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郜春海:为轨道交通换“脑”

2020-10-22 07:01 北京日报

来源标题:为轨道交通换“脑”

黑白的画面中,两列火车喷着白烟相向而行,因游击队员扳动了道岔,两车相撞,日本侵略者损失惨重……40多年前,电影《铁道游击队》的经典一幕,竟让一位少年萌生了投身铁路事业的志向。

少年名叫郜春海,来自江苏农家,1989年,他如愿考入北京交通大学铁路信号与控制专业,1993年毕业后留校任教。2002年,一次受刺激的谈判,让这位青年教师燃起斗志,要打造国产轨道交通信号控制系统。从北交大的实验室到四通八达的地铁一线,从校园里的科研团队到成立创业公司,从攻克一个个科研项目到拿下多项行业“首研”技术——20多年来,郜春海带领团队在轨道交通信号系统领域闯出一片天地。他创办的交控科技股份有限公司也实现飞跃,去年成为首批登陆科创板的公司之一。如今团队正在储备第5代城轨信号系统,引领技术发展方向。

“全世界八成轨道交通建设在中国!”郜春海格外珍惜这来之不易的机遇,他说,“我们必须不断研究新技术,孕育新项目!”

不能“花高价受洋罪”

要想保证地铁安全、平稳、高效地运行,一套名为CBTC的系统至关重要。CBTC,即基于通信的列车运行控制系统,它被誉为轨道交通智商最高的“大脑”,可以保障列车以最小安全间隔距离运行,达到最大的运输能力,保证列车运行安全。

但在20年前,国产CBTC系统尚属空白。当时,北京乃至全国98%以上的新建或改造轨道交通线路均采用从国外引进的CBTC系统。

2002年,郜春海受邀参与北京地铁与国外供应商的一个项目引进谈判,面对价格过亿的CBTC系统,他提了很多问题,场面却一度尴尬,“外国专家想回答的时候就讲两句,不想回答的时候就说技术保密,弄得我们根本谈不出什么东西。”

当时,国外的系统不仅价格高,运行维护成本也高,一个零部件坏了就要修个一年半载,小小一个修改都可能漫天要价。郜春海不服气,“有什么了不起?不就是做了一套系统吗?只要有机会,我一定把它干成!”

机会很快来临!2004年,北京市科委响应国家自主创新战略,启动以北京交通大学、北京市地铁运营公司等单位为核心的“基于通信的城轨CBTC系统研究”,从而拉开了CBTC自主创新的序幕,郜春海是项目研发技术负责人之一。

攻关之初,举步维艰!最难之处在于,国外搞技术封锁,没有他山之石。怎么办?郜春海回忆,“我就带着搜集上来的所有信息,一个人跑到香山旁边的一个小度假村,闭门钻研,等思路差不多捋顺了,再回来跟大家分享。”将近一年的时间里,他的科研灵感源源不断地从香山传递到研发团队的大本营,成为引领团队前行的指示灯。

CBTC包括列车自动防护、列车自动运行、列车自动监控等多个子系统。郜春海划好分工,并提出具体要求,指挥不同的技术团队开展攻关,遇到难题就邀请专家开讲座答疑解惑。

师从郜春海读研的张强当时负责列车自动运行子系统,系统到底能不能研发出来,他心里也没底。郜春海的指点很有策略,他让张强先看文献做调研,之后拿出报告提出方案,几番修改之后,再尝试工程化,并一步一步提出“让车跑起来”“让车在一定精度停下来”“让车舒适地停下来”等循序渐进的要求。

因为没有他人经验可供参考,团队的策略是以时间换进度,不断试错。“别人一天工作6个小时,我们可能要工作16个小时,就是不断研发、试错,再改进,毕竟我们也不可能比别人聪明多少。”郜春海说。

同样留校参与技术研发的北交大研究生刘超记得,“那会儿除了开会,就是写代码,经常加班到深夜两三点。”郜春海自己也很拼,类似5天出差7个城市的行程,是常有的事儿。

靠着这股拼劲儿,团队很快迎来收获:

2007年,攻克CBTC全部技术难点;

