自主创新让轨道交通更安全高效
走进轨道交通控制与安全国家重点实验室
本报记者 王珍
轨道交通控制与安全国家重点实验室结合国家轨道交通的长远发展与现实需求，围绕轨道交通运行控制、安全保障、运输组织、信息通信等，开展轨道交通控制与安全科学技术方面的创新性应用基础理论研究和基础性工作，形成适合我国国情的具有自主知识产权的轨道交通控制与安全核心技术及装备体系，用科技创新助力我国轨道交通发展。
在这里，你可以成为“高铁司机”，感受“复兴号”的“速度与激情”；也可以变为“乘客”，体验现代地铁的“高智商”；还可以化身“调度员”，实现与列车的“隔空对话”……
这里是轨道交通控制与安全国家重点实验室，我国轨道交通自主创新的前沿阵地。
当今中国，高铁、地铁和城际铁路等，共同编织了一张巨大的轨道交通网，让人们享受着越来越高效便捷的出行服务。这其中离不开广大建设者的无私奉献，更离不开众多科研人员的默默付出与科研攻关。
如何让轨道交通运营更安全高效？记者带您走进位于北京交通大学的轨道交通控制与安全国家重点实验室一探究竟。
不断探索，自主创新
打造轨道交通“最强大脑”
9月1日早上7时许，我国具有完全自主知识产权的首条全自动运行系统地铁线路——北京地铁燕房线，各个站点的站台上已是人头攒动，一辆辆列车按照发车间隔进站、出站，无人驾驶、自主运行，精准而有序。
对于这一景象，不少人或许已经习以为常，却很少有人了解其背后隐藏着意义非凡的科技创新——全自动运行系统(FAO)。这是实现高速度、高密度城市轨道交通安全、高效运营的重要技术保障，其典型特征是由车载设备和控制中心调度人员共同完成传统人工驾驶中司机的职责。
“运营组织更加灵活，同时消除了人工驾驶的不确定性和不一致性，运行更加高效、更加安全。”轨道交通控制与安全国家重点实验室主任唐涛教授告诉记者，这是实验室近年来的标志性成果之一。
谈及交通，安全始终是一个绕不开的话题，也是永远的底线。“一切的效率和服务都必须建立在安全的基础之上，它不仅反映轨道交通的运营管理水平和运输服务质量，更是实现轨道交通顺畅、高效运营的重要前提。”唐涛教授介绍，实验室诞生于我国高速铁路和城市轨道交通快速发展时期，科研人员设计研发了一系列支撑轨道交通的关键技术，为我国轨道交通的创新发展提供动力，为轨道交通的安全运营提供坚实保障。
轨道交通安全运营是一个大系统，涵盖车辆、轨旁设施、运行环境等方方面面，涉及运行控制、信息传输、安全检测等诸多环节。“轨道交通安全运行，首先要保证控制系统本身的安全性。”唐涛教授告诉记者，列控系统被视为轨道交通的“大脑”。
FAO堪称城市轨道交通的“最强大脑”，源于我国第一个自主研发、拥有完全自主知识产权并达到国际先进水平的基于通信的列车运行控制系统(CBTC)。而CBTC系统，同样诞生于该实验室。
2010年底开通运营的北京地铁亦庄线，对于唐涛教授和他的团队而言，具有特别的意义。这是我国第一条用上国产“大脑”的地铁线路，可实现自动驾驶、无人折返和安全运营，以最小的发车间隔达到安全范围内最大的运输能力。其开通运营标志着我国成为世界第四个成功掌握CBTC核心技术、应用于实际工程并顺利开通运营的国家。
如今，我国研发的CBTC系统已经在国内外数十个城市得到推广应用。疫情期间，北京地铁多条线路之所以能够缩短行车间隔、加大运行频次、降低乘客乘车密度，就是基于CBTC系统带来的变化。
“FAO可以说是CBTC的升级版，更加‘聪明’，可实现无人驾驶状态下的自主运行。”唐涛教授介绍。
在北京交通大学，记者看到了实验室里的“北京地铁亦庄线”。据介绍，这是一个仿真操作平台，FAO、CBTC的诞生都离不开这一平台。未来，随着轨道交通运行需求的不断变化，这里还会诞生更加“聪明”的“大脑”。
不仅如此，在轨道交通控制与安全国家重点实验室，记者还见到了高速列车仿真驾驶平台以及我国高速列车使用的列控系统。“不同企业生产的列控系统进行迭代升级，都在这里完成相应的功能测试验证。”唐涛教授介绍，实验室面向轨道交通高质量发展的国家重大需求，主持或参与完成了高铁、地铁等轨道交通列车运行控制系统标准及规范的编制工作，填补了本领域的空白。
在途监测，智能巡检
“健康管家”全域全息感知行车风险
王志鹏，轨道交通控制与安全国家重点实验室副教授。
最近，他正和团队成员一起加班加点，为无人机全自动智能巡检系统做部署投用前的飞行数据链路和边缘计算模块测试。
