ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO技術(shù)發(fā)展綜述

徐效寧，宋志丹，易海旺，汪 洋，倪一丹

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，北京 100081)

歐洲鐵路運(yùn)輸管理系統(tǒng)/歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(ERTMS/ETCS)是歐洲鐵路部門(mén)為了解決歐洲各個(gè)國(guó)家鐵路信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問(wèn)題，制定的統(tǒng)一的、開(kāi)放性的信號(hào)系統(tǒng)。ERTMS/ETCS既與現(xiàn)有信號(hào)體制兼容，又可在各國(guó)統(tǒng)一推廣使用，保證了各國(guó)的列車(chē)在歐洲鐵路網(wǎng)內(nèi)互通運(yùn)營(yíng)，現(xiàn)已被歐洲和世界范圍內(nèi)的干線鐵路廣泛應(yīng)用。

隨著干線鐵路的進(jìn)一步發(fā)展，其運(yùn)輸能力和效率面臨著更高的要求。在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用的自動(dòng)駕駛(ATO)技術(shù)，被證明是有效的解決手段之一[1]，但干線鐵路由于其復(fù)雜性，被普遍認(rèn)為更難實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究干線鐵路應(yīng)用自動(dòng)駕駛的可行性[2-6]。本文研究了歐洲鐵路部門(mén)在ETCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛(簡(jiǎn)稱ATO over ETCS)的研究背景、系統(tǒng)架構(gòu)和工作原理、規(guī)范體系及發(fā)展情況，為我國(guó)干線鐵路引入自動(dòng)駕駛提供參考。

1 ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的發(fā)展背景

IEC標(biāo)準(zhǔn)62290將自動(dòng)駕駛的自動(dòng)化等級(jí)(GOA)分為從GOA0到GOA4共5個(gè)等級(jí)，分別為GOA0級(jí)人工列車(chē)運(yùn)行模式、GOA1級(jí)非自動(dòng)化列車(chē)運(yùn)行模式、GOA2級(jí)半自動(dòng)化列車(chē)運(yùn)行模式、GOA3級(jí)無(wú)人駕駛列車(chē)運(yùn)行模式和GOA4級(jí)無(wú)人干預(yù)列車(chē)運(yùn)行模式[7]。裝備ETCS車(chē)載設(shè)備的列車(chē)，自動(dòng)化等級(jí)已達(dá)到GOA1級(jí)。歐洲鐵路部門(mén)主要研究如何在既有ETCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)GOA2到GOA4級(jí)的自動(dòng)駕駛功能，研究過(guò)程大約分為3個(gè)階段，如圖1所示。

第一階段：泛歐交通運(yùn)輸網(wǎng)(TEN-T)計(jì)劃[8]。TEN-T計(jì)劃是歐盟在1996年提出的關(guān)于公路、鐵路、水路、民航等交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的一系列規(guī)劃綱領(lǐng)，項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間已經(jīng)過(guò)20年。它在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，其中構(gòu)筑連接歐洲東西部成員國(guó)的運(yùn)輸走廊，是過(guò)去10年內(nèi)所取得的最為重要的成就之一。2011年，子課題“促進(jìn)加快ERTMS發(fā)展”開(kāi)始進(jìn)行ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的研究[9]，課題組論證了ATO在干線鐵路的可行性，并在ETCS基線3版本(ETCS Baseline3)的基礎(chǔ)上，提出了GOA2級(jí)的ATO over ETCS運(yùn)營(yíng)概念和互聯(lián)互通需求。

圖1 ATO over ETCS研究路線

第二階段：下一代列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)(NGTC)計(jì)劃[10]。NGTC計(jì)劃是歐洲鐵路部門(mén)2013年啟動(dòng)的，其通過(guò)分析比較ETCS和CBTC系統(tǒng)[11]，使干線鐵路和城市軌道交通的列控系統(tǒng)在功能需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件平臺(tái)具備更大比例的通用性，未來(lái)列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)如圖2所示。在TEN-T計(jì)劃的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組根據(jù)CBTC系統(tǒng)自動(dòng)駕駛的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提出了GOA3/4級(jí)的ATO over ETCS運(yùn)營(yíng)概念。

