一、整体介绍

自主运行技术研究所延承学校91年成立的运输与自动化所，团队历经30年，自20世纪60年代初，团队首次提出“移动自动闭塞系统”的新概念，当时称为“无线自动闭塞系统”。自20世纪80年代，微型计算机出现后，移动闭塞研究的可行性增大。团队针对铁路迅猛发展，亟需“自主可控、弯道超车”的列控技术和装备的国家重大需求，开始研究基于微机的信号控制技术。1991年，承担了国家首个列车运行控制领域的国家科技攻关重大项目，研发列车超速防护系统。课题组负责人汪希时教授给时任国务院副总理朱镕基提交了书面报告，断言移动闭塞将是助推我国铁路走向现代化建设的一个重大创新，提请把研制移动自动闭塞系统列为国家级项目。铁道部专门组织专家进行论证，“以汪希时教授为首的课题组所提建议，对于发展铁路信号技术，开发列车运行控制系统，推进铁路运营综合技术发展是一个很有潜力的方案。我部将作为一个超前性、技术储备性的发展研究项目，积极稳妥地作好综合性配套研究工作。”此后，团队通过国内、国际合作持续开展移动闭塞理论和方法的研究。

2000年，为适应新世纪我国高铁、城轨跨越式发展的需求，攻克制约高铁、城轨建设和运营的“卡脖子”技术，团队加快完全自主化的高铁、城轨列控技术和成套装备的研发，系统科学、无线通信、运输组织、电磁兼容等专业的研究人员不断融入团队。2006年，经科技部批准，组建了轨道交通控制与安全国家重点实验室，标志着团队发展成为一支涵盖基础理论研究、核心技术攻关、成套装备研发及系统验证测试四位一体，汇聚系统科学、控制理论、电磁兼容、铁路信号等多学科、多层次人才的创新团队。

              图1 国家重点实验室与全国重点实验室的发展历程

在学校支持下，本研究所响应国家创新政策，将通用式机车信号、CBTC成果转化应用，孵化了2个列控领域高科技上市企业。至此，团队发展成为涵盖了“人才培养、理论研究、技术研发、工程实践、产业转化”的产学研大团队，构建了111计划引智基地、国际联合研究中心等列控领域国内唯一的国家级国际合作平台，成功入选教育部创新团队、国家自然基金委创新群体、科技部重点领域创新团队、全国高校黄大年式教师团队。实验室不断充实完善合作机制，构建起政产学研用协同创新网络，通过协同创新，突破核心前沿技术，促进行业关键系统的转型升级。

图2 自主研发的CBTC系统

团队构建了列车运行优化与控制的理论体系和复杂安全苛求系统设计的方法体系，先后研制了具有完全自主知识产权的我国首套通用式机车信号、首套基于通信的列车运行控制系统(CBTC) 及首套城市轨道交通全自动运行系统 (FAO)，构建了高速铁路与城市轨道交通列车运行控制标准体系，带动和引领了我国列控领域的创新能力提升和产品更新换代。主持获得了5项列控技术自主创新相关的国家级奖项，包括国家科技进步奖特等奖1项、二等奖4项，省部级一等奖12项。发表SCI论文200余篇，出版学术专著12部，授权发明专利100余项，制订国家/行业标准20余项。

图3 中国版FAO技术体系

近5年，本所将围绕国家重大战略需求，聚焦新一代先进轨道交通自主运行系统中全息智能感知、高可信信息传输、自主追踪控制、自主芯片及安全系统设计、智能调度等方面难题，致力于该领域原创性理论突破、前沿创新技术研发和核心装备研制，旨在形成若干引领轨道交通运行控制发展的前瞻性、先导性、探索性重大成果，培养一批本领域的杰出人才，形成我国轨道交通领域自主可控技术“策源地”，打造轨道交通运行控制领域支撑有力、前沿领先、根基深厚的国家战略科技力量，实现轨道交通自主运行系统技术国际引领。

二、科研团队

目前有教师20名，包括国家百千万人才1名，长江、杰青各1名，其中教授9人，副教授9人，讲师2人，依托全国重点实验室建设了高速列车运行控制综合实验平台、轨道交通安全监控预警与应急处理实验仿真平台、高速铁路运行控制系统测试与研究平台、高速铁路无线信道和无线干扰模拟等仿真平台，可以为本项目提供包括高速铁路基础数据决策支持中心、高速铁路运行控制仿真测试平台等，为相关研究工作的顺利开展提供技术保障。具体科研人员简介如下：

