李一楠，鄭理華，徐效寧

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)逐年擴(kuò)大，運(yùn)輸壓力不斷提高，高速鐵路需要更加高效和便捷的控制系統(tǒng)，在提高自動(dòng)化運(yùn)行程度的同時(shí)保障安全性。因此，高速鐵路運(yùn)輸對(duì)于自動(dòng)駕駛的應(yīng)用需求持續(xù)增加。如何在高速鐵路既有的列控系統(tǒng)中疊加自動(dòng)駕駛功能，是近年來(lái)我國(guó)高速鐵路重點(diǎn)研究的技術(shù)之一。

中國(guó)列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(Chinese Train Control System，CTCS)是我國(guó)高速鐵路重要的控制系統(tǒng)，保證高速列車(chē)安全、可靠的運(yùn)行。CTCS對(duì)列車(chē)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式方式超速防護(hù)，其中我國(guó)運(yùn)用最為廣泛的是CTCS-3和CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)。列車(chē)自動(dòng)駕駛(Automatic Train Operation，ATO)最早在城市軌道交通中應(yīng)用[1]，它以自動(dòng)化方式替代司機(jī)駕駛列車(chē)的任務(wù)，利用地面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)牽引、制動(dòng)、惰行和自動(dòng)折返等運(yùn)行控制，綜合考慮運(yùn)行計(jì)劃、列車(chē)性能參數(shù)、線(xiàn)路數(shù)據(jù)條件等因素進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和優(yōu)化控制，使列車(chē)基本處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高了旅客的乘坐舒適度和列車(chē)的準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)率，縮短運(yùn)行間隔、提高運(yùn)輸效率，最大程度降低人為因素的出錯(cuò)率，降低運(yùn)營(yíng)成本并可節(jié)約能源。目前ATO在城市軌道交通中得到快速發(fā)展，是自動(dòng)化控制的可靠技術(shù)保障。因此，CTCS列控系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)在高速鐵路和城市軌道交通2個(gè)不同領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，有著成熟可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。CTCS列控系統(tǒng)技術(shù)重心落于安全性，ATO系統(tǒng)則更多是關(guān)注提高運(yùn)輸效率、乘坐舒適度，以及準(zhǔn)點(diǎn)率和自動(dòng)化控制等應(yīng)用技術(shù)。

近年來(lái)，我國(guó)逐步開(kāi)展了鐵路自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用的可行性研究，建立起較完善的自動(dòng)駕駛技術(shù)融合方案，一種結(jié)合高速鐵路和城市軌道交通各自特點(diǎn)的控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，即高速鐵路ATO系統(tǒng)。高速鐵路ATO系統(tǒng)在可靠的CTCS列控系統(tǒng)中疊加ATO自動(dòng)駕駛功能，在具備安全性保障的前提下，利用自動(dòng)化控制技術(shù)提高運(yùn)輸效率、便捷性，提高自動(dòng)化程度。

高速鐵路ATO系統(tǒng)根據(jù)速度等級(jí)不同可以分為CTCS2+ATO和CTCS3+ATO系統(tǒng)。其中，CTCS2+ATO系統(tǒng)是CTCS2級(jí)列控系統(tǒng)疊加ATO相關(guān)功能，適用于速度250 km/h及以下的線(xiàn)路，經(jīng)幾年應(yīng)用研究和技術(shù)探索，以及在珠三角地區(qū)的成功運(yùn)用[2]，形成了CTCS2+ATO列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[3]，系統(tǒng)逐步優(yōu)化和完善，為CTCS3+ATO系統(tǒng)的研究打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。CTCS3+ATO系統(tǒng)是CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)疊加ATO相關(guān)功能，適用于更高速度等級(jí)線(xiàn)路，也是今后高速鐵路ATO系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展方向，目前已經(jīng)成功裝車(chē)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

