智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃傳輸方案研究

高 峰，桂樂琴，宋鵬飛，許 偉，王 濤

（1.北京華鐵信息技術(shù)開發(fā)有限公司 行車指揮自動(dòng)化事業(yè)部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

京張智能高速鐵路(北京北—張家口)重大工程的建設(shè)，標(biāo)志著當(dāng)前我國高速鐵路正在從自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化階段向著智能化階段發(fā)展[1]。在高速鐵路智能化發(fā)展過程中，高速鐵路自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱ATO系統(tǒng))和智能調(diào)度指揮系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱CTC系統(tǒng))可以實(shí)現(xiàn)列車控制自動(dòng)化與調(diào)度指揮智能化[2]，還可以通過系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，保障列車自動(dòng)駕駛的準(zhǔn)點(diǎn)率，降低列車運(yùn)行能耗，提高智能高速鐵路整體運(yùn)輸效率。既有的CTC系統(tǒng)計(jì)劃信息的接收者是車站，包含將要經(jīng)過車站列車的信息[3-4]，由中心調(diào)度臺(tái)發(fā)往車站分散自律設(shè)備；而在智能高速鐵路系統(tǒng)中，CTC系統(tǒng)計(jì)劃信息的接收者是列車，包括列車將要經(jīng)過的車站信息及車站內(nèi)的作業(yè)情況信息。復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組可以根據(jù)CTC系統(tǒng)提供的ATO列車計(jì)劃，獲取前方車站的作業(yè)內(nèi)容，提前選擇最優(yōu)的列車控制模式，控制車組精準(zhǔn)地完成既定運(yùn)輸任務(wù)[5-6]。由于發(fā)往復(fù)興號(hào)智能動(dòng)車組的ATO列車計(jì)劃與既有的CTC系統(tǒng)計(jì)劃在數(shù)據(jù)內(nèi)容、接收對(duì)象上有較大差別，因而需要以CTC系統(tǒng)為基礎(chǔ)，制訂新的ATO列車計(jì)劃傳輸方案，明確計(jì)劃內(nèi)容，分析計(jì)劃數(shù)據(jù)組包及傳輸方式，建立數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新機(jī)制，充分滿足ATO系統(tǒng)功能需求。

1 智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃

1.1 傳輸途徑

智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃根據(jù)CTC系統(tǒng)結(jié)合ATO列車注冊(cè)信息，在ATO接口服務(wù)器組包生成。該信息經(jīng)由ATO接口服務(wù)器、TSRS服務(wù)器、GSM-R分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS相關(guān)通信設(shè)備、車載GPRS電臺(tái)、車載無線通信單元，發(fā)送至車載ATO單元設(shè)備[7]。ATO列車計(jì)劃傳輸相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)類型

根據(jù)智能高速鐵路ATO系統(tǒng)原理，ATO列車計(jì)劃數(shù)據(jù)包含列車運(yùn)行前方2個(gè)連續(xù)車站的計(jì)劃到達(dá)時(shí)刻、計(jì)劃出發(fā)時(shí)刻、計(jì)劃站內(nèi)?？抗傻?、作業(yè)類型、作業(yè)時(shí)間等。

（1）計(jì)劃到達(dá)、出發(fā)時(shí)刻。ATO列車在區(qū)間內(nèi)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)前方車站的計(jì)劃到達(dá)時(shí)刻和出發(fā)時(shí)刻，判斷在前方車站是否停站，結(jié)合列車自身牽引制動(dòng)性能，自動(dòng)選擇最優(yōu)區(qū)間運(yùn)行曲線，并根據(jù)該曲線控制列車速度，達(dá)到準(zhǔn)確控制列車實(shí)際到達(dá)、出發(fā)時(shí)刻的目的。

（2）站內(nèi)作業(yè)類型。根據(jù)站內(nèi)作業(yè)類型，判斷列車進(jìn)站停穩(wěn)后，是否需要聯(lián)動(dòng)開啟車站門與站臺(tái)屏蔽門。目前，只有作業(yè)類型為“乘降”時(shí)，列車會(huì)自動(dòng)開啟車門。

