自主創新讓軌道交通更安全高效

　　走進軌道交通控制與安全國家重點實驗室

　　本報記者 王珍

　　軌道交通控制與安全國家重點實驗室結合國家軌道交通的長遠發展與現實需求，圍繞軌道交通運行控制、安全保障、運輸組織、信息通信等，開展軌道交通控制與安全科學技術方面的創新性應用基礎理論研究和基礎性工作，形成適合我國國情的具有自主知識產權的軌道交通控制與安全核心技術及裝備體系，用科技創新助力我國軌道交通發展。

　　在這里，你可以成為“高鐵司機”，感受“復興號”的“速度與激情”；也可以變為“乘客”，體驗現代地鐵的“高智商”；還可以化身“調度員”，實現與列車的“隔空對話”……

　　這里是軌道交通控制與安全國家重點實驗室，我國軌道交通自主創新的前沿陣地。

　　當今中國，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，讓人們享受著越來越高效便捷的出行服務。這其中離不開廣大建設者的無私奉獻，更離不開眾多科研人員的默默付出與科研攻關。

　　如何讓軌道交通運營更安全高效？記者帶您走進位于北京交通大學的軌道交通控制與安全國家重點實驗室一探究竟。

　　不斷探索，自主創新

　　打造軌道交通“最強大腦”

　　9月1日早上7時許，我國具有完全自主知識產權的首條全自動運行系統地鐵線路——北京地鐵燕房線，各個站點的站臺上已是人頭攢動，一輛輛列車按照發車間隔進站、出站，無人駕駛、自主運行，精準而有序。

　　對于這一景象，不少人或許已經習以為常，卻很少有人了解其背后隱藏著意義非凡的科技創新——全自動運行系統(FAO)。這是實現高速度、高密度城市軌道交通安全、高效運營的重要技術保障，其典型特征是由車載設備和控制中心調度人員共同完成傳統人工駕駛中司機的職責。

　　“運營組織更加靈活，同時消除了人工駕駛的不確定性和不一致性，運行更加高效、更加安全。”軌道交通控制與安全國家重點實驗室主任唐濤教授告訴記者，這是實驗室近年來的標志性成果之一。

　　談及交通，安全始終是一個繞不開的話題，也是永遠的底線。“一切的效率和服務都必須建立在安全的基礎之上，它不僅反映軌道交通的運營管理水平和運輸服務質量，更是實現軌道交通順暢、高效運營的重要前提。”唐濤教授介紹，實驗室誕生于我國高速鐵路和城市軌道交通快速發展時期，科研人員設計研發了一系列支撐軌道交通的關鍵技術，為我國軌道交通的創新發展提供動力，為軌道交通的安全運營提供堅實保障。

　　軌道交通安全運營是一個大系統，涵蓋車輛、軌旁設施、運行環境等方方面面，涉及運行控制、信息傳輸、安全檢測等諸多環節。“軌道交通安全運行，首先要保證控制系統本身的安全性。”唐濤教授告訴記者，列控系統被視為軌道交通的“大腦”。

　　FAO堪稱城市軌道交通的“最強大腦”，源于我國第一個自主研發、擁有完全自主知識產權并達到國際先進水平的基于通信的列車運行控制系統(CBTC)。而CBTC系統，同樣誕生于該實驗室。

　　2010年底開通運營的北京地鐵亦莊線，對于唐濤教授和他的團隊而言，具有特別的意義。這是我國第一條用上國產“大腦”的地鐵線路，可實現自動駕駛、無人折返和安全運營，以最小的發車間隔達到安全范圍內最大的運輸能力。其開通運營標志著我國成為世界第四個成功掌握CBTC核心技術、應用于實際工程并順利開通運營的國家。

　　如今，我國研發的CBTC系統已經在國內外數十個城市得到推廣應用。疫情期間，北京地鐵多條線路之所以能夠縮短行車間隔、加大運行頻次、降低乘客乘車密度，就是基于CBTC系統帶來的變化。

　　“FAO可以說是CBTC的升級版，更加‘聰明’，可實現無人駕駛狀態下的自主運行。”唐濤教授介紹。

　　在北京交通大學，記者看到了實驗室里的“北京地鐵亦莊線”。據介紹，這是一個仿真操作平臺，FAO、CBTC的誕生都離不開這一平臺。未來，隨著軌道交通運行需求的不斷變化，這里還會誕生更加“聰明”的“大腦”。

　　不僅如此，在軌道交通控制與安全國家重點實驗室，記者還見到了高速列車仿真駕駛平臺以及我國高速列車使用的列控系統。“不同企業生產的列控系統進行迭代升級，都在這里完成相應的功能測試驗證。”唐濤教授介紹，實驗室面向軌道交通高質量發展的國家重大需求，主持或參與完成了高鐵、地鐵等軌道交通列車運行控制系統標準及規范的編制工作，填補了本領域的空白。

　　在途監測，智能巡檢

　　“健康管家”全域全息感知行車風險

　　王志鵬，軌道交通控制與安全國家重點實驗室副教授。

　　最近，他正和團隊成員一起加班加點，為無人機全自動智能巡檢系統做部署投用前的飛行數據鏈路和邊緣計算模塊測試。

　　據介紹，這一系統投用后，將可實現對相應高鐵線路基礎設施的全域全息的無人化巡檢。“也就是說，在設定了巡檢范圍和內容后，無人機可自主進行航線規劃、起降飛行、跟蹤捕捉巡檢目標、研判分析巡檢數據等，全過程無需人工介入。”王志鵬告訴記者。

