一、引言
高速鐵路是應用技術和社會經(jīng)濟高度發(fā)展的產(chǎn)物，經(jīng)濟發(fā)達和人流密集是各國修建高鐵的兩個基本前提。我國人口眾多，大城市密集，且區(qū)域集中度高、呈點線分布，適合于發(fā)展高鐵。
高鐵交通具有速度快、運量大、能耗小、碳排低、占地省的優(yōu)勢，對交通和經(jīng)濟社會發(fā)展具有“革命性”影響，受到各地歡迎，都希望成為高鐵樞紐或重要節(jié)點。高鐵在我國較大規(guī)模發(fā)展是必然的，從中央到地方都有很高積極性。
從2004年底開始建設，2008年8月1日投入運營的京津城際鐵路，設計時速350km/h，是我國第一條高鐵線路。
高鐵建設發(fā)展至今，中國目前已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模以及最高運營速度的高速鐵路網(wǎng)。截止2013年10月，中國高鐵總里程達到10463公里，“四縱”干線基本成型。目前，中國高速鐵路運營里程約占世界高鐵運營里程的46%，穩(wěn)居世界高鐵里程榜首。
根據(jù)中長期鐵路規(guī)劃，到2020年中國的四縱四橫客運專線網(wǎng)絡全長將達到16000公里，中國高鐵，前程似錦。
在大規(guī)模高鐵線路建設的同時，我國在高鐵列車制造領域，吸收了多國先進制造技術作集成創(chuàng)新，設計制造了和諧號系列動車組列車，不但大量滿足了國內(nèi)高鐵線路運行的需要，還呈現(xiàn)向發(fā)達國家出口先進產(chǎn)品的巨大潛力。
一個同時靠鐵路建設和列車制造雙輪驅(qū)動的高鐵強國雛型已顯山露水。
但是，2012年發(fā)生的7.23甬溫追尾撞車事故，給正處于“高鐵大躍進”熱潮的中國高鐵重重潑了盆冷水。雖然甬溫線的設計時速200公里，屬快速鐵路，還不是真正的高鐵，但其嚴重后果，還是波及到中國高鐵和鐵路建設領域的方方面面。經(jīng)過認真調(diào)查，確定事故主因在設計和管理。但在設計管理后面所反映的，同樣也暴露出我國高鐵列車信號和控制體系的技術不足。7.23事故在國內(nèi)外產(chǎn)生的負面影響，至今尚未完全消除。
可見，防追尾撞車的列控ATP系統(tǒng)的重要性，對于中國高鐵影響力之巨大，可見一斑。因此，研發(fā)高層次列控系統(tǒng)成為當前高鐵建設和列車制造領域十分迫切的戰(zhàn)略性目標。
二、高鐵高層次列控系統(tǒng)
7.23撞車事故的教訓是，我們不僅要看到其中的管理問題，不僅要看到設備故障導致安全原則的重要性，更要看到現(xiàn)有ATP系統(tǒng)本質(zhì)上的不足之處。那就是，由于運動性的限制，現(xiàn)有系統(tǒng)必竟還屬于一種安全性不高的被動控制系統(tǒng)。被動控制系統(tǒng)的大部分傳感器件、控制中心、管理者都處于列車之外的路面。而作為牽涉安全運行的關鍵一方，列車司機被動獲得信息，被動駕駛，從而造成被動避撞。司機既不易觀察到線路前方的列車，又不能感知危險的存在，而及至發(fā)現(xiàn)撞車危險，也是回天無術，再難制止或減緩危險的結(jié)局，這就是現(xiàn)有ATP系統(tǒng)本身的弱點。
那么，如果在現(xiàn)有被動防撞的基礎之上，增加列車自身主動的避撞功能，主動避碰防撞功能中的所有傳感器、計算器、顯示器都在列車駕駛室，司機就有了一位可靠“助手”在旁邊，顯示列車的安全運行狀態(tài)，那情況就會完全不一樣，這就是本文所要探討的“主動/被動復合型列控系統(tǒng)”。將單一的被動控制進化到被動和主動雙模式控制，系統(tǒng)安全性將產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍，這一點是比較容易理解的，也是大多數(shù)人可以想象得到的。
但是，能稱得上一種高層次的實用控制系統(tǒng)，有著非常嚴格的技術和經(jīng)濟要求，這是實現(xiàn)主動/被動復合型列控系統(tǒng)目標的重要條件。
第一，在涉及列控重要目標之一的列車定位原理上，高層次列控系統(tǒng)的定位原理應該不同于現(xiàn)有系統(tǒng)的定位原理。因為，如果二者原理相同的話，那么出現(xiàn)在現(xiàn)有系統(tǒng)中的故障，同樣會引起新系統(tǒng)的故障，故障同源，會發(fā)生同源型危險，增加的系統(tǒng)只是從數(shù)量上減少危險，不可能在質(zhì)量上降低危險概率，起不到互為補充、大幅度減少危險的作用，也就沒有多大的實用價值。
