京沈高鐵列車駕駛室

 

1909年，隨著詹天佑主持的京張鐵路建成，中國(guó)的鐵路夢(mèng)正式開啟。

110年后，它與世界上第一條最高設(shè)計(jì)時(shí)速350公里的高寒、大風(fēng)沙高速鐵路——京張高鐵，完成了跨越百年的“握手”。

值得一提的是，這次“握手”，由于采用了目前已在京沈高鐵上順利完成測(cè)試并投入試運(yùn)營(yíng)的列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(ATO)，標(biāo)志著我國(guó)高鐵從人工駕駛向自動(dòng)駕駛的重大飛躍。

在中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán))的領(lǐng)導(dǎo)和統(tǒng)一部署下，北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱和利時(shí))全程參與了高鐵ATO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作。

和利時(shí)總工程師汪小亮告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，高鐵ATO系統(tǒng)有助于節(jié)能降耗、緩解司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高運(yùn)營(yíng)效率、增強(qiáng)運(yùn)行的可靠性和安全性，“未來有望在全國(guó)高鐵線路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛”。

“競(jìng)速”自動(dòng)駕駛

隨著人們對(duì)出行安全、準(zhǔn)點(diǎn)、舒適等要求的提高，世界各國(guó)開始紛紛“競(jìng)速”列車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域。

2013年，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)啟動(dòng)了歐洲下一代列車控制系統(tǒng)NGTC項(xiàng)目，研究具有列車自動(dòng)駕駛等功能的干線鐵路及城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)化列車控制系統(tǒng)。2015年，歐盟全面啟動(dòng)了“構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃”，其中，以自動(dòng)駕駛為代表的先進(jìn)交通管理控制系統(tǒng)是五大創(chuàng)新工作包之一。

此外，法國(guó)國(guó)家鐵路運(yùn)營(yíng)商宣布2022年將在法國(guó)鐵路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)列車自動(dòng)駕駛。德國(guó)鐵路公司也公布了2023年實(shí)現(xiàn)干線自動(dòng)駕駛的工作計(jì)劃。

研究高速鐵路列車自動(dòng)駕駛技術(shù)是我國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展所需，也是確立我國(guó)高速鐵路整體技術(shù)水平國(guó)際地位的需要。

尤其是我國(guó)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)、環(huán)境復(fù)雜多變，司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度非常大。我國(guó)高速列車駕駛主要依靠司機(jī)，這也造成安全、準(zhǔn)點(diǎn)、舒適等方面的要求依賴于司機(jī)的業(yè)務(wù)水平，司機(jī)需要根據(jù)行車調(diào)度命令、列控系統(tǒng)車載人機(jī)界面設(shè)備顯示、前方地面信號(hào)顯示等情況來駕駛列車運(yùn)行。

但是在京沈高鐵上，在高鐵ATO系統(tǒng)的保障下，司機(jī)只需在確保乘客全部進(jìn)入車廂后，按下關(guān)門按鈕及啟動(dòng)車輛按鈕即可，兩者之間的關(guān)系更像是“系統(tǒng)工作，司機(jī)監(jiān)督”。

和利時(shí)列控車載產(chǎn)品總監(jiān)黃文宇介紹說，高鐵ATO系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、到站自動(dòng)停車、停車后自動(dòng)打開車門、車門與站臺(tái)屏蔽門之間自動(dòng)聯(lián)控等五大功能，“時(shí)速350公里的高鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)，是國(guó)際首創(chuàng)”。

汪小亮介紹道，列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CTCS)是我國(guó)高速鐵路建設(shè)重要技術(shù)裝備之一，在城際鐵路領(lǐng)域，2016年，我國(guó)就已經(jīng)在珠三角的莞惠和佛肇兩條時(shí)速200公里的城際鐵路上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。“這是基于200～250km/h線路CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，而此次研發(fā)的高鐵ATO系統(tǒng)則是基于300～350km/h線路CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，是在之前等級(jí)上的延展，無論從速度和復(fù)雜程度而言，都有很大的挑戰(zhàn)。”

爭(zhēng)分奪秒 精益求精

時(shí)間緊，任務(wù)重，研制高鐵ATO系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜而嚴(yán)密的系統(tǒng)工程。2017年初，和利時(shí)接到國(guó)鐵集團(tuán)的相關(guān)任務(wù)，為保證系統(tǒng)2019年底在京張高鐵上順利應(yīng)用，和利時(shí)迅速組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)，進(jìn)入系統(tǒng)研制階段。

“列車實(shí)現(xiàn)停準(zhǔn)停穩(wěn)，看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上，設(shè)計(jì)工程非常龐大和嚴(yán)密，當(dāng)車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行時(shí)，會(huì)有較大的計(jì)算誤差。”黃文宇回憶時(shí)不由得感慨道，“這涉及到眾多環(huán)節(jié)，為了保證精準(zhǔn)�？�，我們必須精益求精，保證每個(gè)環(huán)節(jié)的誤差都在一定范圍內(nèi)。”

