寧 濱， 莫志松， 李開(kāi)成

(1. 北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100044；2. 北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心， 北京 100044)

自2004年1月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)通過(guò)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》以來(lái)，中國(guó)高速鐵路從引進(jìn)吸收再創(chuàng)新，到自主掌握核心技術(shù)，形成了以中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(Chinese Train Control Systems，CTCS)為核心的信號(hào)系統(tǒng)。到2017年底，以“四縱四橫”為骨干的中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)2.5萬(wàn)km，占世界高鐵總量的66.3%，并規(guī)劃到2025年，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)總里程約3.8萬(wàn)km左右。目前，世界各國(guó)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)，如我國(guó)的CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)、CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)、歐洲列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(European Train Control Systems, ETCS)、日本DS-ATC系統(tǒng)等都實(shí)現(xiàn)了部分自動(dòng)化，但列車(chē)運(yùn)行仍然以人工駕駛為主。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大、運(yùn)行速度的不斷提高，高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)從保障高鐵安全高效運(yùn)行，拓展到多層域狀態(tài)智能感知、系統(tǒng)協(xié)同控制、安全態(tài)勢(shì)評(píng)估、大數(shù)據(jù)融合與智能維護(hù)、行程智能引導(dǎo)等前沿領(lǐng)域與技術(shù)的系統(tǒng)性研究領(lǐng)域。以京張高鐵、京雄高鐵為代表的一批智能高鐵項(xiàng)目的啟動(dòng)與實(shí)施，搭載著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、北斗定位、5G通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)迅猛發(fā)展，標(biāo)志著中國(guó)高速鐵路進(jìn)入智能化發(fā)展新階段?，F(xiàn)階段，高速鐵路自動(dòng)駕駛(Automatic Train Operation, ATO)、智能調(diào)度指揮(Centralized Traffic Control, CTC)、智能維護(hù)等技術(shù)，在支撐高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)智能化的過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)控制自動(dòng)化、調(diào)度指揮智能化及運(yùn)維監(jiān)控現(xiàn)代化。

現(xiàn)階段高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)的三大典型智能技術(shù)為高速鐵路自動(dòng)駕駛、智能調(diào)度指揮、智能運(yùn)維，以及高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)智能。

1 高速鐵路自動(dòng)駕駛(ATO)

1.1 系統(tǒng)原理與主要功能

在列車(chē)超速防護(hù)(Automatic Train Protection, ATP)系統(tǒng)保障列車(chē)安全運(yùn)行的前提下，高速鐵路ATO系統(tǒng)按照優(yōu)化運(yùn)行曲線(xiàn)驅(qū)動(dòng)列車(chē)安全高效運(yùn)行，通常采用控制器追蹤既定速度-位置曲線(xiàn)的方法，從而提高列車(chē)運(yùn)行效率，降低牽引能耗，減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度。如何控制列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中精確追蹤既定曲線(xiàn)一直是學(xué)術(shù)界一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

高速鐵路ATO信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其主要功能包含以下五個(gè)方面：

(1) 車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)控制。當(dāng)車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)關(guān)閉、出站進(jìn)路排列完成后，ATO車(chē)載設(shè)備獲得發(fā)車(chē)授權(quán)并提示司機(jī)發(fā)車(chē)；經(jīng)司機(jī)按壓按鈕確認(rèn)后，ATO車(chē)載設(shè)備控制列車(chē)自動(dòng)發(fā)車(chē)。

(2) 區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行控制。在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，ATO車(chē)載設(shè)備根據(jù)地面設(shè)備提供的運(yùn)行計(jì)劃(即下一車(chē)站的到達(dá)時(shí)刻)，結(jié)合列車(chē)的牽引制動(dòng)性能，自動(dòng)選擇區(qū)間運(yùn)行曲線(xiàn)；并根據(jù)該曲線(xiàn)控制列車(chē)加速、巡航、惰行、減速和停車(chē)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行。

(3) 車(chē)站自動(dòng)停車(chē)控制。ATO車(chē)載設(shè)備通過(guò)精確定位應(yīng)答器進(jìn)行位置校正，并根據(jù)列車(chē)停車(chē)位置和制動(dòng)性能，自動(dòng)控制列車(chē)在車(chē)站股道停車(chē)標(biāo)處對(duì)標(biāo)停車(chē)。