有一個很說明問題的故事，說的是相互為鄰的瞎子和雙腿癱瘓的瘸子。有一天房屋失火，兩人都知道很難從大火中逃生。于是，二者取長補短，由瘸子指路，瞎子背著瘸子，兩位殘疾人通過合作協(xié)同，安全地逃出了火海。假設兩位都是瘸子或都是瞎子，就是同源弱勢，就不那么容易安全逃生。這個道理用在列控系統(tǒng)中，說明了兩種不同原理的定位方法構(gòu)成的系統(tǒng)，具有安全互補作用，能大幅降低危險概率，其安全性遠比單一方法優(yōu)越和可靠。
單就現(xiàn)有系統(tǒng)的列車定位而言，低速鐵路主要采用軌道電路和計程相結(jié)合的定位閉塞，高速鐵路則增加了查詢—應答器定位和GSM-R通信，而高層次列控系統(tǒng)必須異于這一定位，我們則研發(fā)了“運動學定位”。
第二，高層次列控系統(tǒng)的車—地通信的要求高于現(xiàn)有系統(tǒng)，現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)僅給出地面控制中心（TCC）的運行指令，而高層次列控系統(tǒng)必須將本列車同向線路前后列車的動態(tài)信息（位置、速度甚至加速度）傳送到本車。所以高層次列控系統(tǒng)的通信要求也比現(xiàn)有系統(tǒng)高。
第三，高層次列控系統(tǒng)整機的增加成本，應控制在不超過現(xiàn)有系統(tǒng)2%的價格水平。也就是說，只有采用新系統(tǒng)所增加的成本是微不足道這一大前提，才有可能使新列控系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)有著同一經(jīng)濟成本，才能迅速獲得應用推廣。
只有這樣的列控系統(tǒng)，才能稱得上能在技術性和經(jīng)濟性上，有替代現(xiàn)有系統(tǒng)潛力的高層次列控系統(tǒng)。
三、高層次列控系統(tǒng)的定位原理——“運動學定位”方案
鐵路的“查詢—應答器定位”作為點定位是簡便有效的方法，作為復合系統(tǒng)的本系統(tǒng)仍然保留此作為被動定位。但如何從點定位擴展到線定位，現(xiàn)有系統(tǒng)采用測速法。本系統(tǒng)則采用有別于現(xiàn)有系統(tǒng)的“運動學定位”方案。
所謂“運動學計程定位”，就是利用列車查詢器在應答器間運行時間差的運動學方程，通過計算機軟件求解出列車平均速度和平均加速度。
圖1所示為應答器運動學計程原理圖。在圖1的系統(tǒng)中，（1）為列車查詢器，（2）為鋪設在軌道面上的應答器，應答器的地理坐標在列車查詢器經(jīng)過瞬間以編碼形式告知列車和CTC。
圖1中，標號B1、B2、B3分別為列車前進方向上安裝在二軌道中間的、按序分布的三個應答器（2），列車前行時將依此經(jīng)過B1、B2、B3。列車查詢器（1）經(jīng)過應答器的時間點分別為t1、t2、t3。同時，由軌道設計安裝所決定的B1與B2間的距離為（B2-B1），同樣可得B2與B3間的距離為（B3-B2）。
由運動學方程，可得到列車在B1與B2區(qū)間行駛的平均速度v2為：
v2 =（B2-B1）/（t2-t1） （式1），
同理，列車在B2與B3區(qū)間行駛的平均速度v3為：
v3 =（B3-B2）/（t3-t2） （式2），
按上二式可算得，列車在B2與B3間線路上的平均加速度數(shù)值a3為：
a3 = （v3-v2）/（t3-t2） （式3），
再通過測速電路中計數(shù)脈沖與速度的函數(shù)解析，就能夠求解出列車的瞬時速度和瞬時加速度，有了這兩個即時運動數(shù)據(jù)，再通過運動學方程積分計程，就可以得到任意時刻列車位置、速度、加速度的信息，達到線定位的目的，即在查詢器B3后列車所處軌道位置sx與時間tx的函數(shù)關系將一一對應，明確無誤，待到B4查詢器后，還可以對定位點作修正。
sx = B3 + v3·（tx-t3）+ a3·（tx-t3）2/2 （式4）
圖1 單發(fā)查詢器運動學計程原理圖
如果a為變量，則作函數(shù)積分定位確定列車位置。
如果查詢器分布較密，則可以將平均速度看做在該區(qū)間的瞬時速度。在查詢器分布稀疏的情況下，可以利用車載測速脈沖與轉(zhuǎn)速的函數(shù)解析轉(zhuǎn)化為瞬時速度。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，由于測速脈沖與線定位間的函數(shù)關系涉及車輪直徑等因素，所以會隨車輪磨損而產(chǎn)生額外誤差。
