李紅俠
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 電化通號(hào)設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)
智能高速鐵路(簡(jiǎn)稱:高鐵)是我國乃至世界高鐵的發(fā)展方向。智能高鐵建設(shè)中,通過廣泛應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能(AI,Artificial Intelligence)、建筑信息模型(BIM,Building Information Modeling)、第5代移動(dòng)通信(5G,Generation Mobile Communication)等新一代信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)全生命周期的一體化管理。信號(hào)系統(tǒng)智能化程度是高鐵智能化水平的重要體現(xiàn)。采用新一代信息技術(shù)提升高鐵信號(hào)系統(tǒng)的智能化、一體化水平,可在提高運(yùn)輸能力和服務(wù)水平的同時(shí),有效降低運(yùn)營成本;通過將智能高鐵信號(hào)系統(tǒng)與相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行一體化融合,可更好地實(shí)現(xiàn)智能高鐵運(yùn)輸綜合管控的目標(biāo)。作為我國智能高鐵的示范工程,京張(北京—張家口)高鐵于2019年12月30日開通運(yùn)行。以京張高鐵為依托,中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱:國鐵集團(tuán))制定了《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》(鐵科信[2020]159號(hào))[1](簡(jiǎn)稱:體系架構(gòu)),從頂層設(shè)計(jì)的角度進(jìn)一步規(guī)范了智能高鐵的建設(shè)與運(yùn)營,明確了智能高鐵的建設(shè)內(nèi)容及其相互關(guān)系,為智能高鐵建設(shè)和規(guī)劃,以及和既有高鐵智能化升級(jí)提供了總體藍(lán)圖和規(guī)格說明。
現(xiàn)階段,高鐵信號(hào)系統(tǒng)已不是單純地由幾種信號(hào)設(shè)備組成,而是通過較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部及與相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)間信息的交換。為在保證安全的前提下降低維護(hù)成本,高鐵信號(hào)系統(tǒng)智能化發(fā)展越來越重視通過一體化技術(shù)來簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)性能、減少維護(hù)工作量。
體系架構(gòu)包括智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營3大板塊和1個(gè)AI平臺(tái)。智能建造板塊包含BIM建模、協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)字化交付及信號(hào)工程智能施工創(chuàng)新等[2]內(nèi)容,信號(hào)系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容作為智能建造板塊的有機(jī)組成部分,未單獨(dú)體現(xiàn)。體系架構(gòu)中與高鐵信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)的內(nèi)容主要包括:(1)智能裝備板塊:通信信號(hào)領(lǐng)域中的信號(hào)方向;(2)智能運(yùn)營板塊:運(yùn)輸組織領(lǐng)域中的智能行車調(diào)度方向、養(yǎng)護(hù)維修領(lǐng)域中的工(務(wù))電(務(wù))供(電)一體化運(yùn)營維護(hù)(簡(jiǎn)稱:運(yùn)維)方向,如圖1所示。
圖1 體系架構(gòu)中信號(hào)系統(tǒng)的相關(guān)內(nèi)容
現(xiàn)階段,還未統(tǒng)籌打造統(tǒng)一的智能高鐵AI平臺(tái),智能建造板塊的協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、智能裝備板塊的動(dòng)車組智能監(jiān)控平臺(tái)及智能運(yùn)營板塊的客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(tái)等均為獨(dú)立部署。智能高鐵體系架構(gòu)還未制定云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及近、遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃。