（3）站內(nèi)?？抗傻?。在站內(nèi)作業(yè)類型為“乘降”時(shí)，需要根據(jù)站內(nèi)停靠的股道信息，進(jìn)一步判斷車門開啟方向，正確開啟對(duì)應(yīng)方向的車門與站臺(tái)門。

（4）作業(yè)時(shí)間。以“乘降”作業(yè)為例，當(dāng)車門與站臺(tái)門開啟的時(shí)間(乘降作業(yè)時(shí)間)超過計(jì)劃作業(yè)時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉或提醒司機(jī)一鍵操作關(guān)閉車門與站臺(tái)門。

列車運(yùn)行曲線的生成通常是基于前方第1個(gè)車站的計(jì)劃信息。但是，如果列車運(yùn)行前方的第1個(gè)車站為線路所，或者列車于此站通過不停車，ATO系統(tǒng)可以將前方第1個(gè)車站視為區(qū)間，并結(jié)合列車運(yùn)行前方第2個(gè)車站的計(jì)劃時(shí)間，選擇更優(yōu)的運(yùn)行曲線控制列車速度。

2 智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃傳輸方案

2.1 計(jì)劃傳輸關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 前方車站判斷

智能高速鐵路列車運(yùn)行過程中，ATO列車計(jì)劃需要根據(jù)列車的前方站變化動(dòng)態(tài)更新，因而需要實(shí)時(shí)確定ATO列車的位置，以判斷列車的前方站。根據(jù)CTC系統(tǒng)的既有功能，判斷列車位置的方法有以下3種。

（1）列車注冊(cè)信息。列車注冊(cè)信息由TSRS服務(wù)器提供，包含列車所在位置的公里標(biāo)數(shù)據(jù)。為此，在CTC系統(tǒng)中建立線路對(duì)象的公里標(biāo)映射表，以及線路對(duì)象與車站或區(qū)間的從屬關(guān)系。在判斷列車前方站時(shí)，首先根據(jù)列車注冊(cè)信息中的公里標(biāo)，確定列車所處位置的線路對(duì)象；然后，確定該線路對(duì)象所屬車站或區(qū)間，再結(jié)合列車運(yùn)行方向，確定列車的前方站。這種方法用于列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)的定位較為準(zhǔn)確，而當(dāng)列車位于車站內(nèi)時(shí)，如果車站站型復(fù)雜，僅憑公里標(biāo)不能準(zhǔn)確判斷列車的具體位置，導(dǎo)致無法識(shí)別列車的前方站是本站還是下一車站(列車未完全進(jìn)入本站的股道前，ATO列車計(jì)劃中的第1個(gè)前方站依然是本站)。

（2）車站報(bào)點(diǎn)信息。車站報(bào)點(diǎn)信息可以分為到達(dá)時(shí)刻、出發(fā)時(shí)刻和通過時(shí)刻，可以根據(jù)車站的報(bào)點(diǎn)信息，判斷列車是否已經(jīng)進(jìn)入、離開某車站，再根據(jù)列車運(yùn)行方向確定列車的前方站。車站報(bào)點(diǎn)信息確定列車位置示意圖如圖2所示。圖2中，車站A，B，C為3個(gè)連續(xù)車站，列車運(yùn)行方向?yàn)锳→B→C。列車計(jì)劃始發(fā)自A站，經(jīng)過B站，終到C站。當(dāng)A站上報(bào)出發(fā)時(shí)刻時(shí)，可以認(rèn)為列車已經(jīng)離開A站，因而確定列車的2個(gè)前方站為B，C；當(dāng)B站上報(bào)到達(dá)時(shí)刻時(shí)，由于本站的計(jì)劃尚未完成，仍然確定列車的2個(gè)前方站為B，C；當(dāng)B站上報(bào)通過時(shí)刻或出發(fā)時(shí)刻時(shí)，可以認(rèn)為列車已經(jīng)離開B站，因而確定前方站為C。這種方法簡(jiǎn)單易行，理論上適用于列車前方站的判斷。但是，如果CTC系統(tǒng)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)原因?qū)е伦粉欁詣?dòng)報(bào)點(diǎn)信息丟包，或者值班員人工誤操作導(dǎo)致列車前方車站提前報(bào)點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致ATO列車前方站判斷錯(cuò)誤，抗干擾性較差。

