【新文速递】新一代列车智能运控系统展望
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新一代列车智能运控系统展望刘栋青1，孙璇1,2
（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京100070；
2．北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室，北京100044）摘要：为满足铁路列控系统对高安全性与高效率运行的迫切需求，提出以“车车协同-列控协同-调控协同-综合安全体系”为核心的新一代列车智能运控系统框架。该框架依托5G/6G通信、多源感知、人工智能及数字孪生等先进技术，将列车、轨旁设备、调度中心与工电供等系统单元抽象为具有感知、决策与协同能力的智能体，构建多智能体协同逻辑链。在此基础上，重点研究群组控制、车地一体化运行、调度-列控闭环联动机制，以及多专业融合的安全防护体系，系统阐释其逻辑架构、关键技术体系与典型应用场景的差异，形成完整的新一代列车智能运控系统框架。该框架有助于提升未来铁路在高密度行车、灾害应对及多场景智能调度等方面的能力，推动传统列控系统向智能化、协同化与自主化方向演进。
关键词：列车智能运控系统；多智能体协同；群组控制；调控协同；综合安全体系；5G/6G通信
中图分类号：U284.48
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2023YFB3907300）第一作者：刘栋青（1983—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向：列控系统设计及研究，邮箱：liudongqing crscd.com.cn。
国内铁路建设已形成大规模铁路网，列车运行控制系统（Chinese Train Control System，CTCS）作为保障行车安全的关键，在高密度运输与复杂环境下依然面临专业壁垒、协同不足与响应迟滞等问题。伴随客货运需求的持续增长，铁路系统亟需突破传统集中式控制的局限，加快从“被动防护”迈向“主动优化”的转变。为此，国家“十四五”铁路科技创新规划及系列智能高速铁路发展体系也进一步指出“推进北斗、5G、AI与铁路深度融合”，智能高铁需突破“模数驱动、轴面协同”的复杂巨系统管理瓶颈。
新兴技术为铁路列控系统的智能化升级带来了难得的契机。5G/6G通信能够满足低时延与高可靠需求，人工智能与大数据则为车辆运行工况分析提供动态预测与优化支撑，数字孪生则可构建全要素仿真与验证体系，从而兼顾高密度运行的安全需求与高效调度的服务品质。国内依托CTCS系列标准，在引进与消化国外先进技术的基础上进行本土化创新，取得了包括京张智能高铁在内的多项突破。然而，国内在全息感知、多智能体协同、跨专业数据融合与运行图动态优化、安全防护与应急协同等方面有待进一步深化。为此，本文旨在面向未来铁路列控系统的发展趋势，阐明新一代列车智能运控系统与传统列控体系的差异，探讨从“车车协同、列控一体化、调度联动”到“多专业融合安全”的关键技术环节，并基于此展望其在高速铁路、普速铁路等以及智能化改造中的应用前景。1列车智能运控系统的概念与内涵列车智能运控系统是指面向铁路多变、复杂的运行环境，集感知、决策、执行与防护于一体，依托多智能体协同实现列车、设备与调度的自主决策与动态协同的新型运行控制体系。其核心理念在于以高度的自主性、协同性与智能性，达成对铁路系统全要素的实时感知、决策优化与风险防护。与传统集中式CTCS系统相比，列车智能运控系统不仅在架构上更为分布化与开放化，而且在信息交互与响应链路上实现了大幅缩短，从而全面提升了运行效率与安全韧性。其主要内涵可概括为以下5个方面。
