高速鐵路ATO系統(tǒng)運行計劃的應用研究

王 佳

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術研究中心，北京 100070)

高速鐵路已成為中短途旅客出行首選的交通工具，具有快捷、準時、安全和環(huán)保等特點， 列車運行控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）是我國高速鐵路建設重要技術裝備之一，擔負著列車追蹤安全防護和列車運行安全控制功能。城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)通過增加ATO系統(tǒng)實現車門自動控制、車門與站臺門聯動控制、運行計劃管理等相關功能，已經在莞惠、佛肇城際線路開通運營。

高速鐵路CTCS-3/CTCS-2級列控系統(tǒng)上增加ATO系統(tǒng)實現高速鐵路的自動駕駛、自動車門控制及運行計劃管理等功能[1]，自動駕駛技術的應用可有效的提高運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，是高速鐵路列控系統(tǒng)智能化的重要標志。

本文從車載ATO設備功能進行分析，針對CTC運行計劃的應用方法進行研究，提出CTC運行計劃的處理原則及應用方法。

1 運行計劃處理基本原則

1.1 CTC運行計劃

城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)中CTC通過CCS設備利用車地GSM-R網絡通道將運行計劃信息發(fā)送到對應的動車組，由車載ATO設備實時處理CTC運行計劃信息，車載設備提示司機或者自動執(zhí)行CTC運行計劃內容[2]。

高速鐵路ATO系統(tǒng)參考城際鐵路的技術方案，利用既有的TSRS設備通過增加站臺門門控信息管理、站臺門命令/狀態(tài)轉發(fā)、運行計劃處理和轉發(fā)、站間數據存儲、調用、發(fā)送等功能[3]，利用GSM-R網絡通道實現發(fā)送CTC運行計劃到對應的動車組，車載ATO設備實時處理接收到的CTC運行計劃，車載設備提示司機或者自動執(zhí)行CTC運行計劃內容。CTC運行計劃的數據流如圖1所示。

圖1 CTC運行計劃數據流示意圖Fig.1 Schematic diagram of CTC operation plan data flow

1.1.1 CTC運行計劃組織方式

CTC中心調度員根據當天的行車計劃制定CTC運行圖，CTC根據運行圖信息生成發(fā)送動車組的ATO運行計劃信息，運行計劃信息包括地面當前時刻、出發(fā)車站股道編號、站臺發(fā)車時刻、到達車站股道編號、站臺到達時刻、是否辦客（開關門進行旅客上下車）及通過或到發(fā)等信息[4]，TSRS將運行計劃信息通過GSM-R車地無線通道發(fā)送到車載ATO設備，并根據列車位置信息及車載設備狀態(tài)報告更新計劃。

高速鐵路ATO系統(tǒng)方案中在車地無線報文及定義中增加ATO運行計劃信息包，兼容高速鐵路站間距較長并參考城際鐵路的CTC運行計劃組織方式，CTC運行計劃發(fā)送以站間為基本單位，每次發(fā)送的運行計劃包含兩個站間的運行計劃。如圖2所示，CTC發(fā)送站臺F—站臺A，站臺A—線路所的計劃信息。

圖2 CTC運行計劃發(fā)送示意Fig.2 Schematic diagram of sending CTC operation plan

1.1.2 CTC運行計劃更新時機

考慮運行計劃數據的冗余性，CTC發(fā)送的運行計劃包括兩個站間的運行計劃數據，即每一個運行計劃報文中包含兩段運行計劃信息。如圖 2所示，CTC運行計劃包含典型的站臺及線路所，其中線路所等同為站臺進行處理。CTC更新運行計劃的基本原則為間隔20 s周期發(fā)送或者計劃調整實時發(fā)送，并在站臺區(qū)域越過出站信號機（如圖2中的X3信號機）時更新下一段的運行計劃信息，線路所則是在越過進站信號機（如圖2中的X信號機）時更新下一段的運行計劃信息。

車載ATO設備控制動車組或者司機手動駕駛動車組運行至A站時，CTC中心根據動車組位置實時發(fā)送F—A站，A站—線路所的計劃信息。當列車越過A站出站信號機X3后，CTC更新新的運行計劃，運行計劃更新為A站—線路所，線路所-B站的計劃信息。

