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北斗、5G助力 高鐵列車的“超級大腦”究竟有多聰明?

北斗、5G助力 高鐵列車的“超級大腦”究竟有多聰明?

2020年08月26日 04:45 來源:北京日報參與互動參與互動

  高鐵列車將有“超級大腦”

  王麟

  中國國家鐵路集團有限公司日前頒布《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》,明確提出到2035年,率先完成智能化鐵路網,全國鐵路網長度將達到20萬公里左右,其中高鐵占據7萬公里左右;高鐵列車將擁有基于北斗衛星導航系統、5G通信技術的空天地一體化的“超級大腦”。

  那么,高鐵列車的“超級大腦”究竟有多聰明?

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  如今列車運行間隔是怎樣控制的

  無論是普速客貨運鐵路,還是高速鐵路,一般而言都是鋪設兩條并行軌道,火車左右行車互不干擾。那么動輒數百至上千公里的鐵路線,是如何保證列車運行安全的呢?

  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。我國普速火車一般運行速度為120-160公里/小時,高速列車的運行速度是350公里/小時,這么快的速度,勢必對前后兩列高速列車的安全間距要求更加嚴格。

  鐵路部門是通過“閉塞分區”來給列車劃分運行空間的,從而為列車運行提供安全保障。“閉塞分區”就是通過軌道電路把鐵路線路分成若干個長度不等的段落,每一段落兩端用信號機進行控制,并在調度中心的顯示屏上顯示出來。當列車在閉塞分區運行時,車輛后端的信號機變紅,說明這個區間段落有車占用,后面的列車就要提高警惕了,不能冒進,只有運行前方的信號顯示綠色,才能全速行駛。

  如今,無論客貨混運鐵路,還是高速鐵路,絕大多數采用的都是“自動閉塞系統”。值得一提的是,“自動閉塞分區”一旦劃分完畢,是不能隨便改變的,也就是說自動閉塞分區是固定的,這和后面講述的“移動閉塞”完全不同。

  簡單來說,固定的自動閉塞分區通過軌道電路來劃分,其工作原理是這樣的:當閉塞分區沒有列車時,電流從軌道電路的正極通過鋼軌、軌道繼電器到達另一股鋼軌電源負極。此時繼電器中有電流通過,銜鐵吸起,接通綠燈,指示區間空閑;當閉塞分區有列車占用時,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,銜鐵開關落下,接通紅燈,提醒后車該區間已經被占用。

  在普速鐵路上,司機可以通過觀看信號機的信號變化來操控列車。到了高鐵時代,由于列車運行速度很快,司機來不及對線路旁的信號做出反應,必須采用先進的列車運行控制系統才能保證安全。顧名思義,列控系統就是確保行車安全的信號系統,利用地面提供的線路信息、前車距離和進路狀態,列控車載設備自動生成列車允許速度的控制模式曲線,并實時與列車實際運行速度進行比較,一旦發現列車超速就及時進行控制,從而保證高鐵列車的安全。這套系統取消了普速鐵路旁邊的信號機,在軌道中間設置應答器,可以實現列車與地面間的數據交換。

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  “超級大腦”可大大縮短前后兩車的發車間隔

  固定的自動閉塞通過軌道電路劃分區間,“超級大腦”的關鍵元器件——無線移動閉塞則是通過無線通信技術劃分不固定的移動區間,這是二者本質的區別,并且移動閉塞對通信技術和定位技術要求更高。

  在傳統的固定自動閉塞方式下,系統無法知道列車在分區內的具體位置,因此列車制動的起點和終點總在某一分區的邊界。為充分保證安全,必須在兩列車間增加一個防護區段,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。

  無線移動閉塞技術則在對列車的安全間隔控制上更前進了一步,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備數量。無線移動閉塞的車載設備子系統,利用速度傳感器、雷達、光電傳感器對列車進行速度和距離的測量,并結合地面應答器對列車位置進行校正,能夠連續、自動地對列車位置進行檢測,保證系統對列車速度以及行車間隔的安全防護。

  如此一來,無線移動閉塞系統可以通過車載設備和軌旁設備不間斷的雙向通信,調度控制中心可以根據列車實時的速度和位置,動態計算列車的最大制動距離,使得“列車的長度+最大制動距離+安全防護距離”組成一個與列車同步移動的虛擬分區,這就是“移動閉塞分區”。

  由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區就能以很小的間隔同時前進,讓列車能以較高的速度和較小的間隔運行,實現高鐵列車的“小編組、高密度”運輸組織目標,大大縮短前后兩車的發車間隔,從而極大地提高了線路的使用效率。

