一、引言
高速铁路是应用技术和社会经济高度发展的产物，经济发达和人流密集是各国修建高铁的两个基本前提。我国人口众多，大城市密集，且区域集中度高、呈点线分布，适合于发展高铁。
高铁交通具有速度快、运量大、能耗小、碳排低、占地省的优势，对交通和经济社会发展具有“革命性”影响，受到各地欢迎，都希望成为高铁枢纽或重要节点。高铁在我国较大规模发展是必然的，从中央到地方都有很高积极性。
从2004年底开始建设，2008年8月1日投入运营的京津城际铁路，设计时速350km/h，是我国第一条高铁线路。
高铁建设发展至今，中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网。截止2013年10月，中国高铁总里程达到10463公里，“四纵”干线基本成型。目前，中国高速铁路运营里程约占世界高铁运营里程的46%，稳居世界高铁里程榜首。
根据中长期铁路规划，到2020年中国的四纵四横客运专线网络全长将达到16000公里，中国高铁，前程似锦。
在大规模高铁线路建设的同时，我国在高铁列车制造领域，吸收了多国先进制造技术作集成创新，设计制造了和谐号系列动车组列车，不但大量满足了国内高铁线路运行的需要，还呈现向发达国家出口先进产品的巨大潜力。
一个同时靠铁路建设和列车制造双轮驱动的高铁强国雏型已显山露水。
但是，2012年发生的7.23甬温追尾撞车事故，给正处于“高铁大跃进”热潮的中国高铁重重泼了盆冷水。虽然甬温线的设计时速200公里，属快速铁路，还不是真正的高铁，但其严重后果，还是波及到中国高铁和铁路建设领域的方方面面。经过认真调查，确定事故主因在设计和管理。但在设计管理后面所反映的，同样也暴露出我国高铁列车信号和控制体系的技术不足。7.23事故在国内外产生的负面影响，至今尚未完全消除。
可见，防追尾撞车的列控ATP系统的重要性，对于中国高铁影响力之巨大，可见一斑。因此，研发高层次列控系统成为当前高铁建设和列车制造领域十分迫切的战略性目标。
二、高铁高层次列控系统
7.23撞车事故的教训是，我们不仅要看到其中的管理问题，不仅要看到设备故障导致安全原则的重要性，更要看到现有ATP系统本质上的不足之处。那就是，由于运动性的限制，现有系统必竟还属于一种安全性不高的被动控制系统。被动控制系统的大部分传感器件、控制中心、管理者都处于列车之外的路面。而作为牵涉安全运行的关键一方，列车司机被动获得信息，被动驾驶，从而造成被动避撞。司机既不易观察到线路前方的列车，又不能感知危险的存在，而及至发现撞车危险，也是回天无术，再难制止或减缓危险的结局，这就是现有ATP系统本身的弱点。
那么，如果在现有被动防撞的基础之上，增加列车自身主动的避撞功能，主动避碰防撞功能中的所有传感器、计算器、显示器都在列车驾驶室，司机就有了一位可靠“助手”在旁边，显示列车的安全运行状态，那情况就会完全不一样，这就是本文所要探讨的“主动/被动复合型列控系统”。将单一的被动控制进化到被动和主动双模式控制，系统安全性将产生一个质的飞跃，这一点是比较容易理解的，也是大多数人可以想象得到的。
但是，能称得上一种高层次的实用控制系统，有着非常严格的技术和经济要求，这是实现主动/被动复合型列控系统目标的重要条件。
第一，在涉及列控重要目标之一的列车定位原理上，高层次列控系统的定位原理应该不同于现有系统的定位原理。因为，如果二者原理相同的话，那么出现在现有系统中的故障，同样会引起新系统的故障，故障同源，会发生同源型危险，增加的系统只是从数量上减少危险，不可能在质量上降低危险概率，起不到互为补充、大幅度减少危险的作用，也就没有多大的实用价值。
有一个很说明问题的故事，说的是相互为邻的瞎子和双腿瘫痪的瘸子。有一天房屋失火，两人都知道很难从大火中逃生。于是，二者取长补短，由瘸子指路，瞎子背着瘸子，两位残疾人通过合作协同，安全地逃出了火海。假设两位都是瘸子或都是瞎子，就是同源弱势，就不那么容易安全逃生。这个道理用在列控系统中，说明了两种不同原理的定位方法构成的系统，具有安全互补作用，能大幅降低危险概率，其安全性远比单一方法优越和可靠。
单就现有系统的列车定位而言，低速铁路主要采用轨道电路和计程相结合的定位闭塞，高速铁路则增加了查询—应答器定位和GSM-R通信，而高层次列控系统必须异于这一定位，我们则研发了“运动学定位”。