(4) 車(chē)門(mén)自動(dòng)開(kāi)門(mén)防護(hù)控制。列車(chē)進(jìn)入車(chē)站股道停車(chē)后，ATP判斷列車(chē)停準(zhǔn)、停穩(wěn)并根據(jù)接收的站臺(tái)側(cè)信息，對(duì)車(chē)門(mén)進(jìn)行開(kāi)門(mén)防護(hù)；ATO按接收到運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)打開(kāi)相應(yīng)的車(chē)門(mén)。

(5) 車(chē)門(mén)/站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制。當(dāng)車(chē)站設(shè)置站臺(tái)門(mén)時(shí)，ATO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)的聯(lián)動(dòng)控制。

在列車(chē)行駛過(guò)程中，ATO系統(tǒng)通過(guò)車(chē)載速度傳感器和軌旁定位設(shè)備獲得列車(chē)位置x和速度v，并通過(guò)車(chē)-地傳輸設(shè)備獲得運(yùn)行計(jì)劃和線(xiàn)路信息。ATO的速度控制器嵌入在車(chē)載計(jì)算機(jī)中的控制算法中，將反饋信息v與預(yù)定位置的推薦速度進(jìn)行比較以確定控制命令u，以便列車(chē)可以盡可能精確地跟蹤推薦的速度曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

高速鐵路ATO是保證高速列車(chē)在多等級(jí)切換和復(fù)雜運(yùn)行場(chǎng)景等條件下，列車(chē)高速平穩(wěn)運(yùn)行及一次精確控制(從運(yùn)行速度最高350 km/h到0 km/h時(shí)列車(chē)停穩(wěn)、停準(zhǔn))的核心，由于其具有運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，地鐵、城際鐵路中常用的PID、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、迭代學(xué)習(xí)控制等傳統(tǒng)方法[1]難以適用，需要提高其自適應(yīng)性與自學(xué)習(xí)特性。曲線(xiàn)優(yōu)化、準(zhǔn)點(diǎn)控制和跟蹤控制是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 曲線(xiàn)優(yōu)化

推薦速度曲線(xiàn)(或列車(chē)軌跡)優(yōu)化通常被抽象為基于式( 1 )的最優(yōu)控制問(wèn)題[2]。

( 1 )

式中：F、B分別為控制變量加速力、制動(dòng)力。

目標(biāo)函數(shù)為在給定運(yùn)行時(shí)間、乘坐舒適性、轉(zhuǎn)換頻率或在這些指標(biāo)之間的平衡下的列車(chē)能耗。因此，限定運(yùn)行時(shí)間下列車(chē)從車(chē)站i到車(chē)站i+1的列車(chē)節(jié)能曲線(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

( 2 )

曲線(xiàn)優(yōu)化的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在，應(yīng)用極大值原理、近似動(dòng)態(tài)規(guī)劃等方法在相應(yīng)的約束下對(duì)上述目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中，還需考慮舒適度約束、準(zhǔn)時(shí)性約束、限速約束、控制變量限制等。

(2) 準(zhǔn)點(diǎn)控制

高速鐵路站間距離較長(zhǎng)、運(yùn)行擾動(dòng)成因復(fù)雜控制站間運(yùn)行時(shí)間困難，需要設(shè)計(jì)一種閉環(huán)機(jī)制用以控制列車(chē)運(yùn)行時(shí)間的偏差。因此，需要建立高精度列車(chē)牽引計(jì)算模型以保證控制的準(zhǔn)確性，同時(shí)可以建立基于檢查點(diǎn)的準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行控制方案，通過(guò)在預(yù)定點(diǎn)處對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)的檢查實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制以保證列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)率[3]。

( 3 )

式中:tsi、vsi分別為列車(chē)在si處的實(shí)際時(shí)間和運(yùn)行速度；Ti為計(jì)劃時(shí)間；Vi為計(jì)劃運(yùn)行速度。

