程劍鋒，馮凱，李科

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

隨著高速鐵路在我國大規(guī)模應(yīng)用，迫切需求信號系統(tǒng)進(jìn)一步自動化的解決方案。CTCS-3級列控系統(tǒng)（包括列車自動防護(hù)（ATP）系統(tǒng)和無線閉塞中心（RBC））保障列車在350?km時速下的安全運行，結(jié)合列車自動駕駛（ATO）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)列車準(zhǔn)時并高效到達(dá)的功能，可進(jìn)一步提高高鐵的競爭力并使其成為未來最高效的交通工具之一[1]。

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司多年來一直致力于高速列車的安全防護(hù)（ATP/CTCS3-400C系統(tǒng)）和地鐵自動駕駛系統(tǒng)（ATO/CBTC系統(tǒng)）的研發(fā)，通過ATO優(yōu)化駕駛時間、精確停車、自動開門、縮短站內(nèi)停留時間以及沿著CTCS3制動干預(yù)曲線精確行駛來縮短運行時間，從而提高自動化程度，提升效率，使CTCS3+ATO系統(tǒng)符合國際高速列車控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外高速列車ATO技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)

2018年2月，阿爾斯通與荷蘭鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運營商ProRail/鹿特丹鐵路運輸公司RRF簽署了一項協(xié)議，計劃進(jìn)行ATO的相關(guān)測試。阿爾斯通將在一條長150?km、安裝歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)（ERTMS）的雙線貨運線路上實施GOA2級自動化并進(jìn)行測試，測試機車配備了ATP系統(tǒng)和ATO輔助系統(tǒng)，ATO測試線路長約100?km。通過ATO試驗計劃，運營商ProRail熱衷于成為這項技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，并計劃使荷蘭成為鐵路創(chuàng)新的測試中心[2]。

2018年3月17日，泰晤士線倫敦中部線路進(jìn)行ETCS2+ATO（GOA2級）試驗，GTR公司的列車向南在肯特斯鎮(zhèn)轉(zhuǎn)變?yōu)镋TCS-2級ATO模式，運行至后倫敦圣潘克拉斯自動停車，停車后繼續(xù)以ATO模式向前運行。該系統(tǒng)于2016年4月開始進(jìn)行ETCS2測試，?2016年11月開始ATO測試，截至2018年3月針對ETCS2和ATO系統(tǒng)共進(jìn)行了200個晝夜的測試。該ETCS2+ATO系統(tǒng)計劃將于2019年5月在圣潘克拉斯—布萊克修士運行，2019年12月將運營區(qū)間擴(kuò)展到倫敦橋[3]。

泰晤士線倫敦中部線路ETCS2和ATO系統(tǒng)由西門子公司提供，Network?Rail公司負(fù)責(zé)系統(tǒng)集成。GTR公司宣稱是世界上第1個在ETCS2線路上運行ATO系統(tǒng)的列車運營商。西門子公司認(rèn)為疊加ATO的ETCS2系統(tǒng)的優(yōu)點為：（1）99%準(zhǔn)時；（2）列車可以直接從動車所自動喚醒；（3）線路容量增加50%；（4）列車運行節(jié)能15%。這些自動化功能從軌道交通領(lǐng)域可以成功適應(yīng)于區(qū)域鐵路和干線鐵路，以實現(xiàn)效率顯著提高。

2013年，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會（UNIFE）啟動歐洲下一代列車控制系統(tǒng) NGTC（Next?Generation?of?Train?Control?System）項目，致力于研究“具有列車自動防護(hù)（ATP）、列車自動駕駛（ATO）和列車自動監(jiān)視（ATS）功能的干線鐵路及城市軌道交通應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化列車控制系統(tǒng)，降低列控系統(tǒng)總成本和壽命周期成本，提高列控系統(tǒng)總體性能”。