高鐵信號(hào)系統(tǒng)主要包括調(diào)度集中(CTC,Centralized Traffic Control)、區(qū)間自動(dòng)閉塞、列車運(yùn)行控制(簡(jiǎn)稱:列控)、車站聯(lián)鎖、電源屏、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)。京張高鐵的信號(hào)系統(tǒng)采用了智能CTC、中國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS,Chinese Train Control System)+列車自動(dòng)駕駛(ATO,Automatic Train Operation)[3-4]、智能電源屏及電務(wù)維護(hù)作業(yè)管理系統(tǒng),為加強(qiáng)CTC系統(tǒng)與客運(yùn)、供電、施工、防災(zāi)等系統(tǒng)的信息共享和實(shí)時(shí)交互,提供列車運(yùn)行綜合展示、線路停送電的自動(dòng)化卡控、防災(zāi)限速信息自動(dòng)提取等功能。智能CTC系統(tǒng)設(shè)置了行車信息大數(shù)據(jù)綜合平臺(tái),ATO系統(tǒng)采用了應(yīng)答器、速度傳感器等定位方式,車—地雙向通信應(yīng)用鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信/通用無線分組業(yè)務(wù)(GSM-R/GPRS,Global System for Mobile Communications-Railway/General Packet Radio Service)來實(shí)現(xiàn),尚未應(yīng)用云計(jì)算、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航、5G等新一代信息技術(shù)。
列控中心和車站聯(lián)鎖設(shè)備是鐵路信號(hào)系統(tǒng)中涉及行車安全的關(guān)鍵設(shè)備[5],實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間和車站的運(yùn)行安全控制,安全完整性等級(jí)(SIL,Safety Integrity Level)均為4級(jí)。目前,列控中心和聯(lián)鎖獨(dú)立設(shè)置,通過接口傳遞大量的列車運(yùn)行相關(guān)信息。國內(nèi)科研單位研發(fā)的列控聯(lián)鎖一體化系統(tǒng)取得了階段性成果,已在低密度線路上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證工作。
高鐵CTCS+ATO系統(tǒng)運(yùn)用范圍僅為高鐵正線,尚沒有高鐵正線與動(dòng)車段(所)的ATO系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)。列車進(jìn)出動(dòng)車段(所)在列車自動(dòng)防護(hù)(ATP,Automatic Train Protection)安全監(jiān)控下,采用司機(jī)人工駕駛模式。
為高鐵信號(hào)設(shè)備提供電源的電源屏系統(tǒng),通過采用模塊化的結(jié)構(gòu),已實(shí)現(xiàn)了適用于鐵路調(diào)度集中、區(qū)間自動(dòng)閉塞、列控、車站聯(lián)鎖等高鐵信號(hào)設(shè)備的一體化智能電源屏系統(tǒng)。
在運(yùn)維管理體系方面,京張高鐵已初步實(shí)現(xiàn)了工電供一體化運(yùn)維管理模式,嘗試了工電供跨專業(yè)部分?jǐn)?shù)據(jù)的共享,共享數(shù)據(jù)來自工電供監(jiān)測(cè)檢測(cè)和作業(yè)管理系統(tǒng)。這些信息系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是進(jìn)行智能工電供一體化綜合運(yùn)維工作的基礎(chǔ)。
智能高鐵信號(hào)系統(tǒng)的一體化發(fā)展可借鑒歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(ETCS,European Train Control System)和城市軌道交通(簡(jiǎn)稱:城軌)CBTC(Communication Based Train Control System)標(biāo)準(zhǔn)。ETCS-2、ETCS-3的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了列控聯(lián)鎖一體化;城軌廣泛應(yīng)用基于CBTC、核心為一體化的ATP /ATO系統(tǒng),其中,ATP為包含聯(lián)鎖的列控聯(lián)鎖一體化模式,ATO覆蓋范圍包含城軌正線與車輛段(停車場(chǎng))。
智能高鐵信號(hào)系統(tǒng)一體化發(fā)展主要分為信號(hào)系統(tǒng)內(nèi)部、信號(hào)系統(tǒng)與相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)(如站臺(tái)門)、信號(hào)系統(tǒng)與新一代信息技術(shù)融合3個(gè)方面。
3.1.1 智能高鐵新型列控系統(tǒng)一體化發(fā)展方向探討