据介绍，这一系统投用后，将可实现对相应高铁线路基础设施的全域全息的无人化巡检。“也就是说，在设定了巡检范围和内容后，无人机可自主进行航线规划、起降飞行、跟踪捕捉巡检目标、研判分析巡检数据等，全过程无需人工介入。”王志鹏告诉记者。
记者了解到，无人机全自动智能巡检系统是轨道交通控制与安全国家重点实验室研发的高速列车一体化主动安全保障系统的重要组成部分。这是高速列车主动安全与运维保障的重大技术创新。
据介绍，近年来，随着高铁运行速度不断提高、高铁网络快速发展、列车保有量不断增加、运行环境与工况更加复杂，对其安全保障工作也提出新的挑战。
过去，对列车“健康状态”的监测主要是通过对车载设备、外部设备等进行定期检查和维修，对钢轨、接触线网等基础设施的“体检”则主要是依靠人工和综合轨检车巡检，费时费力，而且存在检测不及时、微弱故障难以发现等问题。
那么，有没有这样一套系统，能够实现对高速列车运行安全的在途监测及安全预警？
实验室科研团队不断探索攻关，融合大数据、物联网、人工智能等前沿科技，最终成功研发出高速列车在途安全监控预警系统设备，实现了对高速列车运行过程的全域全息感知与在途检测维修。“就是在列车全身布设不同的传感设备，像人一样可以听到、看到、感知到自身的健康状态以及周围的运行环境，经数据分析，及时作出诊断评估，并将结果反馈到控制系统。”王志鹏介绍，这一技术已在我国高铁列车上得到应用。
不仅如此，科研团队还研发出一种基于5G+AI的无人机高速铁路基础设施巡检系统，并在中国高铁标准示范线——京沪高铁线路巡检中得到应用。
“轨道上任何微小的变化和环境中任何可能对行车安全造成影响的因素变化，都能够及时得到捕捉和预警，大大提高运营安全水平。”据实验室相关负责同志介绍，科研团队在列车运行安全保障、运维效率提升和科技进步等方面发挥了引领作用，使得高速列车可用性提高10%、定期检修效率提高20%、运维成本降低25%，奠定了我国轨道交通向主动安全与运维保障转型的技术基础。
在此基础上，实验室科研团队继续攻关，将高速列车车载在途健康管理、运行环境智能感知、无人机全自动智能巡检等功能进行一体化融合，形成前文提到的高速列车一体化主动安全保障系统，可针对高速列车运行过程风险实现空车地一体化的监测、检测、诊断、预警，为保持我国在该领域技术创新的国际领先位置和高速铁路系统可持续发展提供了坚实保障。未来，列车健康状态如何、基础设施及运行环境是否存在安全隐患等，全部可以通过这位“健康管家”知悉。
移动通信系统从2G到5G
让“隔空对话”更通畅
在实验室轨道交通信息通信研究室，孙斌老师向记者展示了地面控制中心的调度指令如何准确无误地传递给高速移动的列车，列车的速度、位置等信息又是如何高效实时地反馈到地面控制中心。
“相隔千里，车地之间仍可实现安全高效精准的‘对话’，离不开通畅的通信网络。”轨道交通控制与安全国家重点实验室副主任熊磊指着桌面上的机车综合无线通信设备告诉记者，这个设备就是高铁列车司机能够与调度中心“隔空对话”的关键设备。
对于轨道交通而言，如同人们用手机打电话、发信息、上网需要移动通信网络一样，车地之间也需要专门的移动通信系统。当前，我国高铁上普遍使用的GSM-R系统，就离不开轨道交通控制与安全国家重点实验室科研人员的技术攻关。
据介绍，列车高速行驶，而且会经过隧道、山区、高架桥等诸多复杂场景，这导致无线电波在传输过程中可能遇到各种问题，信号传输质量发生恶化。熊磊给记者打了个比方，这就好比两个人在打电话，但周围环境混乱嘈杂，就会导致信息接收不准确等问题，“这就要求形成一个车地之间信息传输的专门通道，不会被其他信息干扰。”
GSM-R系统就是为了实现高速移动、复杂场景下的信息安全高效精准传输。
当前，轨道交通运行更高速、更智能，产生了海量信息，对信息高可靠低延迟传输提出了更大挑战。随着国家新基建的加快推进，5G技术也正被融入高铁移动通信系统的研发，业内人士称为5G-R。
与我们平时乘坐列车时使用的5G网络不同，5G-R是一个专供高铁信息传输的专网通道。“如果说我们平时使用的移动通信网络是一条开放的高速公路，所有人都可以使用，那么5G-R就是一条专门的车道，专供高铁海量信息的快速传输。”孙斌说。实验室科研团队目前已攻克了铁路5G无线信道仿真与互联互通关键技术。
记者了解到，未来5G-R系统投用后，“隔空对话”将更加通畅，车地之间将可实现任何位置、任何时间的实时视频通话。
“这些只是我们众多自主创新成果的一部分。”唐涛教授表示，当前，轨道交通网络遍布全国各地，他们仍将持续为轨道交通安全运营贡献新的技术力量。