高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)方案設(shè)計研究

李一楠，鄭理華，徐效寧

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

1 概述

隨著我國高速鐵路網(wǎng)逐年擴大，運輸壓力不斷提高，高速鐵路需要更加高效和便捷的控制系統(tǒng)，在提高自動化運行程度的同時保障安全性。因此，高速鐵路運輸對于自動駕駛的應(yīng)用需求持續(xù)增加。如何在高速鐵路既有的列控系統(tǒng)中疊加自動駕駛功能，是近年來我國高速鐵路重點研究的技術(shù)之一。

中國列車運行控制系統(tǒng)(Chinese Train Control System，CTCS)是我國高速鐵路重要的控制系統(tǒng)，保證高速列車安全、可靠的運行。CTCS對列車運行進行實時監(jiān)控，以目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式方式超速防護，其中我國運用最為廣泛的是CTCS-3和CTCS-2級列控系統(tǒng)。列車自動駕駛(Automatic Train Operation，ATO)最早在城市軌道交通中應(yīng)用[1]，它以自動化方式替代司機駕駛列車的任務(wù)，利用地面信息實現(xiàn)對列車牽引、制動、惰行和自動折返等運行控制，綜合考慮運行計劃、列車性能參數(shù)、線路數(shù)據(jù)條件等因素進行實時計算和優(yōu)化控制，使列車基本處于最佳運行狀態(tài)，提高了旅客的乘坐舒適度和列車的準(zhǔn)點到達(dá)率，縮短運行間隔、提高運輸效率，最大程度降低人為因素的出錯率，降低運營成本并可節(jié)約能源。目前ATO在城市軌道交通中得到快速發(fā)展，是自動化控制的可靠技術(shù)保障。因此，CTCS列控系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)在高速鐵路和城市軌道交通2個不同領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，有著成熟可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。CTCS列控系統(tǒng)技術(shù)重心落于安全性，ATO系統(tǒng)則更多是關(guān)注提高運輸效率、乘坐舒適度，以及準(zhǔn)點率和自動化控制等應(yīng)用技術(shù)。

近年來，我國逐步開展了鐵路自動駕駛技術(shù)應(yīng)用的可行性研究，建立起較完善的自動駕駛技術(shù)融合方案，一種結(jié)合高速鐵路和城市軌道交通各自特點的控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，即高速鐵路ATO系統(tǒng)。高速鐵路ATO系統(tǒng)在可靠的CTCS列控系統(tǒng)中疊加ATO自動駕駛功能，在具備安全性保障的前提下，利用自動化控制技術(shù)提高運輸效率、便捷性，提高自動化程度。

高速鐵路ATO系統(tǒng)根據(jù)速度等級不同可以分為CTCS2+ATO和CTCS3+ATO系統(tǒng)。其中，CTCS2+ATO系統(tǒng)是CTCS2級列控系統(tǒng)疊加ATO相關(guān)功能，適用于速度250 km/h及以下的線路，經(jīng)幾年應(yīng)用研究和技術(shù)探索，以及在珠三角地區(qū)的成功運用[2]，形成了CTCS2+ATO列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案[3]，系統(tǒng)逐步優(yōu)化和完善，為CTCS3+ATO系統(tǒng)的研究打下了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。CTCS3+ATO系統(tǒng)是CTCS3級列控系統(tǒng)疊加ATO相關(guān)功能，適用于更高速度等級線路，也是今后高速鐵路ATO系統(tǒng)的重點發(fā)展方向，目前已經(jīng)成功裝車并進行試驗驗證。

我國在列控系統(tǒng)疊加自動駕駛功能技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆趪H領(lǐng)先水平，不但形成了相對成熟的總體技術(shù)方案，并且有成功的現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗。而歐洲在這方面的研究始于2013年，啟動了下一代列車運行控制系統(tǒng)(Next Generation Train Control，NGTC)計劃[4]，該計劃根據(jù)既有列控系統(tǒng)的技術(shù)特點與基于無線通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)的優(yōu)勢相結(jié)合，提出疊加自動駕駛功能的歐洲列車控制系統(tǒng)(ATO over ETCS)的運營理念。歐洲列車控制系統(tǒng)(ETCS)規(guī)范體系在ETCS基線3版本規(guī)范基礎(chǔ)上，增加了ATO的系統(tǒng)需求規(guī)范及相關(guān)的接口規(guī)范，但至今仍沒有現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗。

