簡(jiǎn)析高速鐵路ATO系統(tǒng)與城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)的區(qū)別

劉鴻飛

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

運(yùn)輸安全與效率是各種速度等級(jí)鐵路發(fā)展所面臨的核心問題，現(xiàn)階段在我國2 萬多km 的高速/客專以及部分城際鐵路線路上的動(dòng)車組普遍采用人工駕駛的方式運(yùn)行，在實(shí)際的運(yùn)營過程中，存在列車平均運(yùn)行速度低、車站人工停車時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)標(biāo)停車不準(zhǔn)、司機(jī)個(gè)體控制水平存在差異等情況。同時(shí)，長(zhǎng)交路運(yùn)行導(dǎo)致人工駕駛司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度較高，在駕駛效率和舒適性上也不能達(dá)到最優(yōu)化的控制效果。因此研究適用于我國高速鐵路和城際鐵路的自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)（適用于200 km 時(shí)速要求和300 km 以上時(shí)速要求），可以滿足我國高速城際鐵路長(zhǎng)交路、跨速度等級(jí)運(yùn)行的運(yùn)輸需求。同時(shí)可以降低列車運(yùn)行對(duì)司機(jī)駕駛熟練程度的依賴，降低司機(jī)的工作強(qiáng)度，提高或改善高速城際鐵路列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率、停車準(zhǔn)確性和旅客舒適度等多項(xiàng)指標(biāo)。

ATO 系統(tǒng)在干線高速鐵路處于起步階段，國內(nèi)珠三角城際鐵路中莞穗、佛肇段開通CTCS2+ATO功能運(yùn)行狀況良好。高速鐵路ATO 系統(tǒng)繼承CTCS-2 級(jí)和CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)成熟的技術(shù)，盡量減少對(duì)核心安全設(shè)備的改動(dòng)。借鑒CTCS2+ATO的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)高速列車的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行ATO功能定制化開發(fā)和既有產(chǎn)品適應(yīng)性修改。

本文將分析高速鐵路ATO 系統(tǒng)與城際鐵路C2+ATO 系統(tǒng)的區(qū)別，并提出高速鐵路ATO 系統(tǒng)的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。

2 城際鐵路C2+ATO系統(tǒng)簡(jiǎn)述

城際鐵路CTCS2+ATO 列控系統(tǒng)是在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，車地間利用CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)中GSM-R 的網(wǎng)絡(luò)電路CSD 通信模式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃和車門站臺(tái)門聯(lián)控的數(shù)據(jù)傳輸。

車載設(shè)備增加ATO 單元，該設(shè)備通過無線通信接收運(yùn)行計(jì)劃和車門站臺(tái)門聯(lián)控?cái)?shù)據(jù)，通過應(yīng)答器獲取站間線路數(shù)據(jù)，通過與ATP 和車輛新增接口傳輸開門允許、開關(guān)門命令、牽引制動(dòng)等信息，以實(shí)現(xiàn)在完全監(jiān)控模式條件下增加自動(dòng)駕駛（AM）模式的功能。

地面設(shè)備車站股道增設(shè)精確定位應(yīng)答器組實(shí)現(xiàn)列車精確停車。通過增設(shè)通信控制服務(wù)器（CCS）實(shí)現(xiàn)車門站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制和車載運(yùn)行計(jì)劃的信息傳輸。通過TCC 增加與站臺(tái)門接口實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。聯(lián)鎖設(shè)備采集站臺(tái)門鎖閉條件，用關(guān)閉信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)門的安全防護(hù)。

城際鐵路C2+ATO 系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 城際鐵路C2+ATO系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of C2+ATO system of intercity railway

3 城際鐵路C2+ATO系統(tǒng)存在的問題

1) 互聯(lián)互通問題

城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)的車地通信方式采用GSM-R/CSD 通信方式與CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的車地通信方式相同，而在該種通信方式下車地間僅能完成唯一的數(shù)據(jù)通信連接。具備城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)功能的車載設(shè)備以C3 完全監(jiān)控模式運(yùn)行時(shí)，在接收RBC 傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)無法再與CCS 進(jìn)行通信連接。因此CTCS2+ATO 系統(tǒng)無法與CTCS-3 級(jí)等級(jí)線路互聯(lián)互通。

