张志春、何澄、张亚忠
（1.陕西铁路物流集团有限公司，陕西 西安 719300；2.陕西靖神铁路有限责任公司，陕西 榆林 719000；3.卡斯柯信号有限公司，北京 100070）
0 引言
我国铁路网规模达到15 万km，其中高速铁路不足4 万km。面对普速铁路运输不断提高的运量需求，需要对普速铁路列控系统进行一定的升级改造。如果将全部普速铁路列控系统升级为高铁列控系统，将存在以下问题：
其一，高铁列控系统轨旁设备众多、线缆铺设极其复杂，尤其是列车占用检查和完整性监控所需的轨道电路设备安装维护成本较高，列车定位所需的实体应答器布置安装复杂。
其二，高铁列控系统虽然对固定闭塞进行了优化，但列车目标制动点仍然应在前方列车所占用闭塞分区的外方，尚没有突破轨逋电路的限制，不能最大限度地减少列车追踪间隔。
由于地方货运铁路普遍站间距离短，轨道利用率不高，以上问题更为突出，因此提高地方货运铁路的运输效率问题受到广泛关注。
随着我国铁路科学技术的快速发展，列控技术发展聚焦在卫星定位技术应用和移动闭塞等方向上，旨在应用最新技术和创新手段，提升铁路运输能力、服务质量和列控系统性能，降低全生命周期成本。智能列控系统是在已有列控系统的研究和开发成果的基础上，针对地方货运铁路的应用需求，综合运用北斗卫星定位的多源融合列车自主定位、移动闭塞、电子地图、完整性检测、基于IP 的（4G）无线通信等技术，实现系统运行高效化、轨旁设备简约化、室内设备集中化，满足移动闭塞运行要求的智能列控系统。
1 系统架构
智能列控系统主要由车载设备、地面设备组成，系统结构如图1 所示。
图1 系统结构图
车载设备主要包括车载主机、车载外围设备及列尾设备，车载设备采用冗余结构，单系独立设备故障后不影响系统运用。
地面设备主要由轨旁设备和中心设备组成：轨旁设备主要包括车站联锁设备、定位应答器、卫星差分基站等；中心设备主要包括无线闭塞中心、临时限速服务器。
2 关键技术
2.1 基于北斗卫星的列车自主定位
车载设备融合北斗导航、速度传感器等多种信息，结合电子地图、虚拟应答器和实体应答器，实现满足列车运行控制精度、安全性、可靠性要求的列车综合定位功能。
在卫星信号接收良好的地区，列车定位依靠卫星定位，融合惯性导航、车轮速度传感器进行定位；在车站，通过增加卫星差分基站提高卫星定位的精度；在短隧道等卫星信号短时遮挡地区，主要依靠惯性导航和车轮速度传感器进行定位；在长隧道等卫星信号受遮挡地区，在隧道内配置无源应答器，辅助惯性导航和车轮速度传感器进行列车定位。车载设备应能够接收北斗差分信息，提高卫星定位的精度。北斗差分定位信息传输路径如图2 所示。
图2 北斗差分定位信息传输路径
2.2 基于车载的列车完整性检测
基于车载的列车完整性检测主要是基于列车制动管风压检测的列尾防护装置，通过检测列车制动风管压力的情况，判断列车的完整状态和制动状态的异常。当列车制动风管压力因非正常原因而泄漏，低于正常值时，列尾设备判断完整性故障，发出报警提示以保证列车的运行安全。但是基于列车制动管风压检测的列尾防护装置存在一些问题。例如，风压折角塞门关闭，导致采用人工方式查询风压不能保证列尾风压检测的实时性；公用的通信通道使得无线列调与列尾检测系统之间存在冲突和干扰。
智能列控系统采用的安全列尾主机不仅可以实时监控列车风管压力，同时还通过卫星定位单元实时获取列尾的位置、速度、加速度信息，判断列车的完整性。保证了在列车运行过程中的完整性监控，在提升效率的同时，具备更高的安全性。
列尾主机与车载主机的无线通信使用国密安全协议，列尾主机周期性地向车载主机发送列尾风压信息和北斗定位信息，车载主机通过计算列首及列尾的相对车长、速度、风压等，结合地图匹配等技术，判断列车的完整性状态。车载主机考虑列车运行线路周围的山体、隧道、建筑物等对北斗定位功能的影响，合理设计列尾风压、北斗定位信息在不同工况下判断列车完整性状态的权重。车载主机和列尾主机无线通信示意如图3 所示。