圖2 歐洲鐵路下一代列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

第三階段：“轉(zhuǎn)移至鐵路”(Shift2Rail)項(xiàng)目[12]。Shift2Rail是歐盟有史以來(lái)最大的研究和創(chuàng)新計(jì)劃“地平線2020”的規(guī)劃項(xiàng)目，其研究?jī)?nèi)容覆蓋了整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)專業(yè)，課題2“先進(jìn)的運(yùn)輸管理和控制系統(tǒng)”中任務(wù)2.2即是開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證ATO over ETCS系統(tǒng)，目標(biāo)是在城市軌道交通和市郊鐵路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等級(jí)最高可達(dá)GOA4級(jí)、其他線路(包括貨運(yùn)線路)至少可達(dá)GOA2級(jí)的自動(dòng)駕駛功能。它在TEN-T和NGTC計(jì)劃的基礎(chǔ)上，進(jìn)行GOA2到GOA4級(jí)全部自動(dòng)化等級(jí)的規(guī)范、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、測(cè)試平臺(tái)驗(yàn)證、試驗(yàn)線驗(yàn)證等內(nèi)容的研究，其時(shí)間進(jìn)度如表1所示。

表1ATOoverETCS項(xiàng)目時(shí)間進(jìn)度

項(xiàng)目組認(rèn)為，GOA3級(jí)無(wú)人駕駛列車(chē)運(yùn)行模式和GOA4級(jí)無(wú)人干預(yù)列車(chē)運(yùn)行模式，列車(chē)的駕駛室不配置司機(jī)，司機(jī)的全部責(zé)任均轉(zhuǎn)移到設(shè)備上，這與既有的ETCS系統(tǒng)有較大的區(qū)別，因此將GOA3/4級(jí)與GOA2級(jí)分為兩個(gè)階段。根據(jù)目前項(xiàng)目進(jìn)展情況，本文主要分析GOA2級(jí)的功能原理和發(fā)展情況。

2 ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的功能及原理

ETCS系統(tǒng)的制定目的是歐洲為了解決各個(gè)國(guó)家鐵路信號(hào)系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問(wèn)題，因此，ATO設(shè)備的引入首先要考慮與既有ETCS系統(tǒng)的兼容性。同時(shí)，為了便于既有設(shè)備的升級(jí)和保證市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，ATO設(shè)備應(yīng)盡可能與ETCS系統(tǒng)獨(dú)立，不同信號(hào)廠商的ATO和ETCS車(chē)載設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通[13]。

2.1 設(shè)備功能原理

GOA2級(jí)的ATO over ETCS系統(tǒng)在ETCS的基礎(chǔ)上，增加了ATO車(chē)載和軌旁設(shè)備，結(jié)構(gòu)及接口示意如圖3所示[13-15]。在該系統(tǒng)中，ATO不能作為單獨(dú)的設(shè)備控車(chē)，因ATO不是安全設(shè)備，行車(chē)安全仍由ETCS系統(tǒng)保證。ATO車(chē)載和軌旁設(shè)備通過(guò)獨(dú)立于ETCS系統(tǒng)的無(wú)線通道進(jìn)行信息交互，通過(guò)該通道ATO軌旁向車(chē)載設(shè)備發(fā)送包含運(yùn)行計(jì)劃曲線JP(Journey Profile)和區(qū)段曲線SP(Segment Profile)的運(yùn)行計(jì)劃信息。JP包含線路每個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)的位置和經(jīng)過(guò)時(shí)間，以及車(chē)站的站停時(shí)間、是否作業(yè)等信息；SP則包含線路靜態(tài)限速、坡度、應(yīng)答器位置及特殊區(qū)段信息。

圖3 ATO over ETCS系統(tǒng)(GOA2級(jí))結(jié)構(gòu)及接口示意

ETCS系統(tǒng)引入ATO后，系統(tǒng)自動(dòng)駕駛的基本原理為：

(1)運(yùn)輸管理系統(tǒng)TMS根據(jù)運(yùn)輸計(jì)劃，自動(dòng)控制聯(lián)鎖排列進(jìn)路，開(kāi)放出站信號(hào)；

(2)始發(fā)站司機(jī)激活駕駛臺(tái)，輸入列車(chē)數(shù)據(jù)，手動(dòng)駕駛列車(chē)出站；

(3)ATO車(chē)載根據(jù)司機(jī)輸入或應(yīng)答器的命令與軌旁設(shè)備建立無(wú)線通信會(huì)話，向其發(fā)送列車(chē)位置報(bào)告并請(qǐng)求運(yùn)行計(jì)劃；