2) 站間數(shù)據(jù)傳輸方式

城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)站間距較短，提供ATO 計(jì)算曲線的區(qū)間線路數(shù)據(jù)來自于地面應(yīng)答器組。而高速鐵路站間距很長(zhǎng)，最大間距達(dá)100 多km，受到應(yīng)答器位數(shù)限制，應(yīng)答器提供的數(shù)據(jù)范圍無法滿足高速鐵路長(zhǎng)大站間距。

3) 站臺(tái)門鎖閉條件對(duì)聯(lián)鎖信號(hào)開放的影響

城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)是通過聯(lián)鎖設(shè)備采集站臺(tái)門鎖閉條件，在未滿足條件時(shí)關(guān)閉信號(hào)來保證站臺(tái)門的安全防護(hù)。當(dāng)站臺(tái)門鎖閉頻繁出現(xiàn)故障時(shí)，車站信號(hào)會(huì)頻繁自動(dòng)關(guān)閉，需人工重新排列進(jìn)路，在高密度的列車運(yùn)營中會(huì)造成較大影響。

4) 無簡(jiǎn)化自動(dòng)駕駛模式

城際鐵路CTCS2+ATO 系統(tǒng)在通信故障或運(yùn)行至不具備通信條件的C2 線路時(shí)，車載設(shè)備只能以C2 完全監(jiān)控模式運(yùn)行，不具備進(jìn)入簡(jiǎn)化AM 模式的功能。在高速鐵路中運(yùn)行交路多、跨度大，因此司機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題在該系統(tǒng)下無法解決。

4 高速鐵路ATO系統(tǒng)簡(jiǎn)述

高速鐵路ATO 系統(tǒng)是在CTCS-2/CTCS-3 級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車地間利用GSM-R 的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS 通信模式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃、區(qū)間線路數(shù)據(jù)和車門站臺(tái)門聯(lián)控的數(shù)據(jù)傳輸。

車載設(shè)備增加ATO 單元和獨(dú)立GPRS 電臺(tái)，通過無線通信完成對(duì)運(yùn)行計(jì)劃、區(qū)間線路數(shù)據(jù)和車門站臺(tái)門聯(lián)控?cái)?shù)據(jù)的完全接收，與ATP 和車輛新增接口傳輸開門允許、開關(guān)門命令、牽引制動(dòng)等信息，以實(shí)現(xiàn)在完全監(jiān)控模式條件下增加AM 模式的功能。

地面車站股道增設(shè)精確定位應(yīng)答器組實(shí)現(xiàn)列車精確停車。地面設(shè)備利用既有CTC、TSRS 和TCC增加ATO 功能，通過GPRS 通信實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門（安全門或屏蔽門，以下簡(jiǎn)稱站臺(tái)門）控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和運(yùn)行計(jì)劃處理。TCC 設(shè)備采集站臺(tái)門鎖閉條件，用地面軌道電路發(fā)H 碼實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)門的安全防護(hù)。

高速鐵路ATO 系統(tǒng)如圖2 所示。

5 高速鐵路ATO系統(tǒng)相對(duì)城際鐵路CTCS2+ ATO系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1) 可與CTCS-3 級(jí)線路互聯(lián)互通

高速鐵路ATO 系統(tǒng)由于采用GSM-R/GPRS 通信方式與CTCS-3 級(jí)線路通信方式相對(duì)獨(dú)立，因此在CTCS-2 級(jí)和CTCS-3 級(jí)客運(yùn)專線均可使用高速鐵路ATO 系統(tǒng)的AM 模式，且列車在C3 完全監(jiān)控和C2 完全監(jiān)控相互轉(zhuǎn)換時(shí)也仍可保持AM 模式繼續(xù)運(yùn)行。

