北斗、5G助力高铁列车的“超级大脑”究竟有多聪明?

编辑:dd时间:2021-03-17 12:58点击:

中国国家铁路集团有限公司日前颁布《新时代交通强国铁路先行规划纲要》,明确提出到2035年,率先完成智能化铁路网,全国铁路网长度将达到20万公里左右,其中高铁占据7万公里左右;高铁列车将拥有基于北斗卫星导航系统、5G通信技术的空天地一体化的“超级大脑”。

无论是普速客货运铁路,还是高速铁路,一般而言都是铺设两条并行轨道,火车左右行车互不干扰。那么动辄数百至上千公里的铁路线,是如何保证列车运行安全的呢?

我们知道,汽车行驶在高速公路上,前后两车间距不小于50米,才能保证必要的安全。我国普速火车一般运行速度为120-160公里/小时,高速列车的运行速度是350公里/小时,这么快的速度,势必对前后两列高速列车的安全间距要求更加严格。

铁路部门是通过“闭塞分区”来给列车划分运行空间的,从而为列车运行提供安全保障。“闭塞分区”就是通过轨道电路把铁路线路分成若干个长度不等的段落,每一段落两端用信号机进行控制,并在调度中心的显示屏上显示出来。当列车在闭塞分区运行时,车辆后端的信号机变红,说明这个区间段落有车占用,后面的列车就要提高警惕了,不能冒进,只有运行前方的信号显示绿色,才能全速行驶。

如今,无论客货混运铁路,还是高速铁路,绝大多数采用的都是“自动闭塞系统”。值得一提的是,“自动闭塞分区”一旦划分完毕,是不能随便改变的,也就是说自动闭塞分区是固定的,这和后面讲述的“移动闭塞”完全不同。

简单来说,固定的自动闭塞分区通过轨道电路来划分,其工作原理是这样的:当闭塞分区没有列车时,电流从轨道电路的正极通过钢轨、轨道继电器到达另一股钢轨电源负极。此时继电器中有电流通过,衔铁吸起,接通绿灯,指示区间空闲;当闭塞分区有列车占用时,车轮与轨道形成通路,电流被车轮短路之后不再给轨道继电器通电,衔铁开关落下,接通红灯,提醒后车该区间已经被占用。

在普速铁路上,司机可以通过观看信号机的信号变化来操控列车。到了高铁时代,由于列车运行速度很快,司机来不及对线路旁的信号做出反应,必须采用先进的列车运行控制系统才能保证安全。顾名思义,列控系统就是确保行车安全的信号系统,利用地面提供的线路信息、前车距离和进路状态,列控车载设备自动生成列车允许速度的控制模式曲线,并实时与列车实际运行速度进行比较,一旦发现列车超速就及时进行控制,从而保证高铁列车的安全。这套系统取消了普速铁路旁边的信号机,在轨道中间设置应答器,可以实现列车与地面间的数据交换。

固定的自动闭塞通过轨道电路划分区间,“超级大脑”的关键元器件——无线移动闭塞则是通过无线通信技术划分不固定的移动区间,这是二者本质的区别,并且移动闭塞对通信技术和定位技术要求更高。

在传统的固定自动闭塞方式下,系统无法知道列车在分区内的具体位置,因此列车制动的起点和终点总在某一分区的边界。为充分保证安全,必须在两列车间增加一个防护区段,这使得列车间的安全间隔较大,大大降低了线路的使用效率。

无线移动闭塞技术则在对列车的安全间隔控制上更前进了一步,其信息传递、列车定位、列车完整性检查等功能,不再依赖地面轨道电路,从而大幅度减少轨道旁边安装的设备数量。无线移动闭塞的车载设备子系统,利用速度传感器、雷达、光电传感器对列车进行速度和距离的测量,并结合地面应答器对列车位置进行校正,能够连续、自动地对列车位置进行检测,保证系统对列车速度以及行车间隔的安全防护。

如此一来,无线移动闭塞系统可以通过车载设备和轨旁设备不间断的双向通信,调度控制中心可以根据列车实时的速度和位置,动态计算列车的最大制动距离,使得“列车的长度+最大制动距离+安全防护距离”组成一个与列车同步移动的虚拟分区,这就是“移动闭塞分区”。

由于保证了列车前后的安全距离,两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进,让列车能以较高的速度和较小的间隔运行,实现高铁列车的“小编组、高密度”运输组织目标,大大缩短前后两车的发车间隔,从而极大地提高了线

无线移动闭塞系统可以说是高铁列车“超级大脑”的关键元器件,其最显著的特征就是要求对列车动态位置进行精确定位,同时还要借助高速度、大容量的通信技术实时传递列车的位置信息,这样才能让调度中心人员准确掌握列车的运行情况,从而指挥列车运行,保证行车安全。要完成这一艰巨任务,离不开“北斗”导航和5G技术。

基于“北斗”卫星定位的列控系统,可以连续且精准获取列车位置信息,改变传统的基于固定自动闭塞技术的列控追踪间隔方式,而通过采用移动闭塞的追踪间隔方式,使得追踪列车间隔大大缩小,从而提高运输效率。通过“北斗”卫星,还可以实现对同一列车的车头、车尾定位,从而开展列车的完整性检查,以防止列车解体后,给后面的列车带来安全风险。

多年来,欧洲开发了适合本土的欧洲列车运行控制系统(ETCS),其中ETCS-2级列控系统在地面采用无线闭塞中心生成的行车许可,通过固定应答器提供列车定位基准,利用GSM-R无线网络实现“车-地”双向信息传输,在欧洲实现了普及应用。

美国的列车主动控制系统(PTC)功能也很强大,具有列车超速防护、防止列车相撞、保护轨旁工作人员安全等功能。列车根据GPS定位系统,获取自身所在位置,通过无线通信网络将列车位置发送至PTC服务器,PTC服务器可根据所得信息计算列车停车位置,并将位置信息发送至车载设备。PTC系统设有调度中心,可人为干预列车运行,防止列车相撞。

为了适应高速铁路建设发展需要,我国高速铁路列控技术借鉴欧洲ETCS成功经验,从无到有,取得了巨大飞跃。我国自主开发的中国列车运行控制系统(CTCS)一共分为5个等级,从CTCS-0到CTCS-4,都有不同的适用范围。我国时速300公里以上的高铁主要是采用CTCS-3系统,这是基于无线通信、轨道电路和固定的自动闭塞开发的一套先进的列车控制系统。

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