唐涛，北京交通大学教授、博士生导师

北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室主任，城市轨道交通北京实验室主任。经过近十年努力，率领课题组先后完成了CBTC 系统核心技术和装备的研发、测试、中试、示范工程与产业化等工作，创造性地攻克了CBTC关键技术难题，研制了国内第一套具有自主知识产权的城市轨道交通CBTC系统。2010年北京亦庄线、昌平线全功能、高水平开通运行，标志着我国突破了城市轨道交通信号系统核心技术，填补了国内空白。该项目2011年获得北京市科学技术奖一等奖。2012年获得国家科学技术进步奖二等奖。2010年后着眼于FAO领域，带领团队研究中国特色的全自动运行系统，2018年“城市轨道交通自主化全自动运行系统关键技术及示范工程”获得一等奖，成果研制了具有完全自主知识产权的列车全自动运行技术体系和成套装备，2018年初我国首条具有完全自主知识产权的城市轨道交通全自动运行线路-北京燕房线正式开通运营，成果推动城市交通向智能化、无人化方向发展，为建立高效、智能、便捷的交通服务体系提供了科技支撑。2018年“大城市复杂交通流特性分析及管控策略研究”获教育部自然科学奖一等奖，2020年“高速列车主动安全控制的关键基础研究”获教育部自然科学奖二等奖，2021年“城市轨道交通列车节能运行一体化方法及关键技术”获城市轨道交通科技进步奖一等奖，2022年“高速铁路列控系统仿真测试关键技术及应用”获中国铁道学会科学技术奖一等奖。

朱力，教授，博导

现任自主运行研究所长期从事轨道交通列控领域研究，参与国内第一个具有知识产权的轨道交通列车控制系统的研发，并参与了城市轨道交通综合承载 LTE-M 系统技术体系的构建。主持国家自然科学基金面上、青年项目，北京市自然科学基金重点、面上项目，以及北京市科委，教委等其他多项省部级项目，授权专利12项，曾获得中国城市轨道交通协会科技进步一等奖，任多个国际期刊的副主编、编委、客座编辑，曾任IEEE ITSC等国际会议Symposium Chair、TPC Co-Chair等，在IEEE JSAC等国际期刊发表论文100余篇，谷歌引用达3000多次，入选斯坦福大学2023年度全球前2％顶尖科学家榜单。

宿帅 教授 博导

长期从事轨道交通列控领域研究，智慧高铁系统前沿科学中心副主任、先进轨道交通自主运行全国重点实验室方向负责人，曾主持国家自然科学基金重点、面上，国家重点研发计划课题、任务，发改委示范工程课题等项目。相关成果发表论文70余篇，包括第一或通讯作者SCI论文38篇， ESI高被引论文8篇，授权专利28项。以第一完成人获中国交通运输协会科技进步一等奖1项、中国仪器仪表学会科技进步一等奖1项，参与中国城市轨道交通协会科技进步一等奖1项（排2）、教育部自然科学一等奖1项（排12）等，入选北京中关村轨道交通青年科学家。学术方面，担任国际Informs组织铁路分会主席、IEEE高级会员、中国自动化学会终身高级会员等。

步兵 教授，博导

现任北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室副主任。长期从事列控系统的基础理论、核心技术研究与系统装备研发，在列车控制与车地无线传输一体化设计、列控系统信息安全理论与方法等方面开展了系统深入的研究。参与我国首套自主知识产权基于通信的列控系统 (CBTC) 的研发工作，是数据传输系统的负责人。主持863专题项目子课题和北京市科委重大项目，参与研制了我国首套全自动运行系统 (FAO)，该成果已在北京地铁燕房线示范应用，并于2017年底开通运营。获授权发明专利10余项，发表SCI/EI论文50余篇。2011年、2018年获得北京市科学技术一等奖，2019年获中国城市轨道交通协会科技进步一等奖。

郑伟，教授，博士生导师

国家轨道交通安全评估研究中心副主任，洪堡学者，中国自动化学会工业控制系统信息安全专业委员会委员，长期从事铁路信号系统的设计测试评估、铁路事故致因分析、风险评估及人因工程等领域的研究工作，近年来主持及参加国家自然科学基金“重大”、科技部“863”计划、科技部科技支撑计划、国家国际科技合作专项、国家铁路局、国铁集团、留学回国人员基金等项目30余项，发表论文50余篇；获得中国铁道学会科学技术奖一等奖一项，中国自动化学会科学技术奖一等奖一项。

