基于城際鐵路CCS和高鐵ATO系統(tǒng)TSRS的ATO技術(shù)探討

韓濤，夏明，侯曉偉，張波，劉彬，賴昊，張炳坤

（卡斯柯信號(hào)有限公司北京分公司，北京100160）

0 引言

列車自動(dòng)駕駛（ATO）最早在城市軌道交通中應(yīng)用，利用地面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)列車牽引、制動(dòng)、惰行和自動(dòng)折返等運(yùn)行控制，在保障列車運(yùn)行安全的前提下，以運(yùn)行計(jì)劃為基礎(chǔ)，綜合考慮準(zhǔn)時(shí)、舒適、節(jié)能、停車精度等目標(biāo)，實(shí)時(shí)調(diào)整列車運(yùn)行，提高旅客乘坐舒適度和列車準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)率，縮短運(yùn)行間隔，提高運(yùn)輸效率并節(jié)約能源。與CTCS系統(tǒng)相比，ATO系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化控制，更注重運(yùn)輸效率的提升、旅客乘坐舒適度和準(zhǔn)點(diǎn)率的提高，是解決運(yùn)輸能力與運(yùn)輸需求之間矛盾的有效手段。

國外學(xué)者研究了干線鐵路應(yīng)用自動(dòng)駕駛的可行性［1-2］。同時(shí)，歐洲鐵路部門提出在ETCS系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的設(shè)想，制定了下一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)計(jì)劃，通過比較ETCS和CBTC系統(tǒng)，在ETCS規(guī)范基礎(chǔ)上，增加了ATO的系統(tǒng)需求規(guī)范以及相關(guān)接口規(guī)范。目前，ETCS和ATO已經(jīng)應(yīng)用在泰晤士聯(lián)線核心區(qū)段上，為該地區(qū)提供高運(yùn)能服務(wù)［3］。

近年來，我國學(xué)者對(duì)ATO技術(shù)的研究不斷深入。有學(xué)者重點(diǎn)研究如何提高ATO系統(tǒng)的控制精度，例如，文獻(xiàn)[4]通過構(gòu)建基于增廣誤差的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，使調(diào)節(jié)過程更平穩(wěn)。隨著國家智慧城市戰(zhàn)略的部署，也有學(xué)者從節(jié)能的角度出發(fā)，探討充分利用ATO高層推薦速度曲線、低層跟蹤控制的雙層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)地鐵的智慧節(jié)能［5］。這些研究都為高速鐵路ATO系統(tǒng)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，并逐步形成完善的系統(tǒng)融合方案［6-9］。

CTCS+ATO系統(tǒng)融合CTCS系統(tǒng)的高可靠性和ATO系統(tǒng)的高效、舒適等特點(diǎn)，提高了高速鐵路列控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。CTCS+ATO系統(tǒng)可分為CTCS2+ATO（簡稱C2+ATO系統(tǒng)）和高鐵ATO系統(tǒng)。C2+ATO系統(tǒng)適用于速度250 km/h及以下的線路，已在珠三角城際鐵路中成功應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高鐵ATO系統(tǒng)適用于速度高于250 km/h的線路，已在京沈高鐵成功地進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，標(biāo)志著我國高鐵ATO系統(tǒng)取得了重要階段性成果。

1 C2+ATO系統(tǒng)及CCS

1.1 C2+ATO系統(tǒng)

C2+ATO系統(tǒng)是在成熟的高鐵CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加地鐵列車自動(dòng)駕駛功能而自主研發(fā)的城際鐵路信號(hào)系統(tǒng)。CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)主要應(yīng)用于時(shí)速250 km以下線路，ATO系統(tǒng)則一般應(yīng)用于地鐵列車的自動(dòng)駕駛，C2+ATO系統(tǒng)則綜合了高鐵和地鐵列控技術(shù)特點(diǎn)。隨著國家珠三角、長三角、京津冀城市群發(fā)展戰(zhàn)略的提出，城市之間中短途客運(yùn)的需求日益增加，城際鐵路采用公交化運(yùn)營，列控系統(tǒng)應(yīng)滿足站站停和大站停2種行車方式混合運(yùn)輸?shù)拈_行，以及最高時(shí)速250 km、區(qū)間最短追蹤間隔3 min的運(yùn)行需求［10］。