2008年,在大连快轨3号线上建成首条国产、自主知识产权的CBTC中试线;

2009年,郜春海带领核心团队“下海”,成立北京交控科技有限公司(现更名为交控科技股份有限公司,简称“交控科技”);

2010年底,北京地铁亦庄线、昌平线顺利开通,标志着交控科技的CBTC核心技术实现实际工程应用,使我国成为亚洲第一个、世界第四个掌握该项核心技术并开通运用的国家,打破了外国的长期技术垄断,填补了该领域空白,实现了信号系统的进口替代。随着国产CBTC的问世,国外产品也降价三分之一。

实现全自主无人驾驶

无人驾驶的列车,犹如钢铁巨龙,在轨道上飞驰,早上定时“醒来”,晚上自动“休眠”,行驶途中还能按时运营、精准停车、自动开门……将近10年前,这样的图景就在郜春海脑海中盘桓。

2017年12月30日,这一切变为现实!当天,北京首条全自主无人驾驶地铁线路燕房线正式开通运营,成为独领风骚的头条新闻,而支撑该线路最为关键的全自动运行系统(简称FAO,俗称“无人驾驶”),正是交控科技研制的成果。

刘超回忆,虽然正式立项始于2011年,但公司成立没多久,郜春海就提议,要储备无人驾驶系统相关的技术。一开始,也曾有人质疑:中国人那么多,有必要搞无人驾驶吗?有人担忧,以机器取代人工,那得损失多少就业岗位?

于是,郜春海一有机会就去演讲,经过不断努力,才推动了FAO的立项和研发进程。

研制FAO,难度又上一个台阶,几十个专业、几百个节点、几十万条数据,如何将这样一个看似不可能完成的巨型工程层层分解为可执行的任务?没人知道答案。

张强当时担任燕房线FAO项目的技术经理,他解释,过去在有人驾驶背景下,每个专业各司其职,且有先例可循;而无人驾驶背景下,情况大不一样,我们研发的全自动运行系统要充分实现车辆、综合监控、站台门、广播、旅客信息、车库门等各相关领域的整合及优化,再由信号系统作为总牵头,“光是想清楚思路,就花了两三个月,白天开大会讨论,晚上各个专业继续开小会。”

关键时刻,郜春海又有惊人思路。他提出,把这个巨型系统切割为几十个大场景、几百个小场景,之后采取基于场景的正向设计方式,逐一确定在各个场景中,相关系统起到什么作用、如何与其他系统配合等。

“这思路太妙了,犹如庖丁解牛一般,把所有环节串联起来,让我们豁然开朗!”刘超感叹。

最终,交控科技以场景和运营规则为主线,设计出41个全自动运行场景,其中包括列车唤醒、列车休眠、自动调车、洗车、清扫、回库等正常场景,以及紧急呼叫、车辆火灾、雨雪模式、障碍物脱轨检测等异常场景,每个场景都有对应的自动解决方案。

有专业人士指出,后来出现的无人驾驶系统也基本沿着这个框架开展,这也从一个侧面印证,交控科技的研发思路具有行业引领性。

目前,交控科技的FAO已经中标北京17号线、北京19号线、武汉5号线、南宁5号线、济南R2线、深圳14号线、北京11号线、苏州6号线等。

2019年9月,北京大兴国际机场线正式开通运营,它采用交控科技自主创新研制的互联互通全自动运行系统,速度可达160公里/小时,时速比传统地铁提高一倍,系全球最快的城市轨道交通全自动运行线路。更值得一提的是,该线路实现了两种不同信号系统在同一线路上共线运行,有利于共享资源、缓解换乘压力。

创立“透明厨房理论”

与一项又一项技术突破相比,郜春海同样看重管理创新。这源于23年前,他出国访问时的一次见闻。

1997年夏,在一家国外公司学习交流,郜春海发现了一个奇怪的现象,“为什么他们的员工该休假时就休假,其他工作人员只需要翻翻工作流程表,立刻就能无缝接手?”