而在本系統(tǒng)中，由于不同時刻的測速脈沖是相對量，與車輪直徑無關，不受車輪磨損影響，而空轉(zhuǎn)的影響本身屬于小隨機概率變量，所以影響也很小，只要適當增加應答器的數(shù)量，就可以使得列車的線上定位精度達到實用性要求。
應答器則作為精確位置點定位坐標，用于糾正系統(tǒng)的累積定位偏差。
另一種運動學計程定位方法稱為雙發(fā)查詢器運動學計程。
眾所周知，每列動車組列車通常設計成前后兩個車頭，以方便列車調(diào)頭行駛。通常，運行中總是車頭的查詢器工作，車尾的查詢器休息。
雙發(fā)查詢器運動學計程必須使車頭車尾的兩個查詢器都參與工作。利用車頭查詢器和車尾查詢器駛過同一應答器的時間差△t確定整個列車經(jīng)過該應答器的平均速度V，V的計算式為：
V = L/△t （式5），
其中，L為列車二查詢器間的距離。
圖2為雙發(fā)查詢器運動學計程原理圖。圖中，（11）和（12）分別為車頭查詢器和車尾查詢器。
圖 2 雙發(fā)查詢器運動學計程原理圖
在雙發(fā)查詢器裝置的運動學測速計程方法原理圖中， t11和t12的△t時間短，所以整個列車經(jīng)過該應答器（2）的平均速度v可以認為列車在經(jīng)過該應答器的瞬時速度，這樣可以減少系統(tǒng)的計算工作量。運動學計算公式為：
v1 = L/（t12-t11） （式6），
同理，可計算出列車經(jīng)過應答器B2的平均速度v2為：
v2 = L/（t22-t21） （式7），
按上面二式可算得，列車在B1至B2線路段的平均加速度數(shù)值為：
a2 = （v2-v1）/（t2-t1） （式8），
則可以得到列車在軌道任何點上的時間、速度和加速度的數(shù)值，換句話說，可以得到任何時間點上的列車位置、速度和加速度的數(shù)值。
sx = B1 + v1?（tx1-t11）+ a1?（tx1-t11）2/2 （式9）。
通過（式6至式8）與（式1至式3）的比較，可以發(fā)現(xiàn)，在單發(fā)查詢器中，原來要越過二個應答器才能計算出列車速度v，越過三個應答器才能得到的加速度a，在雙發(fā)查詢器裝置中只要越過一個或二個應答器即可以分別計算出v和a。與單發(fā)相似，由于長度L可能遠小于應答器間距離，在這么短距離中算得的速度、加速度數(shù)值，同樣可以通過測速電路中計數(shù)脈沖與速度的函數(shù)解析，求解出列車的瞬時速度和瞬時加速度，準確性也有很大的提高。
如果將單發(fā)和雙發(fā)查詢器運動學計程結(jié)合定位，將使列車定位精度產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。
此外，雙發(fā)裝置的方法還會帶來其額外的功能，例如，可以用來監(jiān)視列車是否在行進途中脫編解列，一旦發(fā)現(xiàn)二個定位數(shù)值超過列車長度L，則可立刻判斷列車掉尾，系統(tǒng)或司機也可以在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)異常，及時向地面線路調(diào)度發(fā)送故障信息，防止后面的列車發(fā)生碰撞事故。
另外，同一列車單發(fā)、雙發(fā)同時工作，等同于采用兩種方法的冗余結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)某一計程計算故障，另一計程自動擔當獨立主動防護責任繼續(xù)工作，可以增加列車的安全性和可靠性，減少列車因設備故障可能產(chǎn)生的安全風險。
關于運動學計程的進一步技術論述，將在今后專文詳述。
四、高層次列控系統(tǒng)的車—地通信
車—地通信是驅(qū)動ATP列控系統(tǒng)的另一個輪子。常速鐵路有采用查詢—應答器的簡易的18個信息的報文通信，但高鐵發(fā)展的趨勢都向著GSM-R的移動通信方式實現(xiàn)車—地通信。即通過GSM-R向調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC)的RBC報告列車位置、速度、狀態(tài)等信息，由地面向列車發(fā)送調(diào)度指揮命令。