(3) 跟蹤控制

區(qū)間運(yùn)行常用基于多目標(biāo)尋優(yōu)的智能化區(qū)間運(yùn)行策略選擇算法進(jìn)行研究。區(qū)間運(yùn)行策略的選擇，實(shí)質(zhì)是復(fù)雜輸入條件下多目標(biāo)尋優(yōu)的最優(yōu)控制問(wèn)題，其核心是在列車(chē)安全、正點(diǎn)、節(jié)能、舒適等多重目標(biāo)下，尋求最優(yōu)的區(qū)間運(yùn)行方法[4]。基于高速列車(chē)實(shí)際位置與速度的檢測(cè)與反饋，通過(guò)定義實(shí)時(shí)位置誤差ep=p-pd和速度誤差ev=v-vd，將高速鐵路ATO控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一類(lèi)誤差鎮(zhèn)定問(wèn)題。其中，p、v、pd、vd分別代表列車(chē)位置、速度、目標(biāo)位置、目標(biāo)速度。

2 高速鐵路智能調(diào)度指揮(CTC)

2.1 系統(tǒng)原理與主要功能

高速鐵路調(diào)度可分為戰(zhàn)略層、戰(zhàn)術(shù)層和操作層三個(gè)層次，見(jiàn)圖3，包括運(yùn)行計(jì)劃制定和運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整兩個(gè)方面。對(duì)比既有調(diào)度與智能調(diào)度，智能CTC是從“人工經(jīng)驗(yàn)型被動(dòng)反應(yīng)”向“科學(xué)高效主動(dòng)調(diào)控”轉(zhuǎn)變，其目的是為了“一日一圖”和“優(yōu)化調(diào)整”，在運(yùn)輸資源和約束動(dòng)態(tài)變化時(shí)快捷編制運(yùn)行圖，在發(fā)生突發(fā)事件造成行車(chē)秩序紊亂時(shí)盡快恢復(fù)行車(chē)秩序。具體表現(xiàn)為在戰(zhàn)略層和戰(zhàn)術(shù)層，從開(kāi)行方案和運(yùn)行圖的分層分布迭代轉(zhuǎn)變?yōu)椤伴_(kāi)行方案-運(yùn)行圖”動(dòng)態(tài)一體化編制；在操作層從憑人工經(jīng)驗(yàn)調(diào)度為主變化為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測(cè)性智能調(diào)度，通過(guò)資源的優(yōu)化配置和應(yīng)急處置能力的提升，以支撐我國(guó)建設(shè)“智能高鐵”之智能運(yùn)輸?shù)男枨骩5]。

智能高鐵調(diào)度集中(CTC)系統(tǒng)以現(xiàn)有CTC系統(tǒng)為基礎(chǔ)，不改變現(xiàn)有CTC系統(tǒng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)階段計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整功能為核心，兼顧異構(gòu)信息共享和智能安全控制功能，優(yōu)化完善現(xiàn)有CTC系統(tǒng)，系統(tǒng)框架見(jiàn)圖4。

相對(duì)原CTC系統(tǒng)，智能CTC系統(tǒng)在列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃智能調(diào)整、列車(chē)進(jìn)路和命令安全卡控和行車(chē)信息數(shù)據(jù)平臺(tái)信息共享等方面進(jìn)一步優(yōu)化和完善，其主要功能包含以下三個(gè)方面。

(1) 列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃智能調(diào)整。在風(fēng)雨雪等惡劣天氣或設(shè)備故障等應(yīng)急情況下，利用列車(chē)交路、最小折返時(shí)間和到發(fā)線(xiàn)運(yùn)用等關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)庫(kù)，并遵循不改變列車(chē)運(yùn)行先后順序和停靠站點(diǎn)的基礎(chǔ)策略，建立與限速關(guān)聯(lián)的晚點(diǎn)車(chē)次、總晚點(diǎn)時(shí)間、到發(fā)線(xiàn)運(yùn)用等綜合列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃智能調(diào)整策略，實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的智能和快速調(diào)整，以提高調(diào)度員應(yīng)急處置效率；同時(shí)通過(guò)建立列車(chē)計(jì)劃調(diào)整專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，對(duì)不同因素造成的晚點(diǎn)和調(diào)整方案進(jìn)行歸類(lèi)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整案例和經(jīng)驗(yàn)的累積，解決調(diào)度員對(duì)應(yīng)急方案學(xué)習(xí)和調(diào)整方案進(jìn)一步優(yōu)化的問(wèn)題。

