列車控制系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向

楊曉娟，賈利民

（北京交通大學(xué)軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京100044）

列車控制系統(tǒng)[1]是保證鐵路運輸安全的重要手段，它是以技術(shù)手段對列車運行方向、運行間隔和運行速度進(jìn)行控制，使列車能夠安全運行。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，列車控制系統(tǒng)正由基于軌道電路的時代進(jìn)入采用通信的方式進(jìn)行信號傳遞的時代。世界各國都在對其原有列車控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，不斷增加新的功能。國外很早就進(jìn)行了鐵路列車控制系統(tǒng)的研究和使用，歐洲有7大鐵路信號公司及其代表性的列車控制系統(tǒng)[1]，其中，最具有代表性的是ETCS[2~3]，ETCS目的是為了解決歐洲境內(nèi)鐵路運輸?shù)幕ヂ?lián)互通問題。我國幅員遼闊，鐵路運輸中客貨列車混跑、不同速度列車共線運行，高密度、大重量運輸和地面信號制式混雜、線路限速多樣，其運輸強度和復(fù)雜度是世界之最。在這種復(fù)雜的條件下，參照ETCS的規(guī)范，根據(jù)我國的路況和借鑒國內(nèi)外的經(jīng)驗，制定了中國的列車控制系統(tǒng)CTCS[4~6]的規(guī)范。

1 列車控制系統(tǒng)架構(gòu)

列車控制系統(tǒng)的主要體系[7]組成如下圖1，其包括車載部分、地面部分。地面部分可由以下組成：應(yīng)答器、軌道電路以及列車控制中心（TCC）/無線閉塞中心（RBC）；車載部分主要由以下組成：車載安全計算機、測速傳感器、監(jiān)控記錄設(shè)備和人機界面MMI。

圖1 列車控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖

鑒于列車運行控制系統(tǒng)技術(shù)在鐵路運輸中的重要性，伴隨著世界經(jīng)濟一體化進(jìn)程的加快，國家間技術(shù)先進(jìn)性的競爭演變成技術(shù)壟斷性的競爭，科技競爭中的焦點是知識產(chǎn)權(quán)的競爭，技術(shù)競爭歸根結(jié)底是專利的競爭。因此，通過對該技術(shù)領(lǐng)域在國內(nèi)外的專利申請情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，能為國內(nèi)的高校和企業(yè)在進(jìn)行該技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新研究中提供重要幫助，以便于全面了解現(xiàn)有的技術(shù)水平，確定正確的研究方向，避免重復(fù)的開發(fā)，進(jìn)而節(jié)省時間與研究經(jīng)費。本文將以該列車運行控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域在國內(nèi)的專利申請情況進(jìn)行統(tǒng)計和分析，為國內(nèi)的高校和企業(yè)提供該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)初步創(chuàng)新策略。

2 列車控制系統(tǒng)技術(shù)分支

通過對列車控制系統(tǒng)現(xiàn)狀和架構(gòu)的總結(jié)分析,針對列車控制系統(tǒng)框架組成，如圖2。

圖2 列車控制系統(tǒng)技術(shù)分支圖

在列車控制系統(tǒng)的車載設(shè)備中，圖2技術(shù)分支圖中給出了車載安全計算機、測速定位、監(jiān)控記錄技術(shù)分支3方面。其中，車載安全計算機是ATP裝置的核心部分，負(fù)責(zé)從ATP各個模塊搜集信息，生成制動模式曲線，必要時通過故障-安全電路向列車輸出制動信息，控制列車安全運行，本文將車載安全計算機的技術(shù)進(jìn)一步劃分為涉及安全冗余、制動速度曲線以及人機界面MMI。監(jiān)控記錄設(shè)備用于規(guī)范機車乘務(wù)員駕駛，記錄與運行管理相關(guān)的重要數(shù)據(jù)，本文將監(jiān)控記錄的技術(shù)進(jìn)一步劃分為涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、監(jiān)控方式。測速定位技術(shù)用于實時檢測列車運行速度和位置，并計算列車走行距離，本文將測速定位技術(shù)進(jìn)一步劃分為單一方式的測速或定位，融合方式的測速或定位；并且給出了多種測速定位的技術(shù)方式。

列車控制系統(tǒng)的地面設(shè)備中，本文主要給出了軌道電路、應(yīng)答器以及軌道電纜、感應(yīng)環(huán)線的技術(shù)分支，其中，對于軌道電路，將其細(xì)分為分界點判斷、結(jié)構(gòu)設(shè)計、報文編碼以及數(shù)字軌道幾方面，而對于應(yīng)答器，則將其進(jìn)一步細(xì)分為天線發(fā)送、解調(diào)控制、報文編碼。將對上述技術(shù)分支進(jìn)行分析和探討。