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  “超級大腦”離不開“北斗”和5G

  無線移動閉塞系統可以說是高鐵列車“超級大腦”的關鍵元器件,其最顯著的特征就是要求對列車動態位置進行精確定位,同時還要借助高速度、大容量的通信技術實時傳遞列車的位置信息,這樣才能讓調度中心人員準確掌握列車的運行情況,從而指揮列車運行,保證行車安全。要完成這一艱巨任務,離不開“北斗”導航和5G技術。

  方興未艾的5G通信技術,既是智能化時代必不可少的基礎設施,也是智能化時代的標志性技術,高帶寬、高速度、大容量、低功耗、低時延、萬物互聯、信息可感知可調控是其鮮明的優點和特征,可以滿足未來虛擬現實、智能制造、自動駕駛等應用需求。

  而“北斗”衛星導航系統是我國自主研發的全球性、高精度時空基準。其最大的優勢在于對系統的全球性定位,能夠實現全球時間的精確同步。“北斗”與5G相結合,形成“空天地”一體化網絡系統,才能產生無與倫比的五大智能:感知、學習、認知、決策和調控。

  基于“北斗”衛星定位的列控系統,可以連續且精準獲取列車位置信息,改變傳統的基于固定自動閉塞技術的列控追蹤間隔方式,而通過采用移動閉塞的追蹤間隔方式,使得追蹤列車間隔大大縮小,從而提高運輸效率。通過“北斗”衛星,還可以實現對同一列車的車頭、車尾定位,從而開展列車的完整性檢查,以防止列車解體后,給后面的列車帶來安全風險。

  “北斗”和5G技術優勢互補。“北斗”可以在全球把感知時間和位置的能力賦給5G技術,激發出移動通信網、互聯網的強大動能,可以對諸如高鐵列車等移動信息瞬時定位,確定其去向和瞬間運行的速度,滿足高鐵列車對移動閉塞的技術需求。

  按照《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》提出的目標,我國的高速列車到2035年將擁有利用北斗衛星導航系統、5G通信技術等構成空天地一體化的“超級大腦”——新一代更高效、更智能、更環保的列控系統,列車追蹤間隔由目前的最短3分鐘縮短到2分鐘左右,提高線路運輸能力30%以上,人均百公里能耗可降低30%左右。

  延伸閱讀

  各國高鐵列控技術的發展

  多年來,歐洲開發了適合本土的歐洲列車運行控制系統(ETCS),其中ETCS-2級列控系統在地面采用無線閉塞中心生成的行車許可,通過固定應答器提供列車定位基準,利用GSM-R無線網絡實現“車-地”雙向信息傳輸,在歐洲實現了普及應用。

  從2013年起,歐洲開始了新一代列控系統(NGTCS)的研發,其中的創新項目“現代交通管理與控制系統”提出了“移動閉塞、最高等級的無人駕駛、列車安全定位(衛星技術)、車載設備集成、智能信號系統、列車虛擬連掛”等技術發展方向。

  美國的列車主動控制系統(PTC)功能也很強大,具有列車超速防護、防止列車相撞、保護軌旁工作人員安全等功能。列車根據GPS定位系統,獲取自身所在位置,通過無線通信網絡將列車位置發送至PTC服務器,PTC服務器可根據所得信息計算列車停車位置,并將位置信息發送至車載設備。PTC系統設有調度中心,可人為干預列車運行,防止列車相撞。

  而東日本旅客鐵路公司運用移動閉塞技術研發了ATACS系統。這套系統主要由無線電裝置、據點裝置、指令裝置及車載裝置組成。傳統的列控系統主要由地面設備完成,而在ATACS系統中,列車的控制由地面與車載共同完成。

  由上可知,歐美日等高鐵發達的國家和地區,也一直致力于“移動閉塞”技術的研究。

  為了適應高速鐵路建設發展需要,我國高速鐵路列控技術借鑒歐洲ETCS成功經驗,從無到有,取得了巨大飛躍。我國自主開發的中國列車運行控制系統(CTCS)一共分為5個等級,從CTCS-0到CTCS-4,都有不同的適用范圍。我國時速300公里以上的高鐵主要是采用CTCS-3系統,這是基于無線通信、軌道電路和固定的自動閉塞開發的一套先進的列車控制系統。

  而CTCS-4系統是我國面向2035年,基于移動閉塞、北斗導航和5G通信技術的新一代列車控制系統,被譽為列車的“超級大腦”,這是我國高鐵列控技術里程碑式的重大進步。

【編輯:陳海峰】
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