高鐵要配的“超級大腦”有多牛？有了它發車間隔還能大大縮短
中國國家鐵路集團有限公司日前頒佈《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，明確提出到2035年，率先完成智慧化鐵路網，全國鐵路網將達到20萬公里左右，其中高鐵佔據7萬公里左右；高鐵列車將擁有基於北斗衛星導航技術、5G通訊技術的海陸空一體化的“超級大腦”。
資料圖 新華社發（黃博涵 攝）
那麼，高鐵列車的“超級大腦”究竟有多聰明？我們約請北京鐵路局高階工程師王麟就有關問題做解答。
問：要保證鐵路列車安全執行，列車執行間隔控制十分重要，那麼，如今這一點是怎樣控制的？
答：無論是普速客貨運鐵路，還是高速鐵路，一般而言都是鋪設兩條並行軌道，火車左右行車互不干擾。那麼動輒數百至上千公里的鐵路線，是如何保證列車執行安全的呢？
我們知道，汽車行駛在高速公路上，前後兩車間距不小於50米，才能保證必要的安全。我國普速火車一般執行速度為120-160公里/小時，高速列車的執行速度是350公里/小時，這麼快的速度，勢必對前後兩列高速列車的安全間距要求更加嚴格。
鐵路部門是透過“閉塞分割槽”，來給列車劃分執行空間的，從而為列車執行提供安全保障。“閉塞分割槽”就是透過軌道電路把鐵路線路分成若干個長度不等的段落，每一段落兩端用訊號機進行控制，並在排程中心的顯示屏上顯示出來。當列車在閉塞分割槽執行時，車輛後端的訊號機變紅，說明這個區間段落有車佔用，後面的列車就要提高警惕了，不能冒進，只有執行前方的訊號顯示綠色，才能全速行駛。
如今，無論客貨混運鐵路，還是高速鐵路，絕大多數採用的都是“自動閉塞系統”。值得一提的是，“自動閉塞分割槽”一旦劃分完畢，是不能隨便改變的，也就是說自動閉塞分割槽是固定的，這和後面講述的“移動閉塞”完全不同。
簡單來說，固定閉塞分割槽透過軌道電路來劃分，其工作原理是這樣的：當閉塞分割槽沒有列車時，電流從軌道電路的正極透過鋼軌、軌道繼電器到達另一股鋼軌電源負極。此時繼電器中有電流透過，銜鐵吸起，接通綠燈，指示區間空閒；當閉塞分割槽有列車佔用時，車輪與軌道形成通路，電流被車輪短路之後不再給軌道繼電器通電，銜鐵開關落下，接通紅燈，提醒後車該區間已經被佔用。
在普速鐵路上，司機可以透過觀看訊號機的訊號變化來操控列車。到了高鐵時代，由於列車執行速度很快，司機來不及對線路旁的訊號做出反應，必須採用先進的列車執行控制系統才能保證安全。顧名思義，列控系統就是確保行車安全的訊號系統，利用地面提供的線路資訊、前車距離和進路狀態，列控車載裝置自動生成列車允許速度的控制模式曲線，並實時與列車實際執行速度進行比較，一旦發現列車超速就及時進行控制，從而保證高鐵列車的安全。這套系統取消了普速鐵路旁邊的訊號機，在軌道中間設定應答器，可以實現列車與地面間的資料交換。
問：據說高鐵“超級大腦”可大大縮短前後兩車的發車間隔，為什麼可以做到這一點？
答：固定的自動閉塞透過軌道電路劃分區間，“超級大腦”的關鍵元器件——無線移動閉塞則是透過無線通訊技術劃分不固定的移動區間，這是二者本質的區別，並且移動閉塞對通訊技術和定位技術要求更高。
在傳統的固定自動閉塞方式下，系統無法知道列車在分割槽內的具體位置，因此列車制動的起點和終點總在某一分割槽的邊界。為充分保證安全，必須在兩列車間增加一個防護區段，這使得列車間的安全間隔較大，大大降低了線路的使用效率。
無線移動閉塞技術則在對列車的安全間隔控制上更前進了一步，其資訊傳遞、列車定位、列車完整性檢查等功能，不再依賴地面軌道電路，從而大幅度減少軌道旁邊安裝的裝置數量。無線移動閉塞的車載裝置子系統，利用速度感測器、雷達、光電感測器對列車進行速度和距離的測量，並結合地面應答器對列車位置進行校正，能夠連續、自動地對列車位置進行檢測，保證系統對列車速度以及行車間隔的安全防護。
如此一來，無線移動閉塞系統可以透過車載裝置和軌旁裝置不間斷的雙向通訊，排程控制中心可以根據列車實時的速度和位置，動態計算列車的最大制動距離，使得“列車的長度+最大制動距離+安全防護距離”組成一個與列車同步移動的虛擬分割槽，這就是“移動閉塞分割槽”。