3 列車控制系統(tǒng)發(fā)展及創(chuàng)新方向

針對上述給出的技術(shù)分支，首先進(jìn)行了在中國申請的專利申請文件的檢索，在檢索的基礎(chǔ)上對這些技術(shù)分支所涉及的專利情況進(jìn)行了篩選、分析和統(tǒng)計。最后得到與列車控制系統(tǒng)上述技術(shù)分支圖密切相關(guān)的專利文獻(xiàn)量共100多篇。在這100多篇專利文獻(xiàn)中，通過分析，其中，涉及地面設(shè)備的專利文獻(xiàn)61篇，車載設(shè)備的專利文獻(xiàn)92篇。具體到技術(shù)分支點上，有關(guān)車載安全計算機的制動曲線技術(shù)分支、測速/定位技術(shù)中的速度傳感器技術(shù)分支、軌道電路技術(shù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)置技術(shù)分支、應(yīng)答器技術(shù)中的報文編碼技術(shù)分支的專利文獻(xiàn)量均超過了10篇，初步說明這些技術(shù)分支所受到的重視程度相對大，其技術(shù)發(fā)展較為迅速和成熟。同時，其他幾個技術(shù)分支點上的專利文獻(xiàn)基本則在10篇以下，反映出這些技術(shù)分支的研究較少而其有可能作為潛在的研究方向。根據(jù)進(jìn)一步的分析，其中有關(guān)車載安全計算機的制動曲線技術(shù)分支、測速/定位技術(shù)中的速度傳感器技術(shù)分支、軌道電路技術(shù)中的結(jié)構(gòu)設(shè)置技術(shù)分支、應(yīng)答器技術(shù)中的報文編碼技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，下文將結(jié)合上述技術(shù)分支圖中其他主要技術(shù)分支的專利文獻(xiàn)情況進(jìn)行相關(guān)創(chuàng)新建議說明。

3.1 加大安全冗余方向的研究創(chuàng)新

在技術(shù)分支圖中，車載設(shè)備劃分為3個技術(shù)分支：車載安全計算機、監(jiān)控記錄部分和測速/定位部分。其中，車載安全計算機是列車控制系統(tǒng)的核心部分，而故障—安全是列車運行的重要核心技術(shù)，因此，對于車載安全計算機必須保證其本身的故障—安全，因而其相關(guān)的安全冗余技術(shù)也是發(fā)展和研究的重點。在技術(shù)分支圖中將車載安全計算機又劃分為3個部分：人機界面MMI，制動速度曲線以及安全冗余，而安全冗余又進(jìn)一步細(xì)分為雙機備份方式、3取2和2乘2取2方式[6]。根據(jù)獲得專利文獻(xiàn)，如圖3給出了技術(shù)分支圖中車載安全計算機涉及的各個分支的專利申請情況。

圖3 車載安全計算機各技術(shù)分支申請專利情況

如圖3，車載安全計算機技術(shù)分支組成中，人機界面MMI所占比例較少，約為1/5，而制動速度曲線以及安全冗余方面基本各占2/5，可見該領(lǐng)域申請人對制動速度曲線以及安全冗余的技術(shù)相當(dāng)重視。安全冗余方面進(jìn)一步細(xì)分的雙機備份方式、3取2和2乘2取2方式中，前者又占據(jù)了安全冗余技術(shù)部分的近3/4，從一定程度上也說明該雙機備份技術(shù)得到廣泛應(yīng)用和技術(shù)成熟，后兩者僅占了安全冗余技術(shù)部分的1/4。因此，通過上述的比較分析，對于安全冗余方面的技術(shù)創(chuàng)新，國內(nèi)企業(yè)和高?？梢钥紤]從3取2和2乘2取2的技術(shù)方向作進(jìn)一步研究和創(chuàng)新。此外，考慮到人機界面MMI技術(shù)分支專利文獻(xiàn)較少，人機界面也是一個車載設(shè)備中的重要部件，建議在這方面結(jié)合相關(guān)計算機技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和研發(fā)。

3.2 提高測速/定位技術(shù)融合的技術(shù)創(chuàng)新

列車的測速/定位是列車控制系統(tǒng)的重要組成部分，好比列車運行控制系統(tǒng)這個大腦的五官，只有功能正常、運行高效的五官才能為大腦做出正確、快速的判斷提供堅實的基礎(chǔ)保證。在技術(shù)分支圖中，將列車測速/定位進(jìn)一步分為單一方式的測速/定位以及融合方式的測速/定位，并且給出了多種具體的測速/定位技術(shù)方式，在圖4中是對這些測速/定位方式的專利申請的統(tǒng)計情況。

圖4 多種測速/定位方式的專利申請情況

通過圖4可以看出，在測速/定位技術(shù)方面，僅從數(shù)量上來看，涉及傳統(tǒng)的速度傳感器的技術(shù)分支的專利申請數(shù)量最多，軌道電路、應(yīng)答器的數(shù)量也不少，衛(wèi)星技術(shù)也占據(jù)較多的申請數(shù)量。此外，根據(jù)獲得的專利文獻(xiàn)，涉及單一方式的測速/定位的文獻(xiàn)占據(jù)了有關(guān)測速/定位的申請文件的絕大多數(shù)，達(dá)到了45篇，利用融合方式的測速/定位則僅僅只有4篇。因此通過上述兩方面分析，國內(nèi)企業(yè)、高?？梢钥紤]：

