高速鐵路既有ATP實(shí)現(xiàn)自動駕駛的技術(shù)方案研究

易海旺

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號研究所, 北京 100081； 2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對高速鐵路的運(yùn)輸能力提出了更高的要求。為了在確保安全的前提下，實(shí)現(xiàn)列車快速和高密度運(yùn)行，必須縮短列車運(yùn)行時間間隔，將自動運(yùn)行和運(yùn)行管理有機(jī)地結(jié)合起來，進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力和服務(wù)質(zhì)量，其關(guān)鍵就是發(fā)展列車自動控制技術(shù)。列車自動駕駛(ATO， Automatic Train Operation)將現(xiàn)代工業(yè)自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號、數(shù)據(jù)、通信、傳感及信息傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，應(yīng)用于列車智能化控制。

1 高速鐵路ATO方案

根據(jù)《高速鐵路ATO系統(tǒng)總體技術(shù)方案》[1]，城際鐵路列控系統(tǒng)車載設(shè)備由ATP (列車自動防護(hù)系統(tǒng))與ATO (列車自動駕駛系統(tǒng))2個部分構(gòu)成，車載ATP設(shè)備滿足《CTCS-3 級列控車載設(shè)備技術(shù)規(guī)范》[2]的要求，高速鐵路車載ATP/ATO設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高速鐵路車載ATP/ATO設(shè)備結(jié)構(gòu)

(1)ATP設(shè)備

ATP 設(shè)備由車載安全計(jì)算機(jī)(VC)、GSM-R 無線通信單元(RTU)、軌道電路信息接收單元(TCR)、應(yīng)答器信息接收模塊(BTM)、司法記錄單元(JRU)、人機(jī)界面(D M I) 、列車接口單元(T I U) 及測速測距單元(SDU) 等組成。在原有ATP車載設(shè)備功能基礎(chǔ)上增加車門防護(hù)功能，精確停車誤差評定和自動駕駛ATO允許控制，DMI增加顯示ATO功能相關(guān)的控制、狀態(tài)、報警等信息顯示及操作，具備支持ATO自動駕駛等功能。

(2)ATO設(shè)備

在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，車載設(shè)備增加車載ATO系統(tǒng)、GPRS電臺及相關(guān)配套設(shè)備；ATO車載設(shè)備在ATP的行車許可下，通過GPRS無線通信單元接收到的運(yùn)行計(jì)劃、站間數(shù)據(jù)(含線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臨時限速)等信息,實(shí)現(xiàn)列車速度自動控制、車站精確定位停車、自動開車門和車門/站臺門聯(lián)動控制、列車運(yùn)行節(jié)能控制以及設(shè)備診斷、記錄和報警等功能。

2 既有ATP實(shí)現(xiàn)自動駕駛方案

車載系統(tǒng)方案是在300H-ATP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加ATO主控單元、300H擴(kuò)展單元和GPRS通信單元，300H擴(kuò)展單元實(shí)現(xiàn)300H型ATP的IO接口擴(kuò)展，并負(fù)責(zé)與ATP、ATO及無線單元進(jìn)行通信交互。

車載新增設(shè)備由ATO主控單元、擴(kuò)展單元和無線通信單元設(shè)備組成，集成于獨(dú)立機(jī)柜。ATO主控單元負(fù)責(zé)列車自動駕駛相關(guān)控車功能；擴(kuò)展單元負(fù)責(zé)擴(kuò)展ATP的輸入輸出接口，同時負(fù)責(zé)與ATP、ATO設(shè)備、無線通信設(shè)備的接口通信功能；無線通信單元負(fù)責(zé)車地?zé)o線通信功能。

ATO主控單元通過與車輛控制系統(tǒng)和車載其他信號系統(tǒng)部件(ATP系統(tǒng))的接口，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)的采集、列車速度控制曲線的生成等功能。車載ATO系統(tǒng)配置及連接如圖2所示。

圖2 車載ATO系統(tǒng)配置及連接示意

3 擴(kuò)展單元關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 安全計(jì)算機(jī)平臺