由於保證了列車前後的安全距離，兩個相鄰的移動閉塞分割槽就能以很小的間隔同時前進，讓列車能以較高的速度和較小的間隔執行，實現高鐵列車的“小編組、高密度”運輸組織目標，大大縮短前後兩車的發車間隔，從而極大地提高了線路的使用效率。
問：為什麼說高鐵“超級大腦”離不開“北斗”導航系統和5G通訊技術？
答：無線移動閉塞系統可以說是高鐵列車的“超級大腦”的關鍵元器件，其最顯著的特徵就是要求對列車動態位置進行精確定位，同時還要藉助高速度、大容量的通訊技術實時傳遞列車的位置資訊，這樣才能讓排程中心人員準確掌握列車的執行情況，從而指揮列車執行，保證行車安全。要完成這一艱鉅任務，離不開“北斗”導航和5G技術。
方興未艾的5G通訊技術，既是智慧化時代必不可少的基礎設施，也是智慧化時代的標誌性技術，高頻寬、高速度、大容量、低功耗、低延時、萬物互聯、資訊可感知、可調控是其鮮明的優點和特徵，可以滿足未來虛擬現實、智慧製造、自動駕駛等應用需求。
而“北斗”衛星導航系統是我國自主研發的全球性、高精度時空基準。其最大的優勢在於對系統的全球性定位，能夠實現全球時間的精確同步。“北斗”與5G相結合，形成“空天地”一體化網路系統，才能產生無與倫比的五大智慧：感知、學習、認知、決策和調控。
基於“北斗”衛星定位的列控系統，可以連續且精準獲取列車位置資訊，改變傳統的基於固定自動閉塞技術的列控追蹤間隔方式，而透過採用移動閉塞的追蹤間隔方式，使得追蹤列車間隔大大縮小，從而提高運輸效率。透過“北斗”衛星，還可以實現對同一列車的車頭、車尾定位，從而開展列車的完整性檢查，以防止列車解體後，給後面的列車帶來安全風險。
“北斗”和5G技術優勢互補。“北斗”可以在全球把感知時間和位置的能力賦給5G技術，激發出行動通訊網、網際網路的強大動能，可以對諸如高鐵列車等移動資訊瞬時定位，確定其去向和瞬間執行的速度，滿足高鐵列車對移動閉塞的技術需求。
按照《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》提出的目標，我國的高速列車到2035年將擁有利用北斗衛星導航技術、5G通訊技術等構成空天地一體化的“超級大腦”——新一代更高效、更智慧、更環保的列控系統，列車追蹤間隔由目前的最短3分鐘縮短到2分鐘左右，提高線路運輸能力30%以上，人均百公里能耗可降低30%左右。
問：能否再簡單介紹一下世界各國高鐵列控技術的發展情況？
答：多年來，歐洲開發了適合本土國情的歐洲列車執行控制系統（ETCS），其中ETCS-2級列控系統在地面採用無線閉塞中心生成的行車許可，透過固定應答器提供列車定位基準，利用GSM-R無線網路實現“車-地”雙向資訊傳輸，在歐洲實現了普及應用。
從2013年起，歐洲開始了新一代列控系統（NGTCS）的研發，其中的創新專案“現代交通管理與控制系統”提出了“移動閉塞、最高等級的無人駕駛、列車安全定位（衛星技術）、車載裝置整合、智慧訊號系統、列車虛擬連掛”等技術發展方向。
美國的列車主動控制系統（PTC）功能也很強大，具有列車超速防護、防止列車相撞、保護軌旁工作人員安全等功能。列車根據GPS定位系統，獲取自身所在位置，透過無線通訊網路將列車位置傳送至PTC伺服器，PTC伺服器可根據所得資訊計算列車停車位置，並將位置資訊傳送至車載裝置。PTC系統設有排程中心，可人為干預列車執行，防止列車相撞。
而東日本旅客鐵路公司運用移動閉塞技術研發了ATACS系統。這套系統主要由無線電裝置、據點裝置、指令裝置及車載裝置組成。傳統的列控系統主要由地面裝置完成，而在ATACS系統中，列車的控制由地面與車載共同完成。
由上可知，歐美日本等高鐵發達的國家，也一直致力於“移動閉塞”技術的研究。
為了適應高速鐵路建設發展需要，我國高速鐵路列控技術借鑑歐洲ETCS成功經驗，從無到有，取得了巨大飛躍。我國自主開發的中國列車執行控制系統（CTCS）一共分為5個等級，從CTCS-0到CTCS-4，都有不同的適用範圍。我國時速300公里以上的高鐵主要是採用CTCS-3系統，這是基於無線通訊、軌道電路和自動閉塞開發的一套先進的列車控制系統。
而CTCS-4系統是我國面向2035年、基於移動閉塞、北斗導航和5G通訊技術的新一代列車控制系統，被譽為列車的“超級大腦”，這是我國高鐵列控技術里程碑式的重大進步。