易海旺,汪 洋,何鐳強(qiáng),唐明亮,唐 峻

(1.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； 2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081； 3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司,北京 100081)

針對大城市人口稠密，城市都市圈交通問題嚴(yán)峻，城市間人口流動頻繁等現(xiàn)狀，迫切需要建設(shè)高效率、高密度的城際鐵路交通系統(tǒng)；逐步形成城市間發(fā)展高速城際鐵路系統(tǒng)，多種軌道交通類型并存的現(xiàn)代城市軌道交通新格局。

在列車自動防護(hù)系統(tǒng)(ATP，Automatic Train Protection)確保列車運(yùn)行安全的條件下，提高列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)和舒適度，縮短列車追蹤間隔時間，將列車運(yùn)行智能控制納入交通運(yùn)輸管理體系，逐步提高鐵路運(yùn)輸能力和旅客乘車體驗，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的自動駕駛。列車自動駕駛(ATO，Automatic Train Operation)綜合智能控制技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)、無線通信技術(shù)和軟件工程技術(shù)等，建立自學(xué)習(xí)控制模型，優(yōu)化列車速度控制算法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行智能控制。

采用先進(jìn)的列車自動駕駛技術(shù)，可以大大提高行車效率、安全性。隨著列車自動駕駛ATO設(shè)備逐步發(fā)展，列車運(yùn)行控制將形成為“機(jī)控優(yōu)先，人控后備”的格局[1]。列車自動駕駛系統(tǒng)在珠三角城際鐵路CTCS2+ATO線路中得到廣泛應(yīng)用，它降低了司機(jī)的疲勞程度，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，提高了旅客乘坐舒適性和列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率。

1 技術(shù)路線

在既有CTCS-2列車控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突破自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)難題，并基于國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心實(shí)驗室，搭建了硬件半實(shí)物仿真測試環(huán)境，進(jìn)行系統(tǒng)級聯(lián)調(diào)、集成測試及試驗驗證，最后，依靠莞惠城際鐵路試驗段進(jìn)行現(xiàn)場功能測試和互聯(lián)互通測試。其研究技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

2 技術(shù)方案

依據(jù)《城際鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng)暫行總體技術(shù)方案》[2]，既有CTCS-2級高速鐵路列控系統(tǒng)(ATO)車載設(shè)備由ATP設(shè)備(列車自動防護(hù)系統(tǒng))與ATO設(shè)備(列車自動駕駛系統(tǒng))2個部分構(gòu)成，車載ATP設(shè)備符合《CTCS-2級列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范》[2]的要求，車載ATO設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載ATO系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)

2.1 ATP設(shè)備

ATP設(shè)備由安全計算機(jī)(VC)、軌道電路信息接收單元(TCR)、應(yīng)答器信息接收模塊(BTM)、數(shù)據(jù)記錄單元(DRU)、人機(jī)界面(DMI)、列車接口單元(TIU)及測速測距單元(CODO)等組成[3]。為實(shí)現(xiàn)ATO功能，車載ATP設(shè)備須在原有功能基礎(chǔ)上進(jìn)行以下修改。

(1)車載ATP主機(jī)軟件適應(yīng)性修改

為滿足城際鐵路運(yùn)行條件，車載ATP軟件須進(jìn)行相應(yīng)軟件變更修改，主要內(nèi)容包含：休眠模式、機(jī)信模式、自動折返、停車停穩(wěn)、自動過分相、車門-安全門聯(lián)動，無線通信管理、ATO相關(guān)數(shù)據(jù)記錄和分析等邏輯功能，以及與擴(kuò)展單元的接口通信、新型動車組列車參數(shù)調(diào)整等軟件新增功能。

(2)車載DMI設(shè)備軟件適應(yīng)性修改

參考《城際鐵路列控系統(tǒng)人機(jī)界面顯示規(guī)范(暫行)》，進(jìn)行DMI設(shè)備軟件變更，主要新增涉及ATO的運(yùn)行狀態(tài)、停穩(wěn)停準(zhǔn)、門允許、車地通信狀態(tài)、新增文本等顯示信息。

2.2 ATO設(shè)備

車載ATO設(shè)備采用雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)，車載ATO設(shè)備通過接收ATP的移動授權(quán)數(shù)據(jù)，控制列車在ATP的允許速度下運(yùn)行，根據(jù)站臺精確定位應(yīng)答器的信息，控制列車精確停車；結(jié)合門模式/門允許的條件下，實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)門。按照CTC發(fā)送的列車運(yùn)行計劃信息，實(shí)現(xiàn)區(qū)間運(yùn)行時間自動調(diào)整和車站停車。根據(jù)折返命令時，執(zhí)行站后折返控制。向TCMS轉(zhuǎn)發(fā)車站預(yù)報相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PIS系統(tǒng)的自動報站功能。