300H擴(kuò)展單元作為300H型車載設(shè)備的擴(kuò)展設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信和安全采集/驅(qū)動繼電器接口的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與300H型車載設(shè)備、ATO子系統(tǒng)和無線通信車載模塊(RTM)的數(shù)據(jù)通信。為了保證系統(tǒng)RAMS的指標(biāo)要求，如圖3所示，300H擴(kuò)展單元采用了二乘二取二架構(gòu)。擴(kuò)展單元由電源單元、FIMIO和通信單元組成，其中通信單元組成二乘二取二結(jié)構(gòu)，保證300H擴(kuò)展單元中只要各有一個通信單元正常，設(shè)備就能正常工作。300H擴(kuò)展單元各單元的功能如表1所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與邊界接口

表1 安全計(jì)算機(jī)平臺功能

(1)通信單元冗余管理

兩個通信單元采用冗余RS422串口方式進(jìn)行通信。剛剛上電時，工作狀態(tài)繼電器1和繼電器2均處于打開狀態(tài)，通信單元1首先進(jìn)入工作狀態(tài)，驅(qū)動工作狀態(tài)繼電器1閉合，通信單元2采集工作狀態(tài)繼電器1狀態(tài)，若處于閉合狀態(tài)則進(jìn)入備用狀態(tài)，否則進(jìn)入工作狀態(tài)，并驅(qū)動工作狀態(tài)繼電器2閉合。

通信單元處于主控狀態(tài)時，會與ATP、ATO、RTM以及FIMIO進(jìn)行通信，處理相關(guān)信息，并將處理信息發(fā)送至備用通信單元。通信單元處于備用狀態(tài)時，會接收所有設(shè)備發(fā)送的信息，保持與其他設(shè)備的正常通信，驅(qū)動工作狀態(tài)繼電器一直處于打開狀態(tài)，并且會定期向主控通信單元發(fā)送工作狀態(tài)信息。

當(dāng)備用通信單元通過RS422接收到主系通信單元進(jìn)入備用或者脫機(jī)狀態(tài)信息，或者采集到主系通信單元的工作狀態(tài)繼電器處于斷開狀態(tài)時，備用通信單元將進(jìn)入工作狀態(tài)。

雙系通信單元的切換機(jī)制如圖4所示。

圖4 通信單元工作狀態(tài)示意

雙系通信單元的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件如表2所示。

表2 工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

(2)安全設(shè)計(jì)機(jī)制

為了保證系統(tǒng)的安全性，300H擴(kuò)展單元的核心處理單元——通信單元采用雙CPU進(jìn)行比較設(shè)計(jì)，只有在比較結(jié)果一致的情況下通信單元才可以向各設(shè)備輸出數(shù)據(jù)信息。以通信單元與300H設(shè)備通信為例，通信單元的安全設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 通信單元安全設(shè)計(jì)

如圖5所示，F(xiàn)PGA主要完成RS422/RS485的擴(kuò)展以及數(shù)據(jù)的透傳功能，通信單元的核心模塊由MCU組成，通信單元的邏輯如下。

MCU-1和MCU-2通過RS422、RS485和CAN總線接口分別接收RTM、ATO和FIMIO設(shè)備發(fā)送的信息。MCU-1和MCU-2進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后按照區(qū)別于實(shí)際應(yīng)用的CRC多項(xiàng)式進(jìn)行CRC計(jì)算得到CRC1，同時MCU-2按照實(shí)際應(yīng)用的CRC多項(xiàng)式進(jìn)行CRC計(jì)算得到CRC2。然后MCU-1將CRC1發(fā)送至MCU-2，同時MCU-2將CRC1和CRC2發(fā)送至MCU-1。MCU-1和MCU-2分別校驗(yàn)對方發(fā)送的CRC1是否正確，若CRC1校驗(yàn)一致，則MCU-1將數(shù)據(jù)和CRC2組包后進(jìn)行發(fā)送，否則不發(fā)送該數(shù)據(jù)。

通信單元與FIMIO板卡使用冗余CAN總線進(jìn)行通信。MCU組包發(fā)送數(shù)據(jù)原理與上述相同，主要區(qū)別是CAN總線數(shù)據(jù)不經(jīng)過FPGA，而是由MCU直接發(fā)送，其中MCU1使用CAN1總線向FIMIO板卡發(fā)送正碼數(shù)據(jù)，MCU2使用CAN2總線向FIMIO板卡發(fā)送反碼數(shù)據(jù)。

3.2 安全I(xiàn)O輸出

FIMIO模塊是故障—安全智能輸出模塊，包括FIMO模塊和FIMI模塊，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展單元對車輛進(jìn)行安全輸出和采集的功能，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 FIMIO模塊在擴(kuò)展單元中的位置示意