C2+ATO系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，具備站間自動(dòng)運(yùn)行、車站定點(diǎn)停車及車站通過、折返作業(yè)、列車運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整、車門/站臺(tái)門（安全門或屏蔽門PSD）防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制、列車運(yùn)行節(jié)能控制等自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)功能。因此C2+ATO系統(tǒng)地面設(shè)置專用的精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)精確定位，車載設(shè)備增加無線通信單元（RTU）實(shí)現(xiàn)車地雙向通信；增加通信控制服務(wù)器（CCS），實(shí)現(xiàn)屏蔽門控制和運(yùn)營計(jì)劃處理。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)見圖1［11］。

圖1 C2+ATO系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.2 CCS設(shè)備及功能

CCS主要具備車站屏蔽門管理、列車運(yùn)營計(jì)劃管理、列車管理等功能，其功能結(jié)構(gòu)示意見圖2。借鑒CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，CCS通過ISDN服務(wù)器將電路域轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)域來連接GSM-R網(wǎng)絡(luò)，車載設(shè)置GSM-R電臺(tái)，CCS和車載之間通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，并采用SUBSET-037安全通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的安全有效傳輸。車載設(shè)備向地面發(fā)送停準(zhǔn)停穩(wěn)、開關(guān)門命令、車型、運(yùn)營計(jì)劃反饋和車載狀態(tài)信息。地面CCS向車載發(fā)送站臺(tái)門狀態(tài)、運(yùn)營計(jì)劃和乘客信息系統(tǒng)（PIS）信息。CCS列車管理模塊主要包括車地?zé)o線消息管理、列車狀態(tài)管理、會(huì)話狀態(tài)管理、列車位置管理。

圖2 CCS功能結(jié)構(gòu)示意圖

CCS和列控中心（TCC）通過鐵路安全數(shù)據(jù)網(wǎng)采用雙網(wǎng)雙機(jī)連接，采用RSSP-I安全協(xié)議，保證通信數(shù)據(jù)的安全性和有效性。CCS與TCC接口，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門、防淹門、緊急關(guān)閉按鈕等相關(guān)信息的傳輸。CCS向TCC發(fā)送屏蔽門開、關(guān)門驅(qū)動(dòng)命令，從TCC接收屏蔽門、緊急關(guān)閉按鈕等繼電器狀態(tài)。CCS站臺(tái)門控制模塊主要包括站臺(tái)門驅(qū)動(dòng)命令管理和站臺(tái)門繼電器狀態(tài)管理。屏蔽門控制過程如下：

（1）車載發(fā)出屏蔽門開門命令，相對(duì)于正向股道的門側(cè)（左/右）和列車類型。

（2）根據(jù)門側(cè)信息和列車類型，CCS決定驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的屏蔽門開門繼電器并通知TCC。

（3）車載發(fā)出屏蔽門關(guān)門命令，該命令包括相對(duì)于正向股道的門側(cè)（左/右）和列車類型。

（4）CCS根據(jù)上述信息生成PSD控制命令發(fā)送至TCC。

CCS與調(diào)度集中（CTC）間采用RSSP-II安全協(xié)議接口，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營計(jì)劃的轉(zhuǎn)發(fā)功能。CCS向CTC發(fā)送站臺(tái)門、緊急關(guān)閉按鈕狀態(tài)，從CTC獲取列車運(yùn)營計(jì)劃、折返命令、PIS信息。

CCS外部接口結(jié)構(gòu)見圖3，其中CCS通過ISDN服務(wù)器接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。ISDN服務(wù)器負(fù)責(zé)將GSM-R電路域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與CCS接口的網(wǎng)絡(luò)域數(shù)據(jù)，維護(hù)車地之間數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的連接，實(shí)現(xiàn)CCS系統(tǒng)和GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的接口。

圖3 CCS外部接口結(jié)構(gòu)

2 高鐵ATO系統(tǒng)及TSRS

2.1 高鐵ATO系統(tǒng)