1）全域感知与大数据驱动通过覆盖列车、线路、环境与安防等多维度的感知网络，将车载、地面、轨旁及云端的实时数据与历史数据进行融合分析。借助大数据与AI算法，不仅能详细分析行车状态行车状态、设备健康与能耗趋势，且可对潜在风险形成精细化预测，为后续决策提供依据。
2）一体化协同与开放式架构在统一通信和边缘云、中心云的多层协作基础上，调度指令、列控信息与安全防护需求可实现无缝衔接。通过打通“车-车、车-地、车-安全”以及各专业系统之间的壁垒，达成全要素的实时互联与交互，为跨专业协同提供更高的效率与灵活性。
3）自主决策与闭环执行面对正常运营与突发事件，利用实时感知及智能算法开展自动化决策生成，并借助多智能体结构在本地、边缘与中心多层次完成执行与验证。指令下达后借由反馈机制实现闭环控制，确保列车与基础设施在复杂场景下的高可靠运行。
4）安全贯穿与动态防护工务、电务、供电等专业监测数据与列车运行信息深度融合后，系统实现全天候动态安全监测、智能预警及多专业协同防护，进一步支撑高密度运输和高速列车自动化乃至无人驾驶列车自动化等级第4级（Grade of Automation 4，GoA4级）场景的安全需求，有效提升运营安全裕度。
5）自学习与持续演进系统通过持续收集与分析运行案例和场景数据，利用机器学习算法等实时优化调度策略、运行图及防护方案。面向未来更高等级的自动驾驶与智慧运营，系统可在全生命周期内实现自组织管理与迭代升级，逐步增强在多变工况下的弹性与可扩展性。2列车智能运控系统体系框架2.1多智能体建模基于智能体理论，通过将铁路系统中的列车、基础设施、供电、信号等关键实体要素抽象为具备自主性、反应性、社会性与主动性的智能体单元，并在“感知-决策-控制-防护”4个层次上形成紧密协同，最终构建起跨专业、跨层级的全局化铁路运行控制与安全防护网络，如图1所示，具体包含4类智能体。
1）全域感知智能体：负责从基础设施、移动列车和环境、多专业系统等多类型对象中获取数据、状态与信息，形成系统的全局感知。输出的感知结果与其他智能体共享，为后续决策与控制奠定数据基础。
2）协同决策智能体：主要进行动态运行优化与风险防护策略的制定，包含策略、知识及优化模型等高级功能。接收来自全域感知智能体的实时数据，生成针对列车运行（如限速、换线）的调度决策并下发给控制相关智能体。
3）自主控制智能体：承担常规列车、临时列车以及紧急列车的具体控制任务，具有自适应调整、智能自动化等能力。接收来自协同决策智能体的控制指令或运行图调整指令，并直接影响列车实际运行状态。
4）主动防护智能体：构建事前、事中、事后的防护策略，评估潜在风险并动态触发响应机制（如紧急制动或限速）。综合来自感知层的风险信息与协同决策层的指令，以保证在突发故障或极端环境下行车安全。设系统在时间t下，存在N个智能体，首先，各智能体在时刻t产生或获取观测集合为Di(t)，则全域感知智能体生产的整个观测集合如公式（1）所示。
其次，由感知层收集到的Ω(t)经由决策层函数组F(·)处理并输出全局决策向量Δ(t)，如公式（2）所示。
然后，控制函数组G(·)将决策向量Δ(t)映射为具体的不同类别k的控制指令集合，例如行车限速指令，如公式（3）所示。
最后，防护函数组H(·)在综合控制指令与当前观测Ω(t)的基础上，生成风险评估方案Φ(t)和安全防护策略，例如临时停车、紧急制动等，实现系统的主动安全闭环，如公式（4）所示。
最终，在感知、决策、控制和防护4类多智能体的相互配合，实现全生命周期内的主动安全闭环管控。具体的，以全域感知类的移动列车智能体建模为例，将在时刻t下的每列列车i抽象为一个移动智能体Ai(t)，其状态表示如公式（5）所示。
