何志彬，程林芳，易海旺，汪 洋

（1.中國鐵道科學研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號

研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路網逐年擴大，運輸壓力不斷提高，高速鐵路運輸效率亟需提升，高速鐵路運營對于自動駕駛的需求不斷增加，因而迫切需求信號系統(tǒng)更加高效、便捷和智能化。2016 年，列車自動駕駛(Automatic Train Operation，ATO)在珠三角城際鐵路莞惠線(東莞－惠州)及佛肇線(佛山西－肇慶)投入運營，極大地提高了鐵路運輸效率和行車安全。2018 年，根據(jù)我國高速鐵路信號系統(tǒng)應用現(xiàn)狀，結合軌道交通用戶需求，中國鐵路總公司科技和信息化部發(fā)布了《高速鐵路ATO系統(tǒng)暫行總體技術方案》。同年，CTCS3+ATO 系統(tǒng)在京沈高速鐵路(北京－沈陽)試驗段進行了綜合試驗，并上道載客試用。2019 年，中國鐵道科學研究院集團有限公司根據(jù)自身設備特點和技術優(yōu)勢，完成了CTCS3+ATO 系統(tǒng)設備的研發(fā)工作，并在京張高速鐵路(北京北—張家口)投入使用，首次實現(xiàn)了時速350 km 動車組自動駕駛技術的應用。如何在既有的高速鐵路列控系統(tǒng)中更好地實現(xiàn)自動駕駛及其技術應用，是現(xiàn)階段我國高速鐵路重點研究的關鍵問題之一。根據(jù)京張鐵路的運用經驗，結合將來其他鐵路線路引入ATO 的趨勢及城市軌道交通全自動駕駛應用經驗，對高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)進行優(yōu)化研究，以進一步提高高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)的安全性和可用性。

1 高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)分析

列車自動駕駛技術分為5 個自動化等級(Grades of Automation，GOA)，分別為無ATP 設備的手動運行(GOA0)、有ATP 設備的手動運行(GOA1)、有司機負責監(jiān)督的半自動運行(GOA2)、列車配有乘務員的無人駕駛運行(GOA3)、無人值守運行(GOA4)。其中，GOA2 級的自動駕駛技術已經應用到CTCS3+ATO 系統(tǒng)中并取得良好的運用效果。

1.1 CTCS3+ATO系統(tǒng)結構及功能

CTCS3+ATO 系統(tǒng)包括車載設備和地面設備。車載設備由列車自動防護系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP) 和列車自動駕駛單元(ATO)、GPRS 電臺及相關配套設備構成[1]，其中ATP 由車載安全計算機(Vital Computer，VC)、人機界面(Driver Machine Interface Unit，DMI)、應答器信息接收模塊(Balise Transmission Module，BTM)、軌道電路信息接收模塊(Track Circuit Reader，TCR)、列車接口單元(Train Interface Unit，TIU)、數(shù)據(jù)記錄單元(DRU)、GSM-R 無線通信單元(RTU)、測速測距單元(SDU)等組成。地面設備包括調度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System，CTC)、無線閉塞中心(Radio Block Center，RBC)、ZPW-2000 系列軌道電路、臨時限速服務器(Temporary Speed Restriction Server，TSRS)、應答器及LEU、列控中心(Train Control Center，TCC)、GSM-R 通信接口等設備。為保證列車精準停車，在車站股道增加精確定位應答器，構成高速鐵路CTCS3+ATO系統(tǒng)。CTCS3+ATO系統(tǒng)各設備新增或修改功能如下。

（1）ATP 車載設備在保留原有功能的基礎上，增加列車開門防護功能，在DMI 顯示界面中增設ATO 相關功能顯示及操作，并根據(jù)ATO 自動駕駛的需要可適當調整[2]。車門及站臺門聯(lián)動控制功能由ATO 實現(xiàn)。

（2）列控中心(TCC)需實現(xiàn)站臺門防護和控制接口功能[3-4]，TCC 具備相關的采集和驅動接口。增加RBC-TCC 之間的通信數(shù)據(jù)，TCC 接收RBC發(fā)送的站臺門聯(lián)動控制命令，并向RBC 反饋站臺門狀態(tài)和報警信息。實現(xiàn)發(fā)送運行計劃信息、站臺門聯(lián)動控制命令的功能，并完成對站臺門狀態(tài)信息的采集和對列車運行計劃的處理。