(1)雙機(jī)熱備冗余

車載ATO熱備冗余切換單元置于接口單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)兩系輸出的切換。ATO系統(tǒng)兩系周期自檢，交換狀態(tài)并同步數(shù)據(jù)，通過切換板實(shí)現(xiàn)熱備冗余切換。

(2)列車自動駕駛及精確停車

車載ATO系統(tǒng)在ATP的允許速度下，根據(jù)CTC的運(yùn)行計劃實(shí)現(xiàn)區(qū)間運(yùn)行等級調(diào)整、車站通過或站臺精確停車功能。

(3)實(shí)時運(yùn)行等級調(diào)整功能

ATO根據(jù)CTC發(fā)送的區(qū)間運(yùn)行時間，結(jié)合列車當(dāng)前位置、速度，以及運(yùn)行區(qū)間的土建限速、臨時限速、坡度等數(shù)據(jù)，實(shí)時計算運(yùn)行區(qū)間等級，以滿足準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)的要求。

3 ATO系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 車載ATO系統(tǒng)架構(gòu)

車載ATO系統(tǒng)兩系安裝于同一機(jī)籠內(nèi)，采用獨(dú)立的電源及背板設(shè)計，每一系由CPU板、串口通信板、以太網(wǎng)板以及IO板組成，各板卡間由CPCI總線控制連接。兩系控制單元間通過以太網(wǎng)連接。ATO接口單元對外的采集和輸出均通過繼電器實(shí)現(xiàn)電氣隔離；電源板置于接口單元內(nèi)，兩系采用獨(dú)立的電源設(shè)計。切換板置于接口單元內(nèi)，實(shí)現(xiàn)兩系輸出的切換。如圖3所示。

圖3 車載ATO系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 ATO速度控制

ATO系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)、開放的系統(tǒng)設(shè)計，支持包括電平信號(110VDC)、干接點(diǎn)信號、模擬電壓信號、電流環(huán)信號、串口通信接口(RS422/RS485)、MVB通信接口等在內(nèi)的多樣化列車接口。ATO依據(jù)系統(tǒng)輸入，分別計算各限速點(diǎn)或停車點(diǎn)對當(dāng)前位置的速度的影響值，并取影響最大的值作為當(dāng)前速度的參考值，控制列車按照該速度曲線運(yùn)行。ATO速度控制流程如圖4所示。

圖4 ATO列車速度控制

3.3 ATO控制模型

ATO單元建立ATO自動駕駛模型，列車運(yùn)動模型通過接收速度傳感器的速度信息、應(yīng)答器信息等，并綜合列車能耗模型實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的舒適度，輸出列車控制仿真結(jié)果，進(jìn)而通過與車載ATP的實(shí)際速度、目標(biāo)距離、允許速度等信息進(jìn)行尋優(yōu)控制，基于控制策略，對ATO計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化處理，并將最終結(jié)果反饋到列車運(yùn)動模型和能耗模塊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自學(xué)習(xí)自調(diào)整功能。ATO列車自動駕駛控制模型如圖5所示。

圖5 ATO自動駕駛模型

3.4 運(yùn)行計劃實(shí)時調(diào)整

列車運(yùn)行計劃調(diào)整控制作為ATO單元核心模塊之一，其主要根據(jù)地面設(shè)備發(fā)送的列車運(yùn)行時刻(CTC計劃)，結(jié)合列車當(dāng)前位置、速度，以及運(yùn)行區(qū)間的線路限速、臨時限速、坡度等數(shù)據(jù)，通過ATO系統(tǒng)構(gòu)建的列車動力模型，以高效的控車算法進(jìn)行實(shí)時計算運(yùn)行速度，以滿足準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)的要求。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行等級的實(shí)時計算，ATO系統(tǒng)構(gòu)建了列車動力模型，并以真實(shí)的控車算法進(jìn)行實(shí)時運(yùn)行等級的計算。運(yùn)行計劃實(shí)時調(diào)整模型如圖6所示。

圖6 運(yùn)行計劃實(shí)時調(diào)整模型

3.5 列車定位技術(shù)

城際鐵路與國鐵干線要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，就必須兼容CTCS系統(tǒng)。城際鐵路自動駕駛系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，研究并實(shí)現(xiàn)了基于應(yīng)答器的列車精確定位停車，滿足了城際鐵路±35 cm的站停誤差的要求。

