实现列车安全运行其实非常容易，
只需要让所有的道岔都静止，
所有的列车都降速就行了。
但这并不是我们真正想要的。
江明· 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司首席专家、副总工程师
北京市院士专家工作站成果交流专场｜2023年 北京
大家好，我是江明，来自中国通号，一家专注研究轨道交通控制系统的中央企业。我是2007年博士毕业以后加入中国通号的，和高铁列控系统的成长几乎完全同步，基本上全程参与了高铁列控系统的研发。
在加入中国通号之前，我的专业是自动控制，跟铁路的关系并不密切。从前我自己坐火车的时候观察过一些铁路系统的组成部分，比如能看见空中有接触网，地下有钢轨、有动车组、车站、售票机等等。
直到加入中国通号，开始高铁列控系统的研发工作后，才发现高铁其实非常复杂。除了上述这些旅客能看到的东西之外，还有很多背后的、通常看不见的、但同样非常重要的系统。我们今天要讲的这套“高铁列控系统”，就是这些系统中很关键的一环。
动车组没有方向盘，沿着什么路径向前行进也不是由司机决定，而是由上图里这些“道岔”决定的。道岔扳向哪个方向，动车组就行驶向哪个方向。
同时，动车组自己是不知道处于什么地方的，也不知道其他的列车在什么地方。但是高铁上，不同地方的允许速度是不一样的，有的地方可以跑到350公里/时，但有的地方可能只能跑80公里/时，如果超速的话会非常危险。
而高铁列控系统的主要功能就是控制列车、道岔这些可以运动的部分的移动，所以也被称为高铁的“大脑”和“神经中枢”。
▲ 左：超速脱轨
中：冲撞
右：追尾
列车控制系统对安全至关重要，如果道岔扳动的时机不对，可能导致列车的冲撞。如果动车组在大拐弯区段超速运行，可能导致列车翻车或者颠覆。如果后车不知道前车在什么位置，就可能发生追尾。上图是不同国家发生的列车事故，我们列控系统的目标，就是避免这些事故再次发生。
要想实现列车安全运行其实非常容易，我们只需要把所有的道岔都静止，让所有的列车都降速运行就行了。但这并不是我们真正想要的，我们还是期望在保证安全性的同时，提高铁路系统的运行效率。
以京沪高铁为例，现在京沪高铁的发车间隔一般是4分钟，由于班次不够，所以经常一票难求。如果我们的列控系统技术能够得到进一步优化，把发车间隔缩短到3分钟，京沪高铁的运能就能提高30%；如果我们再进一步优化，把3分钟再提升到2分钟，就相当于重修了一条京沪高铁，就不用再修京沪二线了。
所以说，列车控制系统还是我们高铁高质量发展非常重要的一环，投入小、收益大。
把信号灯搬到列车驾驶室里
已完成：30%//////////
我们国家的铁路从1997年开始进行了6次大提速，到2007年的时候，大部分干线铁路速度都已经达到了160公里/时，那在高铁时代之前，信号系统是怎么样的呢？
当时的铁路时速是160公里/时，所以它的制动距离大概是1.4公里，司机主要是靠瞭望在轨旁安装的信号灯来驾驶列车。我们在设计信号灯的位置的时候，要保证让司机在1.4公里以外的地方，也能够清晰地看到信号灯的显示，这样司机才能够正常的驾驶。这个阶段追踪间隔比较小，列车速度也比较低，司机的人工驾驶基本上可以满足需要。
但是进入高铁时代以后，一切都变了。我们遇到的第一个问题就是，当列车的速度提高到350公里/时的时候，制动距离已经到了6.5公里，司机是不可能瞭望到前方6.5公里这么长范围内线路情况的。而且100米/秒的速度，司机的反应速度根本跟不上，基本上没有办法通过瞭望信号机的方式来实现驾驶。
所以在高铁时代，我们要把所有的信号灯都搬到驾驶室中。上图右侧展现的是司机室内人机交互的屏幕。司机根据这个屏幕上显示的信息，能够获取列车前方最长到32公里范围内所有的线路情况，包括能够向前开多远、在前方什么地方有上坡、什么地方有下坡、什么地方有变速点，所有的信息都可以在这个界面上获得。所以司机不再需要瞭望信号灯了，只要看我们在车上装的这个界面，就能够获取驾驶所需要的全部信息。