1.2 運行計劃使用原則

1.2.1 軌旁輔助設備

在城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)中地面在股道設置專用的精確定位應答器，用于實現列車精確定位[2]。高速鐵路ATO系統(tǒng)中地面增加專用的精確定位應答器， 并在精確定位應答器中增加車站股道信息及站臺停車點信息。

車載ATO設備接收到地面軌旁設備增加的精確定位應答器報文后，根據當前列車所屬的股道信息進行計劃有效性判斷。

應答器的具體布置距離根據列車及設備特點進行調整，典型的雙向站臺應答器布置如圖3所示[5]。

1.2.2 正常站臺到發(fā)-通過作業(yè)

圖3 本站臺股道區(qū)應答器布置示意Fig.3 Balises layout on platform tracks

車載ATO設備控制動車組或者司機手動駕駛動車組運行至A站時，CTC中心根據動車組位置實時發(fā)送F—A站，A站—線路所的計劃信息，信息包括F站的發(fā)車時刻、A站的到達時刻、A站的發(fā)車時刻、線路所的到達時刻以及F站和A站的辦客計劃等信息。通常線路所的計劃信息為通過、不辦客信息，且發(fā)車時刻與到達時刻相同。

CTC的站臺作業(yè)計劃包括站臺是否辦客、是否到發(fā)停車及車站發(fā)車時刻信息。其中車載ATO設備根據CTC到站信息控制列車準點到達車站后，判斷CTC運行計劃為辦客作業(yè)時，司機或者車載ATO設備自動進行車門/站臺門聯控完成上下客作業(yè)后，判斷發(fā)車時刻到達后提示司機再次投入ATO設備，控車到達下一站。

對于大站停車作業(yè)及特殊作業(yè)條件時，CTC運行計劃中包括前方站臺到發(fā)/通過作業(yè)信息，車載ATO設備接收CTC的前方車站是否通過信息進行處理，當前方車站為通過作業(yè)時，控制列車根據地面信號許可通過該通過站臺，直接控制列車到下一車站停車。

1.2.3 區(qū)間運行時刻表調整作業(yè)

車載ATO設備每20 s周期接收到來自CTC運行計劃信息，并根據當前時刻及前方站臺到達時刻實時計算該站間剩余的運行時間。車載ATO設備結合線路限速、ATP允許速度及運行時間，實時調整列車控制速度，實現區(qū)間的自動速度調整。

2 應用研究

車載ATO設備接收到CTC運行計劃后，首先根據股道信息判斷運行計劃是否有效，僅在運行計劃判斷有效后，執(zhí)行CTC運行計劃信息。

2.1 CTC運行計劃應用

2.1.1 運行計劃的合法性檢查

車載ATO設備接收到CTC發(fā)送的運行計劃后，應先對CTC運行計劃進行合法性檢查，檢查內容包括報文信息的互斥檢查、報文時間的一致性檢查以及接/發(fā)車股道編號的一致性檢查，檢查應遵循以下原則。

1) 同一站臺的發(fā)車時刻信息應晚于該站臺的計劃到達時刻，否則則認為計劃信息無效。

2) 同一站臺的辦客與通過信息不能同時均為有效值，否則認為計劃信息無效。

3) 同一站臺的接車股道與發(fā)車股道信息（不同計劃段）應一致，否則認為計劃無效。

4) 同一個計劃段的接車股道與發(fā)車股道應不相同，否則認為計劃無效。

5) CTC運行計劃內容非默認值。

車載ATO判斷CTC運行計劃合法后，更新當前的運行計劃，進行后續(xù)的計劃有效性判斷。若判斷CTC運行計劃非法時，則丟棄該條計劃信息，繼續(xù)使用之前的合法運行計劃信息。

2.1.2 運行計劃的有效性檢查

對于新建的高速鐵路ATO線路，站臺股道均增加了精確定位應答器，車載ATO設備控制列車經過站臺股道接收到精確定位應答器后，從應答器報文中獲取站臺的股道編號信息。

車載ATO設備判斷當前為接車過程時，根據接收到股道編號信息與接收到有效的CTC運行計劃進行比較，判斷股道編號與CTC運行計劃中的接車股道編號一致時，則認為該計劃有效，且后續(xù)使用該接車股道編號匹配的運行計劃。其中接車過程指列車車頭在進站信號機（如圖4所示的X信號機）到出站信號機（如圖4所示的X3信號機）或者站內停穩(wěn)后再次發(fā)車。