（3）CTC 在實現(xiàn)既有功能的基礎上，增加CTC 與RBC 間運營計劃信息交互功能，實現(xiàn)對在線列車實時管理、自動發(fā)送對應的運行計劃及自動調整運行計劃等功能[5]。

（4）臨時限速服務器(TSRS)增加高速鐵路地面ATO 相關功能，新增無線接口服務器通信，實現(xiàn)與ATO 車載設備雙向通信。接收CTC 發(fā)送的運行計劃和站間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)運行計劃的轉發(fā)功能。向ATO 車載設備發(fā)送站間線路數(shù)據(jù)，運行計劃確認信息。新增站臺門控制及狀態(tài)信息，實現(xiàn)對站臺門門控信息管理和對車門/站臺門聯(lián)動控制功能及狀態(tài)的采集[1]。

（5）為了使ATO 系統(tǒng)能實現(xiàn)股道的精確定位停車，在股道增設精確定位應答器。精確定位應答器既要描述到站距離和開門側信息，用于ATO 在站臺停車點停車，同時，考慮到高速鐵路實際應用中站臺可不安裝站臺門，因而精確定位應答器中還需要描述是否有站臺門信息。

高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

圖1 高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure of CTCS3+ATO system for high speed railway

1.2 CTCS3+ATO系統(tǒng)需求分析

目前，我國在高速鐵路ATO 技術領域處于國際先進水平，實現(xiàn)了GOA2 級的列車自動駕駛，有司機值守，由設備提供安全防護功能的自動駕駛，自動化程度相比人工駕駛有了進一步提升，簡化司機操作，提升運行效率。高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)已初步實現(xiàn)自動化功能，但在列車定位技術、優(yōu)化區(qū)間閉塞方式、站內換端作業(yè)和無人駕駛等方面的研究，仍有較大的提升空間。

（1）高速鐵路CTCS3+ATO 的自動駕駛系統(tǒng)，是在既有CTCS3 級列控系統(tǒng)的基礎上[6-7]，車載設備增加ATO，GPRS 電臺及相關配套設備，地面設備修改TSRS，TCC，CTC 等設備功能，實現(xiàn)自動駕駛。為了使ATO 系統(tǒng)能實現(xiàn)股道的精確定位停車，股道內還需增加精確定位應答器。區(qū)間定位技術及列車完整性檢查仍沿用CTCS3 級列控系統(tǒng)現(xiàn)有技術，這樣，自動駕駛系統(tǒng)在地面布置的設備不僅沒有減少，反而增加了，特別是在環(huán)境惡劣的地區(qū)，由于大量地布置地面設備，不利于鐵路的初期建設及后期的運營及維護。采用衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位技術可有效改善這一弊端，便于后續(xù)設備及技術升級。

（2）CTCS3+ATO 系統(tǒng)區(qū)間運行采用準移動閉塞方式，列車間隔雖是動態(tài)的，隨著前方運行列車的移動而移動，但采用準移動閉塞系統(tǒng)的線路被劃分為固定的、一定長度的閉塞分區(qū)。由于受到閉塞分區(qū)的限制，列車的行車許可終點必須在前方列車占用閉塞分區(qū)入口處，列車的最小追蹤間隔也隨之確定。隨著鐵路運輸壓力的提高，雖然對準移動閉塞進行了優(yōu)化，但現(xiàn)有閉塞制式下區(qū)間最小追蹤間隔已無法大幅縮短，不能滿足列車運輸效率不斷提升的需求。采用更有效率的移動閉塞方式是主要發(fā)展方向。

（3）與傳統(tǒng)人工操作列車折返相比，CTCS3+ ATO 系統(tǒng)換端作業(yè)雖簡化了司機操作，將換端作業(yè)交由司機和系統(tǒng)共同完成，在一定程度上可緩解司機工作壓力，提升了換端效率，同時安全性也得到了一定的提高，但仍未實現(xiàn)列車站內折返自動化，還需在司機輔助駕駛的情況下完成折返作業(yè)，不利于自動化的實現(xiàn)。

（4）目前，CTCS3+ATO 系統(tǒng)可實現(xiàn)列車區(qū)間自動運行、車站自動發(fā)車和停車、自動開車門和車門/站臺門聯(lián)動控制等功能，有司機監(jiān)控自動駕駛，尚不具備自動激活、自動喚醒和休眠、自動調車、車門自動關閉等功能，距實現(xiàn)全自動無人駕駛，將司機的工作職能完全交由系統(tǒng)及控制中心完成，還需進行關鍵技術的積累及創(chuàng)新。