（3）CTC系統(tǒng)追蹤子系統(tǒng)的列車位置信息。CTC系統(tǒng)會(huì)持續(xù)追蹤列車并對(duì)外發(fā)送位置信息，但此位置信息并非精準(zhǔn)的列車位置，而是包含有位置標(biāo)志和所屬車站站碼的信息，其中位置標(biāo)志包含有接車區(qū)間、接車進(jìn)路、計(jì)劃股道、發(fā)車進(jìn)路、發(fā)車區(qū)間等5項(xiàng)內(nèi)容，分別表示列車于當(dāng)前車站的位置情況。如果位置標(biāo)志顯示為接車區(qū)間、接車進(jìn)路或計(jì)劃股道，可以判斷ATO列車計(jì)劃中的前方第1個(gè)車站仍然為當(dāng)前車站；如果位置標(biāo)志顯示為發(fā)車進(jìn)路或發(fā)車區(qū)間，則判斷ATO列車計(jì)劃中的前方第一車站為當(dāng)前站的下一車站。此信息只有在列車位置標(biāo)志發(fā)生變化時(shí)才會(huì)對(duì)外發(fā)送，如果站間區(qū)間較長(zhǎng)，列車位置長(zhǎng)期處于發(fā)車區(qū)間或接車區(qū)間狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間無法收到列車位置信息，進(jìn)而無法設(shè)定判斷該信息發(fā)送的超時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，難以保證ATO列車計(jì)劃的實(shí)時(shí)性。

通過分析比較，決定綜合利用注冊(cè)列車公里標(biāo)信息和列車位置標(biāo)志信息對(duì)列車前方車站進(jìn)行判斷。注冊(cè)列車公里標(biāo)信息的判斷優(yōu)先級(jí)高于列車位置標(biāo)志信息，只有通過列車公里標(biāo)信息無法唯一確定站內(nèi)線路對(duì)象時(shí)，再以當(dāng)前最新的列車位置標(biāo)志信息判斷列車前方車站。

2.1.2 站車計(jì)劃一致性保持

智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃應(yīng)與前方車站計(jì)劃保持一致。但是，部分大型車站或者銜接多個(gè)方向車站的站型復(fù)雜，車站計(jì)劃調(diào)整頻繁，為了保證安全，提升作業(yè)效率，往往采用“分散自律—車站操作”模式。在此模式下，車站值班員可以修改本站的列車計(jì)劃(包括股道和作業(yè)類型)。如果前方車站的計(jì)劃發(fā)生改變，應(yīng)實(shí)時(shí)更新ATO列車計(jì)劃。

（1）根據(jù)行車調(diào)度臺(tái)計(jì)劃更新ATO列車計(jì)劃。CTC系統(tǒng)會(huì)自上而下保持行車調(diào)度臺(tái)計(jì)劃與車站計(jì)劃一致，即當(dāng)行車調(diào)度臺(tái)的計(jì)劃運(yùn)行線發(fā)生調(diào)整時(shí)，車站對(duì)應(yīng)的計(jì)劃會(huì)同步更新[8-9]。但是，在車站操作模式下，車站對(duì)本站計(jì)劃的操作優(yōu)先級(jí)高于中心行車調(diào)度臺(tái)。車站值班員修改了股道或作業(yè)類型后，如果行車調(diào)度臺(tái)再次修改并下達(dá)計(jì)劃，車站的列車計(jì)劃仍然保持車站值班員修改的計(jì)劃不變，此時(shí)車站計(jì)劃與行車調(diào)度臺(tái)計(jì)劃數(shù)據(jù)不一致。如果ATO列車計(jì)劃隨著行車調(diào)度臺(tái)計(jì)劃線實(shí)時(shí)更新，則會(huì)導(dǎo)致ATO列車計(jì)劃與實(shí)際的車站計(jì)劃不一致。