高鐵新型列控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用原則堅(jiān)持CTCS列控技術(shù)體系,發(fā)展方向?yàn)槿诤匣诒倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱:北斗導(dǎo)航)、ATO、移動(dòng)閉塞等技術(shù)的一體化,把減少軌旁設(shè)備配置,降低軌旁設(shè)備維護(hù)工作量作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要考慮因素。
(1)基于北斗導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)列車自主定位的多源融合定位技術(shù),融合了北斗導(dǎo)航、車輪速度傳感器和無源應(yīng)答器3種定位方式。在衛(wèi)星信號(hào)接收良好的地區(qū),列車主要靠北斗衛(wèi)星定位與測(cè)速;在衛(wèi)星信號(hào)遮擋地區(qū)(如隧道、有頂棚車站等),主要依靠車輪速度傳感器+無源應(yīng)答器校準(zhǔn)方式進(jìn)行精確定位。
(2)城軌普遍采用一體化的ATP /ATO系統(tǒng),高鐵列控系統(tǒng)整體實(shí)施列控、聯(lián)鎖、ATO一體化在技術(shù)上是可行的,可提高系統(tǒng)的總體性能,例如,在地面未配置ATO系統(tǒng)的既有高鐵線路[6],若車載一體化設(shè)備具備ATO功能,既有的車站股道和正反向出站應(yīng)答器(組)增加發(fā)送停車位置信息包,即可實(shí)現(xiàn)站間車站自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行(按照默認(rèn)駕駛策略或由司機(jī)人工選擇預(yù)選駕駛策略自動(dòng)運(yùn)行)、車門開門防護(hù)和車站自動(dòng)停車等功能,有利于減輕高鐵司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度。
(3)在新基建背景下,我國鐵路GSM-R 標(biāo)準(zhǔn)有望加速向基于5G的下一代鐵路移動(dòng)通信(5G-R)轉(zhuǎn)換。國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》中明確要“實(shí)施新一代鐵路移動(dòng)通信專網(wǎng)工程”。2020年,國鐵集團(tuán)決策發(fā)展鐵路5G技術(shù),推進(jìn)鐵路5G-R專網(wǎng)建設(shè),發(fā)布了《鐵路5G技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動(dòng)計(jì)劃》,提出到2023年完成鐵路5G-R專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和主要專用設(shè)備研制,完成5G-R專網(wǎng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定,為高鐵基于北斗導(dǎo)航、移動(dòng)閉塞和自動(dòng)駕駛技術(shù)的一體化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
3.1.2 高鐵正線與動(dòng)車段(所)的ATO系統(tǒng)一體化發(fā)展探討
動(dòng)車段(所)是保障高鐵正常運(yùn)營的后勤基地,若將動(dòng)車段(所)作為高鐵線路正線自動(dòng)駕駛的延伸,實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組自動(dòng)休眠、自動(dòng)喚醒、自動(dòng)出入段、自動(dòng)清洗等功能,則可有效縮短動(dòng)車段(所)內(nèi)調(diào)車作業(yè)時(shí)間、提升作業(yè)效率。動(dòng)車組庫內(nèi)轉(zhuǎn)線作業(yè)結(jié)合部多、效率低、耗費(fèi)人力,是動(dòng)車段(所)作業(yè)組織的一個(gè)短板。若實(shí)現(xiàn)動(dòng)車段(所)庫內(nèi)動(dòng)車的自動(dòng)轉(zhuǎn)線作業(yè),則可有效減少庫內(nèi)停時(shí)、優(yōu)化生產(chǎn)力布局、提高勞動(dòng)效率。因此,很有必要開展高鐵正線與動(dòng)車段(所)的ATO一體化發(fā)展的相關(guān)研究。
3.2.1 智能CTC系統(tǒng)、智能綜合調(diào)度系統(tǒng)及智能供電調(diào)度系統(tǒng)一體化發(fā)展探討
體系架構(gòu)中明確了智能運(yùn)營板塊運(yùn)輸組織領(lǐng)域的智能行車調(diào)度方向中的智能CTC系統(tǒng)(信號(hào)專業(yè)),智能綜合調(diào)度系統(tǒng)即運(yùn)輸調(diào)度管理系統(tǒng)(TDMS,Transportation Dispatching Management System)(信息專業(yè))和智能裝備板塊牽引供電領(lǐng)域智能牽引供電方向的智能供電調(diào)度系統(tǒng)(電氣化專業(yè))是我國鐵路運(yùn)輸調(diào)度領(lǐng)域3個(gè)重要信息系統(tǒng),均由國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司和車站(或所亭)3層架構(gòu)構(gòu)成。3個(gè)系統(tǒng)設(shè)備由不同的服務(wù)商提供,軟硬件資源相對(duì)獨(dú)立,均為獨(dú)立專網(wǎng)運(yùn)行。目前,采用鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)(TMIS,Transportation Management Information System)與鐵路運(yùn)輸調(diào)度指揮管理信息系統(tǒng)(DMIS,Dispatching Management Information System)相結(jié)合(即T/D結(jié)合)的方式,實(shí)現(xiàn)CTC系統(tǒng)與TDMS間的資源共享;智能CTC系統(tǒng)還構(gòu)建了系統(tǒng)間資源共享的行車信息大數(shù)據(jù)綜合平臺(tái)。
