列车的“超级大脑”:基于北斗导航和5G通信技术的新一代列车控制系统
中国国家铁路集团有限公司日前颁布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，明确提出到2035年，率先完成智能化铁路网，全国铁路网长度将达到20万公里左右，其中高铁占据7万公里左右；高铁列车将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”。
1 如今列车运行间隔是怎样控制的
无论是普速客货运铁路，还是高速铁路，一般而言都是铺设两条并行轨道，火车左右行车互不干扰。那么动辄数百至上千公里的铁路线，是如何保证列车运行安全的呢？
我们知道，汽车行驶在高速公路上，前后两车间距不小于50米，才能保证必要的安全。我国普速火车一般运行速度为120-160公里/小时，高速列车的运行速度是350公里/小时，这么快的速度，势必对前后两列高速列车的安全间距要求更加严格。
铁路部门是通过“闭塞分区”来给列车划分运行空间的，从而为列车运行提供安全保障。“闭塞分区”就是通过轨道电路把铁路线路分成若干个长度不等的段落，每一段落两端用信号机进行控制，并在调度中心的显示屏上显示出来。当列车在闭塞分区运行时，车辆后端的信号机变红，说明这个区间段落有车占用，后面的列车就要提高警惕了，不能冒进，只有运行前方的信号显示绿色，才能全速行驶。
如今，无论客货混运铁路，还是高速铁路，绝大多数采用的都是“自动闭塞系统”。值得一提的是，“自动闭塞分区”一旦划分完毕，是不能随便改变的，也就是说自动闭塞分区是固定的，这和后面讲述的“移动闭塞”完全不同。
简单来说，固定的自动闭塞分区通过轨道电路来划分，其工作原理是这样的：当闭塞分区没有列车时，电流从轨道电路的正极通过钢轨、轨道继电器到达另一股钢轨电源负极。此时继电器中有电流通过，衔铁吸起，接通绿灯，指示区间空闲；当闭塞分区有列车占用时，车轮与轨道形成通路，电流被车轮短路之后不再给轨道继电器通电，衔铁开关落下，接通红灯，提醒后车该区间已经被占用。
在普速铁路上，司机可以通过观看信号机的信号变化来操控列车。到了高铁时代，由于列车运行速度很快，司机来不及对线路旁的信号做出反应，必须采用先进的列车运行控制系统才能保证安全。顾名思义，列控系统就是确保行车安全的信号系统，利用地面提供的线路信息、前车距离和进路状态，列控车载设备自动生成列车允许速度的控制模式曲线，并实时与列车实际运行速度进行比较，一旦发现列车超速就及时进行控制，从而保证高铁列车的安全。这套系统取消了普速铁路旁边的信号机，在轨道中间设置应答器，可以实现列车与地面间的数据交换。
2“超级大脑”可大大缩短前后两车的发车间隔
固定的自动闭塞通过轨道电路划分区间，“超级大脑”的关键元器件——无线移动闭塞则是通过无线通信技术划分不固定的移动区间，这是二者本质的区别，并且移动闭塞对通信技术和定位技术要求更高。
在传统的固定自动闭塞方式下，系统无法知道列车在分区内的具体位置，因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全，必须在两列车间增加一个防护区段，这使得列车间的安全间隔较大，大大降低了线路的使用效率。
无线移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更前进了一步，其信息传递、列车定位、列车完整性检查等功能，不再依赖地面轨道电路，从而大幅度减少轨道旁边安装的设备数量。无线移动闭塞的车载设备子系统，利用速度传感器、雷达、光电传感器对列车进行速度和距离的测量，并结合地面应答器对列车位置进行校正，能够连续、自动地对列车位置进行检测，保证系统对列车速度以及行车间隔的安全防护。
如此一来，无线移动闭塞系统可以通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信，调度控制中心可以根据列车实时的速度和位置，动态计算列车的最大制动距离，使得“列车的长度+最大制动距离+安全防护距离”组成一个与列车同步移动的虚拟分区，这就是“移动闭塞分区”。