前面提到，我们的列控系统既要保证安全，又要提高效率。高铁运行效率的要求比普速铁路的要求更高，追踪间隔从5分钟变到了3分钟。并且因为地面所有信息需要传到车上，才能够在显示屏上显示，所以对控制系统的反应精度提出更高要求。
▲ 左：无线通信网络
右：应答器
我们有很多种方式进行地车通讯，比如通过上图左边的无线通信网络、右边的应答器进行通信。大家在坐高铁的时候，可能会遇到手机信号不连续，电话卡顿的情况，但是对我们的控制系统通信来说，这是不可以接受的，我们必须全程不间断地实现车-地通信。
列车使用的应答器宽度只有350毫米，列车以350公里的时速通过它的时间只有十几毫秒。我们需要在这么短的时间范围内把地面的信息送到车上，当时在研制这款应答器的时候就遇到了一系列的问题。
当车速在300公里/时以下的时候，车地信息交互非常准确。但是当速度超过300公里/时的时候，车上收到的信息就不再完整了。我们当时觉得非常苦恼，想了很多办法，但是都没有奏效。
于是我们想到了产学研合作，通过咨询院士工作站，跟专家们的研讨，发现是我们在市面上采购到的芯片功能达不到要求的指标。所以我们跟院士工作站的专家们一起合作制定了功能需求，自主研发了一款专用芯片。
这款专用芯片装上了以后，应答器的使用就完全没有问题了。它的激活时间及各项指标都达到了要求，最高支持时速从300公里/时上升到了500公里/时。
除了速度的提升以外，高铁还要求安全性的提升。以前普速铁路的驾驶里，很多动作都是由人工来实现的，比如司机要看灯行驶，轨旁的调度员也需要做很多工作。
但是在高铁运行中，更多工作就得由列控系统自动完成。比如列控系统需要给每列车自动实时地分配行车许可，我们的系统需要监控列车在它被分配的许可范围内运行。如果列车超过了系统允许的速度，我们的列控系统会自动地输出制动，让车速降到安全速度以下，保证列车的安全运行。
为保障系统安全性，我们做了大量的工作，系统地梳理了所有的运营场景，形成了列控系统的总体技术方案。对所有的设备开展了功能安全领域最高等级的安全认证，通过了SIL4级安全认证，同时还研制了安全计算机平台。
▲ 左：京津城际
右：武广客专
2008年京津城际线和2009年武广客专线的开通，是我国高铁列控系统“从无到有”的标志性成果。在这一阶段，我们大量借鉴了欧洲和日本的经验。因为高铁起源于1964年的日本新干线，随后在20世纪90年代的欧洲取得很大发展。京津城际线和国外的高铁比较类似，都是100多公里的一条孤立的线路。武广客专跟欧洲的高铁也比较类似，只不过它的长度比欧洲的高铁长了很多，超过了1000公里。
但是随着中国高铁网络的扩展，国外已经没有成熟的案例可以供我们去学习了，我们必须要去解决在路网扩展的过程中遇到的一系列崭新的问题。
全球第一条自动驾驶的高铁
已完成：50%/////////
现在，我们的高铁向南修到了海南，向北修到了东北，向西修到了新疆，那就需要保证在不同线路、不同气候、不同地貌条件下都能实现良好运行。但是在这个过程中，也会出现各种各样的问题。
举一个例子，2013年初，在哈大高铁开通初期，因为大雪导致地面积雪、雷达覆冰，对我们的雷达测速精准度产生很大影响。在高速运行时测到的速度会产生突变，影响列车的高速正常运行。
为了解决这个问题，我们当时在车上跟了一个多月，采集了大量数据，然后在实验室搭建了一个测试环境，同步去复现产生的问题。最后经过这些数据分析，优化了我们对雷达测速数据的处理，圆满地解决了这个问题，保障了哈大高铁在冬季也可以实现不降速运行。
同时，我们还需要支持十几种不同类型的动车组同时在我们国家的高铁网络上运行。
接下来就是京张高铁，这是全球第一条智能铁路，第一次实现了350公里/时的自动驾驶，也是没有先例可以借鉴的，中间也遇到了很多的问题。
举一个例子，我们的自动驾驶系统有一个功能叫做“到站自动停车”。自动停车有一个停准率的指标，即停车的位置和预定位置偏差不能超过30厘米。起初，明明一套参数在一列车上已经调试得很好了，每次停车的精度都很高。但是一旦换了一列车，或者是遇到天气情况变化，停车的偏差就会有点大。