FIMIO模塊采用二取二結(jié)構(gòu)，向上，通過現(xiàn)場總線(CAN總線)通信與通信單元接口，接收通信單元下達(dá)的輸出命令，上傳模塊的狀態(tài)信息；向下，通過信號電纜與繼電器接口，完成對繼電器的驅(qū)動和采集。

(1)FIMO輸出設(shè)計(jì)

FIMO模塊采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，采用計(jì)算機(jī)輔助工具的模塊化設(shè)計(jì)。FIMO模塊包括工作電源部分、ACAN通信控制器、BCAN通信控制器部分、正碼機(jī)(ACPU)部分、反碼機(jī)(BCPU)部分、輸出通道部分、安全電源部分、LED指示部分和復(fù)位電路部分，如圖7所示。

圖7 FIMO輸出結(jié)構(gòu)

(2)FIMI輸入設(shè)計(jì)

FIMI模塊采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，采用計(jì)算機(jī)輔助工具的模塊化設(shè)計(jì)。FIMI模塊包括工作電源部分、ACAN通信控制器、BCAN通信控制器部分、正碼機(jī)(ACPU)部分、反碼機(jī)(BCPU)部分、輸入通道部分、LED指示部分和復(fù)位電路部分，如圖8所示。

圖8 FIMI輸入結(jié)構(gòu)

3.3 無線通信功能

高速鐵路地面修改臨時限速服務(wù)器TSRS，實(shí)現(xiàn)站臺門控制和運(yùn)行計(jì)劃處理。車載設(shè)備增加移動終端MT，實(shí)現(xiàn)車地信息的雙向通信。由于城際鐵路采用GSM-R公開網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，車載和地面設(shè)備必須進(jìn)行加密，以保證數(shù)據(jù)安全。高速鐵路車載無線功能結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 高速鐵路車載無線功能結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

基于該方案設(shè)計(jì)的高速鐵路系統(tǒng)車載ATP/ATO設(shè)備主要進(jìn)行以下仿真測試。

(1)利用 300H測試平臺和仿真擴(kuò)展單元軟件搭建測試環(huán)境，對ATP/ATO車載設(shè)備進(jìn)行測試，基于測試平臺搭建的測試環(huán)境如圖 10所示。

圖10 基于測試平臺搭建的測試環(huán)境

測試平臺是實(shí)驗(yàn)室用于ATP/ATO設(shè)備的系統(tǒng)集成和測試系統(tǒng)，通過執(zhí)行根據(jù)業(yè)務(wù)場景編制的測試腳本實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行地面環(huán)境的模擬仿真，利用在線監(jiān)測軟件記錄并分析車載設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在該測試環(huán)境中，測試平臺負(fù)責(zé)模擬發(fā)送BTM報文、控制轉(zhuǎn)速平臺模擬列車速度以及控制發(fā)碼器發(fā)送軌道電路信息、接收地面CTC、臨時限速服務(wù)器的ATO信息并給系統(tǒng)提供各種測試數(shù)據(jù)。

(2)利用京沈高鐵試驗(yàn)段中三站兩區(qū)間的數(shù)據(jù)搭建仿真測試環(huán)境，對 ATP 設(shè)備、ATO 設(shè)備(含擴(kuò)展單元)、TSRS設(shè)備、無線通信系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)功能測試。

結(jié)果表明：基于該方案設(shè)計(jì)的高速鐵路列控車載ATP/ATO設(shè)備，能夠滿足高速鐵路自動駕駛的需要。該方案對既有ATP設(shè)備的改動較小，在確保列車行車安全性的條件下，實(shí)現(xiàn)高速鐵路列控系統(tǒng)車載設(shè)備的功能需求。

5 結(jié)語

目前，基于本文提出的技術(shù)方案和300H擴(kuò)展單元設(shè)計(jì)，進(jìn)而研制的高速鐵路列控車載ATP/ATO設(shè)備，通過了實(shí)驗(yàn)室集成和互聯(lián)互通測試，并已在京沈高鐵綜合試驗(yàn)線順利完成綜合測試且通過了鐵路總公司的上道試用評審，上道試運(yùn)行近1年，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率100%，精確定位停車準(zhǔn)確率100%，得到鐵路總公司和沈陽鐵路局的一致好評。