(2) 列車(chē)進(jìn)路和命令安全智能卡控。融合CTC相關(guān)行車(chē)和信號(hào)邏輯關(guān)系，拓展自律卡控條件，提高行車(chē)安全性。智能卡控內(nèi)容包括：進(jìn)路道岔一鍵單鎖和解鎖，實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)列車(chē)進(jìn)路的重點(diǎn)智能盯控；卡控不一致的調(diào)度計(jì)劃與執(zhí)行路徑，防止調(diào)度員階段計(jì)劃中的人為錯(cuò)誤；有效卡控分路不良道岔的未單鎖操作等。

(3) 行車(chē)信息大數(shù)據(jù)平臺(tái)。將CTC系統(tǒng)與鐵路運(yùn)輸信息集成平臺(tái)深度結(jié)合，實(shí)現(xiàn)CTC與客運(yùn)、供電、施工、防災(zāi)等多專(zhuān)業(yè)信息互聯(lián)和實(shí)時(shí)共享，提供應(yīng)急處置流程、列車(chē)運(yùn)行綜合展示、客票(旅客人數(shù)、座席)信息和司乘信息展示、線(xiàn)路停送電的自動(dòng)化卡控、施工命令符號(hào)自動(dòng)上圖和防災(zāi)限速信息自動(dòng)提取等功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的智能調(diào)整通常使用線(xiàn)性規(guī)劃模型、混合整數(shù)規(guī)劃模型、約束規(guī)劃模型、交互圖模型、模糊Petri網(wǎng)和專(zhuān)家系統(tǒng)模型、離散事件模型和仿真模型[6-10]等進(jìn)行分析，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和增強(qiáng)學(xué)習(xí)等人工智能理論方法。列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃的智能調(diào)整涉及時(shí)刻表調(diào)整、動(dòng)車(chē)組調(diào)度和乘務(wù)計(jì)劃調(diào)度三個(gè)方面。

(1) 時(shí)刻表調(diào)整

在給定計(jì)劃運(yùn)行圖以及當(dāng)前列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)和干擾相關(guān)信息等基礎(chǔ)上，首先對(duì)列車(chē)運(yùn)行圖進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)分析干擾影響后偏離原定運(yùn)行計(jì)劃的列車(chē)，盡可能少調(diào)整計(jì)劃列車(chē)運(yùn)行圖。其特點(diǎn)是在極少情況下需要局部調(diào)整相鄰列車(chē)的順序，不需要對(duì)列車(chē)進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整，使受干擾影響的列車(chē)盡快地恢復(fù)正常運(yùn)行。時(shí)刻表調(diào)整問(wèn)題通常采用車(chē)間調(diào)度作業(yè)模型描述為[11]

min(tn-t0)

( 4 )

式中:t0,…,tn是操作0,…,n的開(kāi)始時(shí)間，其中操作0和操作n是假定操作，該模型的目標(biāo)函數(shù)表示為所有操作所經(jīng)過(guò)時(shí)間，通過(guò)最小化目標(biāo)函數(shù)減小列車(chē)運(yùn)行延遲。

(2) 動(dòng)車(chē)組調(diào)度

由于干擾對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響很大，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行計(jì)劃需要調(diào)整，并根據(jù)調(diào)整后的列車(chē)運(yùn)行圖，改變動(dòng)車(chē)組的交路。其特點(diǎn)是運(yùn)行圖和動(dòng)車(chē)組之間需要一個(gè)反饋調(diào)整的過(guò)程，即先調(diào)整運(yùn)行圖，在此基礎(chǔ)上調(diào)整動(dòng)車(chē)組運(yùn)用計(jì)劃，動(dòng)車(chē)組調(diào)整和運(yùn)行圖調(diào)整密不可分，它們之間的反饋調(diào)整使列車(chē)運(yùn)行調(diào)整問(wèn)題更加復(fù)雜，卻能使調(diào)整后的列車(chē)運(yùn)行方案更加切實(shí)可行。動(dòng)車(chē)組調(diào)度問(wèn)題可以用描述為多商品流圖模型表示，其中節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于特定時(shí)刻的站點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間的弧表示為必須按照時(shí)刻表執(zhí)行的過(guò)程[12]。

