自主創(chuàng)新讓軌道交通更安全高效

走進(jìn)軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室結(jié)合國(guó)家軌道交通的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展與現(xiàn)實(shí)需求，圍繞軌道交通運(yùn)行控制、安全保障、運(yùn)輸組織、信息通信等，開展軌道交通控制與安全科學(xué)技術(shù)方面的創(chuàng)新性應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究和基礎(chǔ)性工作，形成適合我國(guó)國(guó)情的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通控制與安全核心技術(shù)及裝備體系，用科技創(chuàng)新助力我國(guó)軌道交通發(fā)展。

在這里，你可以成為“高鐵司機(jī)”，感受“復(fù)興號(hào)”的“速度與激情”；也可以變?yōu)椤俺丝汀?，體驗(yàn)現(xiàn)代地鐵的“高智商”；還可以化身“調(diào)度員”，實(shí)現(xiàn)與列車的“隔空對(duì)話”……

這里是軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我國(guó)軌道交通自主創(chuàng)新的前沿陣地。

當(dāng)今中國(guó)，高鐵、地鐵和城際鐵路等，共同編織了一張巨大的軌道交通網(wǎng)，讓人們享受著越來(lái)越高效便捷的出行服務(wù)。這其中離不開廣大建設(shè)者的無(wú)私奉獻(xiàn)，更離不開眾多科研人員的默默付出與科研攻關(guān)。

如何讓軌道交通運(yùn)營(yíng)更安全高效？記者帶您走進(jìn)位于北京交通大學(xué)的軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室一探究竟。

不斷探索，自主創(chuàng)新

打造軌道交通“最強(qiáng)大腦”

9月1日早上7時(shí)許，我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的首條全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)地鐵線路——北京地鐵燕房線，各個(gè)站點(diǎn)的站臺(tái)上已是人頭攢動(dòng)，一輛輛列車按照發(fā)車間隔進(jìn)站、出站，無(wú)人駕駛、自主運(yùn)行，精準(zhǔn)而有序。

對(duì)于這一景象，不少人或許已經(jīng)習(xí)以為常，卻很少有人了解其背后隱藏著意義非凡的科技創(chuàng)新——全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)(FAO)。這是實(shí)現(xiàn)高速度、高密度城市軌道交通安全、高效運(yùn)營(yíng)的重要技術(shù)保障，其典型特征是由車載設(shè)備和控制中心調(diào)度人員共同完成傳統(tǒng)人工駕駛中司機(jī)的職責(zé)。

“運(yùn)營(yíng)組織更加靈活，同時(shí)消除了人工駕駛的不確定性和不一致性，運(yùn)行更加高效、更加安全?！避壍澜煌刂婆c安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任唐濤教授告訴記者，這是實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)的標(biāo)志性成果之一。

談及交通，安全始終是一個(gè)繞不開的話題，也是永遠(yuǎn)的底線?！耙磺械男屎头?wù)都必須建立在安全的基礎(chǔ)之上，它不僅反映軌道交通的運(yùn)營(yíng)管理水平和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量，更是實(shí)現(xiàn)軌道交通順暢、高效運(yùn)營(yíng)的重要前提?！碧茲淌诮榻B，實(shí)驗(yàn)室誕生于我國(guó)高速鐵路和城市軌道交通快速發(fā)展時(shí)期，科研人員設(shè)計(jì)研發(fā)了一系列支撐軌道交通的關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)軌道交通的創(chuàng)新發(fā)展提供動(dòng)力，為軌道交通的安全運(yùn)營(yíng)提供堅(jiān)實(shí)保障。

軌道交通安全運(yùn)營(yíng)是一個(gè)大系統(tǒng)，涵蓋車輛、軌旁設(shè)施、運(yùn)行環(huán)境等方方面面，涉及運(yùn)行控制、信息傳輸、安全檢測(cè)等諸多環(huán)節(jié)?！败壍澜煌ò踩\(yùn)行，首先要保證控制系統(tǒng)本身的安全性?！碧茲淌诟嬖V記者，列控系統(tǒng)被視為軌道交通的“大腦”。

FAO堪稱城市軌道交通的“最強(qiáng)大腦”，源于我國(guó)第一個(gè)自主研發(fā)、擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)。而CBTC系統(tǒng)，同樣誕生于該實(shí)驗(yàn)室。

2010年底開通運(yùn)營(yíng)的北京地鐵亦莊線，對(duì)于唐濤教授和他的團(tuán)隊(duì)而言，具有特別的意義。這是我國(guó)第一條用上國(guó)產(chǎn)“大腦”的地鐵線路，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、無(wú)人折返和安全運(yùn)營(yíng)，以最小的發(fā)車間隔達(dá)到安全范圍內(nèi)最大的運(yùn)輸能力。其開通運(yùn)營(yíng)標(biāo)志著我國(guó)成為世界第四個(gè)成功掌握CBTC核心技術(shù)、應(yīng)用于實(shí)際工程并順利開通運(yùn)營(yíng)的國(guó)家。