2 高速鐵路ATO系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速鐵路ATO系統(tǒng)由車載設(shè)備和地面設(shè)備組成，車載設(shè)備部分包括列車運行控制系統(tǒng)(Automatic Train Protection，ATP)，以及列車自動駕駛ATO、無線電臺等設(shè)備；地面設(shè)備包括臨時限速服務(wù)器(Temporary Speed Restrictoin Server，TSRS)、調(diào)度集中系統(tǒng)(Centralized Traffic Control System，CTC)、 列 控 中 心 (Train Control Center，TCC)等設(shè)備，車站股道增加精確定位應(yīng)答器，構(gòu)成了高速鐵路ATO系統(tǒng)。高速鐵路ATO系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高速鐵路ATO系統(tǒng)各子系統(tǒng)的設(shè)計功能如下。

圖1 高速鐵路ATO系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of ATO system for high-speed railway

（1）ATP實時計算目標(biāo)距離連續(xù)速度控制模式曲線并依據(jù)曲線對列車超速進行自動防護，其中應(yīng)答器接收單元接收、解調(diào)地面應(yīng)答器信號獲得線路數(shù)據(jù)，測速測距單元采集來自速度傳感器的信號并計算速度、走行距離和方向，無線傳輸單元實現(xiàn)車－地?zé)o線消息雙向傳輸并具備消息加密－解密功能，軌道電路處理單元接收解調(diào)地面軌道電路的載頻、低頻等信息，用于軌道電路占用及移動授權(quán)的計算等。ATP實現(xiàn)上述既有安全防護功能基礎(chǔ)上，進行適應(yīng)性功能優(yōu)化，協(xié)同ATO控車并增加車門防護[5]。

（2）ATO在ATP的安全行車許可控制范圍內(nèi)，通過無線通信接收運行計劃、線路數(shù)據(jù)和臨時限速等信息實現(xiàn)列車速度自動控制、自動開關(guān)車門功能。

（3）TSRS負(fù)責(zé)臨時限速集中管理，在既有的功能外增加了站臺門(安全門或屏蔽門，以下簡稱“站臺門”)控制信息管理、站臺門命令處理、運行計劃管理、站間數(shù)據(jù)管理等功能。

（4）CTC負(fù)責(zé)對信號設(shè)備集中控制，對列車進行指揮和管理。在既有功能基礎(chǔ)上實現(xiàn)發(fā)送運行計劃、管理在線列車、計劃自動調(diào)整等功能。

（5）TCC在既有功能基礎(chǔ)上增加站臺門聯(lián)動控制和站臺門防護功能，負(fù)責(zé)接收TSRS發(fā)送的開關(guān)站臺門命令，實現(xiàn)站臺門控制功能。

（6）應(yīng)答器組在既有報文信息[6]定義外，增加了停車標(biāo)、門側(cè)等城際鐵路相關(guān)的報文。

2.2 系統(tǒng)功能

高速鐵路ATO系統(tǒng)是列車運行控制系統(tǒng)ATP基礎(chǔ)上增設(shè)ATO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)備通過無線通信實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運行計劃處理[7]。主要以實現(xiàn)區(qū)間自動運行控制、車站自動停車和發(fā)車、車門防護及站臺門聯(lián)動控制來提高運輸效率和安全性。

（1）區(qū)間自動運行。在ATP安全防護下自動駕駛ATO單元根據(jù)地面設(shè)備提供的線路數(shù)據(jù)條件、運行計劃，考慮動車組制動牽引性能和相關(guān)車輛參數(shù)，采用不同駕駛策略實時進行計算和調(diào)整，自動控制列車的加減速、定速巡航、啟動停車和惰行，根據(jù)運輸時刻表自動調(diào)整列車速度。ATO在控速設(shè)計中進行舒適度優(yōu)化，避免加減速度變化率過大而影響乘坐體驗。相對于人工駕駛的列車，列車準(zhǔn)點到達(dá)率得到提升，列車運行間隔也有所縮短，乘坐體驗良好，降低司機操作出錯率。

（2）車站自動停車和發(fā)車。高速鐵路ATO系統(tǒng)通過自動駕駛并根據(jù)地面應(yīng)答器精準(zhǔn)停車信息，實現(xiàn)精準(zhǔn)對標(biāo)控制，確保列車自動且準(zhǔn)確地停在股道運營停車點。而站內(nèi)發(fā)車時，當(dāng)?shù)孛婢邆浒l(fā)車條件后，司機僅需按壓“ATO啟動”按鈕確認(rèn)后，動車組從車站自動發(fā)車，有效縮短發(fā)車間隔。自動停車和發(fā)車功能，徹底避免司機手動停車精度低、對標(biāo)不準(zhǔn)造成的無法正常開門的情況，同時提高區(qū)間運行及進出站的運輸效率。