(3) 乘務(wù)計(jì)劃調(diào)度

乘務(wù)組包括動(dòng)車(chē)司機(jī)和列車(chē)乘務(wù)員，僅在有動(dòng)車(chē)交路計(jì)劃發(fā)生變化時(shí)才需要調(diào)整，其調(diào)整目標(biāo)為乘務(wù)組的值乘時(shí)間、取消運(yùn)行的列車(chē)數(shù)量以及各乘務(wù)組的工作量。乘務(wù)計(jì)劃調(diào)度可以表述為一個(gè)擴(kuò)展集覆蓋問(wèn)題，因?yàn)橛?jì)劃階段乘務(wù)人員的任務(wù)與計(jì)劃階段的任務(wù)類(lèi)似，所以在調(diào)度時(shí)需要考慮計(jì)劃階段的任務(wù)[13]。

3 高速鐵路智能運(yùn)維

3.1 系統(tǒng)原理與主要功能

基于電務(wù)大數(shù)據(jù)的智能運(yùn)維系統(tǒng)按照鐵路局和鐵路總公司兩級(jí)部署進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、分析與計(jì)算框架。系統(tǒng)遵循“平臺(tái)+應(yīng)用”模式，平臺(tái)應(yīng)用鐵路一體化信息集成平臺(tái)中的鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)[14]，信號(hào)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)匯聚與融合后統(tǒng)一存入到平臺(tái)中，在平臺(tái)之上開(kāi)發(fā)電務(wù)運(yùn)維的智能化應(yīng)用模塊。高速鐵路智能運(yùn)維系統(tǒng)采用電務(wù)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和作業(yè)管理等信息系統(tǒng)產(chǎn)生的海量結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。高速鐵路智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖5。

高速鐵路智能運(yùn)維系統(tǒng)總體分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)匯聚與融合、數(shù)據(jù)服務(wù)與數(shù)據(jù)應(yīng)用。

(1) 數(shù)據(jù)匯聚與融合。系統(tǒng)將信號(hào)集中監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)信息以及信號(hào)技術(shù)設(shè)備履歷管理系統(tǒng)產(chǎn)生的靜態(tài)信息統(tǒng)一匯聚，并將各系統(tǒng)產(chǎn)生的多種類(lèi)型的、獨(dú)立的、松耦合的、語(yǔ)義不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成融合，通過(guò)數(shù)據(jù)的抽取、凈化、轉(zhuǎn)化、加載過(guò)程，從物理和邏輯層面構(gòu)成一個(gè)集成的數(shù)據(jù)集合，為后續(xù)的數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

(2) 數(shù)據(jù)服務(wù)。數(shù)據(jù)匯聚與融合完成后，統(tǒng)一送至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)作為鐵路一體化信息集成平臺(tái)的重要組成部分，是中國(guó)鐵路總公司及各鐵路局進(jìn)行數(shù)據(jù)集中管理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，為大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)交換與分析支持。

(3) 數(shù)據(jù)應(yīng)用。運(yùn)用數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)提供的分析和挖掘工具，對(duì)電務(wù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析；綜合分析數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)中各信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為各類(lèi)電務(wù)人員提供智能化的應(yīng)用。主要包括設(shè)備綜合監(jiān)測(cè)、設(shè)備全壽命周期管理、設(shè)備智能診斷、設(shè)備健康管理與故障預(yù)測(cè)、應(yīng)急指揮、智能化作業(yè)等。

基于數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，通常采用大數(shù)據(jù)分析與因果邏輯分析兩種方法對(duì)電務(wù)大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘和分析，實(shí)現(xiàn)電務(wù)智能化應(yīng)用，包括如下主要功能。