其中，pi(t)、vi(t)、ai(t)分别为列车i在时刻t的位置、速度与加速度；为基于动力学模型与线路条件计算的安全追踪距离；Nij(t)为列车i和邻近列车j的集合，即通信范围内可直接交互列车。所有列车智能体通过车-车通信网构成一个动态拓扑图G(t)＝(Ai(t),Eij(t))，其中节点Ai表示列车智能体；边Eij(t)表示相邻车i和j的通信连接关系。由于列车高速移动，网络拓扑具有时变性，需设计鲁棒的路由与信息同步机制。
2.2核心协同逻辑链为实现“感知-决策-控制-防护”全流程闭环，协同逻辑链分为4层：
1）车车协同层，依托5G/6G通信，将列车建模为移动智能体，通过实时状态共享与分布式协作，突破固定闭塞限制，缩短行车间隔并提升运能；
2）列控协同层，融合车载设备、地面设备及北斗/激光雷达等多源感知，构建“车-地-轨旁”一体化智能体，提升运行安全与控制精度；
3）调控协同层，基于数智化轨旁与云平台，实现调度-列控数据双向流转与闭环联动，通过实时驱动完成动态调图、冲突预测与异常响应，缩短故障时延；
4）综合安全体系，整合工务、电务、供电监测数据与列车行为信息，构建全场景动态防护架构，支撑GoA4级自动驾驶及灾害主动防御，覆盖基础设施、运行环境与列车行为的全生命周期安全。核心协同结构通过统一的数据接口、通信协议与协同机制实现纵向贯通与横向联动，从而形成自下而上汇聚感知信息、自上而下传递控制指令的多智能体协同逻辑链。在此框架下，分布式协作与全局监测的有机结合不仅保证了局部与整体之间的高效同步，也为未来铁路系统在安全性、灵活性与可持续演进方面提供了坚实支撑，如图2所示。
2.3系统逻辑架构从整体来看，新一代列车智能运控系统逻辑架构旨在通过感知、通信、决策三层构建起车车协同控制体系，并借由控制、执行与防护层的纵向贯通，共同支撑完整的“感知-决策-控制-防护”核心逻辑链，实现对列车及其运行环境的全维度智能监测、动态调度与主动防护，从而大幅提升铁路运输的安全性与运能潜力，如图3所示。
3关键技术体系技术架构以“协同”与“一体化”为核心，构建了涵盖车车协同与群组控制、列控协同与一体化控制、综合安全体系与多专业融合以及调控协同与闭环联动4大关键功能板块的完整技术体系。其底层依托先进的通信技术、多源感知融合与轨旁边缘智能计算，实现车-地-轨旁高效协同；通过动态追踪模型、协同控制算法等模型保障车辆群组的智能运行与列控系统的一体化联动；在安全层面，基于多专业数据协同、风险评估模型与主动防护机制构建综合防护体系；在调控层面，借助数据自动映射、数字孪生平台、智能调控算法与闭环联动流程，实现全流程的智能决策与精准执行，最终形成技术闭环、安全可靠、高效智能的综合解决方案。
3.1车车协同与群组控制技术车车协同与群组控制技术是智能运控系统底层的关键创新，其核心目标是依托高速、低时延的通信网络，将传统以固定闭塞为基础的单列车运行模式，转化为面向多列车的协同动态追踪与群组化运行。
1）低时延与高可靠通信技术：基于5G-R/6G和低轨卫星通信技术，为多列车间的状态信息频繁交互提供稳定支撑。
2）动态追踪模型：通过实时获取列车状态，建立动态安全间隔模型，在车车协同模式下，列车追踪间隔不再依赖固定闭塞分区，而是基于实时状态动态计算。
3）分布式优化与协同控制算法：通过在列车端配置协同控制单元，在满足安全约束的前提下压缩追踪间隔，实现群组虚拟连挂、速度同步和能耗最优等群组化运行功能。
4）多源融合定位与状态同步技术：融合北斗/全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）和雷达与视觉等多传感器数据，确保列车位置与速度的高精度同步，为紧密追踪、动态避障及应急防护提供技术保障。
3.2列控协同一体化控制技术构建“车-地-轨旁”三位一体的闭环控制框架，利用边缘计算与云架构提升列控系统的实时性、鲁棒性与环境适应性。
1）数智化轨旁与云架构技术：在轨旁设备中嵌入边缘计算与智能感知终端，在隧道、桥梁等关键区段部署边缘计算节点，实现局部状态识别与自主干预，结合云端全局数据处理能力，形成“边缘快速响应-云端全局优化”的互补架构。