高鐵ATO系統(tǒng)是在既有成熟列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，車載設(shè)備增加ATO功能模塊、電臺(tái)及相關(guān)配套，相應(yīng)的地面設(shè)備擴(kuò)展臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）、TCC、CTC相關(guān)功能，從而自主研發(fā)的高速鐵路信號(hào)系統(tǒng)。其總體結(jié)構(gòu)見圖4。

高鐵ATO系統(tǒng)在現(xiàn)有高鐵列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，構(gòu)建獨(dú)立的車地通信通道并通過車載設(shè)備增加ATO模塊，復(fù)用地面既有設(shè)備實(shí)現(xiàn)ATO相關(guān)功能。高鐵ATO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、車站自動(dòng)停車、車站自動(dòng)發(fā)車、車門/站臺(tái)門防護(hù)及聯(lián)動(dòng)控制功能。高鐵ATO系統(tǒng)能適應(yīng)不同編組列車的站臺(tái)門防護(hù)要求，站臺(tái)門防護(hù)由地面列控系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。

高鐵ATO車載設(shè)備新增ATO單元與無線控制單元，實(shí)現(xiàn)測(cè)速測(cè)距、車地通信接口、邏輯運(yùn)算、列車接口控制等功能。ATP擴(kuò)展車門防護(hù)功能。

高鐵ATO地面設(shè)備站臺(tái)區(qū)域增加精確定位應(yīng)答器；TSRS設(shè)備增加接口擴(kuò)展單元，實(shí)現(xiàn)地面數(shù)據(jù)及運(yùn)行計(jì)劃上車、站臺(tái)門控制等功能；TCC設(shè)備擴(kuò)展站臺(tái)門控制接口；CTC設(shè)備擴(kuò)展ATO運(yùn)行計(jì)劃接口［12］。

圖4 高鐵ATO系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.2 TSRS設(shè)備及功能

地面TSRS設(shè)備是在既有TSRS功能上增加高速鐵路地面ATO相關(guān)功能。TSRS具有GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信功能，采用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)與車載ATO設(shè)備雙向通信。TSRS設(shè)備主要外部接口見圖5。

圖5 TSRS設(shè)備主要外部接口

（1）接口1為與非安全網(wǎng)接口，采用RSSP-II安全協(xié)議保證通信數(shù)據(jù)的安全性和有效性。主要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃的轉(zhuǎn)發(fā)功能。TSRS從CTC獲取列車運(yùn)行計(jì)劃信息（包括列車到發(fā)股道、列車到發(fā)時(shí)刻、列車通過等），向CTC發(fā)送車載ATO設(shè)備的列車運(yùn)行狀態(tài)信息。TSRS接收車載ATO設(shè)備的開關(guān)門命令，向車載ATO設(shè)備發(fā)送CTC的運(yùn)行計(jì)劃。

（2）接口2中TSRS與TCC通過鐵路安全數(shù)據(jù)網(wǎng)采用雙網(wǎng)雙機(jī)連接，并采用RSSP-I安全協(xié)議，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門相關(guān)信息的交互。TSRS向TCC發(fā)送站臺(tái)門開/關(guān)門驅(qū)動(dòng)命令，從TCC獲取站臺(tái)門狀態(tài)。TSRS與相鄰TSRS及RBC采用RSSP-II安全協(xié)議，與相鄰TSRS完成運(yùn)營計(jì)劃的拼接功能，與RBC完成臨時(shí)限速信息交互。

（3）接口3為既有的維護(hù)功能接口。

（4）接口4為TSRS新增接口，實(shí)現(xiàn)與GPRS網(wǎng)通信，直接采用分組域的方式將CCS等地面設(shè)備數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和GSM-R網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，組成1個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車地間端到端的無線通信方式，實(shí)現(xiàn)車地雙向通信。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信領(lǐng)域新技術(shù)會(huì)逐漸引入鐵路系統(tǒng)，尤其近年來4G、5G技術(shù)的發(fā)展，車地通信信息傳輸效率將會(huì)極大提高，保證列車更高效運(yùn)行。