(1) 設(shè)備綜合監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)視各信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài)，并集中顯示各信號(hào)設(shè)備狀態(tài)、業(yè)務(wù)和管理信息。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)載和地面信號(hào)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的聯(lián)動(dòng)分析，實(shí)現(xiàn)車(chē)地閉環(huán)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)通過(guò)GIS地圖實(shí)時(shí)顯示各信號(hào)設(shè)備及作業(yè)人員的地理位置，可以快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮及任務(wù)工單自動(dòng)下發(fā)。

(2) 設(shè)備全壽命周期管理。系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)上各信號(hào)系統(tǒng)的全量動(dòng)靜態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電務(wù)設(shè)備的全壽命周期管理。系統(tǒng)賦予每個(gè)設(shè)備、板件唯一身份標(biāo)識(shí)碼，對(duì)其出廠—運(yùn)行—維修—中修—大修—更改—報(bào)廢的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行追蹤，并結(jié)合預(yù)報(bào)警、故障等動(dòng)態(tài)信息，對(duì)其全壽命周期內(nèi)運(yùn)行用情況進(jìn)行分析，保證設(shè)備健康、高效、低成本的運(yùn)行。

(3) 智能診斷分析。采用綜合分析法，對(duì)存在內(nèi)在聯(lián)系的信息進(jìn)行持續(xù)跟蹤分析，智能比對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的一致性，智能分析邏輯的正確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備異常狀態(tài)。采用大數(shù)據(jù)分析法，在大量數(shù)據(jù)里發(fā)現(xiàn)有價(jià)值數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備隱患提前發(fā)現(xiàn)、設(shè)備故障精確定位。

(4) 設(shè)備健康管理與故障預(yù)測(cè)。依托數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的健康管理和動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)，當(dāng)設(shè)備即將達(dá)到維修周期或出現(xiàn)劣化趨勢(shì)時(shí)，及時(shí)預(yù)警提醒維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)系統(tǒng)以日常的健康日志、年度體檢、壽命評(píng)估、年?duì)顟B(tài)分析等方式開(kāi)展健康管理，對(duì)設(shè)備的健康狀況進(jìn)行評(píng)估；系統(tǒng)以鐵路局為單位，以各信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)檢測(cè)及維修信息為對(duì)象，采用可視化分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、預(yù)測(cè)分析等大數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并綜合運(yùn)用基于物理失效、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)以及基于兩者融合的故障預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。

(5) 應(yīng)急指揮。在出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)智能診斷分析的結(jié)果快速定位故障點(diǎn)或范圍，綜合協(xié)同現(xiàn)場(chǎng)人員、應(yīng)急車(chē)輛、備品備件、技術(shù)資料、技術(shù)專(zhuān)家等資源，通過(guò)電子地圖、衛(wèi)星地圖、單兵視頻等直觀的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)急情況的可視化指揮調(diào)度，并通過(guò)智能化作業(yè)卡控流程實(shí)現(xiàn)指揮調(diào)度工單的自動(dòng)下發(fā)。

(6) 作業(yè)流程智能化卡控。依托數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的電務(wù)生產(chǎn)指揮及設(shè)備智能診斷分析信息，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程的智能化卡控。根據(jù)電務(wù)生產(chǎn)指揮系統(tǒng)的計(jì)劃及設(shè)備診斷結(jié)果，系統(tǒng)自動(dòng)生成生產(chǎn)計(jì)劃，并按照作業(yè)流程自動(dòng)派發(fā)工單，作業(yè)工單可以自動(dòng)同步到作業(yè)人員手持終端；通過(guò)作業(yè)過(guò)程中匯聚到數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的設(shè)備監(jiān)測(cè)及人員作業(yè)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)過(guò)程的智能化監(jiān)控；通過(guò)對(duì)作業(yè)后相關(guān)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)效果的智能評(píng)估。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

智能運(yùn)維需要對(duì)長(zhǎng)期、海量、異構(gòu)歷史數(shù)據(jù)(如電務(wù)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖片、維修文本記錄、設(shè)備臺(tái)賬等)進(jìn)行有效存儲(chǔ)、檢索、故障模式挖掘和劣化趨勢(shì)分析。傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和處理技術(shù)難于適應(yīng)這種需求，隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，重點(diǎn)研究基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的電務(wù)設(shè)備健康管理和故障預(yù)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電務(wù)設(shè)備超前預(yù)防，提前發(fā)現(xiàn)并有效化解系統(tǒng)源頭風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