我國(guó)在列控系統(tǒng)疊加自動(dòng)駕駛功能技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆趪?guó)際領(lǐng)先水平，不但形成了相對(duì)成熟的總體技術(shù)方案，并且有成功的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。而歐洲在這方面的研究始于2013年，啟動(dòng)了下一代列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(Next Generation Train Control，NGTC)計(jì)劃[4]，該計(jì)劃根據(jù)既有列控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)與基于無(wú)線(xiàn)通信的列車(chē)控制系統(tǒng)(CBTC)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提出疊加自動(dòng)駕駛功能的歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(ATO over ETCS)的運(yùn)營(yíng)理念。歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(ETCS)規(guī)范體系在ETCS基線(xiàn)3版本規(guī)范基礎(chǔ)上，增加了ATO的系統(tǒng)需求規(guī)范及相關(guān)的接口規(guī)范，但至今仍沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

2 高速鐵路ATO系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速鐵路ATO系統(tǒng)由車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備組成，車(chē)載設(shè)備部分包括列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)，以及列車(chē)自動(dòng)駕駛ATO、無(wú)線(xiàn)電臺(tái)等設(shè)備；地面設(shè)備包括臨時(shí)限速服務(wù)器(Temporary Speed Restrictoin Server，TSRS)、調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System，CTC)、 列 控 中 心 (Train Control Center，TCC)等設(shè)備，車(chē)站股道增加精確定位應(yīng)答器，構(gòu)成了高速鐵路ATO系統(tǒng)。高速鐵路ATO系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高速鐵路ATO系統(tǒng)各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能如下。

圖1 高速鐵路ATO系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of ATO system for high-speed railway

（1）ATP實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式曲線(xiàn)并依據(jù)曲線(xiàn)對(duì)列車(chē)超速進(jìn)行自動(dòng)防護(hù)，其中應(yīng)答器接收單元接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號(hào)獲得線(xiàn)路數(shù)據(jù)，測(cè)速測(cè)距單元采集來(lái)自速度傳感器的信號(hào)并計(jì)算速度、走行距離和方向，無(wú)線(xiàn)傳輸單元實(shí)現(xiàn)車(chē)－地?zé)o線(xiàn)消息雙向傳輸并具備消息加密－解密功能，軌道電路處理單元接收解調(diào)地面軌道電路的載頻、低頻等信息，用于軌道電路占用及移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算等。ATP實(shí)現(xiàn)上述既有安全防護(hù)功能基礎(chǔ)上，進(jìn)行適應(yīng)性功能優(yōu)化，協(xié)同ATO控車(chē)并增加車(chē)門(mén)防護(hù)[5]。

（2）ATO在ATP的安全行車(chē)許可控制范圍內(nèi)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信接收運(yùn)行計(jì)劃、線(xiàn)路數(shù)據(jù)和臨時(shí)限速等信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)速度自動(dòng)控制、自動(dòng)開(kāi)關(guān)車(chē)門(mén)功能。

（3）TSRS負(fù)責(zé)臨時(shí)限速集中管理，在既有的功能外增加了站臺(tái)門(mén)(安全門(mén)或屏蔽門(mén)，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“站臺(tái)門(mén)”)控制信息管理、站臺(tái)門(mén)命令處理、運(yùn)行計(jì)劃管理、站間數(shù)據(jù)管理等功能。

（4）CTC負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)設(shè)備集中控制，對(duì)列車(chē)進(jìn)行指揮和管理。在既有功能基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)送運(yùn)行計(jì)劃、管理在線(xiàn)列車(chē)、計(jì)劃自動(dòng)調(diào)整等功能。

（5）TCC在既有功能基礎(chǔ)上增加站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制和站臺(tái)門(mén)防護(hù)功能，負(fù)責(zé)接收TSRS發(fā)送的開(kāi)關(guān)站臺(tái)門(mén)命令，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)控制功能。

（6）應(yīng)答器組在既有報(bào)文信息[6]定義外，增加了停車(chē)標(biāo)、門(mén)側(cè)等城際鐵路相關(guān)的報(bào)文。