第二，高层次列控系统的车—地通信的要求高于现有系统，现有铁路系统仅给出地面控制中心（TCC）的运行指令，而高层次列控系统必须将本列车同向线路前后列车的动态信息（位置、速度甚至加速度）传送到本车。所以高层次列控系统的通信要求也比现有系统高。
第三，高层次列控系统整机的增加成本，应控制在不超过现有系统2%的价格水平。也就是说，只有采用新系统所增加的成本是微不足道这一大前提，才有可能使新列控系统与现有系统有着同一经济成本，才能迅速获得应用推广。
只有这样的列控系统，才能称得上能在技术性和经济性上，有替代现有系统潜力的高层次列控系统。
三、高层次列控系统的定位原理——“运动学定位”方案
铁路的“查询—应答器定位”作为点定位是简便有效的方法，作为复合系统的本系统仍然保留此作为被动定位。但如何从点定位扩展到线定位，现有系统采用测速法。本系统则采用有别于现有系统的“运动学定位”方案。
所谓“运动学计程定位”，就是利用列车查询器在应答器间运行时间差的运动学方程，通过计算机软件求解出列车平均速度和平均加速度。
图1所示为应答器运动学计程原理图。在图1的系统中，（1）为列车查询器，（2）为铺设在轨道面上的应答器，应答器的地理坐标在列车查询器经过瞬间以编码形式告知列车和CTC。
图1中，标号B1、B2、B3分别为列车前进方向上安装在二轨道中间的、按序分布的三个应答器（2），列车前行时将依此经过B1、B2、B3。列车查询器（1）经过应答器的时间点分别为t1、t2、t3。同时，由轨道设计安装所决定的B1与B2间的距离为（B2-B1），同样可得B2与B3间的距离为（B3-B2）。
由运动学方程，可得到列车在B1与B2区间行驶的平均速度v2为：
v2 =（B2-B1）/（t2-t1） （式1），
同理，列车在B2与B3区间行驶的平均速度v3为：
v3 =（B3-B2）/（t3-t2） （式2），
按上二式可算得，列车在B2与B3间线路上的平均加速度数值a3为：
a3 = （v3-v2）/（t3-t2） （式3），
再通过测速电路中计数脉冲与速度的函数解析，就能够求解出列车的瞬时速度和瞬时加速度，有了这两个即时运动数据，再通过运动学方程积分计程，就可以得到任意时刻列车位置、速度、加速度的信息，达到线定位的目的，即在查询器B3后列车所处轨道位置sx与时间tx的函数关系将一一对应，明确无误，待到B4查询器后，还可以对定位点作修正。
sx = B3 + v3·（tx-t3）+ a3·（tx-t3）2/2 （式4）
图1 单发查询器运动学计程原理图
如果a为变量，则作函数积分定位确定列车位置。
如果查询器分布较密，则可以将平均速度看做在该区间的瞬时速度。在查询器分布稀疏的情况下，可以利用车载测速脉冲与转速的函数解析转化为瞬时速度。在现有系统中，由于测速脉冲与线定位间的函数关系涉及车轮直径等因素，所以会随车轮磨损而产生额外误差。
而在本系统中，由于不同时刻的测速脉冲是相对量，与车轮直径无关，不受车轮磨损影响，而空转的影响本身属于小随机概率变量，所以影响也很小，只要适当增加应答器的数量，就可以使得列车的线上定位精度达到实用性要求。
应答器则作为精确位置点定位坐标，用于纠正系统的累积定位偏差。
另一种运动学计程定位方法称为双发查询器运动学计程。
众所周知，每列动车组列车通常设计成前后两个车头，以方便列车调头行驶。通常，运行中总是车头的查询器工作，车尾的查询器休息。
双发查询器运动学计程必须使车头车尾的两个查询器都参与工作。利用车头查询器和车尾查询器驶过同一应答器的时间差△t确定整个列车经过该应答器的平均速度V，V的计算式为：
V = L/△t （式5），
其中，L为列车二查询器间的距离。
图2为双发查询器运动学计程原理图。图中，（11）和（12）分别为车头查询器和车尾查询器。
图 2 双发查询器运动学计程原理图
在双发查询器装置的运动学测速计程方法原理图中， t11和t12的△t时间短，所以整个列车经过该应答器（2）的平均速度v可以认为列车在经过该应答器的瞬时速度，这样可以减少系统的计算工作量。运动学计算公式为：
v1 = L/（t12-t11） （式6），
同理，可计算出列车经过应答器B2的平均速度v2为：