2015年，歐盟全面啟動“構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃（Shift2Rail）”，旨在通過運用最新技術(shù)創(chuàng)新手段，把提升歐洲鐵路運輸能力、服務(wù)質(zhì)量和可靠性以及降低全生命周期成本作為工作重點，其中以自動駕駛為代表的先進(jìn)交通管理控制系統(tǒng)是五大創(chuàng)新工作包之一[4]。法國國家鐵路運營商SNCF宣布2022年將在法國鐵路網(wǎng)實現(xiàn)列車自動駕駛。德國鐵路（股份）公司DB?AG則公布了2023年將實現(xiàn)干線自動駕駛的工作計劃。

1.2 城市軌道交通自動駕駛系統(tǒng)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)了GOA2的ATO自動駕駛功能，城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)FAO實現(xiàn)了GOA3或GOA4級的自動化功能。

世界第1條FAO城軌線路——法國里爾1號線于1983年開通運營，2005年后FAO發(fā)展速度逐漸加快，并開始在中、高運量地鐵廣泛應(yīng)用。我國應(yīng)用FAO技術(shù)的地鐵線路主要有北京機場線、上海10號線、香港南港島線。北京燕房線首次采用我國第1個自主化全自動運行系統(tǒng)，按照GOA4等級建設(shè)，于2017年年底開通。燕房線是全國首條擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)GOA4的地鐵線，列車運行時速最高80?km，能夠?qū)崿F(xiàn)動車段自動喚醒。

國際公共交通協(xié)會（UITP）估計，到2020年國際上75%的新線采用FAO技術(shù)，40%的既有線改造時采用FAO技術(shù)。預(yù)計到2025年全球?qū)崿F(xiàn)2?300?km的全自動運行線路。

1.3 城際鐵路自動駕駛系統(tǒng)

2010年，根據(jù)我國鐵路信號系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀、結(jié)合城際軌道交通用戶需求，在珠三角城際軌道交通建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組第2次會議上，中國鐵路總公司與廣東省確定了“信號列控系統(tǒng)采用CTCS-2級列控系統(tǒng)+ATO”的城際軌道交通信號系統(tǒng)方案。

2016年，在珠三角城際莞惠及佛肇線上實施了CTCS-2級列控系統(tǒng)+ATO的運營，成功實現(xiàn)了世界上首次將自動駕駛技術(shù)運用到200?km/h等級的鐵路。

2 我國CTCS3+ATO技術(shù)特點

我國CTCS3+ATO系統(tǒng)在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，車載設(shè)置ATO單元實現(xiàn)自動駕駛控制，地面設(shè)置專用精確定位應(yīng)答器實現(xiàn)精確定位，地面設(shè)備通過GPRS通信實現(xiàn)站臺門（包括安全門或屏蔽門，簡稱站臺門）控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運行計劃處理[5-9]。CTCS3+ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

CTCS3+ATO系統(tǒng)功能及其在既有設(shè)備上的主要改動如下：

（1）CTCS3+ATO系統(tǒng)主要功能包括：車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門（防護(hù)）、車門/站臺門聯(lián)動控制。在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載增加ATO單元、GPRS電臺及相關(guān)配套設(shè)備；地面在臨時限速服務(wù)器（TSRS）、調(diào)度集中（CTC）、列控中心（TCC）等設(shè)備上增加功能；車站股道增加精確定位應(yīng)答器，構(gòu)成CTCS3+ATO系統(tǒng)。

圖1 CTCS3+ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（2）ATP車載設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上，增加列車開門防護(hù)功能，并根據(jù)ATO自動駕駛的需要適當(dāng)調(diào)整。

（3）ATO車載設(shè)備在ATP的行車許可下，通過GPRS無線通信接收到的運行計劃、站間數(shù)據(jù)（含線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臨時限速）等信息實現(xiàn)列車速度自動控制、自動開車門和車門/站臺門聯(lián)動控制等功能。

（4）TSRS設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上，增加站臺門門控信息管理，站臺門命令/狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)，運行計劃處理和轉(zhuǎn)發(fā)，站間數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用、發(fā)送等功能。

（5）CTC設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上，增加發(fā)送對應(yīng)的運行計劃、實時管理在線列車、運行計劃自動調(diào)整等功能。