2) 車地通信模式修改

高速鐵路ATO 系統(tǒng)采用GSM-R/GPRS 通信方式相比CTCS2+ATO 系統(tǒng)的GSM-R/CSD 通信方式傳輸速度快、傳輸數(shù)據(jù)量多、帶寬大且更節(jié)省信道資源。高速鐵路ATO 系統(tǒng)由TSRS 通過GSM-R/GPRS 車地通信方式傳輸站間數(shù)據(jù)，通信傳輸數(shù)據(jù)量大,滿足高速鐵路長(zhǎng)大站間距數(shù)據(jù)范圍要求。

3) 地面設(shè)備簡(jiǎn)化

高速鐵路ATO 系統(tǒng)地面設(shè)備不再增加新設(shè)備，通過TSRS 設(shè)備在既有功能的基礎(chǔ)上，增加站臺(tái)門門控信息管理，站臺(tái)門命令/狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)，運(yùn)行計(jì)劃處理和轉(zhuǎn)發(fā)，站間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、調(diào)用、發(fā)送等ATO 功能。對(duì)于改造線路采用高速鐵路ATO 系統(tǒng)時(shí)，改造影響范圍小便于實(shí)施。

圖2 高速鐵路ATO系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of ATO system of high-speed railway

4) ATO 功能不影響安全設(shè)備

高速鐵路ATO 系統(tǒng)由TCC 設(shè)備采集站臺(tái)門鎖閉條件，用地面軌道電路發(fā)H 碼實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)門的安全防護(hù)。該功能在保證安全的前提下，用地面碼序防護(hù)取代地面關(guān)閉信號(hào)對(duì)站臺(tái)門安全的防護(hù)，取消站臺(tái)門對(duì)聯(lián)鎖設(shè)備的影響，在實(shí)際應(yīng)用中提高可用性。對(duì)于改造線路也減少了對(duì)安全設(shè)備的影響。

5) 具備簡(jiǎn)化ATO 功能

高速鐵路ATO 系統(tǒng)車載設(shè)備的AM 模式增加預(yù)選駕駛策略的功能。在無車地通信條件的線路或車地通信故障的情況下，司機(jī)可在AM 模式下選擇預(yù)選駕駛策略行車，并根據(jù)需要隨時(shí)人工調(diào)整預(yù)選駕駛策略。高速鐵路ATO 系統(tǒng)預(yù)選駕駛策略運(yùn)行模式如圖3 所示。該功能提高高速鐵路ATO 系統(tǒng)的可用性，同時(shí)也對(duì)線路改造地面設(shè)備修改提供多種選擇。

圖3 高速鐵路ATO系統(tǒng)預(yù)選駕駛策略行車曲線示意圖Fig.3 Schematic diagram for running curve of preselected driving strategy of ATO system of high-speed railway

6) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過隧道功能

目前國內(nèi)高速鐵路列控系統(tǒng)過隧道模式是當(dāng)司機(jī)接近隧道時(shí)，司機(jī)手動(dòng)操控臺(tái)上的“隧道模式”按鈕過隧道。高速鐵路ATO 系統(tǒng)增加了自動(dòng)過隧道功能，通過應(yīng)答器進(jìn)行隧道位置和長(zhǎng)度的信息傳輸，具備ATO 功能的車載設(shè)備處于自動(dòng)駕駛模式時(shí)可自動(dòng)過隧道。

6 結(jié)束語

高速列車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛既是我國高速鐵路技術(shù)發(fā)展的需要，也是確立我國高速鐵路整體技術(shù)水平在國際地位的需要。高速鐵路ATO 系統(tǒng)可有效的提高鐵路運(yùn)輸能力、提高列車運(yùn)行效率、降低牽引能耗、減輕司機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度、改善旅客乘車體驗(yàn)。對(duì)于提高列車運(yùn)行安全保障能力和智能化水平，保持我國高速鐵路列控技術(shù)在國際上的先進(jìn)性具有重要的意義。