v2 = L/（t22-t21） （式7），
按上面二式可算得，列车在B1至B2线路段的平均加速度数值为：
a2 = （v2-v1）/（t2-t1） （式8），
则可以得到列车在轨道任何点上的时间、速度和加速度的数值，换句话说，可以得到任何时间点上的列车位置、速度和加速度的数值。
sx = B1 + v1?（tx1-t11）+ a1?（tx1-t11）2/2 （式9）。
通过（式6至式8）与（式1至式3）的比较，可以发现，在单发查询器中，原来要越过二个应答器才能计算出列车速度v，越过三个应答器才能得到的加速度a，在双发查询器装置中只要越过一个或二个应答器即可以分别计算出v和a。与单发相似，由于长度L可能远小于应答器间距离，在这么短距离中算得的速度、加速度数值，同样可以通过测速电路中计数脉冲与速度的函数解析，求解出列车的瞬时速度和瞬时加速度，准确性也有很大的提高。
如果将单发和双发查询器运动学计程结合定位，将使列车定位精度产生一个质的飞跃。
此外，双发装置的方法还会带来其额外的功能，例如，可以用来监视列车是否在行进途中脱编解列，一旦发现二个定位数值超过列车长度L，则可立刻判断列车掉尾，系统或司机也可以在最短时间内发现异常，及时向地面线路调度发送故障信息，防止后面的列车发生碰撞事故。
另外，同一列车单发、双发同时工作，等同于采用两种方法的冗余结构，一旦出现某一计程计算故障，另一计程自动担当独立主动防护责任继续工作，可以增加列车的安全性和可靠性，减少列车因设备故障可能产生的安全风险。
关于运动学计程的进一步技术论述，将在今后专文详述。
四、高层次列控系统的车—地通信
车—地通信是驱动ATP列控系统的另一个轮子。常速铁路有采用查询—应答器的简易的18个信息的报文通信，但高铁发展的趋势都向着GSM-R的移动通信方式实现车—地通信。即通过GSM-R向调度集中系统(CTC)的RBC报告列车位置、速度、状态等信息，由地面向列车发送调度指挥命令。
GSM-R是一种基于目前世界最成熟、最通用的公共无线通信系统GSM平台上的、专门为满足铁路应用而开发的数字式的无线通信系统，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统。从集群通信的角度来看，GSM-R是一种数字式的集群系统，能提供无线列调、编组调车通信、应急通信、养护维修组通信等语音通信功能。它在GSM Phase2+的规范协议的高级语音呼叫功能，如组呼、广播呼叫、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和旅客服务，还能够满足列车运行速度每小时500公里的无线通信要求，与以往中国铁路所采用的单信道模拟系统相比，GSM-R系统达到了国际行业水平。该项技术在GSM的发起地区欧洲得到了推崇，德国和法国、荷兰、瑞士等国家已在铁路沿线进行了GSM-R的放号投运。
GSM-R（General Service Mobile-Railways），业已成为我国铁路移动通信系统标准，和我国现在覆盖最大的GSM网络标准相仿，也就是在GSM标准中加入了一些适合高速移动环境使用的要素。在中国铁路的频段为上行885-889MHz，下行方向为930-934MHz。
在高层次列控系统中，必须通过车—地通信装置传送的信息，除了上述内容外，更重要的还有本车同向线路（即转辙机指引线路）前后方列车的位置坐标、速度和加速度数据。所以对车—地通信装置的要求更高。
在GSM向3G进化过程中，鉴于3G技术使用频率太高，不能满足铁路部门希望经济、实惠地实现在广泛地域内的大覆盖目标，而且在语音业务上3G技术与2G技术并没有本质区别等诸多因素。部分国家和地区的铁路运营公司，如英国和日本，开始尝试利用宽带无线接入技术进行数据传输以解决旅客移动信息服务的问题。我国铁路具有150MHz、450MHz和900MHz等频率资源，相关研究机构考虑采用跨频段频率资源聚合的方式，研究多载波LTE-R系统，实现高速铁路列车安全运行车—地数据的高效传输。国际铁路联盟UIC计划从2014年开始进行GSM-R向LTE-R的演进工作，确保GSM-R的生命周期随电信技术的不断发展而获得延长，UIC明确表示3G技术不适用于铁路。因此，未来GSM-R不会过渡到3G，而是直接过渡到4G的LTE-R。