車載ATO設備判斷列車越過出站信號機（如圖4所示的X3信號機）時，記錄當前發(fā)車站臺的股道編號，根據該股道編號與CTC運行計劃中的發(fā)車股道編號進行比較。若編號一致時，認為新收到的計劃有效，且使用與發(fā)車股道編號匹配的CTC運行計劃。

車載ATO設備僅在判斷CTC運行計劃有效時，執(zhí)行CTC運行計劃進行站臺相關作業(yè)及區(qū)間時分速度調整，且提示司機當前運行計劃有效。

2.1.3 運行計劃旅客作業(yè)信息使用原則

車載ATO設備接收到CTC運行計劃信息包括站臺的到達時刻、發(fā)車時刻、到發(fā)/通過、是否辦客信息，車載ATO設備判斷計劃有效后應根據以下原則使用計劃內容。

1) 車載ATO設備根據前方站臺到達時刻及當前時刻，實時計算當前的控制速度，并調整ATO的控制輸出，控制列車按照時分實現準點控制；

2) 前方站臺的運行計劃為到發(fā)信息時，車載ATO設備控制列車在前方站臺自動停車；若前方站臺的運行計劃為通過時，車載ATO設備依據地面行車許可控制列車在前方站臺不停車直接通過；

3) 若前方站臺的運行計劃為辦客時，車載ATO設備控制列車前方站臺停車后，根據車載ATP的門防護信息完成自動開門作業(yè)；

4) 車載ATO設備控制列車停于前方站臺后，根據當前站臺的發(fā)車時刻及當前時刻完成發(fā)車倒計時提示，提示司機發(fā)車時間到達，可以關閉車門并且自動發(fā)車。

2.2 特殊場景運行計劃應用

2.2.1 運行計劃無效或者計劃超時的應用

車載ATO設備運行過程中判斷CTC運行計劃無效后，若當前沒有正在使用的有效運行計劃，則清除當前收到的所有運行計劃。如果當前有正在使用的運行計劃時，保留當前正在使用的運行計劃，清除其他運行計劃，直到判斷計劃超時。

車載ATO設備判斷CTC運行計劃超時后，繼續(xù)使用當前正在執(zhí)行的有效運行計劃，直到該計劃超出其描述的有效范圍或者站臺停穩(wěn)后，清除車載ATO設備使用的所有CTC計劃，對外提示運行計劃無效。

當CTC計劃無效時，車載ATO設備按照ATP限速或者駕駛策略并依據行車許可控制列車自動駕駛。

2.2.2 非ATO線路到ATO線路間的計劃切換及使用

高速鐵路新建ATO線路在站臺股道均增加精確定位應答器，非ATO線路未安裝精確定位應答器。

車載ATO設備控制列車從非ATO線路駛向ATO線路時，當進入ATO線路接收到股道定位應答器中的股道編號后，根據股道編號判斷CTC運行計劃的有效性。當車載ATO設備控制列車從ATO線路駛向非ATO線路時，應在進入非ATO線路第一個站臺的進站信號機后清除保存的股道編號信息，若站內無法接收到新的股道編號時，根據邏輯判斷計劃無效。

2.2.3 運行計劃與列車進路不一致

在高速鐵路既有規(guī)范中，司機在手動駕駛動車組應根據列車進路及行車許可控制列車運行，但是高速鐵路增加ATO系統(tǒng)后，車載ATO設備需要實時處理CTC運行計劃信息，若計劃有效時，應遵循行車許可的要求按照CTC運行計劃進行自動駕駛。實際運行時，CTC運行計劃與列車進路應一致，當發(fā)生CTC運行計劃與列車進路不一致時，車載ATO設備建議按照以下原則處理。

1) 前方站臺辦理通過進路（出站信號開放），CTC運行計劃發(fā)送為前方站臺到發(fā)信息時，此時車載ATO設備判斷計劃有效后，控制列車在前方站臺自動停車并根據辦客計劃打開車門及提示發(fā)車倒計時，完成旅客上下客作業(yè)。