荀径，教授，博导

现任自主运行技术研究所副所长，美国加州大学伯克利分校访问学者，主持和参与了国家自然科学基金重大、重点、面上、青年项目，科技部重点研发计划，“863”计划，北京市科委科技计划，北京市自然科学基金，北京市交通委，美国交通运输部，英国皇家工程院牛顿基金等国家/省部级、国际项目20余项，发表论文20余篇，申请和授权专利10项，参与编写专著3部。曾获中国自动化学会科技进步奖一等奖 、北京市轨道交通学会科技进步奖二等奖。IEEE高级会员，《IEEE Transaction on Intelligent Transportation Systems》和《IEEE Open Journal of  Intelligent Transportation Systems》副编辑，北京交通大学”五四“奖章获得者。

王义惠，副教授，博导

于2007年在北京交通大学自动化专业获得学士学位，于2014年在代尔夫特理工大学交通信息工程及控制专业获得博士学位，现为北京交通大学自动化与智能学院副教授，主要研究的领域是铁路信号、列车运行控制、列车运行计划编制与调整、运筹优化、模型预测控制等，主持科研项目十余项，其中国家自然科学基金项目两项、省部级项目两项，出版英文学术专著一部，发表学术论文100余篇，其中国际权威期刊论文40余篇，担任伦敦大学学院交通研究中心Honorary Senior Lecturer，美国运输研究委员会（TRB） AR030的Standing Committee，Informs铁路应用分会国际分委会成员，IEEE Open Journal of Intelligent Transportation Systems编委会成员等。

牛儒，副教授、硕士生导师。

多年从事轨道交通信号系统安全分析和评估方法，事故致因模型和分析方法、自主化无人列控系统的动态安全分析、智能感知设备安全测试验证方面的研究。发表相关论文30余篇。主持或参与完成国家自然基金、国家863项目、国际科技合作项目、铁路总公司项目等国家级科研项目10余项，完成北京市自然基金项目、北京市教委、北京市科委等省部级科研项目5项，完成校企合作横向课题4项，出版专著和教材共4部。

高士根  副教授，博导

长期从事列车运行控制领域的基础理论研究工作，在列车运行动态数据处理与动态建模、列车自动驾驶弹性辨识与适应控制、虚拟编组协同的间隔优化与协同控制等方向取得了一定的工作积累。获中国自动化学会CAA科学技术进步奖一等奖2项、中国自动化学会CAA自然科学奖二等奖1项、中国自动化学会CAA优秀博士学位论文奖。发表学术论文108篇，其中SCI/EI检索论文60余篇，出版专著一部，授权国家发明专利14项，登记软件著作权7项。

周敏 副教授、硕导

主要从事高铁智能调度、控制调度一体化、应急管控等领域的研究，主持国家自然科学基金委、科技部、国铁集团等国家和省部级科研项目，在领域重要期刊和会议发表论文60余篇，申请国家发明专利20余项（授权10项），入选“博新计划”和北京市“青托”，获中国自动化学会科技进步一等奖、自然科学二等奖等，获IEEE ITSC等国际/国内会议优秀论文奖3篇，担任IEEE T-IV和IEEE T-CSS期刊编委。

刘金涛，副教授，硕导

现任北京交通大学自动化与智能学院副教授、硕士生导师。长期从事轨道交通安全评估领域的研究工作，主要包括轨道交通事故致因分析，轨道交通信号系统安全分析，轨道交通信号系统建模与验证等研究方向，将理论研究与实际案例相结合，提出涉及信号系统安全防护优化、危险致因自动化分析以及轨道交通事故防控等方面的多种理论方法。发表SCI/EI检索论文20余篇、主持和参与多项国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国国家铁路集团科技研究开发计划等科研项目。

吴道华 副教授 硕导

长期从事轨道交通系统设计、可靠性和安全性分析、形式化建模验证等相关理论和方法研究，先后主持国家自然基金项目和参与多项重大项目，以第一作者身份在IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems、IEEE Transactions on Industrial Informatics、Reliability Engineering & System Safety等SCI学术期刊发表多篇论文。

 蒋海林 副教授，硕导

长期从事城市轨道交通车地通信的研究工作，对基于WLAN和LTE-M的CBTC车地通信技术有丰富的研究、开发、工程实施和测试经验。发表SCI/EI检索论文10余篇、获得授权发明专利10余项。

赵红礼 副教授，硕导

北京交通大学先进轨道交通自主运行全国重点实验室攻关团队成员，长期从事无线通信和轨道交通专用通信研究工作。结合信号系统应用研制了城市轨道交通无线通信相关设备，参与了多项轨道交通通信标准的制定并负责性能测试和互联互通测试，多次参与解决工程实际问题。发布论文20余篇，获得授权发明专利10余项，著作5本。获得2020年中国城市轨道交通协会科技进步特等奖，2021年江苏省科技进步三等奖，2021年江苏省通信学会科技进步一等奖。