LTE-R(Long Term Evolution-Railways)能够提供简单、高效、低时延、低造价的网络，同时可以提供安全的话音和数据业务。另外，LTE基于全IP的网络架构，允许电信运营商和铁路运营商共同开发统一的车—地通信系统，并重用已部署的站点和设备，节省投资成本。与GSM-R相比，特点可以概括为“一限四高”，即无线资源受限、高数据速率、高移动性、高QoS、高RAMS(安全性)。目前UIC、国内外大学和相关研究机构都在积极研究采用OFDMA、MIMO、中继、协作等LTE关键技术作为铁路安全、高效的数据传输技术。
为提高通信质量，高层次列控车—地通信装置的其它重要通信选项有：
1、GPRS（General Packet Radio Service）通用无线分组业务，是一项高速数据处理的技术，即以分组的“形式”传送数据的业务。相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有171.2kbps的访问速度；在连接建立时间方面，GSM需要10-30秒，而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求，GPRS对于网络资源的利用率远高于GSM。
2、卫星通信，卫星通信可通过卫星转发实现车—地通信，国内外有多种卫星通信工具。我国的北斗导航系统已经成网投运，比采用国外系统安全性有保证。但在铁路应用中，目前还有一系列技术问题尚待解决，例如，卫星通信无线链路的传输时延比较长；如何实现在隧道等非视距的情况下有效通信；以及与现有陆地无线通信系统之间可能存在的干扰和消除等问题，都有待解决。但卫星通信可以作为地面通信系统的补充，当地面通信系统发生事故、无法有效运行时，通过卫星导航进行通信就可能成为有效的补充手段。
有必要一提的是，中国北斗卫星导航系统"BDS"（BeiDou Navigation Satellite System）是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，既有通信功能，又有定位功能。以前曾有学者提出GPS卫星通信，但由于GPS通信系统掌握在美国军方手中，信息安全性受到制约，另外，GPS系统在例如隧道、山脉和城市等复杂地形的影响应用受到限制，所以不如GSM-R实用。而我国的北斗系统，非但有更强的定位能力，而且通信功能也优于美国的GPS系统，应该成为高层次列控优先采用的通信方案，至于地形的局限，可以采用局部漏缆或裂缝波导管加以弥补克服。目前，以GSM-R为主，增加地面和空中的两套辅助的通信系统，应该成为高层次列控系统的车—地通信的优选方案。
五、高层次列控系统小结
作为全球瞩目的高铁大国，中国应该在吸收集成创新取得现有成果的基础上，不满足于现状，而应更加强调独创核心技术的研发。高层次列控系统的课题也是我们在研发“高铁合分联运系统”中，有感到“合分联运”需要更安全的列控系统的技术支持，有感于从7.23所暴露出的我国高铁列车信号和控制体系的技术不足，而产生的一种创新思路。
通过列车的运动学计程定位的辅佐，相信能改变现有系统被动定位单一模式的安全隐患，以主动/被动双模式控制防护提高列车定位的安全冗余能力，且所增加的主动功能是靠软件方式和列车上已有的测速脉冲设备所获得，并无其它硬件投入，所以在成本上经济便行，推广应该比较容易。
对于高铁系统的车—地通信，也提出了在现有GSM-R基础上，本文结合国际技术发展趋势，增加其它通信手段，作升级换代的一些设想。
通信技术是当代科技中最突飞猛进的大技术门类之一，不管是无线通信还是网络通信，都有巨大的技术创新潜力。人类已能实现与遥远的行星卫星通信，相比之下，实现轨道列车间的通信应该说易如反掌，今后如能达到“车—车通信”的目标，不管是直接通信还是间接通信，则前后列车间保持移动闭塞将是一个非常理想的ATP方案。可以这么说，只要高铁领域能提出具体通信要求，通信领域的专家和企业定能以合理的成本研制出满意解决方案的产品。开门纳贤、广罗人才是中国高铁高速技术发展的重要途径。
作为远未结束的小结，冀望中国高铁打破技术壁垒，更上一层楼，抢占世界高铁制高点，描绘一幅无与伦比的中国高铁蓝图，同时也为全球高铁事业作出更大贡献！