根據(jù)規(guī)范要求，BTM設(shè)備的應(yīng)答器定位精度在0.998置信區(qū)間內(nèi)的最大定位誤差Lerr要求如下：

|Lerr|=0.20 m 0 km/h

|Lerr|=1.1×10-3V+0.15 m

40 km/h≤V≤500 km/h

為實(shí)現(xiàn)站內(nèi)精確定位停車，地面站內(nèi)設(shè)置定位應(yīng)答器，應(yīng)答器布置如圖7所示。列車進(jìn)站后需要BTM提供精確的列車定位信息，實(shí)現(xiàn)精確停車功能。為滿足精確定位功能需求，BTM設(shè)備使用了多種先進(jìn)的技術(shù)，用于提高定位功能的精確度。

(1)通過采用先進(jìn)的數(shù)字解調(diào)、模擬濾波和數(shù)字濾波技術(shù)，有效地濾除外界的干擾信號，提高BTM設(shè)備應(yīng)答器模擬信號的接收可靠性和信號對稱性。

(2)結(jié)合應(yīng)答器模擬信號工作特點(diǎn)，設(shè)計的同步解調(diào)譯碼算法，已確保BTM實(shí)地準(zhǔn)確地處理應(yīng)答器模擬信號，為后級應(yīng)答器定位運(yùn)算模塊提供了高實(shí)時性的定位數(shù)據(jù)。

(3)通過采用先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)，以及軟硬件聯(lián)合優(yōu)化，降低BTM的應(yīng)答器定位運(yùn)算模塊處理時延，確保模塊能夠在毫秒級的時延內(nèi)完成應(yīng)答器定位信息的準(zhǔn)確估算，并將定位信息發(fā)送至ATP/ATO，從而實(shí)現(xiàn)BTM應(yīng)答器精確定位功能。

圖7 定位應(yīng)答器布置(單位：m)

3.6 車地通信系統(tǒng)

高速鐵路地面新增通信控制服務(wù)器CCS，實(shí)現(xiàn)站臺門控制和運(yùn)行計劃轉(zhuǎn)發(fā)。車載設(shè)備增加移動終端MT，實(shí)現(xiàn)車地信息的雙向通信。車載和地面設(shè)備采用GSM-R公開網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，通過加密，以保證數(shù)據(jù)安全。高速鐵路車載無線功能結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與邊界接口

3.7 無線通信軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

車地?zé)o線通信軟件結(jié)構(gòu)及模塊劃分如圖9所示。

圖9 車地通信軟件結(jié)構(gòu)

(1)安全層對上處理與應(yīng)用層接口，對下處理與傳輸層接口。軟件模塊3僅是安全層的一部分，模塊2，3，4共同構(gòu)成安全層。

(2)傳輸層設(shè)計為與網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層一起在非安全的ISDN-S或RTU上實(shí)現(xiàn)，傳輸層承擔(dān)CFM的對外接口(主要是對安全層的接口)，同時傳輸層處理對網(wǎng)絡(luò)層的接口。模塊7，8，11共同構(gòu)成傳輸層。

(3)安全層和傳輸層之間要通過傳輸層原語進(jìn)行交互，原語的形式和內(nèi)容是安全層和傳輸層的核心，而P幀中的幀頭和幀尾與服務(wù)原語無關(guān)，它們由模塊5和模塊6處理，而原語幀則由模塊4和模塊7處理。

(4)模塊1實(shí)現(xiàn)了安全層與應(yīng)用層的銜接。

(5)模塊2，3，4組成了安全層，模塊3實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部處理，模塊2和模塊4則完成了和系統(tǒng)的銜接，內(nèi)部處理邏輯遵守SL層協(xié)議相對穩(wěn)定，而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和需求則易變化，分出模塊2和模塊4更靈活。

(6)模塊7，8，11構(gòu)成了傳輸層，模塊8使傳輸層與系統(tǒng)銜接更靈活，模塊11完成傳輸層中與網(wǎng)絡(luò)層的銜接。

(7)模塊9實(shí)現(xiàn)了傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層及鏈路層的銜接，是否需要模塊9，由集成系統(tǒng)本身情況決定。

(8)模塊10實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層和鏈路層。

(9)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)車地信息的交互，交互信息見表1、表2。

表1 車到地消息

表2 地到車消息

3.8 車門/站臺門聯(lián)控技術(shù)

車門/站臺門聯(lián)動控制由車載ATO系統(tǒng)自動觸發(fā)或司機(jī)手動觸發(fā)，車載ATP設(shè)備負(fù)責(zé)車地通信和開關(guān)門信息轉(zhuǎn)發(fā)，其控制流程如圖10所示，具體步驟如下[5]。

圖10 車門/屏蔽門的聯(lián)動控制流程

(1)車載ATP列車停穩(wěn)且停準(zhǔn)時，分別給DMI顯示器和ATO系統(tǒng)輸出門允許后，司機(jī)手動按壓開門按鈕，或車載ATO系統(tǒng)自動輸出開/門關(guān)門指令。

