基于ATO控車技術的CTCS-2級列控系統(tǒng)研究與應用

劉人鵬

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

中國經濟的快速騰飛，催生了一系列經濟發(fā)展迅速的城市群區(qū)域經濟，如珠三角、京津冀等發(fā)達地區(qū)，該地區(qū)大量人財物迅速聚集，帶來了區(qū)域內交通出行的嚴重擁堵，需要一種連接城市群內部城市之間的站間距較小、列車出行時間間隔較短、能頻繁往返運行的新型列車，研發(fā)人員把地鐵的運行模式改進升級成能適應城市群運營的新模式，由此出現(xiàn)了城際鐵路。其中，京津城際鐵路作為全國第一條引進合作建設的城際高速鐵路，于2008年奧運會前正式啟用，為奧運會圓滿舉辦和人員的合理疏散帶來了極大方便，極大地縮短了京津城際間的“距離感”。城際鐵路有別于傳統(tǒng)高速鐵路是服務于鄰近城市間或城市群間，設計時速一般不小于160 km，線路長度不大于200 km的快捷、高效、密集型的高速鐵路，而現(xiàn)有CTCS-2列控系統(tǒng)不能完全適應城際鐵路列車行車安全和高效運輸?shù)囊?。為此，中國鐵路通信信號股份有限公司研發(fā)了基于ATO控車技術的CTCS-2級列控系統(tǒng)（簡稱C2+ATO列控系統(tǒng)），有效滿足了城際鐵路高密度、高強度、跨線運行的實際需求。

2 C2+ATO列控系統(tǒng)

C2+ATO列控系統(tǒng)在滿足CTCS-2級列控系統(tǒng)標準基礎上，借鑒了地鐵ATC系統(tǒng)的系統(tǒng)特點，研發(fā)出了適用于160 km以上速度、3 min追蹤間隔、自動駕駛運行的滿足城際鐵路需求的新型列控系統(tǒng)，下面重點介紹C2+ATO列控系統(tǒng)在CTCS-2級列控系統(tǒng)上新增設備的系統(tǒng)結構、新增功能說明及運用模式。

2.1 系統(tǒng)結構

如圖1所示，在CTCS-2列控系統(tǒng)基礎上增加了子系統(tǒng)后的地面設備和車載設備。其中地面設備增加了CCS通信控制子系統(tǒng)、站臺門控制子系統(tǒng)和GSM-R/GPRS無線通信網絡模塊以及股道專用精確定位應答器等；車載設備增加了ATO自動駕駛子系統(tǒng)和MT移動終端和車門控制模塊。在保證既有C2列控系統(tǒng)設備較少改動的情況下，上述新增地面設備和車載設備與既有設備通過系統(tǒng)優(yōu)化融合形成一個C2+ATO的自動駕駛列控系統(tǒng)。

地面設備中，CTC子系統(tǒng)只增功能不增設備，在實現(xiàn)既有功能前提下還要實現(xiàn)發(fā)送運行計劃、實時管理在線列車、自動調整運行計劃等功能；TCC子系統(tǒng)只增功能不增設備的前提下，增加車門/站臺門聯(lián)動控制和站臺門防護功能；新增CCS子系統(tǒng)完成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(shù)據存儲調用發(fā)送等功能；新增車站股道精確定位應答器實現(xiàn)列車精確定位的功能；新增站臺門控制系統(tǒng)實現(xiàn)站臺門的開放與關閉。

圖 1 C2+ATO系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 C2+ATO system structure

2.2 模式轉換

C2+ATO自動駕駛列控系統(tǒng)的工作模式分為兩大類：人工駕駛和自動駕駛。其中，車載設備ATP實現(xiàn)列車人工駕駛，再按C2列控系統(tǒng)常規(guī)的9種工作模式運行，ATO實現(xiàn)列車自動駕駛；當車載設備ATP處于完全監(jiān)控模式(FM)下，同時滿足如圖2所示的3個條件并在司機確認后ATO即接過控車使命進入AM模式下運行。

如圖2所示，ATP轉ATO首先需要處于人工駕駛的完全監(jiān)控模式下并且同時滿足3個與條件，當ATP處在人工模式的其余8種工作模式下均無法轉入ATO自動駕駛模式，而ATO轉ATP只要滿足圖2中的一個或條件，說明轉入自動駕駛的條件對設備工作狀態(tài)要求更加嚴苛，一旦有條件不滿足即迫使司機轉回人工模式運行，同時在轉換的過程都有一個需要司機確認的環(huán)節(jié)，以提醒司機將要進入何種模式下運行；若司機未確認,又分兩種情形處理：ATP轉ATO時，未確認就會有聲光提示信息以一定時間間隔提示司機；ATO轉ATP時，未及時確認就會輸出常用制動，確認后緩解該制動。

