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，中國的鐵路夢正式開啟。

110年后，它與世界上第一條最高設計時速350公里的高寒、大風沙高速鐵路——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試并投入試運營的列車自動駕駛系統(ATO)，標志著我國高鐵從人工駕駛向自動駕駛的重大飛躍。

在中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱國鐵集團)的領導和統一部署下，北京和利時系統工程有限公司(以下簡稱和利時)全程參與了高鐵ATO系統的設計和開發工作。

和利時總工程師汪小亮告訴《中國科學報》，高鐵ATO系統有助于節能降耗、緩解司機勞動強度、提高運營效率、增強運行的可靠性和安全性，“未來有望在全國高鐵線路實現自動駕駛”。

“競速”自動駕駛

隨著人們對出行安全、準點、舒適等要求的提高，世界各國開始紛紛“競速”列車自動駕駛領域。

2013年，歐洲鐵路行業協會啟動了歐洲下一代列車控制系統NGTC項目，研究具有列車自動駕駛等功能的干線鐵路及城市軌道交通標準化列車控制系統。2015年，歐盟全面啟動了“構建未來鐵路系統聯合行動計劃”，其中，以自動駕駛為代表的先進交通管理控制系統是五大創新工作包之一。

此外，法國國家鐵路運營商宣布2022年將在法國鐵路網運營列車自動駕駛。德國鐵路公司也公布了2023年實現干線自動駕駛的工作計劃。

研究高速鐵路列車自動駕駛技術是我國高速鐵路技術發展所需，也是確立我國高速鐵路整體技術水平國際地位的需要。

尤其是我國高速鐵路的運營里程長、環境復雜多變，司機的勞動強度非常大。我國高速列車駕駛主要依靠司機，這也造成安全、準點、舒適等方面的要求依賴于司機的業務水平，司機需要根據行車調度命令、列控系統車載人機界面設備顯示、前方地面信號顯示等情況來駕駛列車運行。

但是在京沈高鐵上，在高鐵ATO系統的保障下，司機只需在確保乘客全部進入車廂后，按下關門按鈕及啟動車輛按鈕即可，兩者之間的關系更像是“系統工作，司機監督”。

和利時列控車載產品總監黃文宇介紹說，高鐵ATO系統可以實現列車自動發車、區間自動運行、到站自動停車、停車后自動打開車門、車門與站臺屏蔽門之間自動聯控等五大功能，“時速350公里的高鐵自動駕駛技術，是國際首創”。

汪小亮介紹道，列車運行控制系統(CTCS)是我國高速鐵路建設重要技術裝備之一，在城際鐵路領域，2016年，我國就已經在珠三角的莞惠和佛肇兩條時速200公里的城際鐵路上實現了自動駕駛。“這是基于200～250km/h線路CTCS-2級列控系統的自動駕駛系統，而此次研發的高鐵ATO系統則是基于300～350km/h線路CTCS-3級列控系統，是在之前等級上的延展，無論從速度和復雜程度而言，都有很大的挑戰。”

爭分奪秒 精益求精

時間緊，任務重，研制高鐵ATO系統是個復雜而嚴密的系統工程。2017年初，和利時接到國鐵集團的相關任務，為保證系統2019年底在京張高鐵上順利應用，和利時迅速組織研發團隊，進入系統研制階段。

“列車實現停準停穩，看似簡單，實際上，設計工程非常龐大和嚴密，當車輪發生空轉、滑行時，會有較大的計算誤差。”黃文宇回憶時不由得感慨道，“這涉及到眾多環節，為了保證精準停靠，我們必須精益求精，保證每個環節的誤差都在一定范圍內。”

針對此問題，國際上也曾提出過很多解決方案，例如使用雷達速度傳感器、GPS系統、慣性導航系統等。但是，雷達速度傳感器對安裝和應用環境要求較高，現場故障率較高。GPS系統受限于地理環境，難以解決地下和隧道環境的應用問題。慣性導航系統則成本太高，無法工程化。

重重困難下，研發團隊借鑒國內外經驗，將輪軸速度傳感器和加速度傳感器數據進行融合，進而提高了列車速度計算精度。該算法能夠有效檢測出車輪是否發生空轉、滑行，而且計算的列車速度平滑。黃文宇說，“列車最終可實現鐵路要求的‘±50厘米’之間的停靠誤差，實際上，我們的系統可以達到‘±30厘米’之內的誤差，并且在列車停車時仍能保證較好的乘客舒適度。”

為保證系統按時保質的交付，研發團隊爭分奪秒，甚至連續一個季度兩班倒，全天24小時奮戰在一線。汪小亮回憶道，高鐵ATO系統必須進行9個月的實驗室和現場測試，為此，團隊成員幾乎連續9個月在京沈高鐵上不斷地試驗、測試、調整。

經過研發團隊的不懈努力，這套技術上為國際首創的高鐵ATO系統于2018年5月順利進入京沈高鐵的試驗階段，并于2018年底順利通過中國鐵路總公司(現國鐵集團)試用評審和現場試驗，正式進入京沈高鐵的試運營階段。

“有望在全國高鐵線路實現”

我國高鐵ATO技術發展迅猛，絕非偶然，這是科研人員多年潛心研究的積累。

和利時是從電子部六所孵化而來，自1993年開啟了自主創業之路。2000年，和利時進入了軌道交通領域，多年來一直為我國鐵路相關部門提供鐵路列控技術裝備和服務，也是相關設備為數不多的具備國家鐵路供貨資質的單位之一。

汪小亮和黃文宇都是在畢業之時就選擇加入和利時，在當時，高鐵自動駕駛系統還并未興起，但他們相信，“未來，我國高鐵一定會迎來大發展”。十余年，他們也見證了我國高鐵自動駕駛技術從概念到現實、從無到世界第一的歷程。

黃文宇告訴記者，隨著高鐵ATO系統的應用，司機并不會被完全取代，高鐵ATO系統也并非為了取代司機，而是要將司機從繁雜的勞動中解放，讓司機有更多的精力去處理緊急情況，從而使運行更加安全。

黃文宇進一步說，“高鐵ATO系統是以安全為導向的，即使遇到信號故障等情況也會有相應的制動措施。此外，高鐵ATO系統還有嚴密的信息防護措施，即使有黑客想要攻擊，他們也無‘可入之門’，完全封閉的系統進一步提高了系統安全等級。”

談及下一步計劃，汪小亮說，高鐵ATO技術還將進一步提高系統的自學習能力，以應對更加復雜的線路、天氣條件、運營車輛種類等。“此外，隨著高鐵自動駕駛技術的成熟，有望在全國高鐵線路實現應用，而且隨著國外對高鐵自動駕駛技術的重視，我國的高鐵自動駕駛技術有望走出國門，展示屬于我國高鐵的新名片。”

(新媒體責編：zfy2019)