（2）根據(jù)車站分散自律系統(tǒng)的計(jì)劃指令信息更新ATO列車計(jì)劃。車站分散自律系統(tǒng)會(huì)對(duì)外發(fā)送本站列車計(jì)劃指令信息至各操作終端，實(shí)時(shí)顯示本站的列車計(jì)劃狀態(tài)，此信息中包含計(jì)劃列車車次號(hào)、計(jì)劃股道、計(jì)劃時(shí)間、股道作業(yè)等。該信息以“實(shí)時(shí)+定時(shí)”的方式發(fā)送。依據(jù)此信息動(dòng)態(tài)更新ATO列車計(jì)劃，可以保持ATO列車計(jì)劃與車站計(jì)劃的一致性。ATO列車計(jì)劃更新相關(guān)數(shù)據(jù)流示意圖如圖3所示。

2.2 傳輸流程

智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃傳輸流程包括計(jì)劃生成、計(jì)劃發(fā)送、計(jì)劃更新、計(jì)劃完成4個(gè)過程。ATO列車計(jì)劃傳輸流程示意圖如圖4所示。

2.2.1 計(jì)劃生成

ATO列車計(jì)劃最初由行車調(diào)度臺(tái)計(jì)劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成。計(jì)劃運(yùn)行線數(shù)據(jù)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)車站。信息轉(zhuǎn)換時(shí)，首先將計(jì)劃運(yùn)行線各節(jié)點(diǎn)信息按時(shí)間先后進(jìn)行排序、編號(hào)、計(jì)數(shù)，抽取節(jié)點(diǎn)信息中的車站站碼、計(jì)劃時(shí)間、計(jì)劃車次、計(jì)劃股道、股道作業(yè)、作業(yè)時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，重新組包生成最初的ATO列車計(jì)劃。計(jì)劃運(yùn)行線節(jié)點(diǎn)分為始發(fā)、終到、到開、通過、接入、交出等類型。計(jì)劃運(yùn)行線節(jié)點(diǎn)類型如圖5所示。

圖3 ATO列車計(jì)劃更新相關(guān)數(shù)據(jù)流示意圖Fig.3 ATO train plan update related data flow

圖4 ATO列車計(jì)劃傳輸流程示意圖Fig.4 ATO train plan transmission process

（1）始發(fā)節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)順序?yàn)?，計(jì)劃到達(dá)時(shí)間為空，計(jì)劃出發(fā)時(shí)間有效。因?yàn)锳TO列車計(jì)劃中最初始的前方車站即為始發(fā)站的下一站，所以不發(fā)送始發(fā)站的計(jì)劃信息。

（2）終到節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)與總節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，計(jì)劃到達(dá)時(shí)間有效，計(jì)劃出發(fā)時(shí)間為空。

圖5 計(jì)劃運(yùn)行線節(jié)點(diǎn)類型Fig.5 Node type of planned operation line

（3）到開節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)非1非總節(jié)點(diǎn)數(shù)，計(jì)劃到達(dá)、出發(fā)時(shí)間均有效且不相同。

（4）通過節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)非1，且非總節(jié)點(diǎn)數(shù)，計(jì)劃到達(dá)、出發(fā)時(shí)間均有效且相同。

（5）接入節(jié)點(diǎn)。計(jì)劃為鄰臺(tái)接入計(jì)劃，列車始發(fā)站非本行調(diào)臺(tái)所轄車站，且在本行調(diào)臺(tái)節(jié)點(diǎn)序號(hào)為1，計(jì)劃到達(dá)、出發(fā)時(shí)間均有效。對(duì)于接入站，ATO列車計(jì)劃將其作為最初始的前方車站。

（6）交出節(jié)點(diǎn)。對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)序號(hào)與總節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，計(jì)劃到達(dá)、出發(fā)時(shí)間均有效。交出站往往為2個(gè)相鄰行車調(diào)度臺(tái)的分界站，ATO列車計(jì)劃中交出站的計(jì)劃信息會(huì)額外標(biāo)注發(fā)車口編號(hào)。此編號(hào)可以輔助TSRS服務(wù)器完成與相應(yīng)鄰臺(tái)ATO列車計(jì)劃的拼接，保證ATO列車計(jì)劃跨臺(tái)傳送的連續(xù)性。