（6）TCC設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上，增加車門/站臺門聯(lián)動控制和站臺門防護(hù)功能。

（7）在相關(guān)應(yīng)答器組中增加停車標(biāo)、門側(cè)、隧道信息等應(yīng)答器報文。

3 我國CTCS3+ATO試驗情況

我國CTCS3+ATO列控系統(tǒng)試驗內(nèi)容分為2類，一類是ATO功能試驗，另一類是ATO性能試驗。ATO功能類試驗主要包括：CTCS3+ATO系統(tǒng)的區(qū)間自動運行、車站自動停車、車站自動發(fā)車功能；測試增加ATO后，列控設(shè)備對車門的防護(hù)功能，以及車門/站臺門的聯(lián)動控制及防護(hù)功能；測試CTC將行車計劃通過GPRS分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、TSRS等實時上傳列車的功能；測試區(qū)間跨TSRS運行、跨線運行等互聯(lián)互通功能。ATO性能類試驗主要包括：ATO設(shè)備自動停車功能以及在精確定位應(yīng)答器的輔助下，分別控制列車精確地在預(yù)定位置停車，其停車誤差在允許范圍之內(nèi)；測試ATO系統(tǒng)在行車準(zhǔn)時到站和運行舒適性等方面的運用情況；測試不同負(fù)荷條件下GPRS傳輸延時的變化規(guī)律，以及對節(jié)能指標(biāo)的測試。

根據(jù)試驗大綱中確定的測試案例，結(jié)合現(xiàn)場線路條件，編制測試序列?，F(xiàn)場測試按照測試序列要求準(zhǔn)備測試進(jìn)路和地面配合條件，動車組運行過程中通過監(jiān)測設(shè)備對車載設(shè)備運行狀態(tài)信息、RBC運行狀態(tài)信息、車地信息交互信息等進(jìn)行記錄，根據(jù)記錄信息和評判標(biāo)準(zhǔn)對測試結(jié)果進(jìn)行評判。CTCS3+ATO系統(tǒng)試驗結(jié)束時，試驗大綱規(guī)定的全部案例通過測試，車載設(shè)備和地面設(shè)備的功能、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)以及互聯(lián)互通性能滿足CTCS3+ATO系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求。試驗結(jié)果表明：CTCS3+ATO系統(tǒng)可有效降低司機的工作強度、避免疲勞駕駛；可有效降低能耗。在測試樣本中，采用能耗優(yōu)化算法的列車，在行車時間近似的情況下，與人工駕駛相比較，各區(qū)間都有較為明顯的節(jié)能效果，可節(jié)能10%左右；可有效提高通過能力，在指定的區(qū)間運行時間內(nèi)，自動駕駛比人工駕駛更節(jié)省時間。

4 結(jié)束語

京張高鐵、京雄高鐵將采用GOA2級自動駕駛（半自動駕駛等級），ATO可實現(xiàn)自動發(fā)車、區(qū)間按圖自動運行、到站精確停車，以及停站期間車門/站臺門等自動控制功能。具備自動駕駛功能的時速350?km動車組自動駕駛技術(shù)在世界范圍內(nèi)尚無應(yīng)用先例。自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用可有效提高運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，是高速鐵路智能化的重要標(biāo)志，對保持我國高速鐵路列控技術(shù)的國際先進(jìn)水平具有重要意義。GOA3和GOA4級自動駕駛（無人駕駛等級）不僅對車載信號設(shè)備，同時對車輛系統(tǒng)、地面信號設(shè)備、地面安全防護(hù)系統(tǒng)、車站設(shè)備、線路條件以及運營方式等都提出了更高要求，涉及面較大，短期內(nèi)不具備實施條件，是下一階段的研究方向。根據(jù)中國鐵路總公司智能鐵路發(fā)展展望，將在2021—2025年突破全面感知的列車無人駕駛（DTO、GOA3），在2026—2035年，探索全自動無人駕駛（UTO、GOA4），實現(xiàn)鐵路運營全面自主操控、無人化[10]。