針對(duì)此問題，國(guó)際上也曾提出過很多解決方案，例如使用雷達(dá)速度傳感器、GPS系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。但是，雷達(dá)速度傳感器對(duì)安裝和應(yīng)用環(huán)境要求較高，現(xiàn)場(chǎng)故障率較高。GPS系統(tǒng)受限于地理環(huán)境，難以解決地下和隧道環(huán)境的應(yīng)用問題。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則成本太高，無法工程化。

重重困難下，研發(fā)團(tuán)隊(duì)借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，將輪軸速度傳感器和加速度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)而提高了列車速度計(jì)算精度。該算法能夠有效檢測(cè)出車輪是否發(fā)生空轉(zhuǎn)、滑行，而且計(jì)算的列車速度平滑。黃文宇說，“列車最終可實(shí)現(xiàn)鐵路要求的‘±50厘米’之間的�？空`差，實(shí)際上，我們的系統(tǒng)可以達(dá)到‘±30厘米’之內(nèi)的誤差，并且在列車停車時(shí)仍能保證較好的乘客舒適度。”

為保證系統(tǒng)按時(shí)保質(zhì)的交付，研發(fā)團(tuán)隊(duì)爭(zhēng)分奪秒，甚至連續(xù)一個(gè)季度兩班倒，全天24小時(shí)奮戰(zhàn)在一線。汪小亮回憶道，高鐵ATO系統(tǒng)必須進(jìn)行9個(gè)月的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，為此，團(tuán)隊(duì)成員幾乎連續(xù)9個(gè)月在京沈高鐵上不斷地試驗(yàn)、測(cè)試、調(diào)整。

經(jīng)過研發(fā)團(tuán)隊(duì)的不懈努力，這套技術(shù)上為國(guó)際首創(chuàng)的高鐵ATO系統(tǒng)于2018年5月順利進(jìn)入京沈高鐵的試驗(yàn)階段，并于2018年底順利通過中國(guó)鐵路總公司(現(xiàn)國(guó)鐵集團(tuán))試用評(píng)審和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，正式進(jìn)入京沈高鐵的試運(yùn)營(yíng)階段。

“有望在全國(guó)高鐵線路實(shí)現(xiàn)”

我國(guó)高鐵ATO技術(shù)發(fā)展迅猛，絕非偶然，這是科研人員多年潛心研究的積累。

和利時(shí)是從電子部六所孵化而來，自1993年開啟了自主創(chuàng)業(yè)之路。2000年，和利時(shí)進(jìn)入了軌道交通領(lǐng)域，多年來一直為我國(guó)鐵路相關(guān)部門提供鐵路列控技術(shù)裝備和服務(wù)，也是相關(guān)設(shè)備為數(shù)不多的具備國(guó)家鐵路供貨資質(zhì)的單位之一。

汪小亮和黃文宇都是在畢業(yè)之時(shí)就選擇加入和利時(shí)，在當(dāng)時(shí)，高鐵自動(dòng)駕駛系統(tǒng)還并未興起，但他們相信，“未來，我國(guó)高鐵一定會(huì)迎來大發(fā)展”。十余年，他們也見證了我國(guó)高鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)從概念到現(xiàn)實(shí)、從無到世界第一的歷程。

黃文宇告訴記者，隨著高鐵ATO系統(tǒng)的應(yīng)用，司機(jī)并不會(huì)被完全取代，高鐵ATO系統(tǒng)也并非為了取代司機(jī)，而是要將司機(jī)從繁雜的勞動(dòng)中解放，讓司機(jī)有更多的精力去處理緊急情況，從而使運(yùn)行更加安全。

黃文宇進(jìn)一步說，“高鐵ATO系統(tǒng)是以安全為導(dǎo)向的，即使遇到信號(hào)故障等情況也會(huì)有相應(yīng)的制動(dòng)措施。此外，高鐵ATO系統(tǒng)還有嚴(yán)密的信息防護(hù)措施，即使有黑客想要攻擊，他們也無‘可入之門’，完全封閉的系統(tǒng)進(jìn)一步提高了系統(tǒng)安全等級(jí)。”

談及下一步計(jì)劃，汪小亮說，高鐵ATO技術(shù)還將進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的線路、天氣條件、運(yùn)營(yíng)車輛種類等。“此外，隨著高鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)的成熟，有望在全國(guó)高鐵線路實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，而且隨著國(guó)外對(duì)高鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)的重視，我國(guó)的高鐵自動(dòng)駕駛技術(shù)有望走出國(guó)門，展示屬于我國(guó)高鐵的新名片。”

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