圖2 ATP與ATO相互轉換條件示意圖Fig.2 Conditions of Mutual transformation between ATP and ATO

由此可見，在人工駕駛與自動駕駛的相互轉換時，都需要司機有一個“確認”的動作，也是提示司機將要進入的是何種駕駛模式，如果司機因其他原因忘記確認就會一直提示或輸出常用制動引起司機注意。當列車轉入人工駕駛模式后，即進入CTCS-2級列控系統(tǒng)既有的9個工作模式適應不同場景下運行。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

2.3.1 自動駕駛模式

1）區(qū)間運行時，車載設備ATO系統(tǒng)會依據地面設備上傳的運行計劃或按照預選駕駛策略，自動控制列車進行各種不同的操作如加速、減速、巡航、惰行和停車，實現(xiàn)自動運行；期間，司機的任務主要是瞭望前方與觀察DMI屏幕有無異常報警信息提示。

2）進站停車時，車載設備ATO通過BTM讀取器獲取股道上的精確定位應答器（JD）的定位信息后即刻對列車位置進行校正，并根據JD應答器提供的運營停車標信息確定本股道運營停車標的精確位置和站臺門門側信息，運算處理后自動控制列車在車站股道停車標處精準停車；ATO系統(tǒng)判斷列車停準停穩(wěn)后，對車門/站臺門啟動聯(lián)動控制。ATO收到運行計劃時自動開門；未接收到運行計劃時，由司機開啟相應側的動車組車門。動車組關門仍需司機與車長聯(lián)控后人工操縱；而ATP則根據接收到的站臺側信息根據不同情況實現(xiàn)對動車組車門的開門防護。

3）自動折返功能，ATO子系統(tǒng)新增了自動折返作業(yè)功能，在自動駕駛模式下通過控制動車組切換牽引端實現(xiàn)該功能，該功能極大地節(jié)省了換端時的各種操作時間，實現(xiàn)快速折返。

2.3.2 人工駕駛模式

列車處于人工駕駛模式發(fā)車時，車門/站臺門均不參與聯(lián)動控制，由司機關閉車門，車站人員關閉站臺門，人工通過無線對講完成車門/站臺門關閉的確認。人工駕駛模式增加了司機的作業(yè)數(shù)量與相互確認頻次。

3 系統(tǒng)改進

基于ATO控車技術的CTCS-2列控系統(tǒng)很好解決了行程短、站間距短、上下車頻繁、折返作業(yè)多的運輸要求，也降低了列車司機的疲勞駕駛，減少了司機的操作步驟，提高了司機的注意力，但在已開通運營的城際列車線路上發(fā)現(xiàn)了一些需要改進與完善的地方。本次著重談地面設備的改進方案，從以下兩方面入手，如功能相近子系統(tǒng)的合并優(yōu)化，個別子系統(tǒng)的結構升級優(yōu)化等。

3.1 TCC與CBI合并

如圖1所示，從C2+ATO列控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構上發(fā)現(xiàn)，TCC子系統(tǒng)與CBI子系統(tǒng)間有功能重復使用與信息代傳的現(xiàn)象，而這些代傳信息也是兩個子系統(tǒng)間容易出錯的問題點，為此，列控中心（TCC）與計算機聯(lián)鎖（CBI）兩個子系統(tǒng)可以合二為一成一套“地控”子系統(tǒng)作為地面設備安全控制子系統(tǒng)，從而既降低了因站場要求碼位修改引起另一個子系統(tǒng)的碼位修改，又減少了各站與安全數(shù)據網的接點數(shù)量。如圖3所示，去掉一套TCC或CBI子系統(tǒng)，每個車站可減少交換機上8個接點，交換機上接點數(shù)量減少也意味著故障率的降低，同時，也減輕了安全數(shù)據網上的數(shù)據傳輸壓力，還可以把計算機室的6～8個機柜減小到2～3個機柜，精簡每個車站計算機房的占用空間。

圖3 交換機接點配置Fig.3 Switches contacts configuration

3.2 TSRS與CCS合并

新增的通信控制子系統(tǒng)（CCS）從其完成的功能上看可與既有臨時限速服務器（TSRS）子系統(tǒng)合二為一，通信控制子系統(tǒng)主要完成站臺門聯(lián)動控制、運行計劃與站間數(shù)據存儲轉發(fā)等功能，TSRS的功能是針對現(xiàn)場實際情況對不同區(qū)間的不同區(qū)段進行限速設置，TSRS本身功能單一，子系統(tǒng)結構也是服務器型式，跟通信控制子系統(tǒng)的系統(tǒng)結構相近，配置要求也相近，一般對應4～5個車站設一套CCS子系統(tǒng)和一套TSRS子系統(tǒng)，為此，可考慮CCS子系統(tǒng)與TSRS子系統(tǒng)合并研發(fā)，可再次減少與安全數(shù)據網上的交換機接點數(shù)量。