商都 北京交通大学自动化与智能学院讲师

2023年6月于北京交通大学数学与统计学院获得理学博士学位，统计学专业。研究方向包括基于数据驱动的系统监控、故障识别与预警: 通过对实际复杂系统中数据的采集、预处理和分析，监督系统的运行状态，检测系统信息，诊断分析系统的动态趋势。曾获得北京交通大学2023年博士知行奖学金，2021年博士国家奖学金，多次获得研究生一等学业奖学金。以第一作者发表SCI检索论文11篇，主持研究生创新项目两项，参与多项国家自然基金委横向科研项目。

高鹏飞，助理研究员

现任北京交通大学自动化与智能学院助理研究员。长期从事轨道交通领域列车运行控制与调度系统仿真与优化、重载铁路装备时空信息同步技术、轨道交通信号系统安全评估、产品认证、质量管理与认证资质体系研究等工作。近年来，申请专利3项、发表论文5篇，主持和参加多项国家自然科学基金“重大”、国家重点研发计划、国家铁路局、国铁集团等科研项目。

三、特色内容

1 面向动态时空安全的虚拟编组列车追踪控制方法与关键技术；

研究列车牵引/制动建模与性能预测方法和关键技术；构建列车风险动态评估和控制模型，研究轨迹动态变化条件下的多列车协同全时空避撞控制方法与关键技术；研制面向列车自主运行的车载安全防护控制装备。研究列车动态编队和解编的聚合和分离协同控制方法和关键技术；研究面向列车群组的多智能体协同控制方法，建立基于列车追踪距离动态收缩约束的列车群组协同控制模型，突破线路阻力、不同轮轨关系、异构车辆等条件下列车群组的小间隔平稳追踪控制技术；研制列车群组车载控制装备，缩短行车间隔，实现车辆资源灵活配置。

2 多专业、多制式协同智能调度技术；

面向多制式轨道交通网络，构建行车调度人机混合系统模型，研究人机耦合关系与智能交互机理；研究复杂信息的自动分析和态势推演技术，形成调度主动监督系统；针对轨道交通多专业、多区域分布协同的特点，研究调度协同的知识图谱表达技术，知识抽取技术，场景识别技术以及调度意图模型化动态表达技术，形成基于人机融合智能的多决策主体协同调度决策框架；突破大规模调整的层次和区域分解技术，研究计算任务分配和负载均衡技术，形成面向协同决策的调度快速优化技术；研究基于工业互联网的多专业联动技术，调度命令自动生成技术，调度信息自动发布技术，实现计划与实施间的闭环自动管控。最终研制面向多制式多专业协同的新一代调度系统装备。

3 列车前方障碍物智能感知方法与关键技术；

研究列车行驶环境全场景三维建模、运行环境场景分割与理解、基于场景理解的远距离障碍物检测识别等车载障碍物远距离探测方法；基于多源异构信息融合理论，研制新型感知传感器，研究全天候条件下铁路周界入侵可信感知方法，研究基于铁路先验知识图谱的场景理解与自适应聚类的周界入侵异常事件可信识别方法；研究车地协同感知传感器优化布局方案及高效识别模型轻量化优化策略；研制车载障碍物长距离探测与轨道入侵感知装备。

4 轨道交通关键装备服役状态监测与诊断方法；

以列车故障诊断为核心，研究列车关键部件劣化机理与故障生成规律，研究列车关键部件服役状态的特征信号检测技术，研制列车关键部件在途检测装置，研究列车关键部件的空间分布特征与感知需求，研究传感器优化部署方法；研究列车关键部件感知数据的特征提取、时频分析方法，实现在途故障智能诊断。

5 车车/车地信息传输与网络安全关键技术；

研究高速移动复杂环境车车/车地超可靠信息传输理论与方法；提出空-天-地立体冗余组网与端-网协同技术，构建多维度高速移动通信可靠性提升体系；研发智能立体异构网络及互联互通测试平台；研发面向安全数据传输的通信状态智能监测与实时分析诊断技术与装备；融合分布式人工智能、区块链，实现可信、协同、智能的态势感知与主动安全防御。