2 高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)優(yōu)化方案分析

為更好地適應高速鐵路運營需求，完善自動駕駛技術，針對CTCS3+ATO 系統(tǒng)結構及功能，提出相應的優(yōu)化措施。

2.1 列車定位運用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主研制的衛(wèi)星導航定位與通信系統(tǒng)，具有自主知識產權，擁有世界先進水平的測速與定位精度，并擁有其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)不具備的短報文通信服務。基于北斗衛(wèi)星導航定位的列控系統(tǒng)可以連續(xù)并且準確獲取列車位置信息，同時可減少地面軌旁設備，便于維護。與城際鐵路系統(tǒng)相比，高速鐵路各車站間距離更長，需大量布置應答器和軌道電路，造成高昂的建設成本和維護成本，而采用基于北斗導航系統(tǒng)定位技術具有良好的優(yōu)勢。

基于北斗衛(wèi)星導航實現(xiàn)列車定位，車載設備增加基于北斗導航列車定位單元，車載衛(wèi)星接收單元接收并處理北斗衛(wèi)星導航信號及差分信息，計算列車位置，并將定位信息發(fā)送給ATP 主控單元，車載ATP 根據(jù)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)并結合其他輔助信息，確定列車位置[8]。地面設備增加差分基準站及其他輔助設備，差分信息經車－地無線通訊系統(tǒng)發(fā)送給車載設備，根據(jù)基準站已知的精確地理位置信息，輔助車載設備完成定位，地面差分基準站根據(jù)定位需求和線路需要進行設置。基于北斗導航的列車定位系統(tǒng)，還可為實現(xiàn)基于移動閉塞的追蹤間隔技術應用，縮短列車追蹤間隔提供技術支持[9]。

2.2 區(qū)間運行實現(xiàn)移動閉塞

列車區(qū)間運行采用移動閉塞方式將不再依賴軌道電路，擺脫閉塞分區(qū)的限制，列車追蹤間隔根據(jù)追蹤列車的制動距離及前后列車間的安全距離確定且隨著列車間距離實時變化，在保障列車運行安全的前提下，極大地發(fā)揮線路的允許通過能力。采用移動閉塞系統(tǒng)，車－地通信無需依賴地面軌道電路，列車完整性檢查、列車定位及傳遞信息通過無線通信方式與車載設備通信，從而大幅減少軌旁設備，有利于降低后期維護成本，實現(xiàn)全線路緊追蹤運行。

在移動閉塞制式下，基于北斗導航的列車定位系統(tǒng)實時、精確地計算列車位置，移動閉塞制式下區(qū)間列車追蹤運行如圖2 所示。通過GSM-R 將線路狀態(tài)、列車位置報告、車站進路信息發(fā)送給RBC，RBC 根據(jù)接收的列車1 的位置信息和線路狀態(tài)，計算出列車2 的移動授權并發(fā)送給列車2，列車2 車載設備接受移動授權，并根據(jù)列車性能、線路信息實時控制列車，確保運行安全。列車2 追蹤的目標點是列車1 的安全尾部，安全尾部根據(jù)列車1 的確認尾端間隔一個安全防護距離。列車2 在區(qū)間追蹤列車1 運行，行車許可隨前車移動。相比較于CTCS3+ATO 的準移動閉塞制式，采用移動閉塞可以在確保列車運行安全的前提下，縮短列車追蹤距離，壓縮列車追蹤間隔時間間隔。

2.3 站內折返實現(xiàn)自動換端

由于人的因素而導致的差錯是不可避免的，而CTCS3+ATO 系統(tǒng)列車站內折返作業(yè)以自動化方式完成，可有效避免這一情況出現(xiàn)，對進一步減輕機務勞動強度，提高鐵路運輸效率及安全水平意義重大，并為實現(xiàn)全自動駕駛提供技術支撐。

CTC 運行圖中增加自動折返計劃，在列車運行過程中，根據(jù)實際運行情況，調度員實時調整運行計劃并下發(fā)給車站CTC 設備，待列車辦理客運業(yè)務完畢，到達預定折返時間后，CTC 通過聯(lián)鎖辦理自動發(fā)車進路，并通過地面TSRS 向車載ATO設備發(fā)送折返命令和運行計劃，車頭準備進入休眠模式，并通過TSRS向地面設備發(fā)出無線交權申請，經地面確認后，向車尾發(fā)出無線激活命令，車尾由休眠模式進入激活狀態(tài)，此時原來的車頭應立即進入休眠模式，隨著車載DMI 顯示的發(fā)車倒計時完畢，列車以FS/ATO 模式運行，實現(xiàn)自動換端功能。在自動換端過程中，座椅可根據(jù)列車行進方向自動調整，省去調整座椅的人工操作。