我们为了解决这个问题，跟院士工作站的专家们一起在现场采集了几十G的数据，回来以后在实验室搭建了一个环境进行建模，同时也对我们控制的一系列参数进行辨识，最后构建出了比较好的模型和参数，圆满实现到站自动停准率100%，误差基本控制在±10厘米以内。
正如刚才说的，我们为了解决现场故障，通常都需要在室内搭一个专有的测试环境，去复现、分析现场的问题。得到解决方案以后，也要在我们的实验室验证这个方案是否可行，才能去现场实施。
这是我们公司建设的实验室，基本上在全球来说都是规模最大、功能最强的实验室。我们结合4.3万公里高铁的建设经验，积累了5万多个测试案例，超过了国外所有信号厂商测试案例的总和。
▲ 上：车站设备
中：车载设备
下：轨旁设备
经过了十几年的发展，上图就是我们列控系统所有设备的总图。列控系统被称为“大脑”和“神经中枢”，就跟人类的神经系统类似，我们的设备遍布列车运行的各个环节。装在车上的叫车载设备，比如供司机看的屏幕和控制主机；在轨旁装的很多小盒子我们叫轨旁设备；在车站安装的一系列设备叫车站设备。
大家以后坐高铁的时候也可以注意观察一下，比如说你在铁路沿线发现有一些小黄盒子、小灰盒子，那些就是列控系统的轨旁装备。在车上首尾两端，比如说1车、8车或者16车会有一个小隔间，小隔间里面就是我们的车载设备。当然，车站里面的设备跟旅客区域是隔绝的，是在一个专用的设备机房里面，所以不容易见到。
总结一下，经过十几年的发展，我们已经成功实现了高寒、酷热、风沙、高盐等不同环境下的高强度、大密度、多环境的运行实践，进入了“从有到优”的阶段，每天控制7000余列动车组在4.3万公里的高铁网络上安全高效地运营。所有的这些经验，都为下一个阶段——走向海外提供了非常好的基础。
让世界用上中国高铁
已完成：80%//////////
正是因为我们所有设备和系统都已经在国内的各种情况下实践了，所以在走向海外的时候就很顺利，基本上都是非常成功的开通，没有遇到任何问题。
走向海外的第一个标志性工程就是匈塞铁路，这条铁路连接匈牙利的首都和塞尔维亚的首都，全长350公里。这条铁路早在19世纪末就已经修好了，是一条单线铁路，但现在这两个国家计划把它更新成一条双线电气化的客货混运的铁路，运行速度希望达到200公里/时。
因为它是一条改造线路，所以我们首先需要要跟他们原来的设备实现互联互通。并且这两个国家都是欧洲国家，设备还要符合欧洲标准。
▲ 左：欧盟TSI证书
右：DEBO准入证书
欧洲的准入要求非常严格，要先做一个欧盟互联互通认证，欧盟通过认证后，进入每个国家的市场还要通过他们本国的认证。因此，我们所有的设备都通过了欧盟、塞尔维亚、匈牙利等多项认证。值得一提的是，虽然这些互联互通的标准是欧洲制定的，但在全球上，我们是第一个通过最高版本互联互通认证的企业，早于我们的欧洲同行。
▲ “欧洲列车运行控制系统”综合实验室
我们不但让设备走出去，还让实验室也一起走出去了。我们为欧洲高铁量身打造了欧洲列车运行控制系统的综合实验室，来支撑工程系统测试、互联互通测试，还能系统培训外方人员。同时，实验室里还全面展示中国装备，很多国家的运营商都来这个实验室参观，这对了解和认可我们的设备起到了非常好的作用。
这是2023年开通的雅万高铁。
还有我们正在做的一个能够在5个国家、7个等级间动态切换的天花板级应用的车载设备，都体现了中国高铁系统的实力。
随着我们交通强国的不断建设，为满足立体交通网的建设需求，对我们的列控系统提出了更高的速度要求，更复杂环境的适应要求，以及更智能化的运行要求。
十几年间，我们在院士工作站的支持下，在高铁列控系统的技术研发上做了大量工作。我们相信后续在院士工作站及各位院士专家的支持下，我们的高铁列控系统能够得到更大的发展，让高速铁路更安全、更高效、更智能！
谢谢！
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
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