GSM-R是一種基于目前世界最成熟、最通用的公共無線通信系統(tǒng)GSM平臺上的、專門為滿足鐵路應用而開發(fā)的數(shù)字式的無線通信系統(tǒng)，針對鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點，為鐵路運營提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟高效的綜合無線通信系統(tǒng)。從集群通信的角度來看，GSM-R是一種數(shù)字式的集群系統(tǒng)，能提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、應急通信、養(yǎng)護維修組通信等語音通信功能。它在GSM Phase2+的規(guī)范協(xié)議的高級語音呼叫功能，如組呼、廣播呼叫、多優(yōu)先級搶占和強拆業(yè)務的基礎上，加入了基于位置尋址和功能尋址等功能，適用于鐵路通信特別是鐵路專用調(diào)度通信的需要。主要提供無線列調(diào)、編組調(diào)車通信、區(qū)段養(yǎng)護維修作業(yè)通信、應急通信、隧道通信等語音通信功能，可為列車自動控制與檢測信息提供數(shù)據(jù)傳輸通道，并可提供列車自動尋址和旅客服務，還能夠滿足列車運行速度每小時500公里的無線通信要求，與以往中國鐵路所采用的單信道模擬系統(tǒng)相比，GSM-R系統(tǒng)達到了國際行業(yè)水平。該項技術在GSM的發(fā)起地區(qū)歐洲得到了推崇，德國和法國、荷蘭、瑞士等國家已在鐵路沿線進行了GSM-R的放號投運。
GSM-R（General Service Mobile-Railways），業(yè)已成為我國鐵路移動通信系統(tǒng)標準，和我國現(xiàn)在覆蓋最大的GSM網(wǎng)絡標準相仿，也就是在GSM標準中加入了一些適合高速移動環(huán)境使用的要素。在中國鐵路的頻段為上行885-889MHz，下行方向為930-934MHz。
在高層次列控系統(tǒng)中，必須通過車—地通信裝置傳送的信息，除了上述內(nèi)容外，更重要的還有本車同向線路（即轉(zhuǎn)轍機指引線路）前后方列車的位置坐標、速度和加速度數(shù)據(jù)。所以對車—地通信裝置的要求更高。
在GSM向3G進化過程中，鑒于3G技術使用頻率太高，不能滿足鐵路部門希望經(jīng)濟、實惠地實現(xiàn)在廣泛地域內(nèi)的大覆蓋目標，而且在語音業(yè)務上3G技術與2G技術并沒有本質(zhì)區(qū)別等諸多因素。部分國家和地區(qū)的鐵路運營公司，如英國和日本，開始嘗試利用寬帶無線接入技術進行數(shù)據(jù)傳輸以解決旅客移動信息服務的問題。我國鐵路具有150MHz、450MHz和900MHz等頻率資源，相關研究機構(gòu)考慮采用跨頻段頻率資源聚合的方式，研究多載波LTE-R系統(tǒng)，實現(xiàn)高速鐵路列車安全運行車—地數(shù)據(jù)的高效傳輸。國際鐵路聯(lián)盟UIC計劃從2014年開始進行GSM-R向LTE-R的演進工作，確保GSM-R的生命周期隨電信技術的不斷發(fā)展而獲得延長，UIC明確表示3G技術不適用于鐵路。因此，未來GSM-R不會過渡到3G，而是直接過渡到4G的LTE-R。
LTE-R(Long Term Evolution-Railways)能夠提供簡單、高效、低時延、低造價的網(wǎng)絡，同時可以提供安全的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務。另外，LTE基于全IP的網(wǎng)絡架構(gòu)，允許電信運營商和鐵路運營商共同開發(fā)統(tǒng)一的車—地通信系統(tǒng)，并重用已部署的站點和設備，節(jié)省投資成本。與GSM-R相比，特點可以概括為“一限四高”，即無線資源受限、高數(shù)據(jù)速率、高移動性、高QoS、高RAMS(安全性)。目前UIC、國內(nèi)外大學和相關研究機構(gòu)都在積極研究采用OFDMA、MIMO、中繼、協(xié)作等LTE關鍵技術作為鐵路安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸技術。
為提高通信質(zhì)量，高層次列控車—地通信裝置的其它重要通信選項有：