綜合調(diào)度系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸組織、保障重點(diǎn)運(yùn)輸、提高客運(yùn)服務(wù)質(zhì)量、確保運(yùn)輸安全的重要責(zé)任,對(duì)鐵路運(yùn)輸企業(yè)完成鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)經(jīng)營任務(wù)、提高運(yùn)輸效益起著重要作用。鑒于綜合調(diào)度系統(tǒng)在高鐵運(yùn)輸領(lǐng)域主要用于運(yùn)輸、計(jì)劃等信息的處理和控制,結(jié)合高鐵已嘗試的工電供一體化綜合運(yùn)維的管理模式,建議先進(jìn)行智能CTC系統(tǒng)和智能供電調(diào)度系統(tǒng)的一體化,在行車調(diào)度和供電調(diào)度一體化系統(tǒng)成熟運(yùn)用的基礎(chǔ)上,再規(guī)劃實(shí)施行車調(diào)度、供電調(diào)度和綜合調(diào)度的一體化,分步實(shí)現(xiàn)方式可有效提升方案的可實(shí)施性,有利于確保運(yùn)輸安全。
智能運(yùn)營板塊中智能客運(yùn)系統(tǒng)的客站旅客服務(wù)與生產(chǎn)管控平臺(tái)創(chuàng)新應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了鐵路旅客服務(wù)系統(tǒng)集成管理平臺(tái)、客運(yùn)管理信息系統(tǒng)、鐵路客運(yùn)設(shè)備管理應(yīng)用和客運(yùn)站應(yīng)急指揮應(yīng)用等的一體化部署。借鑒上述一體化方式,智能CTC系統(tǒng)、智能供電調(diào)度系統(tǒng)、智能綜合調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化融合發(fā)展在技術(shù)上是可行,可有效打破運(yùn)輸組織領(lǐng)域的信息孤島,實(shí)現(xiàn)計(jì)劃協(xié)同編制,保障運(yùn)輸計(jì)劃編制的同步性、準(zhǔn)確性,全面提升運(yùn)輸組織整體管理水平,減員增效,節(jié)省投資成本,實(shí)現(xiàn)在國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司和車站(或所亭)3個(gè)層級(jí)的一體化。
3.2.2 CTCS+ATO系統(tǒng)與站臺(tái)門控制系統(tǒng)一體化發(fā)展探討
目前,一些高鐵、城際車站由機(jī)械專業(yè)設(shè)置了站臺(tái)門[6],多采用人工控制方式。京張高鐵、崇禮鐵路及珠三角城際鐵路的莞惠、佛肇、廣清站通過ATO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。保障列車安全運(yùn)行的CTCS+ATO系統(tǒng)[7-8]的SIL比站臺(tái)門控制系統(tǒng)等級(jí)高,通過提升站臺(tái)門控制系統(tǒng)的SIL,實(shí)現(xiàn)CTCS+ATO系統(tǒng)與站臺(tái)門控制系統(tǒng)的一體化,最大程度地保障乘客上下車安全和列車運(yùn)行安全。
3.2.3 信號(hào)、通信、信息智能電源屏系統(tǒng)一體化發(fā)展探討
按照資源共享、集約高效的原則,國鐵集團(tuán)發(fā)布的《鐵路房屋建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充規(guī)定》中對(duì)高鐵通信、信號(hào)、信息專業(yè)的房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定,要求通信、信號(hào)設(shè)備房屋應(yīng)合并設(shè)置為綜合機(jī)房,設(shè)備按功能分區(qū)設(shè)置,當(dāng)信息設(shè)備房屋與通信、信號(hào)在同一建筑物內(nèi)時(shí),應(yīng)合并設(shè)置為綜合機(jī)房。同時(shí),結(jié)合逐步推廣的工電供一體化運(yùn)維管理模式的新要求,有必要進(jìn)行通信、信號(hào)及信息專業(yè)電源系統(tǒng)的一體化發(fā)展研究。通信、信號(hào)電源系統(tǒng)均采用模塊化結(jié)構(gòu),信號(hào)智能電源屏系統(tǒng)供電回路模塊種類較多,而通信系統(tǒng)僅設(shè)置48 V直流電源,通信、信號(hào)、信息專業(yè)均有不間斷電源(UPS,Uninterruptible Power Supply)設(shè)備需求。通過設(shè)計(jì)綜合一體化智能電源屏系統(tǒng),同時(shí)滿足3個(gè)專業(yè)的設(shè)備供電需求,在技術(shù)上是可行的,需要對(duì)維護(hù)管理制度稍加修改,在綜合機(jī)房?jī)?nèi)統(tǒng)籌設(shè)置一套電源屏系統(tǒng)(含UPS),符合新形勢(shì)下鐵路生產(chǎn)力的發(fā)展需求。