(2)車載ATP在判斷列車停穩(wěn)且停準(zhǔn)時，輸出門允許指令，并將司機(jī)/車載ATO輸出的開門指令通過無線通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到地面設(shè)備。

(3)地面CCS設(shè)備在確認(rèn)對應(yīng)股道列車停準(zhǔn)且停穩(wěn)后，依據(jù)列車類型和地面站臺門設(shè)置情況，向?qū)?yīng)的站臺門控制系統(tǒng)發(fā)送開門命令，由站臺門控制系統(tǒng)實(shí)施對站臺門開啟動作。

(4)ATO發(fā)車倒計時結(jié)束后，司機(jī)/車載ATO輸出關(guān)門指令時，車載ATP將關(guān)門命令通過無線通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送給地面設(shè)備。地面設(shè)備向?qū)?yīng)的站臺門控制系統(tǒng)發(fā)送關(guān)門命令，由站臺門控制系統(tǒng)實(shí)施對站臺門關(guān)閉動作。

(5)當(dāng)車地通信故障、停準(zhǔn)失敗等異常情況，車門/站臺門不能正常聯(lián)動時，車門的開/關(guān)由司機(jī)人工操作，站臺門開/關(guān)由地面人員通過站臺門操作終端進(jìn)行人工操作。

4 系統(tǒng)測試

針對CTCS-2級高鐵鐵路列控車載ATP/ATO設(shè)備主要進(jìn)行以下仿真測試。

(1)利用CTCS2+ATO測試平臺和仿真擴(kuò)展單元軟件搭建測試環(huán)境，對車載ATP/ATO車載設(shè)備進(jìn)行測試，基于測試平臺搭建的測試環(huán)境如圖11所示。

圖11 基于測試平臺搭建的測試環(huán)境

測試平臺是實(shí)驗室用于ATP/ATO設(shè)備的系統(tǒng)集成和測試系統(tǒng)，通過執(zhí)行根據(jù)業(yè)務(wù)場景編制的測試腳本實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行地面環(huán)境的模擬仿真，利用在線監(jiān)測軟件記錄并分析車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在該測試環(huán)境中，測試平臺負(fù)責(zé)模擬發(fā)送BTM報文、控制轉(zhuǎn)速平臺模擬列車速度、控制發(fā)碼器發(fā)送軌道電路信息、接收地面CTC、臨時限速服務(wù)器的ATO信息并給系統(tǒng)提供各種測試數(shù)據(jù)。

(2)利用珠三角莞惠城際試驗段中四站三區(qū)間的數(shù)據(jù)搭建仿真測試環(huán)境，對ATP設(shè)備(含仿真擴(kuò)展單元)、ATO設(shè)備、TSRS設(shè)備、無線通信系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)功能測試。

結(jié)果表明：既有CTCS2+ATO列控車載ATP/ATO設(shè)備能夠滿足既有CTCS-2級高速鐵路自動駕駛的需要。該方案對既有ATP設(shè)備的改動較小，在確保列車行車安全性的條件下，實(shí)現(xiàn)既有CTCS-2級高速鐵路車載設(shè)備的功能需求。

5 應(yīng)用情況

珠三角城際鐵路C2+ATO系統(tǒng)自2016年投入商業(yè)運(yùn)營以來，已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行3年多的時間，系統(tǒng)功能滿足城際鐵路的運(yùn)營要求且性能穩(wěn)定，ATO停準(zhǔn)率(±35 cm)100%，ATO準(zhǔn)點(diǎn)率(偏差60s內(nèi))100%，獲得了用戶單位的好評。統(tǒng)計列車關(guān)鍵部件閘片更換情況，以2016年1月26日至2017年4月23日為例，各動車組更換閘片數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，裝配ATO動車組極大減少列車行車制動時間(0402為非裝配ATO動車組，其他為裝配ATO動車組)，如圖12所示。

圖12 動車組更換閘片數(shù)據(jù)統(tǒng)計

6 結(jié)語

高速鐵路動車組自動駕駛系統(tǒng)ATO是結(jié)合國鐵CTCS-2級列控系統(tǒng)和城市軌道交通自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成創(chuàng)新。2016年首次實(shí)現(xiàn)時速200 km城際鐵路動車組自動駕駛并投入批量運(yùn)用，處于世界領(lǐng)先水平。系統(tǒng)的推廣應(yīng)用將為國家節(jié)約大量人力成本，減輕機(jī)務(wù)勞動強(qiáng)度，提高乘客舒適度和列車準(zhǔn)點(diǎn)率；售前、售后服務(wù)本地化，既有利于提高服務(wù)質(zhì)量，又可降低服務(wù)成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。