王 鵬，陳志強(qiáng)，葛鷺明，李玲玉

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070;2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070;3.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司國(guó)家軌道客車(chē)系統(tǒng)集成工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)春 130052）

1 概述

近年來(lái)隨著軌道交通的快速發(fā)展，列車(chē)自動(dòng)駕駛（ATO）技術(shù)研究的越來(lái)越深入與普及。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通以具備ATO功能的基于通信的列控系統(tǒng)（CBTC）為主，并已于各大城市普遍應(yīng)用；國(guó)內(nèi)干線鐵路方面，莞惠C2+ATO開(kāi)創(chuàng)了城際鐵路附加ATO功能的先河，并已安全高效運(yùn)營(yíng)3年；2018年的京沈試驗(yàn)的成功驗(yàn)收也標(biāo)志著ATO成功引入高鐵。

然而對(duì)于既有干線鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)線路、地鐵或國(guó)外普速鐵路線路，增加ATO功能同樣勢(shì)在必行，若采用CBTC、城際、高鐵ATO方案對(duì)既有系統(tǒng)升級(jí)改造，則新增設(shè)備與接口較多，維護(hù)維修難度很大。對(duì)此本文提出了一種基于TAG定位的輕量級(jí)ATO系統(tǒng)升級(jí)方案。

2 基于TAG定位的ATO系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電子信標(biāo)（TAG）定位的ATO系統(tǒng)無(wú)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，是在原有列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加車(chē)載ATO單元、無(wú)線電臺(tái)及配套設(shè)備、TAG讀取器及配套設(shè)備，地面設(shè)備增加車(chē)站自動(dòng)駕駛設(shè)備（車(chē)站ATO），軌旁設(shè)備增加TAG，其他既有設(shè)備功能及接口維持不變。典型的基于TAG定位的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于TAG定位的輕量級(jí)列控系統(tǒng)Fig.1 Lightweight train control system based on TAG positioning

地面設(shè)備主要包括調(diào)度中心、繼電/計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、車(chē)站ATO。調(diào)度中心主要承擔(dān)行車(chē)調(diào)度指揮、分散自律功能，聯(lián)鎖主要承擔(dān)進(jìn)路選排、信號(hào)控制、轉(zhuǎn)轍機(jī)控制、空閑檢查等功能，車(chē)站ATO設(shè)備為新增設(shè)備，用于通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信向車(chē)載ATO發(fā)送運(yùn)行計(jì)劃相關(guān)信息。

軌旁既有設(shè)備包括信號(hào)機(jī)、軌道電路、轉(zhuǎn)轍機(jī)，功能與接口維持既有不變，新增無(wú)源TAG，車(chē)載ATO通過(guò)接收其報(bào)文獲取站臺(tái)出入口位置、停車(chē)點(diǎn)位置等信息，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)站減速及精確停車(chē)等功能。

車(chē)載設(shè)備主要包括車(chē)載ATP、車(chē)載ATO、車(chē)載DMI，車(chē)載ATP通過(guò)接受軌道碼實(shí)現(xiàn)速度防護(hù)邏輯，并通過(guò)列車(chē)接口單元對(duì)車(chē)輛進(jìn)行緊急制動(dòng)、切除牽引、駐車(chē)制動(dòng)等操作，防止列車(chē)超速、冒進(jìn)或溜車(chē)。車(chē)載ATO通過(guò)車(chē)地通信獲取運(yùn)行等級(jí)限速，通過(guò)TAG獲取停車(chē)點(diǎn)位置及站臺(tái)限速等信息，在ATP速度防護(hù)下控制列車(chē)牽引制動(dòng)及精確停車(chē)。車(chē)載DMI用于顯示列車(chē)速度、列車(chē)限速、跳停、扣車(chē)等信息，供司機(jī)監(jiān)測(cè)。

2.2 車(chē)地通信

2.2.1 車(chē)地通信內(nèi)容

車(chē)地通信在本系統(tǒng)中僅為ATO功能，用于運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整，其通信內(nèi)容非安全信息，地面的控制命令主要包括：運(yùn)行等級(jí)、開(kāi)關(guān)門(mén)命令、站停時(shí)間、期望停車(chē)階段減速率、跳停、扣車(chē)。

其中跳停、扣車(chē)命令、開(kāi)關(guān)門(mén)命令、站停時(shí)間等僅在此站有效，來(lái)源于調(diào)度員的設(shè)置；運(yùn)行等級(jí)有效范圍為此站出站到下一站進(jìn)站前，是車(chē)站ATO根據(jù)各個(gè)列車(chē)到達(dá)本站的時(shí)刻表以及發(fā)車(chē)時(shí)刻表，計(jì)算前后兩車(chē)的行駛時(shí)間間隔，然后根據(jù)本站與下一個(gè)車(chē)站的距離間隔，計(jì)算每輛列車(chē)應(yīng)行駛在兩站之間的平均速度，以此推算而來(lái)。