2.2.2 計(jì)劃發(fā)送

ATO列車的注冊(cè)信息是ATO列車計(jì)劃發(fā)送的必要條件。CTC系統(tǒng)依據(jù)車次號(hào)將ATO列車注冊(cè)信息與初始的ATO列車計(jì)劃進(jìn)行匹配，匹配成功后，對(duì)外發(fā)送ATO列車計(jì)劃。在ATO列車運(yùn)行過程中，仍然會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控列車注冊(cè)信息并進(jìn)行超時(shí)判斷，如果超時(shí)沒有收到該信息，則停止對(duì)外發(fā)送對(duì)應(yīng)的ATO列車計(jì)劃，然后保持當(dāng)前ATO列車計(jì)劃，等待再次匹配。

2.2.3 計(jì)劃更新

（1）更新ATO列車前方車站計(jì)劃信息。確定ATO列車位置，找到當(dāng)前位置所屬車站在完整計(jì)劃中的節(jié)點(diǎn)順序。如果列車未越過計(jì)劃股道，則判定當(dāng)前車站為第1前方車站；如果列車已越過計(jì)劃股道，則判定下一節(jié)點(diǎn)順序?qū)?yīng)的車站為第1前方車站。

（2）根據(jù)前方車站列車指令信息更新ATO列車計(jì)劃。只處理來自ATO列車前方車站的列車指令信息，已經(jīng)過車站的指令信息不再監(jiān)測(cè)與處理。

2.2.4 計(jì)劃完成

在2種場(chǎng)景下，CTC系統(tǒng)可以判斷ATO列車計(jì)劃已經(jīng)完成。在這2種場(chǎng)景下對(duì)ATO列車計(jì)劃的處理方式有所不同。

（1）到達(dá)終到車站。當(dāng)ATO列車前方車站為站內(nèi)終到，且列車位置為前方車站的計(jì)劃股道時(shí)，判斷列車已經(jīng)到達(dá)終到車站。此時(shí)，ATO列車計(jì)劃已經(jīng)完成，停止對(duì)外發(fā)送該計(jì)劃，系統(tǒng)內(nèi)部同步刪除此信息。

（2）駛出交出車站。當(dāng)ATO列車前方車站為站內(nèi)交出，且列車位置為前方車站的發(fā)車進(jìn)路或發(fā)車區(qū)間，則判斷列車已經(jīng)駛出交出車站。此時(shí)，ATO列車計(jì)劃已經(jīng)在本行車調(diào)度臺(tái)所轄范圍內(nèi)完成。但是，考慮到TSRS服務(wù)器需要拼接跨臺(tái)的ATO列車計(jì)劃，所以設(shè)定延遲停止發(fā)送時(shí)限。在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)，如果收到ATO列車注銷信息，則停止對(duì)外發(fā)送ATO列車計(jì)劃，并同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部刪除；如果超時(shí)仍未收到列車注銷信息，同樣不再對(duì)外發(fā)送ATO列車計(jì)劃，并在系統(tǒng)內(nèi)部刪除。

3 結(jié)束語

智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃傳輸方案為智能高速鐵路ATO系統(tǒng)的高效、可靠運(yùn)作提供技術(shù)支撐。截至目前，京張智能高速鐵路已經(jīng)在線運(yùn)營，ATO列車計(jì)劃傳輸方案已經(jīng)在京張智能高鐵系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用，京張復(fù)興號(hào)動(dòng)車組在列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)操控下安全、高效地完成了運(yùn)輸任務(wù)，進(jìn)一步證實(shí)ATO列車計(jì)劃傳輸方案的可靠性與有效性，為我國高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。另外，還需要在實(shí)踐中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，調(diào)整和完善智能高速鐵路ATO列車計(jì)劃的傳輸方案，進(jìn)一步提升列車運(yùn)行調(diào)度指揮的效率。