2）数字孪生平台：通过数字孪生构建运控一体化平台，实现仿真预测与实时优化。
3）“车-地-轨旁”协同机制：依托5G/6G网络的大带宽与低时延特性，提高设备交互能力，显著增强系统在隧道、弯道及恶劣天气等复杂环境下的动态适应能力。
3.3调控协同与闭环联动技术传统调度集中系统与列控系统之间联动不足，限制了高密度运行下的实时响应能力。调控协同与闭环联动技术突破了该局限，通过数据双向打通与闭环联动实现调度与列控的深度融合。
1）数据贯通与协同映射机制：建立调度计划与列控参数的映射机制，实现列车位置、设备状态与突发事件的实时共享，在运行偏差超过阈值时自动触发调整。
2）快速异常处置技术：在列车晚点、通信异常或突发故障等复杂场景下，调度与列控系统可于数秒内联合生成修正后的运行图或临时限速方案，并实时下发至列车与轨旁设备。
3）数模协同联动技术：通过人工智能与大数据方法对运行状态、环境条件与突发信息进行综合优化，支持运行图的动态修正与全网级调度逻辑的同步更新，减少列车在接发车、区间追踪运行等场景下的集中排队或网络拥堵等二次效应。
3.4多源多维综合安全体系在高密度与高速运行环境下，传统以单专业为主的事后防护模式已难以满足智能运控的需求。多专业融合安全体系强调跨专业信息的深度集成与主动预防能力。
1）多维度感知技术：通过车载传感器（走行部监测）、地面设备（轨道与接触网监测）及空-天-地一体化探测手段，形成对线路、环境、设备及人员的多层次感知信息。
2）多专业信息整合技术：将工务、电务与供电等系统的运行状态数据纳入列控闭环，通过大模型等技术实现对线路完整性、供电可靠性和信号健康度的统一评估，从而提高列控指令的科学性与鲁棒性。
3）跨专业安全数据中台：构建统一的数据中台，将轨道不平顺指数、接触网晃动参数与信号设备健康度等跨专业指标纳入同一安全评价体系，提升隐患识别的准确性与提前量。
4）主动防护与协同应急技术：基于动态贝叶斯网络与深度时序预测模型等，形成风险评估算法，提前识别潜在故障并触发主动干预，包括限速、降级模式切换及多列车协同避险，实现动态风险识别，从而为GoA4级全自动运行提供安全保障。
4典型应用场景新一代列车智能运控系统以“车车协同-列控协同-调控协同-综合安全体系”为核心，结合5G/6G通信、分布式智能算法、多源感知与跨专业数据融合技术，能够适配多种复杂运行环境与业务需求，运行场景可概括为高密度客运、高质重载货运、复杂线路与特殊环境运行、应急救援与故障处置和多专业融合安全等典型应用场景。传统列控系统应用场景和新一代列车智能运控系统应用场景对比如表1所示。
5结论与展望本文提出并系统阐述了一套以“车车协同-列控协同-调控协同-综合安全体系”为核心的新一代列车智能运控系统框架。该框架通过将列车、轨旁设备、调度中心与工电供基础设施抽象为具备智能体，构建基于多智能体协同的列车运控逻辑体系，旨在突破传统列控系统在高密度运行、复杂环境适应与跨专业协同方面的瓶颈，以期有效压缩追踪间隔，提高调度效率，并通过多专业融合提升安全性。新一代列车智能运控系统不仅是技术升级，更是铁路运输组织模式的深刻变革，对国内铁路智能化发展具有重要意义。未来需深化通信技术迭代、算法优化与标准兼容性研究，助力铁路列控系统高质量发展。
期刊简介
《铁路通信信号工程技术》由中国铁路通信信号集团有限公司主管，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司主办的国家级期刊。本刊是中国铁道学会通信信号分会指定期刊，是国家新闻出版广电总局认定的A类学术期刊。
本刊收录情况：
•中国学术期刊综合评价数据库统计刊源期刊；
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