lián)鎖系統(tǒng)是保證列車運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)軌道占用、道岔、信號(hào)機(jī)之間正確聯(lián)鎖關(guān)系，也是軌道交通列車控制系統(tǒng)最基礎(chǔ)的控制子系統(tǒng)。

1.3 列車位置檢測(cè)和信息傳輸

用于列車位置檢測(cè)和信息傳輸?shù)募夹g(shù)，主要有無絕緣軌道電路、計(jì)軸設(shè)備、點(diǎn)式信標(biāo)、交叉感應(yīng)電纜環(huán)線、漏纜、波導(dǎo)管、無線局域網(wǎng)等。列車精確位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則是通過車載雷達(dá)、測(cè)速電機(jī)、地面信標(biāo)等實(shí)現(xiàn)的。

1.4 列車移動(dòng)追蹤

移動(dòng)閉塞模式下，車載系統(tǒng)將列車的位置與運(yùn)行方向發(fā)送給地面設(shè)備，區(qū)域控制系統(tǒng)結(jié)合聯(lián)鎖設(shè)備提供的軌旁設(shè)備狀態(tài)、區(qū)段狀態(tài)、道岔狀態(tài)等信息為每列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)列車追蹤間隔控制，保證前行列車和追蹤列車間的安全間隔。

2 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(FAO)是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、控制和系統(tǒng)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通控制系統(tǒng)，以信號(hào)系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)為核心，融合了綜合監(jiān)控、通信、站臺(tái)門等系統(tǒng)，具備列車自動(dòng)喚醒、啟動(dòng)、休眠、自動(dòng)出入庫、自動(dòng)行使、自動(dòng)啟停、自動(dòng)開關(guān)車門、車輛自診斷等功能。

2.1 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)構(gòu)成

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中，信號(hào)車載系統(tǒng)與車輛系統(tǒng)通過電氣接口、通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制。同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、乘客導(dǎo)向系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等通過數(shù)據(jù)接口進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換。

2.2 自動(dòng)化運(yùn)行等級(jí)

國際公共交通協(xié)會(huì)將列車自動(dòng)化運(yùn)行分為G0A0、G0A1、G0A2、G0A3、G0A4 共5 個(gè)等級(jí)。

G0A0 為無ATP 防護(hù)下的人工駕駛；G0A1 為ATP 防護(hù)下的人工駕駛；G0A2 為半自動(dòng)化列車運(yùn)行STO；G0A3 為有人值守下列車自動(dòng)運(yùn)行DTO；G0A4為無人值守下的列車自動(dòng)運(yùn)行UTO。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)指具備自動(dòng)化等級(jí)G03 和G04 以上功能的系統(tǒng)。

2.3 全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)主要特點(diǎn)

一是系統(tǒng)兼容性：全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)以信號(hào)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成各設(shè)備系統(tǒng)功能，因此完全支持CBTC 運(yùn)行功能。二是高可靠性：在信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備冗余的基礎(chǔ)上，采用了多重冗余技術(shù)，大大降低系統(tǒng)故障率。三是降低司乘人員勞動(dòng)強(qiáng)度：由司機(jī)完成的操作完全由系統(tǒng)代替。四是安全性：全自動(dòng)運(yùn)行可以避免人為失誤，且系統(tǒng)具有障礙物檢測(cè)、脫軌檢測(cè)等更多的安全防護(hù)手段，并可與各系統(tǒng)緊急裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

3 列車智能控制系統(tǒng)

列車控制系統(tǒng)是伴隨著科技進(jìn)步而不斷發(fā)展的。每次技術(shù)的升級(jí)，都將帶來運(yùn)行效率和安全性的提高以及人員勞動(dòng)強(qiáng)度的降低。當(dāng)前無線通信技術(shù)、人工智能的飛速發(fā)展，使得列車控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制成為可能。

3.1 智能控制技術(shù)基礎(chǔ)