（3）車門防護及站臺門聯(lián)動控制。系統(tǒng)在列車進站后，通過地面應(yīng)答器信息可判斷站臺方向，待列車停準(zhǔn)停穩(wěn)后，如果運行計劃要求當(dāng)前車站辦客，系統(tǒng)可自動控制開啟車門，同時控制站臺門聯(lián)動。車門及站臺門聯(lián)動控制流程示意圖如圖2所示。在繁忙的城際鐵路公交化運營模式中，車門操作更加頻繁，利用系統(tǒng)實現(xiàn)自動化車門控制及站臺門聯(lián)動功能，較之司機手動控門出錯率大幅降低，確保車門和站臺門的正確開啟，進一步保障旅客上下車的安全性。

綜上所述，基于高速鐵路ATO系統(tǒng)的鐵路運輸，提高了站內(nèi)發(fā)車和停車效率，縮短了區(qū)間運行形成間隔，提高準(zhǔn)點達(dá)到率，同時加強了旅客的安全保障，經(jīng)濟和社會效益有了明顯提升。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

CTCS2+ATO系統(tǒng)在廣佛肇(廣州—佛山西—肇慶)和莞惠(東莞—惠州) 2條城際鐵路中得到成功應(yīng)用。廣佛肇城際鐵路沿線共設(shè)廣州、佛山西、獅山、獅山北、三水北、云東海、大旺、四會、鼎湖東、鼎湖山、端州、肇慶站等12個客運業(yè)務(wù)辦理車站，線路全長111 km。莞惠城際鐵路常平東站至小金口站區(qū)段沿線共設(shè)常平東、樟木頭東、銀瓶、瀝林北、仲愷、惠環(huán)、龍豐、西湖東、云山、小金口站等10個客運業(yè)務(wù)辦理車站，線路全長53 km。這2條線路實現(xiàn)了公交化運營模式，車票隨買隨走，站臺安裝自動屏蔽門，實現(xiàn)了列車自動駕駛、精確停車、車門與站臺門聯(lián)動控制等功能，有效減輕了司機、站臺客運人員的勞動強度，加快了珠三角各主要城市之間的互聯(lián)互通，極大地提高了運輸效率和出行便捷性。其中200C列控車載疊加ATO系統(tǒng)，是通過列控設(shè)備的擴展單元模塊[8]，使200C型列控系統(tǒng)與ATO及相關(guān)設(shè)備通信，實現(xiàn)列控ATO系統(tǒng)功能。自從2016年廣佛肇和莞惠2條城際鐵路開通運營以來，經(jīng)過不斷的現(xiàn)場運營實踐，發(fā)現(xiàn)CTCS2+ATO系統(tǒng)有待改善和優(yōu)化的問題，如站臺門相關(guān)故障、車地通信故障、未對標(biāo)精確停車、外界影響導(dǎo)致ATO控車越標(biāo)停車等。通過現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析，結(jié)合實際情況在技術(shù)上進行優(yōu)化升級，系統(tǒng)不斷完善，進一步增強了CTCS2+ATO系統(tǒng)的適應(yīng)性和可用性。

CTCS3+ATO系統(tǒng)目前安裝于復(fù)興號標(biāo)準(zhǔn)動車組，正在京沈客運專線(北京—沈陽)自主化智能高速鐵路綜合試驗中進行全功能測試驗證。京張鐵路(北京—張家口)將于2019年開通，成為中國首條“智能鐵路”，用于京張鐵路的復(fù)興號列車將進行智能化升級，其中就包括CTCS3+ATO系統(tǒng)，在世界上將首次實現(xiàn)速度350 km/h的自動駕駛。

圖2 車門及站臺門聯(lián)動控制流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of interact control between train door and platform door

3 結(jié)束語

高速鐵路ATO系統(tǒng)在CTCS-2和CTCS-3列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上與自動駕駛進行技術(shù)融合，確保系統(tǒng)安全性的同時，提升了站內(nèi)及區(qū)間運行效率。CTCS-2+ATO系統(tǒng)已有多年應(yīng)用業(yè)績，用戶反饋系統(tǒng)簡化了司機的操作，有效確保列車準(zhǔn)點到達(dá)，目前正在進行擴大應(yīng)用。CTCS-2+ATO系統(tǒng)的成功也為CTCS-3+ATO系統(tǒng)提供了良好的技術(shù)和應(yīng)用基礎(chǔ)[9-10]。CTCS-3+ATO系統(tǒng)通過了全面系統(tǒng)的實驗室仿真測試并在京沈客運專線的現(xiàn)場試驗中得到驗證，功能全部符合設(shè)計預(yù)期，將在京張鐵路率先投入使用。自動駕駛技術(shù)借鑒城市軌道交通的技術(shù)經(jīng)驗，結(jié)合高速鐵路特點將不斷進行優(yōu)化研究，實現(xiàn)高速鐵路最高等級完全無人自動駕駛的ATO系統(tǒng)。