我国自动驾驶高铁上演“速度与激情”
京沈高铁列车驾驶室
■本报见习记者 田瑞颖
1909年，随着詹天佑主持的京张铁路建成，中国的铁路梦正式开启。
110年后，它与世界上第一条最高设计时速350公里的高寒、大风沙高速铁路——京张高铁，完成了跨越百年的“握手”。
值得一提的是，这次“握手”，由于采用了目前已在京沈高铁上顺利完成测试并投入试运营的列车自动驾驶系统(ATO)，标志着我国高铁从人工驾驶向自动驾驶的重大飞跃。
在中国国家铁路集团有限公司(以下简称国铁集团)的领导和统一部署下，北京和利时系统工程有限公司(以下简称和利时)全程参与了高铁ATO系统的设计和开发工作。
和利时总工程师汪小亮告诉《中国科学报》，高铁ATO系统有助于节能降耗、缓解司机劳动强度、提高运营效率、增强运行的可靠性和安全性，“未来有望在全国高铁线路实现自动驾驶”。
“竞速”自动驾驶
随着人们对出行安全、准点、舒适等要求的提高，世界各国开始纷纷“竞速”列车自动驾驶领域。
2013年，欧洲铁路行业协会启动了欧洲下一代列车控制系统NGTC项目，研究具有列车自动驾驶等功能的干线铁路及城市轨道交通标准化列车控制系统。2015年，欧盟全面启动了“构建未来铁路系统联合行动计划”，其中，以自动驾驶为代表的先进交通管理控制系统是五大创新工作包之一。
此外，法国国家铁路运营商宣布2022年将在法国铁路网运营列车自动驾驶。德国铁路公司也公布了2023年实现干线自动驾驶的工作计划。
研究高速铁路列车自动驾驶技术是我国高速铁路技术发展所需，也是确立我国高速铁路整体技术水平国际地位的需要。
尤其是我国高速铁路的运营里程长、环境复杂多变，司机的劳动强度非常大。我国高速列车驾驶主要依靠司机，这也造成安全、准点、舒适等方面的要求依赖于司机的业务水平，司机需要根据行车调度命令、列控系统车载人机界面设备显示、前方地面信号显示等情况来驾驶列车运行。
但是在京沈高铁上，在高铁ATO系统的保障下，司机只需在确保乘客全部进入车厢后，按下关门按钮及启动车辆按钮即可，两者之间的关系更像是“系统工作，司机监督”。
和利时列控车载产品总监黄文宇介绍说，高铁ATO系统可以实现列车自动发车、区间自动运行、到站自动停车、停车后自动打开车门、车门与站台屏蔽门之间自动联控等五大功能，“时速350公里的高铁自动驾驶技术，是国际首创”。
汪小亮介绍道，列车运行控制系统(CTCS)是我国高速铁路建设重要技术装备之一，在城际铁路领域，2016年，我国就已经在珠三角的莞惠和佛肇两条时速200公里的城际铁路上实现了自动驾驶。“这是基于200～250km/h线路CTCS-2级列控系统的自动驾驶系统，而此次研发的高铁ATO系统则是基于300～350km/h线路CTCS-3级列控系统，是在之前等级上的延展，无论从速度和复杂程度而言，都有很大的挑战。”
争分夺秒 精益求精
时间紧，任务重，研制高铁ATO系统是个复杂而严密的系统工程。2017年初，和利时接到国铁集团的相关任务，为保证系统2019年底在京张高铁上顺利应用，和利时迅速组织研发团队，进入系统研制阶段。
“列车实现停准停稳，看似简单，实际上，设计工程非常庞大和严密，当车轮发生空转、滑行时，会有较大的计算误差。”黄文宇回忆时不由得感慨道，“这涉及到众多环节，为了保证精准�？浚颐潜匦刖媲缶�，保证每个环节的误差都在一定范围内。”
针对此问题，国际上也曾提出过很多解决方案，例如使用雷达速度传感器、GPS系统、惯性导航系统等。但是，雷达速度传感器对安装和应用环境要求较高，现场故障率较高。GPS系统受限于地理环境，难以解决地下和隧道环境的应用问题。惯性导航系统则成本太高，无法工程化。
重重困难下，研发团队借鉴国内外经验，将轮轴速度传感器和加速度传感器数据进行融合，进而提高了列车速度计算精度。该算法能够有效检测出车轮是否发生空转、滑行，而且计算的列车速度平滑�；莆挠钏担�“列车最终可实现铁路要求的‘±50厘米’之间的�？课蟛�，实际上，我们的系统可以达到‘±30厘米’之内的误差，并且在列车停车时仍能保证较好的乘客舒适度。”
为保证系统按时保质的交付，研发团队争分夺秒，甚至连续一个季度两班倒，全天24小时奋战在一线。汪小亮回忆道，高铁ATO系统必须进行9个月的实验室和现场测试，为此，团队成员几乎连续9个月在京沈高铁上不断地试验、测试、调整。
经过研发团队的不懈努力，这套技术上为国际首创的高铁ATO系统于2018年5月顺利进入京沈高铁的试验阶段，并于2018年底顺利通过中国铁路总公司(现国铁集团)试用评审和现场试验，正式进入京沈高铁的试运营阶段。
“有望在全国高铁线路实现”
我国高铁ATO技术发展迅猛，绝非偶然，这是科研人员多年潜心研究的积累。
和利时是从电子部六所孵化而来，自1993年开启了自主创业之路。2000年，和利时进入了轨道交通领域，多年来一直为我国铁路相关部门提供铁路列控技术装备和服务，也是相关设备为数不多的具备国家铁路供货资质的单位之一。
汪小亮和黄文宇都是在毕业之时就选择加入和利时，在当时，高铁自动驾驶系统还并未兴起，但他们相信，“未来，我国高铁一定会迎来大发展”。十余年，他们也见证了我国高铁自动驾驶技术从概念到现实、从无到世界第一的历程。
黄文宇告诉记者，随着高铁ATO系统的应用，司机并不会被完全取代，高铁ATO系统也并非为了取代司机，而是要将司机从繁杂的劳动中解放，让司机有更多的精力去处理紧急情况，从而使运行更加安全。
黄文宇进一步说，“高铁ATO系统是以安全为导向的，即使遇到信号故障等情况也会有相应的制动措施。此外，高铁ATO系统还有严密的信息防护措施，即使有黑客想要攻击，他们也无‘可入之门’，完全封闭的系统进一步提高了系统安全等级。”
谈及下一步计划，汪小亮说，高铁ATO技术还将进一步提高系统的自学习能力，以应对更加复杂的线路、天气条件、运营车辆种类等。“此外，随着高铁自动驾驶技术的成熟，有望在全国高铁线路实现应用，而且随着国外对高铁自动驾驶技术的重视，我国的高铁自动驾驶技术有望走出国门，展示属于我国高铁的新名片。”
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