3.3 CBI研發(fā)升級

CBI子系統(tǒng)升級發(fā)展已迫在眉睫，目前全路在用的CBI子系統(tǒng)已應用在現(xiàn)場十幾年，雖然跟6502繼電式集中聯(lián)鎖控制相比優(yōu)化許多，也節(jié)省了許多繼電器的用量，但隨著電子元器件的不斷發(fā)展升級，大功率器件已廣泛應用在各領域，應盡早研發(fā)全電子控制系統(tǒng)，進一步縮減機械室內繼電器用量。由此引起的革新會節(jié)省大量機械室設備數(shù)量，減小信號機械室的占用空間，更重要的是減輕了信號工的維保強度與難度，最終減少信號工的用工數(shù)量，進一步降低各種維護成本和人力成本。

通過上述3個優(yōu)化方案，安全數(shù)據網上原本傳輸4個子 系 統(tǒng)（TCC、CBI、CCS和TSRS）的數(shù)據減少為只傳兩個子系統(tǒng)的數(shù)據，系統(tǒng)優(yōu)化后形成如圖4所示的地面設備結構。隨著技術水平的不斷提高和硬件系統(tǒng)的不斷升級，功能相近的子系統(tǒng)進行合理的結構歸納、功能融合，避免重復利用，保持整個列控系統(tǒng)的系統(tǒng)結構簡潔和系統(tǒng)功能完善，確保復雜樞紐中心的網絡優(yōu)化更加簡單，減少網絡接點，降低網絡故障，以更加安全可靠的列控系統(tǒng)服務于高鐵運營。

4 應用中問題

莞惠城際已開通半年有余，在聯(lián)調聯(lián)試期間與開通運營中發(fā)現(xiàn)了一些問題，值得分析研究，減少今后C2+ATO列控系統(tǒng)城際項目再出現(xiàn)類似問題。

圖4 完善后的地面設備示意圖Fig.4 Ground equipment after optimization

4.1 車載設備收到A/B碼不一致時易引起車載設備死機

車載ATP設備引用國外理念，把核心安全軟件采用A/B雙代碼開發(fā)，意在提高列車高安全性與高可靠性，列車運行中遇到A/B代碼采集不一致時，以ATP死機的安全模式強制緊急制動列車，這個方法雖然干脆直接倒向安全，但因死機引起的重啟以及列車數(shù)據輸入與呼叫等操作步驟，會嚴重影響運行效率。通過在城際線路上分析發(fā)現(xiàn)，遇到折返作業(yè)時就容易收到A/B代碼不一致引起ATP死機，而在長大干線上，很少有城際線路上這樣的頻繁的折返作業(yè)，因此，長大干線上運行的列車很少有“死機”現(xiàn)象發(fā)生。

分析“死機”現(xiàn)象過程如下：城際列車從死機時車載設備采取的緊急制動到ATP系統(tǒng)重啟需要至少5 min左右，重啟之后司機需要重新輸入確認數(shù)據、選擇駕駛模式、呼叫連接TSRS和CCS兩個子系統(tǒng)等，又要幾分鐘，統(tǒng)計可在10幾分鐘左右，對此時間長度已影響了城際列車頻繁折返作業(yè)的效率；從已開通城際項目上的各項指標上分析都處于正常值，沒有無線信號衰弱或不滿足要求的情況，為此出現(xiàn)A/B代碼不一致的因素確系很難判斷，但從系統(tǒng)軟件研發(fā)上可以防止遇到車載ATP通過GSM-R無線網絡收到A/B碼不一致時“死機”現(xiàn)象，改為緊急制動而非死機，制動過程中由司機確認前方狀況，再選擇相應駕駛模式運行，如此處理可省去5～7 min時間。

4.2 自動停車不準

在莞惠城際項目上自動停車位置不準確是個通病，幾乎每個車站的停車位置都不太準確，這有兩方面原因造成的：一是由于不同車型的測速測距不夠精確或者精確度偏差引起的測距不準，二是由于站臺布置精確定位應答器時的位置不夠準確，很多安裝JD應答器時以為跟區(qū)間應答器的精度一樣，為此，要明確基于CRH6型動車組參數(shù)布置，JD應答器的安裝精度控制在±0.1 m以內；另一個參數(shù)是JD應答器中心與站臺門活動門中心間距離測量數(shù)據精確到0.1 m。在安裝JD應答器時能滿足上述兩項精度要求后，基本都能滿足自動停車要求。

5 小結

本文介紹了C2+ATO自動駕駛列控系統(tǒng)與既有CTCS-2級列控系統(tǒng)的區(qū)別之處，同時，根據國內外列控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，提出列控系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案，期待能對研發(fā)人員、軟件編制人員、項目集成人員和系統(tǒng)維保人員提供些許補益。