2.2 系統(tǒng)功能

高速鐵路ATO系統(tǒng)是列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)ATP基礎(chǔ)上增設(shè)ATO實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛控制，地面設(shè)置專(zhuān)用精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)精確定位，地面設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門(mén)控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運(yùn)行計(jì)劃處理[7]。主要以實(shí)現(xiàn)區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行控制、車(chē)站自動(dòng)停車(chē)和發(fā)車(chē)、車(chē)門(mén)防護(hù)及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制來(lái)提高運(yùn)輸效率和安全性。

（1）區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行。在ATP安全防護(hù)下自動(dòng)駕駛ATO單元根據(jù)地面設(shè)備提供的線(xiàn)路數(shù)據(jù)條件、運(yùn)行計(jì)劃，考慮動(dòng)車(chē)組制動(dòng)牽引性能和相關(guān)車(chē)輛參數(shù)，采用不同駕駛策略實(shí)時(shí)進(jìn)行計(jì)算和調(diào)整，自動(dòng)控制列車(chē)的加減速、定速巡航、啟動(dòng)停車(chē)和惰行，根據(jù)運(yùn)輸時(shí)刻表自動(dòng)調(diào)整列車(chē)速度。ATO在控速設(shè)計(jì)中進(jìn)行舒適度優(yōu)化，避免加減速度變化率過(guò)大而影響乘坐體驗(yàn)。相對(duì)于人工駕駛的列車(chē)，列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)率得到提升，列車(chē)運(yùn)行間隔也有所縮短，乘坐體驗(yàn)良好，降低司機(jī)操作出錯(cuò)率。

（2）車(chē)站自動(dòng)停車(chē)和發(fā)車(chē)。高速鐵路ATO系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)駕駛并根據(jù)地面應(yīng)答器精準(zhǔn)停車(chē)信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)標(biāo)控制，確保列車(chē)自動(dòng)且準(zhǔn)確地停在股道運(yùn)營(yíng)停車(chē)點(diǎn)。而站內(nèi)發(fā)車(chē)時(shí)，當(dāng)?shù)孛婢邆浒l(fā)車(chē)條件后，司機(jī)僅需按壓“ATO啟動(dòng)”按鈕確認(rèn)后，動(dòng)車(chē)組從車(chē)站自動(dòng)發(fā)車(chē)，有效縮短發(fā)車(chē)間隔。自動(dòng)停車(chē)和發(fā)車(chē)功能，徹底避免司機(jī)手動(dòng)停車(chē)精度低、對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)造成的無(wú)法正常開(kāi)門(mén)的情況，同時(shí)提高區(qū)間運(yùn)行及進(jìn)出站的運(yùn)輸效率。

（3）車(chē)門(mén)防護(hù)及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)在列車(chē)進(jìn)站后，通過(guò)地面應(yīng)答器信息可判斷站臺(tái)方向，待列車(chē)停準(zhǔn)停穩(wěn)后，如果運(yùn)行計(jì)劃要求當(dāng)前車(chē)站辦客，系統(tǒng)可自動(dòng)控制開(kāi)啟車(chē)門(mén)，同時(shí)控制站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)。車(chē)門(mén)及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制流程示意圖如圖2所示。在繁忙的城際鐵路公交化運(yùn)營(yíng)模式中，車(chē)門(mén)操作更加頻繁，利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化車(chē)門(mén)控制及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)功能，較之司機(jī)手動(dòng)控門(mén)出錯(cuò)率大幅降低，確保車(chē)門(mén)和站臺(tái)門(mén)的正確開(kāi)啟，進(jìn)一步保障旅客上下車(chē)的安全性。

綜上所述，基于高速鐵路ATO系統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸，提高了站內(nèi)發(fā)車(chē)和停車(chē)效率，縮短了區(qū)間運(yùn)行形成間隔，提高準(zhǔn)點(diǎn)達(dá)到率，同時(shí)加強(qiáng)了旅客的安全保障，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有了明顯提升。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