電務(wù)運(yùn)維數(shù)據(jù)包括集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的結(jié)構(gòu)化時(shí)間序列數(shù)據(jù)，圖像監(jiān)控、列控司法記錄儀等半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及記錄日志等非結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)，不能有效實(shí)現(xiàn)知識(shí)的共享和互操作，這將影響高速鐵路的智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)決策和行車(chē)效率。多源異構(gòu)信息融合技術(shù)和方法，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合互補(bǔ)，形成一致性、綜合性電務(wù)維護(hù)數(shù)據(jù)[15-16]。

(2) 基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智能診斷技術(shù)

利用主題模型(Latent Dirichlet Allocation，LDA)中主題詞項(xiàng)分布和文檔主題分布進(jìn)行文本挖掘[17]，采用基于大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的智能診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量(TB甚至PB級(jí))、異構(gòu)數(shù)據(jù)(電務(wù)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖片、維修文本記錄、設(shè)備臺(tái)賬等)的云存儲(chǔ)，電務(wù)設(shè)備多維運(yùn)行狀態(tài)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的檢索、綜合集成和可視化，電務(wù)設(shè)備故障診斷與精確定位。

(3) 故障預(yù)測(cè)技術(shù)

利用隱馬爾科夫模型(Hidden Markov Model，HMM)方法，融合壓力、電流、電壓等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)建立基于狀態(tài)的簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)(Simple State-Based Prognostic，SSBP)模型，實(shí)現(xiàn)道岔設(shè)備的故障預(yù)測(cè)[18]；利用時(shí)間延時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自回歸滑動(dòng)平均模型，實(shí)現(xiàn)道岔設(shè)備的故障預(yù)測(cè)[19]；通過(guò)建立基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fuzzy Neural Network，F(xiàn)NN)的軌道電路故障診斷與預(yù)測(cè)模型，研究軌道電路故障預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)軌道電路故障預(yù)測(cè)與健康管理[20]。

4 高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)智能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

智能高鐵的研究和應(yīng)用剛剛起步，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)的智能化擁有很大發(fā)展空間。

(1) 多層域狀態(tài)智能感知

軌道交通自動(dòng)化等級(jí)的進(jìn)一步提高和高速列車(chē)自動(dòng)駕駛的發(fā)展等，需要運(yùn)用列車(chē)運(yùn)行周界檢測(cè)與入侵物智能感知技術(shù)和識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通運(yùn)載工具、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行周界等進(jìn)行全天候、全場(chǎng)景、跨區(qū)間、多層域的狀態(tài)實(shí)時(shí)感知，除了在列車(chē)上增加智能感知設(shè)備外，在鐵路沿線(xiàn)也要增加智能感知設(shè)備，并將感知狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸給列車(chē)，實(shí)現(xiàn)車(chē)、地相結(jié)合的智能感知。

未來(lái)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)可對(duì)車(chē)、電、機(jī)和環(huán)境的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和融合，見(jiàn)圖6。通過(guò)M-M網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間信息傳輸，利用全感知信息的障礙物狀態(tài)輸入，實(shí)現(xiàn)高精度、高安全的列車(chē)移動(dòng)閉塞控制。

(2) 車(chē)-車(chē)通信

目前在用的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)都是以“地面設(shè)備為中心”，各個(gè)列車(chē)將自身的狀態(tài)信息匯集到地面中心設(shè)備，然后由地面設(shè)備再向相關(guān)列車(chē)發(fā)送，造成追蹤列車(chē)(后車(chē))對(duì)前方列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)信息獲取不及時(shí)。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，車(chē)-車(chē)通信(Vehicle to Vehicle)技術(shù)變?yōu)榭赡埽?jiàn)圖7，使得傳統(tǒng)的線(xiàn)性通信變?yōu)榱巳峭ㄐ诺木W(wǎng)絡(luò)。前車(chē)可通過(guò)車(chē)-車(chē)通信的通道直接將位置、狀態(tài)等安全相關(guān)信息發(fā)送至后行列車(chē)，使后行列車(chē)增加了獲取前車(chē)位置的渠道，綜合地面設(shè)備的信息，增強(qiáng)主動(dòng)防護(hù)的能力。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)列車(chē)間的直接通信，實(shí)時(shí)獲取前車(chē)的位置信息、速度信息和運(yùn)行狀態(tài)信息(牽引或者制動(dòng))等信息，提高列車(chē)控制的反應(yīng)能力，為列車(chē)智能駕駛提供及時(shí)、全面的信息。