1、GPRS（General Packet Radio Service）通用無線分組業(yè)務，是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術，即以分組的“形式”傳送數(shù)據(jù)的業(yè)務。相對于GSM的9.6kbps的訪問速度而言，GPRS擁有171.2kbps的訪問速度；在連接建立時間方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要極短的時間就可以訪問到相關請求，GPRS對于網(wǎng)絡資源的利用率遠高于GSM。
2、衛(wèi)星通信，衛(wèi)星通信可通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)車—地通信，國內(nèi)外有多種衛(wèi)星通信工具。我國的北斗導航系統(tǒng)已經(jīng)成網(wǎng)投運，比采用國外系統(tǒng)安全性有保證。但在鐵路應用中，目前還有一系列技術問題尚待解決，例如，衛(wèi)星通信無線鏈路的傳輸時延比較長；如何實現(xiàn)在隧道等非視距的情況下有效通信；以及與現(xiàn)有陸地無線通信系統(tǒng)之間可能存在的干擾和消除等問題，都有待解決。但衛(wèi)星通信可以作為地面通信系統(tǒng)的補充，當?shù)孛嫱ㄐ畔到y(tǒng)發(fā)生事故、無法有效運行時，通過衛(wèi)星導航進行通信就可能成為有效的補充手段。
有必要一提的是，中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)"BDS"（BeiDou Navigation Satellite System）是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，既有通信功能，又有定位功能。以前曾有學者提出GPS衛(wèi)星通信，但由于GPS通信系統(tǒng)掌握在美國軍方手中，信息安全性受到制約，另外，GPS系統(tǒng)在例如隧道、山脈和城市等復雜地形的影響應用受到限制，所以不如GSM-R實用。而我國的北斗系統(tǒng)，非但有更強的定位能力，而且通信功能也優(yōu)于美國的GPS系統(tǒng)，應該成為高層次列控優(yōu)先采用的通信方案，至于地形的局限，可以采用局部漏纜或裂縫波導管加以彌補克服。目前，以GSM-R為主，增加地面和空中的兩套輔助的通信系統(tǒng)，應該成為高層次列控系統(tǒng)的車—地通信的優(yōu)選方案。
五、高層次列控系統(tǒng)小結(jié)
作為全球矚目的高鐵大國，中國應該在吸收集成創(chuàng)新取得現(xiàn)有成果的基礎上，不滿足于現(xiàn)狀，而應更加強調(diào)獨創(chuàng)核心技術的研發(fā)。高層次列控系統(tǒng)的課題也是我們在研發(fā)“高鐵合分聯(lián)運系統(tǒng)”中，有感到“合分聯(lián)運”需要更安全的列控系統(tǒng)的技術支持，有感于從7.23所暴露出的我國高鐵列車信號和控制體系的技術不足，而產(chǎn)生的一種創(chuàng)新思路。
通過列車的運動學計程定位的輔佐，相信能改變現(xiàn)有系統(tǒng)被動定位單一模式的安全隱患，以主動/被動雙模式控制防護提高列車定位的安全冗余能力，且所增加的主動功能是靠軟件方式和列車上已有的測速脈沖設備所獲得，并無其它硬件投入，所以在成本上經(jīng)濟便行，推廣應該比較容易。
對于高鐵系統(tǒng)的車—地通信，也提出了在現(xiàn)有GSM-R基礎上，本文結(jié)合國際技術發(fā)展趨勢，增加其它通信手段，作升級換代的一些設想。
通信技術是當代科技中最突飛猛進的大技術門類之一，不管是無線通信還是網(wǎng)絡通信，都有巨大的技術創(chuàng)新潛力。人類已能實現(xiàn)與遙遠的行星衛(wèi)星通信，相比之下，實現(xiàn)軌道列車間的通信應該說易如反掌，今后如能達到“車—車通信”的目標，不管是直接通信還是間接通信，則前后列車間保持移動閉塞將是一個非常理想的ATP方案?？梢赃@么說，只要高鐵領域能提出具體通信要求，通信領域的專家和企業(yè)定能以合理的成本研制出滿意解決方案的產(chǎn)品。開門納賢、廣羅人才是中國高鐵高速技術發(fā)展的重要途徑。
作為遠未結(jié)束的小結(jié)，冀望中國高鐵打破技術壁壘，更上一層樓，搶占世界高鐵制高點，描繪一幅無與倫比的中國高鐵藍圖，同時也為全球高鐵事業(yè)作出更大貢獻！