TSRS主要功能為：接收車載ATO設(shè)備開/關(guān)門命令，并發(fā)送至相關(guān)TCC，由TCC實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門的控制；接收車載ATO設(shè)備的列車運(yùn)行狀態(tài)信息，并發(fā)送至CTC；實(shí)時(shí)接收CTC運(yùn)行計(jì)劃，并發(fā)送至相關(guān)車載ATO設(shè)備，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行計(jì)劃下發(fā)；向車載ATO設(shè)備發(fā)送站間線路數(shù)據(jù)及站臺(tái)門狀態(tài)信息。TSRS主要包括6個(gè)模塊：列車注冊(cè)注銷管理、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制、運(yùn)行計(jì)劃拼接和發(fā)送、站間線路數(shù)據(jù)發(fā)送、狀態(tài)信息及維護(hù)管理。其功能結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖6 TSRS功能結(jié)構(gòu)示意圖

3 城際鐵路CCS與高鐵ATO系統(tǒng)TSRS的對(duì)比

CTCS-2級(jí)ATO系統(tǒng)和高鐵ATO系統(tǒng)都是在相應(yīng)列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上與自動(dòng)駕駛進(jìn)行技術(shù)融合產(chǎn)生的，在確保系統(tǒng)安全性的同時(shí)，提升了站內(nèi)及區(qū)間的運(yùn)行效率，CCS和TSRS對(duì)比見表1。

表1 CCS和TSRS對(duì)比

在設(shè)備硬件層面，兩者分別是通過新增設(shè)備或者改造設(shè)備功能來實(shí)現(xiàn)。因各自系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)因素，例如，C2+ATO系統(tǒng)是1套基于C2全新架構(gòu)的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中沒有更多的約束條件；對(duì)于高鐵ATO系統(tǒng)則更應(yīng)注重既有路網(wǎng)中設(shè)備的升級(jí)，尤其是軟升級(jí)可降低對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的影響，同時(shí)能夠更好地應(yīng)用ATO技術(shù)。在高鐵ATO系統(tǒng)中，基于設(shè)備現(xiàn)狀及運(yùn)用升級(jí)影響，選擇更加務(wù)實(shí)的產(chǎn)品方案，為ATO技術(shù)快速應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。從這個(gè)角度看，經(jīng)過C2+ATO系統(tǒng)城際鐵路實(shí)踐運(yùn)用后，對(duì)于我國高速鐵路ATO系統(tǒng)的發(fā)展考量，采用既有設(shè)備系統(tǒng)的軟件升級(jí)方式，將更有利于ATO技術(shù)在路網(wǎng)穩(wěn)定地應(yīng)用與推廣。

4 展望

列車自動(dòng)駕駛技術(shù)借鑒城市軌道交通的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合高速鐵路特點(diǎn)將不斷進(jìn)行優(yōu)化。未來高速鐵路ATO技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）無線通信技術(shù)方面，從C2+ATO電路域到高速鐵路ATO分組域，ATO信息傳輸通道帶寬從56 k增加到100 k+，為信息高速、穩(wěn)定地傳輸提供保障。使用分組域（全I(xiàn)P）技術(shù)將會(huì)更容易借力LTE和5G通信技術(shù)，加快高速鐵路ATO系統(tǒng)演進(jìn)。

（2）列車牽引運(yùn)行能耗是鐵路運(yùn)輸中的主要能源消耗，深入研究ATO節(jié)能駕駛算法和策略，不僅可以節(jié)約運(yùn)營成本，降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，也符合新常態(tài)下“綠色發(fā)展”的理念。

（3）結(jié)合高速鐵路運(yùn)營模式特點(diǎn)和城市軌道交通特點(diǎn)，ATO系統(tǒng)還需要圍繞行車調(diào)度指揮這個(gè)核心，盡可能多地實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的深度集成和融合，并逐步發(fā)展為基于大數(shù)據(jù)和人工智能的更高等級(jí)全自動(dòng)駕駛技術(shù)。自動(dòng)駕駛技術(shù)在我國高鐵中經(jīng)過試驗(yàn)應(yīng)用后，將在路網(wǎng)范圍內(nèi)更廣泛應(yīng)用，使我國高鐵技術(shù)進(jìn)一步領(lǐng)先。