如今，我國(guó)研發(fā)的CBTC系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外數(shù)十個(gè)城市得到推廣應(yīng)用。疫情期間，北京地鐵多條線路之所以能夠縮短行車間隔、加大運(yùn)行頻次、降低乘客乘車密度，就是基于CBTC系統(tǒng)帶來(lái)的變化。

“FAO可以說(shuō)是CBTC的升級(jí)版，更加‘聰明’，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛狀態(tài)下的自主運(yùn)行?！碧茲淌诮榻B。

在北京交通大學(xué)，記者看到了實(shí)驗(yàn)室里的“北京地鐵亦莊線”。據(jù)介紹，這是一個(gè)仿真操作平臺(tái)，F(xiàn)AO、CBTC的誕生都離不開這一平臺(tái)。未來(lái)，隨著軌道交通運(yùn)行需求的不斷變化，這里還會(huì)誕生更加“聰明”的“大腦”。

不僅如此，在軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，記者還見到了高速列車仿真駕駛平臺(tái)以及我國(guó)高速列車使用的列控系統(tǒng)。“不同企業(yè)生產(chǎn)的列控系統(tǒng)進(jìn)行迭代升級(jí)，都在這里完成相應(yīng)的功能測(cè)試驗(yàn)證?！碧茲淌诮榻B，實(shí)驗(yàn)室面向軌道交通高質(zhì)量發(fā)展的國(guó)家重大需求，主持或參與完成了高鐵、地鐵等軌道交通列車運(yùn)行控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的編制工作，填補(bǔ)了本領(lǐng)域的空白。

在途監(jiān)測(cè)，智能巡檢

“健康管家”全域全息感知行車風(fēng)險(xiǎn)

王志鵬，軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副教授。

最近，他正和團(tuán)隊(duì)成員一起加班加點(diǎn)，為無(wú)人機(jī)全自動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)做部署投用前的飛行數(shù)據(jù)鏈路和邊緣計(jì)算模塊測(cè)試。

據(jù)介紹，這一系統(tǒng)投用后，將可實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)高鐵線路基礎(chǔ)設(shè)施的全域全息的無(wú)人化巡檢?！耙簿褪钦f(shuō)，在設(shè)定了巡檢范圍和內(nèi)容后，無(wú)人機(jī)可自主進(jìn)行航線規(guī)劃、起降飛行、跟蹤捕捉巡檢目標(biāo)、研判分析巡檢數(shù)據(jù)等，全過(guò)程無(wú)需人工介入。”王志鵬告訴記者。

記者了解到，無(wú)人機(jī)全自動(dòng)智能巡檢系統(tǒng)是軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的高速列車一體化主動(dòng)安全保障系統(tǒng)的重要組成部分。這是高速列車主動(dòng)安全與運(yùn)維保障的重大技術(shù)創(chuàng)新。

據(jù)介紹，近年來(lái)，隨著高鐵運(yùn)行速度不斷提高、高鐵網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展、列車保有量不斷增加、運(yùn)行環(huán)境與工況更加復(fù)雜，對(duì)其安全保障工作也提出新的挑戰(zhàn)。

過(guò)去，對(duì)列車“健康狀態(tài)”的監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)對(duì)車載設(shè)備、外部設(shè)備等進(jìn)行定期檢查和維修，對(duì)鋼軌、接觸線網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施的“體檢”則主要是依靠人工和綜合軌檢車巡檢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在檢測(cè)不及時(shí)、微弱故障難以發(fā)現(xiàn)等問(wèn)題。

那么，有沒(méi)有這樣一套系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高速列車運(yùn)行安全的在途監(jiān)測(cè)及安全預(yù)警？

實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)不斷探索攻關(guān)，融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等前沿科技，最終成功研發(fā)出高速列車在途安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速列車運(yùn)行過(guò)程的全域全息感知與在途檢測(cè)維修?！熬褪窃诹熊嚾聿荚O(shè)不同的傳感設(shè)備，像人一樣可以聽到、看到、感知到自身的健康狀態(tài)以及周圍的運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，及時(shí)作出診斷評(píng)估，并將結(jié)果反饋到控制系統(tǒng)?！蓖踔均i介紹，這一技術(shù)已在我國(guó)高鐵列車上得到應(yīng)用。

不僅如此，科研團(tuán)隊(duì)還研發(fā)出一種基于5G+AI的無(wú)人機(jī)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施巡檢系統(tǒng)，并在中國(guó)高鐵標(biāo)準(zhǔn)示范線——京滬高鐵線路巡檢中得到應(yīng)用。