6 轨道交通系统安全与动态风险评估方法

面向人工智能、大数据、云平台等先进技术带来的系统安全挑战，研究新技术特征下轨道交通系统安全风险的产生机理和传播规律；融合预期功能安全概念，提出智能列车运行安全保障、验证、评估的理论框架和方法体系，提出基于在线环境条件、设备状态数据的动态风险评估方法；研发面向复杂运行环境和不确定设备状态参数的及时安全管理技术和装备，实现列车运行风险的精细化管理。

四、水平展示

表1 本所获得的重要奖项（部分代表性奖励）

表2 本所获得的重大国家级项目（部分代表性项目）

典型的重点项目介绍如下：

1 面向虚拟编组的城轨列车群调控一体化理论与关键技术（国家自然科学基金-区域联合基金，U22A2046）

列车虚拟编组技术可以进一步提升城市轨道交通系统运力、提高车辆资源利用率，实现客流与车流的高效匹配，是城市轨道交通未来发展的重要方向。城轨虚拟编组列车运行耦合紧密、动力学呈强非线性，且调度指挥决策目标与决策变量多、约束强，本项目紧密围绕复杂系统耦合机理分析与形式化表示、数据驱动的复杂非凸优化决策问题求解、强约束条件下部分可观马尔可夫决策过程的分布式架构拓展方法等理论中尚未解决的科学问题，重点开展面向虚拟编组的列车群调控一体化机理分析及模型构建、跨区域列车群动态调度模型与数据驱动优化方法、列车群区域协同优化控制方法、面向虚拟编组的新型列控系统试验验证等方面的研究，形成面向城轨虚拟编组列车运行控制的成套方法和技术体系。项目具有深远的科学意义和重大的应用价值，研究成果将为我国列控领域抢占重要科技前沿、实现我国轨道交通列控技术从“并跑”到“领跑”的跨越提供理论基础和关键技术支撑。

图4 城轨列控系统的技术发展历程

2 高速铁路信号系统安全评估基础理论与方法研究（国家自然科学基金-高铁联合基金，U1434209）

高速铁路信号系统是复杂的社会技术系统，提高和保证高速铁路信号系统独立安全评估有效性和可信性，面临着“系统技术复杂”、“安全特征复杂”、“缺乏高质量客观证据有效评估方法”等难题。项目通过建立高速铁路信号系统事故致因模型，系统地揭示了高速铁路信号系统中人-机-环等方面事故诱导机制、成因链及危险演化传播规律，提出了适合我国高速铁路信号系统特点的安全风险分析方法。研究了各类安全证据的属性和分类，建立了高速铁路信号证据链模型，形成了适用于高速铁路信号系统安全评估的证据链维护与管理技术；研究了高速铁路信号系统通用安全论证模式，提出了安全论证可信性的评价技术。建立了高速铁路信号系统安全测试需求模型，提出了适合于高速铁路信号系统第三方安全测试方法及测试案例生成技术，构建了一个高速铁路信号系统第三方安全测试技术验证的示范平台。项目研究对于提高我国高速铁路信号系统整体安全水平，保证高速列车安全高效运行具有重要的基础性和战略性意义。

图5 高速铁路列控系统第三方安全测试平台架构

3 车载中心化的动态间隔控制及测试验证技术研究（国家重点研发计划-先进轨道交通，2018YFB1201501）

项目围绕车载中心化的动态间隔控制及测试验证相关技术开展研究，提出了基于场景的新型列控系统总体技术方案设计方法和基于一致性测试的在线测试方法，攻克了多层次冗余和可伸缩的高可靠安全计算机、基于拓扑流形理论的新型列控系统安全间隔控制等技术，编制了《新型列控系统系统需求规范》等规范，研制了新型列控系统车载安全计算机平台样机，构建了新型列控系统仿真测试平台，完成了新型列控系统全系统的实验室测试验证。

项目取得重要创新成果如下：

(1) 提出了基于拓扑流形理论的新型列控系统动态安全间隔控制逻辑描述方法，解决了“以车载为核心”的安全间隔控制的复杂状态空间验证难题；提出了基于图论的新型列控系统规范建模方法，确保系统规范的一致性和无歧义性;面向动态安全间隔。

(2）提出了基于在线一致性测试理论的新型列控系统测试方法，基于组合测试理论的新型列控系统测试案例完备生成技术，形成了新型列控系统功能和性能的测试案例集;搭建了硬件在环新型列控系统仿真测试验证平台。

项目研究成果有效支撑了设备研制和现场试验，提出的“车载中心化”列控系统方案和规范，有效减少轨旁设备，改变传统铁路列控系统模式，为我国列控系统发展奠定理论和技术基础。

图6 基于硬件在环新型列控系统仿真测试验证平台