2.2.2 車(chē)地通信過(guò)程

此系統(tǒng)車(chē)地通信于列車(chē)進(jìn)站前一定距離建立，出站后一定距離中斷，且總是由車(chē)站ATO發(fā)起，車(chē)載ATO被動(dòng)接收。車(chē)站ATO發(fā)送的信息幀包括：請(qǐng)求幀（HELLO）、輪詢幀（POLL）、控制幀（CONTROL），車(chē)載ATO回應(yīng)的信息幀包括：應(yīng)答幀（ACK）、說(shuō)明幀（IDC），車(chē)地通信的整體流程如圖2所示。

1）車(chē)站ATO廣播發(fā)送HELLO信息幀。

2）若列車(chē)處于通信范圍內(nèi)，車(chē)載ATO回復(fù)ACK信息；若列車(chē)不處于通信范圍內(nèi)，車(chē)載ATO不做回應(yīng)。

3）車(chē)站ATO通過(guò)接收到的ACK信息，獲取列車(chē)識(shí)別號(hào)，并發(fā)送POLL信息。

4）車(chē)載ATO接收POLL信息后，判斷其報(bào)文中列車(chē)識(shí)別號(hào)、車(chē)站號(hào)是否正確，若正確則回復(fù)INDICATION信息，匯報(bào)自身運(yùn)行狀態(tài)，車(chē)載ATO認(rèn)為車(chē)地建鏈完成；否則重發(fā)一次INDICATION信息。

5）車(chē)站ATO接收到INDCATION信息后，向車(chē)載ATO周期發(fā)送包括控制命令的CONTROL信息。

6）車(chē)載ATO接收到CONTROL信息后，判斷其報(bào)文中列車(chē)識(shí)別號(hào)、車(chē)站號(hào)是否正確，若報(bào)文合法則回復(fù)ACK信息，若超過(guò)規(guī)定時(shí)間未收到CONTROL信息，則重發(fā)ACK信息。

7）當(dāng)列車(chē)駛離通信范圍，車(chē)載ATO停止回復(fù)任何信息，中斷車(chē)地鏈接。

當(dāng)車(chē)地建鏈完成后，若列車(chē)接收到車(chē)站號(hào)、列車(chē)識(shí)別碼不正確的控制報(bào)文后，不做回應(yīng)，且不采信其報(bào)文內(nèi)容，直至接收到正確的車(chē)站號(hào)、列車(chē)識(shí)別碼的控制報(bào)文。車(chē)地通信中斷的方式為車(chē)載不再回復(fù)地面信息從而超時(shí)斷鏈，或列車(chē)駛離通信區(qū)域從而通信中斷。

圖2 車(chē)地通信時(shí)序圖Fig.2 Train-trackside communication time sequence diagram

2.3 TAG定位方案

基于TAG定位的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)主要依靠電子標(biāo)簽獲取目標(biāo)點(diǎn)位置信息以及判斷列車(chē)方向，TAG是一種射頻供電，應(yīng)用于915 MHz頻率的軌旁定位設(shè)備，較應(yīng)答器具備更小的體積、更低的輻射功率、更強(qiáng)的抗干擾性、且無(wú)需內(nèi)置電源。

2.3.1 TAG部署

在本列控系統(tǒng)中，TAG設(shè)置于每站站內(nèi)、進(jìn)站出站口外一定距離，且每站TAG的布置順序及ID號(hào)相同。TAG的安裝位置如圖3所示。

圖3 TAG部署原則Fig.3 TAG deployment principle

本系統(tǒng)中分3類(lèi)TAG，分別為進(jìn)站TAG、精確停車(chē)TAG和換線TAG，進(jìn)站TAG的編號(hào)為1～4，位于進(jìn)站口出站口外固定距離；精確停車(chē)TAG編號(hào)為5～10，于站臺(tái)內(nèi)對(duì)稱分布；轉(zhuǎn)線TAG編號(hào)為11，位于站臺(tái)咽喉區(qū)。

若定義線路通常的運(yùn)營(yíng)方向?yàn)檎颍瑒t無(wú)論上下行，TAG安裝均采用正向安裝，即依次為進(jìn)站T1、T2，精確停車(chē)T5～T10，出站T3、T4。

2.3.2 TAG校驗(yàn)

當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)某一TAG時(shí)，車(chē)載ATO進(jìn)行一致性檢查、鏈接距離檢查、ID順序檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果匯報(bào)相應(yīng)故障。