圖2 移動閉塞制式下區(qū)間列車追蹤運行Fig.2 Train tracking operation under moving automatic block system

2.4 實現(xiàn)全自動無人駕駛

高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)的駕駛模式是有人駕駛的列車自動運行模式，處于自動駕駛模式(AM)時，司機根據(jù)提示按壓ATO 啟動按鈕后駕駛列車[10]，仍需司機進行發(fā)車前確認操作和瞭望列車運行前方的軌道情況等作業(yè)。為實現(xiàn)由系統(tǒng)對列車的自動駕駛與防護，具有GOA4 級的列車自動駕駛模式，在CTCS3+ATO 列控系統(tǒng)基礎上，對CTCS3+ATO 系統(tǒng)中仍需司機操作的運營場景進行如下優(yōu)化。

（1）設備上電。CTC 根據(jù)運行時刻表通過TSRS 提前對即將投入運營的動車組ATP 車載設備(含非本務端)上電，ATP 及ATO 車載設備開始自檢，包括車地無線傳輸、綜合定位等功能相關設備的狀態(tài)檢測及制動接口測試，完成自檢后，ATP 車載設備自動進入待機模式(SB)。車載GSM-R 設備(含GPRS 電臺)進行網絡注冊。

（2）喚醒。上電后，CTC 根據(jù)運營計劃喚醒指定位置的休眠列車。列車綜合自檢完成后，遠程自動操作ATP 車載設備啟動流程，在ATP 啟動完成后，根據(jù)CTC 發(fā)送的發(fā)車倒計時，進入全自動駕駛模式(FAM)。

（3）出動車段運用所/存車場。列車在喚醒成功后，車載設備向RBC 請求行車許可，CTC 將發(fā)車倒計時發(fā)送給列車；倒計時結束，出動車段運用所/存車場進路開放，ATO 根據(jù)車載設備提供的允許運行的監(jiān)控曲線，以FAM 模式駛出動車段運用所/存車場。

（4）車門自動關門(防護)。站內辦理客運業(yè)務時，動車組進入車站股道停車后，ATP 判斷動車組停準停穩(wěn)并根據(jù)接收的站臺側信息，對動車組車門進行開門防護。ATO 接收到該站辦理客運業(yè)務的運行計劃時自動開門，旅客乘降作業(yè)完畢后，ATO根據(jù)運行計劃自動關閉相應站臺側的動車組車門，ATP 提供站臺側車門防護功能。車站設置站臺門時，ATO 系統(tǒng)可實現(xiàn)車門/站臺門聯(lián)動控制功能。

（5）自動調車。對有需要辦理調車業(yè)務的列車，自動進行調車作業(yè)時，設備自動選擇調車模式，車載設備發(fā)出調車請求，RBC 判斷該列車當前位置位于允許調車區(qū)內時，授權車載設備進入調車模式，ATO 根據(jù)調車信號顯示進行調車作業(yè)。

（6）進動車段運用所/存車場。列車在停止運營服務后，按照進動車段運用所/存車場計劃，自動觸發(fā)進動車段運用所/存車場進路，自動關閉空調電熱等系統(tǒng)服務，準備休眠。

（7）注銷。列車運行服務結束后，根據(jù)計劃，CTC 給指定位置列車發(fā)送休眠命令，車載收到命令后自動斷電，進入休眠狀態(tài)。車載設備斷電后，CTC 通知電務人員遠程斷電。

3 結束語

智能鐵路是鐵路運輸必然的發(fā)展方向，在高速鐵路運輸中采用自動駕駛技術實現(xiàn)列車運行操控自動化、無人化，是高速鐵路智能化的重要標志，對提高我國高速鐵路列控技術的核心競爭力具有重要意義。根據(jù)高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)實際的運用情況，對高速鐵路CTCS3+ATO 系統(tǒng)提出優(yōu)化措施，在高速鐵路運輸中使用北斗衛(wèi)星導航定位技術，區(qū)間運行運用移動閉塞技術，采用自動化方式實現(xiàn)站內立即折返作業(yè)，實現(xiàn)更高等級的全自動無人駕駛，有利于提高系統(tǒng)運行安全性，保障運營秩序，提高運營質量，有效降低全生命周期的使用成本。