(4)ATO軌旁設(shè)備根據(jù)TMS的信息，向ATO車(chē)載發(fā)送對(duì)應(yīng)格式的運(yùn)行計(jì)劃；

(5)當(dāng)ETCS車(chē)載設(shè)備進(jìn)入完全監(jiān)控模式且“進(jìn)入完全監(jiān)控模式”文本消失后、制動(dòng)手柄處于零位且其他條件滿足后，向司機(jī)提示ATO可用，司機(jī)確認(rèn)后，列車(chē)進(jìn)入自動(dòng)駕駛模式；

(6)自動(dòng)駕駛過(guò)程中，當(dāng)ATO車(chē)載估算不能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)指定的計(jì)時(shí)位置時(shí)，則向ATO軌旁設(shè)備發(fā)送估計(jì)到達(dá)時(shí)間；ATO軌旁設(shè)備收到車(chē)載反饋信息后，將更新運(yùn)行計(jì)劃；

(7)當(dāng)運(yùn)行計(jì)劃要求前方車(chē)站停車(chē)時(shí)，ATO將控制列車(chē)對(duì)標(biāo)停車(chē)，停準(zhǔn)且停穩(wěn)后ATO將輸出開(kāi)門(mén)命令(門(mén)釋放命令由其他安全系統(tǒng)保證)；

(8)站停時(shí)間結(jié)束后，ATO輸出關(guān)門(mén)指令；當(dāng)車(chē)門(mén)關(guān)閉且鎖閉、ATO軌旁設(shè)備允許發(fā)車(chē)、ATO車(chē)載設(shè)備收到有效的運(yùn)行計(jì)劃等條件滿足后，ATO將自動(dòng)駕駛列車(chē)出站，繼續(xù)運(yùn)行。

GOA2級(jí)系統(tǒng)ATO實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：自動(dòng)駕駛、數(shù)據(jù)記錄、車(chē)門(mén)操作、立即發(fā)車(chē)、跳停、扣車(chē)、自動(dòng)折返、低黏著系數(shù)的處理等功能。其中，自動(dòng)駕駛包括以下內(nèi)容。

(1)安全曲線速度處理SPSM(Safe Profile Speed Management)：ATO根據(jù)ETCS車(chē)載的限制速度，計(jì)算最大允許速度；

(2)時(shí)間表曲線處理TTSM(Time Table Speed Management)：ATO根據(jù)停車(chē)或通過(guò)點(diǎn)的時(shí)間，計(jì)算最節(jié)能的速度曲線；

(3)自動(dòng)停車(chē)點(diǎn)處理ASPM(Automatic Stopping Point Management)：ATO根據(jù)停車(chē)點(diǎn)位置計(jì)算停車(chē)的速度曲線，并輸出門(mén)控命令。

(4)ATO牽引/制動(dòng)控制：ATO輸出控制命令，使列車(chē)按照上述速度曲線運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)規(guī)范

ETCS規(guī)范體系由歐盟制訂的互聯(lián)互通技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CCS TSI、以國(guó)際鐵路聯(lián)盟為代表的用戶方提出的功能需求規(guī)范、以歐洲主要信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商提出的系統(tǒng)需求規(guī)范、安全需求規(guī)范、測(cè)試規(guī)范以及一系列接口規(guī)范等共同構(gòu)成[16]。

ETCS系統(tǒng)引入ATO后，其規(guī)范文件仍然遵循上述體系，它在ETCS基線3版本規(guī)范的基礎(chǔ)上[17]，增加了ATO的系統(tǒng)需求規(guī)范以及相關(guān)的接口規(guī)范。新增的規(guī)范文件包括以下內(nèi)容。

(1)SUBSET-125：ATO系統(tǒng)需求規(guī)范，它規(guī)定了ATO的功能特征、工作模式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和人機(jī)界面等；

(2)SUBSET-126：ATO車(chē)地接口規(guī)范，它規(guī)定了ATO信息包、應(yīng)用層的通信原理；

(3)SUBSET-130：ATO車(chē)載與ETCS車(chē)載設(shè)備接口規(guī)范，它規(guī)定了ATO車(chē)載設(shè)備與ETCS車(chē)載設(shè)備、列車(chē)接口、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)記錄器的接口定義；

(4)SUBSET-131：ATO軌旁設(shè)備與運(yùn)輸管理系統(tǒng)的接口規(guī)范；

(5)SUBSET-132：ATO軌旁設(shè)備之間的接口規(guī)范。

通過(guò)上述規(guī)范文件，歐洲鐵路部門(mén)使應(yīng)用ATO的ETCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與既有ETCS設(shè)備的兼容、不同廠家ATO車(chē)載與軌旁設(shè)備的互聯(lián)互通，以及不同廠家ATO車(chē)載與ETCS車(chē)載設(shè)備的互聯(lián)互通。