體系架構(gòu)是從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)制定的,尚需制定一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來指導(dǎo)智能高鐵的建設(shè)和運(yùn)維。體系架構(gòu)采用分類分層設(shè)計(jì)原則,對(duì)板塊、領(lǐng)域、方向、創(chuàng)新4個(gè)層面的應(yīng)用進(jìn)行了梳理歸納,但缺少對(duì)支持平臺(tái)的技術(shù)及應(yīng)用的梳理歸納,建議對(duì)智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營3個(gè)板塊的各項(xiàng)創(chuàng)新進(jìn)行適合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究梳理。
研究云計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS,Infrastructure as a Service)、平臺(tái)即服務(wù)(PaaS,Platform as a Service)、軟件即服務(wù)(SaaS,Software as a Service)模式在智能高鐵領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用及發(fā)展規(guī)劃,可實(shí)現(xiàn)高鐵信息化建設(shè)理念從以“應(yīng)用”為中心向以“數(shù)據(jù)”為中心的轉(zhuǎn)變。
對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)技術(shù)的研究,應(yīng)以最大程度降低大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)安全生產(chǎn)和運(yùn)營管理的影響為原則,建議初期可采用大數(shù)據(jù)應(yīng)用不改變生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)度、控制模式的策略,主要側(cè)重于數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)、治理及價(jià)值挖掘,而生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)間的控制指令、生產(chǎn)系統(tǒng)與管理系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng),均不通過大數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行,系統(tǒng)間可直接互聯(lián),進(jìn)行信息交互。
建議近、遠(yuǎn)期穩(wěn)妥推進(jìn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新應(yīng)用,做好生產(chǎn)系統(tǒng)與維護(hù)系統(tǒng)的信息平臺(tái)整合及數(shù)據(jù)共享,實(shí)施信號(hào)系統(tǒng)全生命周期的信息維護(hù),為實(shí)現(xiàn)高水平地管理、運(yùn)維打好基礎(chǔ),并進(jìn)行云計(jì)算、大數(shù)據(jù)應(yīng)用初、近、遠(yuǎn)期的統(tǒng)籌規(guī)劃,盡快組織編制智能高鐵云計(jì)算、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等新一代信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
本文結(jié)合《智能高速鐵路技術(shù)體系架構(gòu)1.0》中信號(hào)系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容,對(duì)我國智能高鐵主要信號(hào)系統(tǒng)與相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)的一體化發(fā)展進(jìn)行了探討;結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展[9],為規(guī)范智能高鐵的建設(shè)和運(yùn)維,僅有體系架構(gòu)頂層設(shè)計(jì)這一標(biāo)準(zhǔn)是不夠的,亟需制定云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),以期為智能高鐵信號(hào)系統(tǒng)一體化方案更好地應(yīng)用新一代信息技術(shù)提供支撐。