一致性檢查面向T1～T10，主要針對(duì)報(bào)文內(nèi)容合法性進(jìn)行檢查，具體包括：對(duì)于先后經(jīng)過(guò)的同一站兩個(gè)TAG，描述的車(chē)站、線路編號(hào)、開(kāi)門(mén)側(cè)、停車(chē)點(diǎn)位置、到達(dá)站臺(tái)入口位置、站臺(tái)限速等信息應(yīng)當(dāng)相同。一致性校驗(yàn)用于保證停車(chē)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)等信息不回突變。

鏈接距離檢查面向T1～T10，主要對(duì)先后經(jīng)過(guò)的兩個(gè)電子信標(biāo)的間距進(jìn)行檢查，判斷相鄰兩個(gè)TAG間的理論安裝距離與實(shí)際走行距離的偏差是否滿足一定誤差范圍要求。鏈接距離檢查用于檢測(cè)測(cè)速測(cè)距精度是否滿足要求。

ID順序檢查面向T1～T10，主要對(duì)依次經(jīng)過(guò)電子信標(biāo)的編號(hào)順序進(jìn)行檢查，防止方向跳轉(zhuǎn)的情況發(fā)生。ID順序檢查用于檢測(cè)是否丟失TAG。

2.3.3 方向判斷

TAG中相同含義的信息通常存在于兩個(gè)字段，分別用于列車(chē)正向和反向運(yùn)行。列車(chē)方向的判斷是根據(jù)經(jīng)過(guò)TAG的順序決定，具體為：

1）當(dāng)列車(chē)依次經(jīng)過(guò)的TAG標(biāo)號(hào)遞增，如T1→T2、T5→T10、T3→T4的順序，則定義為正向，當(dāng)列車(chē)依次經(jīng)過(guò)的TAG標(biāo)號(hào)遞減，如T4→T3、T10→T5、T2→T1的順序，則定義為反向。

2）若在已確定方向的情況下，TAG標(biāo)號(hào)遞增遞減情況突變，則丟失方向，等待下個(gè)TAG重新確定方向。

3）當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)T11后，則丟失方向，等待下個(gè)TAG重新確定方向。

2.3.4 目標(biāo)點(diǎn)計(jì)算

當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)某個(gè)TAG完成方向判斷及TAG校驗(yàn)后，可以使用其報(bào)文信息計(jì)算停車(chē)點(diǎn)或站臺(tái)出入口位置。

為便于TAG報(bào)文數(shù)據(jù)管理與配置，每車(chē)站TAG安裝位置及報(bào)文配置相同，因此表示位置的信息實(shí)際配置的是距離信息。信標(biāo)報(bào)文中的停車(chē)點(diǎn)、站臺(tái)入口、站臺(tái)出口字段含義并非指停車(chē)點(diǎn)、站臺(tái)入口、站臺(tái)出口的實(shí)際公里標(biāo)，而是指距停車(chē)點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn)的距離，因此車(chē)載ATO需要將距離信息轉(zhuǎn)化為位置信息使用。

停車(chē)點(diǎn)校位或目標(biāo)點(diǎn)校位的算法為：

其中KP表示停車(chē)點(diǎn)位置或目標(biāo)點(diǎn)位置，s表示列車(chē)首次收到電子信標(biāo)報(bào)文那一周期的位置，該位置來(lái)源于測(cè)速測(cè)距單元，即從列車(chē)上電時(shí)算起的累積位移，這個(gè)列車(chē)位置在每個(gè)列車(chē)周期都會(huì)計(jì)算，l表示報(bào)文中此電子信標(biāo)到達(dá)站臺(tái)入口或站臺(tái)出口的距離字段，Δ t表示從列車(chē)接收射頻數(shù)據(jù)到使用射頻數(shù)據(jù)的平均延時(shí)，v表示列車(chē)首次收到電子信標(biāo)報(bào)文那一周期的速度，D表示電子信標(biāo)接收窗范圍大小，周期為車(chē)載ATO主控邏輯周期，即車(chē)載ATO每100 ms進(jìn)行一次報(bào)文讀取并計(jì)算。

3 發(fā)展與展望

基于TAG定位的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增加ATO功能對(duì)既有系統(tǒng)變動(dòng)較少，適用于運(yùn)營(yíng)效率不高線路增加ATO功能的升級(jí)改造。此系統(tǒng)已在巴西圣保羅CPTM十一、十二號(hào)線成功投入使用，對(duì)我國(guó)貨運(yùn)、既有普速鐵路、部分地鐵城軌的增加ATO功能升級(jí)改造具有指導(dǎo)意義。