3 ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的發(fā)展及應(yīng)用

目前，ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的規(guī)范細(xì)則仍在制訂中，歐洲的部分信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商已結(jié)合城市軌道交通的經(jīng)驗(yàn)研發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)設(shè)備，預(yù)計(jì)2018年將有2條實(shí)際線路投入運(yùn)營(yíng)。

3.1 泰晤士聯(lián)線(Thames link)項(xiàng)目

泰晤士聯(lián)線項(xiàng)目貫穿倫敦南北鐵路，通過(guò)線路、車(chē)站、電力和信號(hào)系統(tǒng)等改造后，運(yùn)營(yíng)最高時(shí)速160 km，行車(chē)間隔正常運(yùn)營(yíng)2.5 min，最短2 min，預(yù)計(jì)2018年改造完成，線路如圖4所示。該項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)的ETCS和ATO的車(chē)載、地面設(shè)備均有德國(guó)西門(mén)子公司提供，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示[18]。

圖4 泰晤士聯(lián)線位置示意

圖5 泰晤士聯(lián)線項(xiàng)目ETCS應(yīng)用ATO系統(tǒng)框圖

本項(xiàng)目信號(hào)系統(tǒng)是在ETCS-2級(jí)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了ATO車(chē)載設(shè)備和自動(dòng)列車(chē)監(jiān)控(ATS)，實(shí)現(xiàn)了GOA2級(jí)的自動(dòng)駕駛功能。該系統(tǒng)ATS實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸管理系統(tǒng)TMS的功能，ATO相當(dāng)于集成到ETCS系統(tǒng)當(dāng)中。ATO車(chē)地之間不具備單獨(dú)的通信通道，運(yùn)行計(jì)劃的下發(fā)借助于ETCS系統(tǒng)的通信設(shè)備和通道，其信息流向是ATS→無(wú)線閉塞中心RBC→無(wú)線通道→ETCS車(chē)載設(shè)備ATP→ATO。該系統(tǒng)的架構(gòu)與CBTC相似，它將CBTC和ETCS系統(tǒng)結(jié)合，成功在ETCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛[19]。

3.2 墨西哥城-托盧卡市(Mexico-Toluca)城際鐵路

墨西哥城—托盧卡市城際鐵路位于墨西哥，地理位置如圖6所示，線路全長(zhǎng)57.7 km，全線設(shè)6個(gè)車(chē)站，運(yùn)營(yíng)最高時(shí)速160 km，行車(chē)間隔2.5 min，預(yù)計(jì)2018年開(kāi)通[20]。該項(xiàng)目的ATO車(chē)載和軌旁設(shè)備、ETCS車(chē)載設(shè)備由西班牙CAF信號(hào)公司提供，ETCS軌旁設(shè)備(RBC)由法國(guó)泰雷茲公司提供，實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化等級(jí)同樣為GOA2級(jí)。

圖6 墨西哥城-托盧卡市線路位置

該線路也是采用ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)(圖7)，在此基礎(chǔ)上增加了ATO車(chē)載和軌旁設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)更類似于目前Shift2Rail項(xiàng)目的要求[21]。ATO車(chē)載與軌旁設(shè)備利用既有的無(wú)線設(shè)備，通過(guò)IP通信方式進(jìn)行信息交互，它與既有ETCS系統(tǒng)的通道相對(duì)獨(dú)立，減少了對(duì)既有系統(tǒng)的影響。

圖7 墨西哥城-托盧卡市線路ETCS應(yīng)用ATO系統(tǒng)框圖

4 結(jié)語(yǔ)

歐洲鐵路部門(mén)是在既有ETCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)上集成了自動(dòng)駕駛技術(shù)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路保證了與既有設(shè)備的兼容性，目前它的規(guī)范細(xì)則仍在制定中，后期在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際線路測(cè)試中也會(huì)不斷地更新和完善。我國(guó)CTCS2+ATO列控系統(tǒng)已在珠三角城際鐵路正式運(yùn)用，干線鐵路也開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)駕駛的研究，希望ETCS系統(tǒng)應(yīng)用ATO的思路可以為我國(guó)干線鐵路引入自動(dòng)駕駛和中國(guó)鐵路“走出去”戰(zhàn)略提供一定的借鑒意義。