2) 前方站臺辦理到發(fā)進路（出站信號關閉），CTC運行計劃發(fā)送為前方站臺通過信息時，此時車載ATO設備判斷計劃有效后，提示司機前方站臺為通過計劃，但是依據行車許可控制列車在前方站臺自動停車，不進行旅客上下客作業(yè)。

2.2.4 首發(fā)站/終到站的運行計劃使用

CTC運行計劃正常發(fā)送均包含兩段運行計劃，如圖5中B站臺發(fā)車時計劃包括B-C、C-D兩段計劃。當動車組從動車所開往首發(fā)站臺（A站）時，CTC發(fā)送的運行計劃為F站(F站股道編號未知)—A站、A站—B站的信息。車載ATO在控制列車未進入A站臺的進站信號機前，由于無法獲取A站臺的股道編號信息，判斷CTC運行計劃無效，直到進入A站接收到股道編號信息后，依據股道編號信息判斷CTC運行計劃有效后，控制列車停車后根據計劃進行辦客作業(yè)。在條件具備時，該處理方案能夠提高首發(fā)站的作業(yè)效率。

圖5 CTC運行計劃段示意Fig.5 Sending CTC operation plan according to sections

若進入首發(fā)站A站停車時，車載ATO設備不具備控車條件，則A站由于車載ATO設備無法處理精確定位應答器信息，會判斷計劃無效。

如圖5所示，車載ATO設備控制列車經過D站時，CTC運行計劃包括D-E、E-F(F站股道編號未知)兩段計劃，車載ATO設備應能識別該計劃為終點站計劃，根據D站的股道信息判斷該計劃有效。車載ATO設備根據有效的CTC運行計劃控制列車進入E站停車后，應能根據E站的作業(yè)計劃完成自動開門作業(yè)，同時不提示發(fā)車倒計時（E站發(fā)車時刻未知）。

2.2.5 通過-到發(fā)的運行計劃使用

車載ATO設備接收到CTC運行計劃的通過信息時，應控制列車高速通過前方站臺股道；若接收到CTC運行計劃為到發(fā)時，應控制列車在前方站臺停車。

從功能分析，車載ATO設備處理通過計劃與到發(fā)計劃為互斥邏輯。如圖6所示，車載ATO設備B站出發(fā)后，接收到前方站臺C站為通過計劃，則控制列車高速通過C站臺，此時若C站臺的運行計劃變更為到發(fā)，車載ATO設備按照計劃需控制列車在C站臺停車。按照300 km/h的速度，車載ATO設備在平直道上按照最大制動減速度至少需要7.7 km的制動距離，該距離遠遠超過站臺的有效長度，因此車載ATO設備無法控制列車在站臺停車。

圖6 通過計劃示意Fig.6 Plan of passing through a station

基于以上分析，結合地鐵成熟的運營經驗參考，建議對于前方站臺通過-到發(fā)計劃的處理原則如下：

1)車載ATO設備在任意位置接收到通過的運行計劃時均應響應，控制列車通過車站；

2)車載ATO設備在越過通過站臺的進站信號機后，收到CTC運行計劃變更為到發(fā)運行計劃時，判斷到發(fā)計劃無效，繼續(xù)判斷站臺計劃為通過計劃并控制動車組不停車通過站臺；

3)車載ATO設備僅在如圖6中所示的站臺B范圍內（未越過B站的出站信號機時），可以響應前方C站運行計劃由通過變?yōu)榈桨l(fā)。如果考慮運行效率，則至少判斷距離前方站臺（C站）預估停車點大于最高速度對應的制動距離時，才能變更通過計劃為到發(fā)計劃有效，確保計劃變更時車載ATO能夠控制列車在C站臺停車。

3 結論

本文所描述的車載ATO設備對CTC運行計劃的應用方法研究，從正常應用場景及特殊應用場景進行分析，為高速鐵路ATO系統(tǒng)中車載ATO處理CTC運行計劃的應用提供參考依據。經過室內測試驗證表明文中描述方案切實可行，可以滿足高速鐵路自動化、智能化的運行要求。