近幾年無線通信技術(shù)發(fā)展迅速，第五代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)已經(jīng)投入商用。無線通信實(shí)現(xiàn)了高帶寬、高容量傳輸，通過幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，無線通信時(shí)延可以達(dá)到低于1 ms 的水平。這為車地?zé)o線通信大量數(shù)據(jù)無延時(shí)交換和列車精確定位提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步，編程技術(shù)、數(shù)據(jù)算法、信息處理等技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了人工智能的研究和應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)等促進(jìn)了人工智能在更多領(lǐng)域得到發(fā)展和應(yīng)用，也為軌道交通行業(yè)列車智能控制創(chuàng)造了技術(shù)條件。

3.2 智能車站

借助于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)視覺、生物識(shí)別、智能傳感器、激光、紅外探測(cè)等技術(shù)，國內(nèi)已經(jīng)開始“智慧車站”建設(shè)試點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)票務(wù)、導(dǎo)乘等無人客運(yùn)服務(wù)和車站設(shè)備設(shè)施智能化管理等。智能車站將為列車智能控制系統(tǒng)提供車站客流動(dòng)態(tài)、設(shè)備狀態(tài)等運(yùn)營數(shù)據(jù)。

3.3 列車智能控制優(yōu)勢(shì)

列車智能控制系統(tǒng)將是在全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)基礎(chǔ)上的一個(gè)技術(shù)升級(jí)。當(dāng)前全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)已具有較高的自主性，但是系統(tǒng)仍然是按照既定程序做出相應(yīng)控制動(dòng)作，而智能控制系統(tǒng)將會(huì)賦予列車控制系統(tǒng)“思考”和“判斷”的能力。系統(tǒng)通過深度學(xué)習(xí)、歷史數(shù)據(jù)積累、自我感知等完成數(shù)據(jù)分析處理，從而具備智能判斷能力，組織列車自主運(yùn)行。

列車智能控制的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行圖動(dòng)態(tài)調(diào)整，即實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)列車按照既定運(yùn)行圖、固定時(shí)刻表運(yùn)行，列車區(qū)間運(yùn)行、停站時(shí)間都是預(yù)先設(shè)定的。智能調(diào)度系統(tǒng)組織列車運(yùn)行將會(huì)更靈活，每日運(yùn)營前系統(tǒng)將根據(jù)歷史運(yùn)營數(shù)據(jù)生成基礎(chǔ)運(yùn)行圖，運(yùn)營過程中將根據(jù)車站、車廂上客流狀況，實(shí)時(shí)調(diào)整所有列車運(yùn)行時(shí)分和停站時(shí)間，自動(dòng)增減上線列車數(shù)量，從而最大程度提高列車運(yùn)行效率。

3.4 列車智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)

智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)分析處理，所有列車與中心系統(tǒng)將共享數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)大致分為兩類：一類是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括線路地圖、線路條件、限速、道岔、信標(biāo)、曲線、坡度等各類與運(yùn)行相關(guān)的線路數(shù)據(jù)；另一類是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括通過系統(tǒng)接口采集的其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、位置信息數(shù)據(jù)、智能車站數(shù)據(jù)、列車傳感數(shù)據(jù)，臨時(shí)指令數(shù)據(jù)、故障信息等。

3.5 列車智能控制系統(tǒng)構(gòu)成

列車智能控制系統(tǒng)將在現(xiàn)有全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，結(jié)合人工智能進(jìn)行技術(shù)集成和功能整合，向下兼容全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，在列車上將采用更多的傳感、識(shí)別、探測(cè)技術(shù)為控制系統(tǒng)決策提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)分為車載設(shè)備、地面和車站設(shè)備、中心設(shè)備。車載設(shè)備通過接口集成車輛各子系統(tǒng)及傳感數(shù)據(jù)。智能車站系統(tǒng)集成綜合監(jiān)控、機(jī)電設(shè)備、站臺(tái)門等各專業(yè)系統(tǒng)。

車載系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、智能車站系統(tǒng)通過車地通信網(wǎng)和通信骨干網(wǎng)絡(luò)接入中心系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

列車控制系統(tǒng)正由基于通信的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)轉(zhuǎn)向全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無人駕駛。城市發(fā)展客流增加帶來的實(shí)際運(yùn)營需求和科技進(jìn)步?jīng)Q定了智能控制系統(tǒng)將是軌道交通列車控制技術(shù)的發(fā)展方向，其對(duì)提高軌道交通運(yùn)行效率，充分發(fā)揮行業(yè)公共交通載體功能具有重要意義。