（1）對上述申請數(shù)量較少的電子地圖、多普勒雷達(dá)、電子羅盤、慣性單元、泄露同軸、光纖光柵這些技術(shù)在列車測速/定位方向的應(yīng)用加大進(jìn)一步的研究。

（2）多種傳感器或是多種技術(shù)融合的測速/定位的研究創(chuàng)新的一個潛在發(fā)展方向，可以考慮在多傳感器及其融合方式上投入研究和開發(fā)，例如將技術(shù)分支圖中的多種單一的測速/定位方式通過分析比較，結(jié)合相應(yīng)地融合算法，進(jìn)而進(jìn)行選擇性的組合，從而進(jìn)一步彌補單一傳感器或是單一技術(shù)方式的缺陷，大大地提高測速/定位系統(tǒng)的性能。

3.3 完善和發(fā)展軌道電路技術(shù)

在地面設(shè)備中，在獲得專利申請文獻(xiàn)中，涉及軌道電路技術(shù)分支的有31篇，而軌道電路技術(shù)分支包括了分界點判斷、數(shù)字化軌道電路技術(shù)、結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計、報文編碼、定位技術(shù)幾個技術(shù)分支。關(guān)于上述軌道電路技術(shù)分支的幾個技術(shù)分支的具體申請文獻(xiàn)情況如圖5：

圖5 軌道電路技術(shù)分支中各部分的雷達(dá)信息圖

根據(jù)雷達(dá)信息圖5可知，軌道電路技術(shù)各分支均有不同程度數(shù)量的專利申請文獻(xiàn)，反映了軌道電路作為傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展情況。其中，有關(guān)分界點判斷的技術(shù)較少，只有4篇申請文獻(xiàn)，關(guān)于定位技術(shù)、報文編碼、數(shù)字化軌道電路以及軌道電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面依次有5、8、7、11篇申請文獻(xiàn)?？紤]到軌道電路技術(shù)在列車控制系統(tǒng)CTCS的規(guī)范中應(yīng)用廣泛，例如在CTCS-2、CTCS-3中將用于檢測列車完整性。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以考慮對軌道電路技術(shù)部分進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，如可考慮進(jìn)一步提高數(shù)字化軌道電路的開發(fā)，并加強對分界點判斷技術(shù)的研究。

3.4 提高應(yīng)答器設(shè)備的性能

在地面設(shè)備技術(shù)分支中，統(tǒng)計得出涉及應(yīng)答器技術(shù)分支的有26篇，該應(yīng)答器技術(shù)分支中又進(jìn)一步劃分為天線發(fā)送、解調(diào)控制、報文編碼以及定位技術(shù)，對于這些技術(shù)分支圖6給出了相應(yīng)的申請文獻(xiàn)數(shù)量的比例組成。可以清楚地看到，有關(guān)應(yīng)答器報文編碼的專利申請較多，占了54%，其他關(guān)于應(yīng)答器天線發(fā)送技術(shù)、解調(diào)控制技術(shù)兩者的專利申請較少，兩者總共只占了23%。因此，從上述比例分析中可以得到，應(yīng)答器報文編碼技術(shù)發(fā)展較為成熟，在今后研發(fā)中可以適當(dāng)跟蹤現(xiàn)有技術(shù)，必要時可減少相應(yīng)的研究投入；對于其他幾個技術(shù)部分，由于都是比較重要的部分，但申請量較少，因而可以考慮適當(dāng)增加應(yīng)答器的天線發(fā)送技術(shù)、解調(diào)控制技術(shù)等部分的研究和開發(fā)；此外，利用應(yīng)答器作為列車的定位，是CTCS-4的重要組成部分，從現(xiàn)有統(tǒng)計來看申請數(shù)量并不多，相關(guān)研究人員應(yīng)該加強對該方面技術(shù)分支的創(chuàng)新和開發(fā)。

圖6 應(yīng)答器技術(shù)分支各部分的申請情況

4 結(jié)束語

隨著中國城市軌道和鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，作為軌道交通的中樞和神經(jīng)的列車運行控制系統(tǒng)，在指揮行車、保證列車安全和提高行車效率上將發(fā)揮日益巨大的作用。研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS體系下列車運行控制系統(tǒng)的各部分技術(shù)，是我們需要不斷科技攻關(guān)的領(lǐng)域。本文通過對列車控制系統(tǒng)的組成框架的分析，對該列車控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)分支的劃分，并對其中多個技術(shù)分支在中國的專利申請情況進(jìn)行了分析和統(tǒng)計，初步給出了列車運行控制系統(tǒng)重要技術(shù)分支的發(fā)展方向和創(chuàng)新建議，為我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的CTCS體系下列車運行控制系統(tǒng)提供了研究參考。

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