CTCS2+ATO系統(tǒng)在廣佛肇(廣州—佛山西—肇慶)和莞惠(東莞—惠州) 2條城際鐵路中得到成功應(yīng)用。廣佛肇城際鐵路沿線(xiàn)共設(shè)廣州、佛山西、獅山、獅山北、三水北、云東海、大旺、四會(huì)、鼎湖東、鼎湖山、端州、肇慶站等12個(gè)客運(yùn)業(yè)務(wù)辦理車(chē)站，線(xiàn)路全長(zhǎng)111 km。莞惠城際鐵路常平東站至小金口站區(qū)段沿線(xiàn)共設(shè)常平東、樟木頭東、銀瓶、瀝林北、仲愷、惠環(huán)、龍豐、西湖東、云山、小金口站等10個(gè)客運(yùn)業(yè)務(wù)辦理車(chē)站，線(xiàn)路全長(zhǎng)53 km。這2條線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)了公交化運(yùn)營(yíng)模式，車(chē)票隨買(mǎi)隨走，站臺(tái)安裝自動(dòng)屏蔽門(mén)，實(shí)現(xiàn)了列車(chē)自動(dòng)駕駛、精確停車(chē)、車(chē)門(mén)與站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制等功能，有效減輕了司機(jī)、站臺(tái)客運(yùn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，加快了珠三角各主要城市之間的互聯(lián)互通，極大地提高了運(yùn)輸效率和出行便捷性。其中200C列控車(chē)載疊加ATO系統(tǒng)，是通過(guò)列控設(shè)備的擴(kuò)展單元模塊[8]，使200C型列控系統(tǒng)與ATO及相關(guān)設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)列控ATO系統(tǒng)功能。自從2016年廣佛肇和莞惠2條城際鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)CTCS2+ATO系統(tǒng)有待改善和優(yōu)化的問(wèn)題，如站臺(tái)門(mén)相關(guān)故障、車(chē)地通信故障、未對(duì)標(biāo)精確停車(chē)、外界影響導(dǎo)致ATO控車(chē)越標(biāo)停車(chē)等。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實(shí)際情況在技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，系統(tǒng)不斷完善，進(jìn)一步增強(qiáng)了CTCS2+ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性和可用性。

CTCS3+ATO系統(tǒng)目前安裝于復(fù)興號(hào)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組，正在京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)(北京—沈陽(yáng))自主化智能高速鐵路綜合試驗(yàn)中進(jìn)行全功能測(cè)試驗(yàn)證。京張鐵路(北京—張家口)將于2019年開(kāi)通，成為中國(guó)首條“智能鐵路”，用于京張鐵路的復(fù)興號(hào)列車(chē)將進(jìn)行智能化升級(jí)，其中就包括CTCS3+ATO系統(tǒng)，在世界上將首次實(shí)現(xiàn)速度350 km/h的自動(dòng)駕駛。

圖2 車(chē)門(mén)及站臺(tái)門(mén)聯(lián)動(dòng)控制流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of interact control between train door and platform door

3 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路ATO系統(tǒng)在CTCS-2和CTCS-3列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上與自動(dòng)駕駛進(jìn)行技術(shù)融合，確保系統(tǒng)安全性的同時(shí)，提升了站內(nèi)及區(qū)間運(yùn)行效率。CTCS-2+ATO系統(tǒng)已有多年應(yīng)用業(yè)績(jī)，用戶(hù)反饋系統(tǒng)簡(jiǎn)化了司機(jī)的操作，有效確保列車(chē)準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)，目前正在進(jìn)行擴(kuò)大應(yīng)用。CTCS-2+ATO系統(tǒng)的成功也為CTCS-3+ATO系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)[9-10]。CTCS-3+ATO系統(tǒng)通過(guò)了全面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試并在京沈客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中得到驗(yàn)證，功能全部符合設(shè)計(jì)預(yù)期，將在京張鐵路率先投入使用。自動(dòng)駕駛技術(shù)借鑒城市軌道交通的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高速鐵路特點(diǎn)將不斷進(jìn)行優(yōu)化研究，實(shí)現(xiàn)高速鐵路最高等級(jí)完全無(wú)人自動(dòng)駕駛的ATO系統(tǒng)。