由于保证了列车前后的安全距离，两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进，让列车能以较高的速度和较小的间隔运行，实现高铁列车的“小编组、高密度”运输组织目标，大大缩短前后两车的发车间隔，从而极大地提高了线路的使用效率。
3
“超级大脑”离不开“北斗”和5G
无线移动闭塞系统可以说是高铁列车“超级大脑”的关键元器件，其最显著的特征就是要求对列车动态位置进行精确定位，同时还要借助高速度、大容量的通信技术实时传递列车的位置信息，这样才能让调度中心人员准确掌握列车的运行情况，从而指挥列车运行，保证行车安全。要完成这一艰巨任务，离不开“北斗”导航和5G技术。
方兴未艾的5G通信技术，既是智能化时代必不可少的基础设施，也是智能化时代的标志性技术，高带宽、高速度、大容量、低功耗、低时延、万物互联、信息可感知可调控是其鲜明的优点和特征，可以满足未来虚拟现实、智能制造、自动驾驶等应用需求。
而“北斗”卫星导航系统是我国自主研发的全球性、高精度时空基准。其最大的优势在于对系统的全球性定位，能够实现全球时间的精确同步。“北斗”与5G相结合，形成“空天地”一体化网络系统，才能产生无与伦比的五大智能：感知、学习、认知、决策和调控。
基于“北斗”卫星定位的列控系统，可以连续且精准获取列车位置信息，改变传统的基于固定自动闭塞技术的列控追踪间隔方式，而通过采用移动闭塞的追踪间隔方式，使得追踪列车间隔大大缩小，从而提高运输效率。通过“北斗”卫星，还可以实现对同一列车的车头、车尾定位，从而开展列车的完整性检查，以防止列车解体后，给后面的列车带来安全风险。
“北斗”和5G技术优势互补。“北斗”可以在全球把感知时间和位置的能力赋给5G技术，激发出移动通信网、互联网的强大动能，可以对诸如高铁列车等移动信息瞬时定位，确定其去向和瞬间运行的速度，满足高铁列车对移动闭塞的技术需求。
按照《新时代交通强国铁路先行规划纲要》提出的目标，我国的高速列车到2035年将拥有利用北斗卫星导航系统、5G通信技术等构成空天地一体化的“超级大脑”——新一代更高效、更智能、更环保的列控系统，列车追踪间隔由目前的最短3分钟缩短到2分钟左右，提高线路运输能力30%以上，人均百公里能耗可降低30%左右。
各国高铁列控技术的发展
多年来，欧洲开发了适合本土的欧洲列车运行控制系统（ETCS），其中ETCS-2级列控系统在地面采用无线闭塞中心生成的行车许可，通过固定应答器提供列车定位基准，利用GSM-R无线网络实现“车-地”双向信息传输，在欧洲实现了普及应用。
从2013年起，欧洲开始了新一代列控系统（NGTCS）的研发，其中的创新项目“现代交通管理与控制系统”提出了“移动闭塞、最高等级的无人驾驶、列车安全定位（卫星技术）、车载设备集成、智能信号系统、列车虚拟连挂”等技术发展方向。
美国的列车主动控制系统（PTC）功能也很强大，具有列车超速防护、防止列车相撞、保护轨旁工作人员安全等功能。列车根据GPS定位系统，获取自身所在位置，通过无线通信网络将列车位置发送至PTC服务器，PTC服务器可根据所得信息计算列车停车位置，并将位置信息发送至车载设备。PTC系统设有调度中心，可人为干预列车运行，防止列车相撞。
而东日本旅客铁路公司运用移动闭塞技术研发了ATACS系统。这套系统主要由无线电装置、据点装置、指令装置及车载装置组成。传统的列控系统主要由地面设备完成，而在ATACS系统中，列车的控制由地面与车载共同完成。
由上可知，欧美日等高铁发达的国家和地区，也一直致力于“移动闭塞”技术的研究。
为了适应高速铁路建设发展需要，我国高速铁路列控技术借鉴欧洲ETCS成功经验，从无到有，取得了巨大飞跃。我国自主开发的中国列车运行控制系统（CTCS）一共分为5个等级，从CTCS-0到CTCS-4，都有不同的适用范围。我国时速300公里以上的高铁主要是采用CTCS-3系统，这是基于无线通信、轨道电路和固定的自动闭塞开发的一套先进的列车控制系统。
而CTCS-4系统是我国面向2035年，基于移动闭塞、北斗导航和5G通信技术的新一代列车控制系统，被誉为列车的“超级大脑”，这是我国高铁列控技术里程碑式的重大进步。
责任编辑：tzh
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