　　記者了解到，無人機全自動智能巡檢系統是軌道交通控制與安全國家重點實驗室研發的高速列車一體化主動安全保障系統的重要組成部分。這是高速列車主動安全與運維保障的重大技術創新。

　　據介紹，近年來，隨著高鐵運行速度不斷提高、高鐵網絡快速發展、列車保有量不斷增加、運行環境與工況更加復雜，對其安全保障工作也提出新的挑戰。

　　過去，對列車“健康狀態”的監測主要是通過對車載設備、外部設備等進行定期檢查和維修，對鋼軌、接觸線網等基礎設施的“體檢”則主要是依靠人工和綜合軌檢車巡檢，費時費力，而且存在檢測不及時、微弱故障難以發現等問題。

　　那么，有沒有這樣一套系統，能夠實現對高速列車運行安全的在途監測及安全預警？

　　實驗室科研團隊不斷探索攻關，融合大數據、物聯網、人工智能等前沿科技，最終成功研發出高速列車在途安全監控預警系統設備，實現了對高速列車運行過程的全域全息感知與在途檢測維修。“就是在列車全身布設不同的傳感設備，像人一樣可以聽到、看到、感知到自身的健康狀態以及周圍的運行環境，經數據分析，及時作出診斷評估，并將結果反饋到控制系統。”王志鵬介紹，這一技術已在我國高鐵列車上得到應用。

　　不僅如此，科研團隊還研發出一種基于5G+AI的無人機高速鐵路基礎設施巡檢系統，并在中國高鐵標準示范線——京滬高鐵線路巡檢中得到應用。

　　“軌道上任何微小的變化和環境中任何可能對行車安全造成影響的因素變化，都能夠及時得到捕捉和預警，大大提高運營安全水平。”據實驗室相關負責同志介紹，科研團隊在列車運行安全保障、運維效率提升和科技進步等方面發揮了引領作用，使得高速列車可用性提高10%、定期檢修效率提高20%、運維成本降低25%，奠定了我國軌道交通向主動安全與運維保障轉型的技術基礎。

　　在此基礎上，實驗室科研團隊繼續攻關，將高速列車車載在途健康管理、運行環境智能感知、無人機全自動智能巡檢等功能進行一體化融合，形成前文提到的高速列車一體化主動安全保障系統，可針對高速列車運行過程風險實現空車地一體化的監測、檢測、診斷、預警，為保持我國在該領域技術創新的國際領先位置和高速鐵路系統可持續發展提供了堅實保障。未來，列車健康狀態如何、基礎設施及運行環境是否存在安全隱患等，全部可以通過這位“健康管家”知悉。

　　移動通信系統從2G到5G

　　讓“隔空對話”更通暢

　　在實驗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度指令如何準確無誤地傳遞給高速移動的列車，列車的速度、位置等信息又是如何高效實時地反饋到地面控制中心。

　　“相隔千里，車地之間仍可實現安全高效精準的‘對話’，離不開通暢的通信網絡。”軌道交通控制與安全國家重點實驗室副主任熊磊指著桌面上的機車綜合無線通信設備告訴記者，這個設備就是高鐵列車司機能夠與調度中心“隔空對話”的關鍵設備。

　　對于軌道交通而言，如同人們用手機打電話、發信息、上網需要移動通信網絡一樣，車地之間也需要專門的移動通信系統。當前，我國高鐵上普遍使用的GSM-R系統，就離不開軌道交通控制與安全國家重點實驗室科研人員的技術攻關。

　　據介紹，列車高速行駛，而且會經過隧道、山區、高架橋等諸多復雜場景，這導致無線電波在傳輸過程中可能遇到各種問題，信號傳輸質量發生惡化。熊磊給記者打了個比方，這就好比兩個人在打電話，但周圍環境混亂嘈雜，就會導致信息接收不準確等問題，“這就要求形成一個車地之間信息傳輸的專門通道，不會被其他信息干擾。”

　　GSM-R系統就是為了實現高速移動、復雜場景下的信息安全高效精準傳輸。

　　當前，軌道交通運行更高速、更智能，產生了海量信息，對信息高可靠低延遲傳輸提出了更大挑戰。隨著國家新基建的加快推進，5G技術也正被融入高鐵移動通信系統的研發，業內人士稱為5G-R。

　　與我們平時乘坐列車時使用的5G網絡不同，5G-R是一個專供高鐵信息傳輸的專網通道。“如果說我們平時使用的移動通信網絡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。”孫斌說。實驗室科研團隊目前已攻克了鐵路5G無線信道仿真與互聯互通關鍵技術。

　　記者了解到，未來5G-R系統投用后，“隔空對話”將更加通暢，車地之間將可實現任何位置、任何時間的實時視頻通話。

　　“這些只是我們眾多自主創新成果的一部分。”唐濤教授表示，當前，軌道交通網絡遍布全國各地，他們仍將持續為軌道交通安全運營貢獻新的技術力量。