(3) 智能駕駛

研究發(fā)展高速鐵路移動(dòng)閉塞技術(shù)和更高自動(dòng)化程度(GoA3/GoA4級(jí))的列車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)，進(jìn)一步提高運(yùn)能、降低能耗，進(jìn)一步提高列車(chē)操縱自動(dòng)化水平、減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、優(yōu)化旅客旅行體驗(yàn)。

未來(lái)高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車(chē)智能駕駛，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備替代司機(jī)智能化地駕駛列車(chē)，使列車(chē)平穩(wěn)地加速至行駛速度，自動(dòng)調(diào)整車(chē)速，并使列車(chē)平穩(wěn)地停在車(chē)站的正確位置。智能駕駛系統(tǒng)與地面調(diào)度控制系統(tǒng)直接通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督、引導(dǎo)列車(chē)按預(yù)定的時(shí)刻表運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智能駕駛系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

通過(guò)列車(chē)智能系統(tǒng)部分或完全替代駕駛員，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)速度更安全、高效、舒適、節(jié)能的控制，實(shí)現(xiàn)單體列車(chē)的最優(yōu)化控制。

(4) 智能調(diào)度控制一體化

運(yùn)用先進(jìn)的感知、傳輸、控制方法和技術(shù)，利用實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋、精細(xì)抗擾控制和列車(chē)智能分群調(diào)度的思想，深度融合調(diào)度指揮和運(yùn)行控制，研究突發(fā)事件的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的高速鐵路列車(chē)群協(xié)同控制與動(dòng)態(tài)調(diào)度理論、深度融合調(diào)度指揮和列車(chē)運(yùn)行控制的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有“快(實(shí)時(shí))、智(智能)、協(xié)(協(xié)同)、穩(wěn)(穩(wěn)定)”特色的智能調(diào)度與列車(chē)運(yùn)行優(yōu)化控制一體化，從而實(shí)現(xiàn)路網(wǎng)整體運(yùn)行效率全局最優(yōu)化控制，全面提升及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力。實(shí)現(xiàn)控制調(diào)度智能、扁平、全局化的控制調(diào)度一體化理念見(jiàn)圖9。

(5) 智能維護(hù)

隨著傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理、人工智能、深度學(xué)習(xí)和云計(jì)算技術(shù)的不斷成熟和實(shí)踐，可以在對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行全面數(shù)字化、信息化和智能化的基礎(chǔ)上，通過(guò)海量數(shù)據(jù)挖據(jù)、機(jī)器自學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)關(guān)系建模等方法，完善和開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的故障精準(zhǔn)定位技術(shù)、故障處理的向?qū)Ъ夹g(shù)，同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)維修調(diào)度指揮流程和業(yè)務(wù)的有機(jī)結(jié)合和聯(lián)動(dòng)，健全信號(hào)系統(tǒng)健康管理PHM體系，在預(yù)防性維修和綜合維護(hù)方面發(fā)揮更加積極有效的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

智能、綠色是人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，鑒于高速鐵路天然的環(huán)保特征，智能高鐵必將在第四次工業(yè)革命中占據(jù)重要地位。2035年中國(guó)將率先建成發(fā)達(dá)完善的以高速鐵路為骨干的現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)提供強(qiáng)大運(yùn)輸保障，進(jìn)而使中國(guó)鐵路成為社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志和組成部分。高速鐵路將向基于智能感知和車(chē)-車(chē)通信的移動(dòng)閉塞，以及全系統(tǒng)、全過(guò)程智能化和高度自動(dòng)化方向發(fā)展，高速鐵路將會(huì)更加安全、更加高效、更加舒適、更加環(huán)保，在交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)中獨(dú)樹(shù)一幟，并引領(lǐng)世界高速鐵路的發(fā)展。