“軌道上任何微小的變化和環(huán)境中任何可能對(duì)行車安全造成影響的因素變化，都能夠及時(shí)得到捕捉和預(yù)警，大大提高運(yùn)營(yíng)安全水平。”據(jù)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)負(fù)責(zé)同志介紹，科研團(tuán)隊(duì)在列車運(yùn)行安全保障、運(yùn)維效率提升和科技進(jìn)步等方面發(fā)揮了引領(lǐng)作用，使得高速列車可用性提高10%、定期檢修效率提高20%、運(yùn)維成本降低25%，奠定了我國(guó)軌道交通向主動(dòng)安全與運(yùn)維保障轉(zhuǎn)型的技術(shù)基礎(chǔ)。

在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)繼續(xù)攻關(guān)，將高速列車車載在途健康管理、運(yùn)行環(huán)境智能感知、無(wú)人機(jī)全自動(dòng)智能巡檢等功能進(jìn)行一體化融合，形成前文提到的高速列車一體化主動(dòng)安全保障系統(tǒng)，可針對(duì)高速列車運(yùn)行過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)實(shí)現(xiàn)空車地一體化的監(jiān)測(cè)、檢測(cè)、診斷、預(yù)警，為保持我國(guó)在該領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新的國(guó)際領(lǐng)先位置和高速鐵路系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)保障。未來(lái)，列車健康狀態(tài)如何、基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)行環(huán)境是否存在安全隱患等，全部可以通過(guò)這位“健康管家”知悉。

移動(dòng)通信系統(tǒng)從2G到5G

讓“隔空對(duì)話”更通暢

在實(shí)驗(yàn)室軌道交通信息通信研究室，孫斌老師向記者展示了地面控制中心的調(diào)度指令如何準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞給高速移動(dòng)的列車，列車的速度、位置等信息又是如何高效實(shí)時(shí)地反饋到地面控制中心。

“相隔千里，車地之間仍可實(shí)現(xiàn)安全高效精準(zhǔn)的‘對(duì)話’，離不開通暢的通信網(wǎng)絡(luò)?！避壍澜煌刂婆c安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任熊磊指著桌面上的機(jī)車綜合無(wú)線通信設(shè)備告訴記者，這個(gè)設(shè)備就是高鐵列車司機(jī)能夠與調(diào)度中心“隔空對(duì)話”的關(guān)鍵設(shè)備。

對(duì)于軌道交通而言，如同人們用手機(jī)打電話、發(fā)信息、上網(wǎng)需要移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一樣，車地之間也需要專門的移動(dòng)通信系統(tǒng)。當(dāng)前，我國(guó)高鐵上普遍使用的GSM-R系統(tǒng)，就離不開軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員的技術(shù)攻關(guān)。

據(jù)介紹，列車高速行駛，而且會(huì)經(jīng)過(guò)隧道、山區(qū)、高架橋等諸多復(fù)雜場(chǎng)景，這導(dǎo)致無(wú)線電波在傳輸過(guò)程中可能遇到各種問(wèn)題，信號(hào)傳輸質(zhì)量發(fā)生惡化。熊磊給記者打了個(gè)比方，這就好比兩個(gè)人在打電話，但周圍環(huán)境混亂嘈雜，就會(huì)導(dǎo)致信息接收不準(zhǔn)確等問(wèn)題，“這就要求形成一個(gè)車地之間信息傳輸?shù)膶ｉT通道，不會(huì)被其他信息干擾?！?/p>

GSM-R系統(tǒng)就是為了實(shí)現(xiàn)高速移動(dòng)、復(fù)雜場(chǎng)景下的信息安全高效精準(zhǔn)傳輸。

當(dāng)前，軌道交通運(yùn)行更高速、更智能，產(chǎn)生了海量信息，對(duì)信息高可靠低延遲傳輸提出了更大挑戰(zhàn)。隨著國(guó)家新基建的加快推進(jìn)，5G技術(shù)也正被融入高鐵移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)，業(yè)內(nèi)人士稱為5G-R。

與我們平時(shí)乘坐列車時(shí)使用的5G網(wǎng)絡(luò)不同，5G-R是一個(gè)專供高鐵信息傳輸?shù)膶＞W(wǎng)通道。“如果說(shuō)我們平時(shí)使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一條開放的高速公路，所有人都可以使用，那么5G-R就是一條專門的車道，專供高鐵海量信息的快速傳輸?！睂O斌說(shuō)。實(shí)驗(yàn)室科研團(tuán)隊(duì)目前已攻克了鐵路5G無(wú)線信道仿真與互聯(lián)互通關(guān)鍵技術(shù)。

記者了解到，未來(lái)5G-R系統(tǒng)投用后，“隔空對(duì)話”將更加通暢，車地之間將可實(shí)現(xiàn)任何位置、任何時(shí)間的實(shí)時(shí)視頻通話。

“這些只是我們眾多自主創(chuàng)新成果的一部分?！碧茲淌诒硎?，當(dāng)前，軌道交通網(wǎng)絡(luò)遍布全國(guó)各地，他們?nèi)詫⒊掷m(xù)為軌道交通安全運(yùn)營(yíng)貢獻(xiàn)新的技術(shù)力量。