图3 列尾主机无线通信示意图
2.3 LTE 无线通信技术
LTE 无线通信技术为高铁列控系统使用的GSMR 无线通信技术升级后的技术，具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等方面的优势，并且在公众移动通信领域、各行业应用上已经非常成熟，具备完整的技术标准和成熟的产业链。因此，利用LTE 技术构建宽带移动通信平台，并承载车地无线通信、安全列尾等安全业务是铁路信号无线发展的方向。
智能列控系统车载设备使用双套APN 专线接入，通过安全数据通信协议保证数据传输的安全性。通过LTE 无线通信技术，可以使车地信息交互在1s 内完成，极大地提升了信息交互的实时性，为列控系统的安全性提供了保障。LTE 无线网络通信方式如图4所示。
图4 LTE 无线网络通信方式
2.4 移动闭塞技术
智能列控系统车载设备以无线闭塞中心发送的行车许可作为行车凭证。基于列车的精确定位和车地双向连续通信，后车的行车许可能够到达前车的安全车尾，实现列车紧密追踪、列车超速防护，可以有效解决现行机车信号使用的控车安全性不足的问题，同时移动闭塞实现了运能动态配置的功能，根据运能需要增加和缩短列车的追踪间隔。
移动闭塞区间能力提升原理如图5 所示。
图5 移动闭塞区间能力提升
在智能列控系统中，区间后车以前车车尾作为危险点进行追踪运行。此时，列车在区段内任意位置的间隔为前后两车在安全间隔距离的运行时间。区间追踪间隔示意图见图6。
图6 区间追踪间隔
车站同方向发车间隔L应为前行列车出清第一离去区段，发车进路解锁，发车进路信号即可开放。同方向发车示意图见图7。
图7 同方向发车
车站内按进路闭塞控制列车运行，区间实现移动闭塞较站间闭塞能够提升效率50%以上，与传统固定闭塞相比，提升效率30%以上，且列车追踪距离不受闭塞分区长度限制，能够更灵活适应多种类型、速度列车同时高效运行。
2.5 人机交互技术
现有普速铁路列控系统为非安全产品，数据为离线存储数据，无法做到实时更新，当线路数据变更时需要批量更换。而且在列车运行过程中，主要依靠司机进行列车防护，无法满足在货运列车不断提速和加大载重情况下对列控系统操控性能的需求。
智能列控系统车载设备使用DMI 实现人机交互功能，解决了普速铁路列控系统车载系统显示离线数据，无法根据实际的线路情况进行显示的问题。根据地方货运铁路运行的情况，通过无线通信技术，可以将中心设备提供的列车前方线路信息及时地传递给车载设备，车载设备通过DMI 实时更新线路数据与线路限速，使司机对前方线路情况有更加清晰的了解。特别是对于重载货运列车，列车长度达几千米，突发制动存在非常大的安全隐患，所以，通过DMI 实时显示前方线路数据，有效解决临时限速情况下的列车安全行驶问题。
2.6 与既有系统兼容性
现有普速铁路列控系统覆盖面很广，因此新的列控系统与既有系统的兼容问题不容忽视。智能列控系统能与既有系统实现智能切换，在不同控制系统的控制区间实现自动切换，而且通过DMI 对司机进行提示，提高驾驶的简便性。同时智能列控系统不影响未装备设备的列车运行，可以实现普速铁路列控系统与智能列控系统的混跑，极具实际应用的价值。
3 结语
智能列控系统应用北斗卫星实现了列车自主安全定位和完整性检测，符合产业发展方向和国家相关技术政策，推动了北斗系统在铁路行业的应用。同时将智能列控引入铁路货运系统，使铁路货运更加智能高效。不仅如此，将北斗系统全面引入铁路行业，可以切实推动北斗卫星定位在铁路行业的深度融合发展和规模化应用，有力拉动铁路位置服务相关的信息消费，促进铁路行业经济结构优化与转型升级。随着北斗系统启动全球覆盖及地基增强系统的建设，北斗产业将在高速铁路、“一带一路”等新一轮国家和世界发展战略中赢得更多的历史机遇，“铁路+北斗”产业化发展将带来更多的社会效益。