三个月时间里,他找到了答案。原来,在西门子,从设计研发到生产管理,都有科学的专业分工,每个岗位上的工作都按照严格的流程进行。“我那时真正理解了什么叫工业化,还有如何做工业化。”郜春海顿悟,原来,工业化的精髓其实就是一套管理流程,一套制度。

回国后,郜春海开展了基于风险控制的全生命周期安全管理体系研究,并在此基础上完成了硕士论文。创业之后,他把这套管理方法用于CBTC系统的研制,除了推行流程化管理,利用“分解法”拆分任务,他还坚持引入风险性设计。

2007年,CBTC的核心技术攻克之后,研发人员又花了近10个月的时间进行系统的风险性设计,共整理了250个大风险,并逐一研究解决之道。郜春海还引入英国劳氏铁路公司对CBTC信号产品进行安全认证,在他看来,这是推广和应用产品的“护身符”,劳氏公司对CBTC信号产品的全过程进行了3年的安全审核后,颁发了安全证书,这也是国内第一个获得的“自主CBTC系统产品SIL4级的独立第三方安全认证”。

风险性设计、流程化管理,加国际化认证,组成了郜春海的“现代透明厨房理论”,在轨道交通信号控制领域的研发征途中,这套理论成为他和团队攻关的重要“利器”。

引领“互联互通”创新

在充满机遇与竞争的轨道交通领域,交控科技的核心竞争力何在?已担任交控科技副总裁的刘超认为,这源自公司的核心理念,所有的技术应用都要为助力乘客安全便捷出行服务。如今,交控科技利用技术提升乘坐体验的部分项目已在北京地铁率先开试。

今年,不少市民发现,一块酷炫的“魔屏”惊现6号线,原本毫无存在感的透明车窗,悄然升级为科技感十足的大屏幕,列车起步后,屏幕便会显示到站信息和路网图;列车到站前,车站的三维示意图以及出口、电梯和厕所等一一呈现。这是由北京地铁联合交控科技等共同研发的“首都智慧地铁”科研项目智能列车乘客服务系统的一部分。

再比如,在北京,常坐首都机场线的市民肯定有这样的体验,尽管机场两座航站楼位于Y字形的顶部,也各有直通市区的轨道,可是按照目前的列车运营线路,想要到达T2航站楼,必须先拐到T3航站楼停靠,而想要从T3航站楼返回,也必须先绕到T2航站楼,体验感和效率不高。

刘超透露,他们正在开展的研究中,计划设计一个虚拟连挂的控制系统,能让两列车虚拟连接,到了Y字形轨道的分叉点,使之分身,奔向两个航站楼,返程时再度合体,这种虚拟联网的方式未来如果大范围推广,将大大提升老线的运行能力。

曾经一度,北京地铁5号线频频发生信号故障。不过,这种情况今年已有所改善。原来,交控科技对5号线进行了信号系统提升,他们提出了“无感改造”的概念,即在不耽误运营、不影响乘客出行的前提下,悄然改造。目前5号线列车上的车载设备已完成升级,新的设备可捕捉原来老系统的信号,项目还预留后续升级至CBTC的条件。刘超说,为了尽量降低给司机带来的变化,驾驶室人机操作界面与原来也保持一致。

他认为,5号线可以算是老线成功改造的范例,未来这样的“无感改造”还将推广至更多老线。

郜春海另一个主张和大手笔是,推动轨道交通信号系统实现互联互通。实现互联互通,通俗而言就是要给不同线路“搭桥”,改专车跑专线为共享线路、跨线运行,对于乘客而言,最大的便利是免去换乘之苦。但放眼全球,这仍是一个世界性难题,涉及信号系统制式不兼容、调度孤立等多层面因素。

自2015年起,依托重庆轨道交通互联互通国家示范工程,交控科技与其他三家厂商共同完成了互联互通标准的制定,并开启室内交叉测试工作。今年9月18日起,重庆轨道交通环线和4号线互联互通直快列车上线载客试运营,直快列车可通过联络线从一条线路开至另一条线路,这在全国尚属首例。

未来,郜春海和他的团队将助力更多城市迈入轨道交通互联互通的行列。

责任编辑:詹雨泉(QZ0018)作者:任敏 袁芳
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