高速鐵路ATO系統(tǒng)門聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

龍時(shí)丹，陳志強(qiáng)，宋玉亮，趙 磊

（1.國家鐵路局裝備技術(shù)中心，北京100070；2.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 高速鐵路ATO系統(tǒng)

高速鐵路自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)在既有CTCS-3級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)提供列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）功能的基礎(chǔ)上新增列車自動(dòng)駕駛功能，包括車站自動(dòng)發(fā)車、區(qū)間自動(dòng)運(yùn)行、車站自動(dòng)停車、車門自動(dòng)開門（防護(hù)）、車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制[1]。

從圖1可以看出，高速鐵路ATO系統(tǒng)車載設(shè)備由原車載ATP相關(guān)功能模塊、新增車載ATO相關(guān)功能模塊兩大部分組成。

原車載ATP相關(guān)功能模塊包括車載ATP主機(jī)、GSM-R無線通信單元、軌道電路信息接收單元、應(yīng)答器信息接收單元、測速測距單元、司法記錄單元、列車接口單元和人機(jī)界面單元（DMI）。GSM-R無線通信單元通過GSM-R天線與地面無線閉塞中心（RBC）建立無線連接，互相發(fā)送數(shù)據(jù)。軌道電路信息接收單元與軌道電路接收天線相連，獲取地面軌道電路信息。應(yīng)答器信息接收單元與應(yīng)答器接收天線相連，獲取地面應(yīng)答器報(bào)文信息。測速測距單元通過測速傳感器獲取列車的速度和走行距離。ATP通過列車接口單元從車輛獲取駕駛臺(tái)激活狀態(tài)、方向手柄位置、最大常用制動(dòng)反饋、緊急制動(dòng)反饋、休眠信號(hào)等信息，向車輛輸出緊急制動(dòng)、最大常用制動(dòng)、中等常用制動(dòng)、弱常用制動(dòng)、切除牽引、過分相等命令。基于獲取到的無線消息、軌道電路信息、應(yīng)答器報(bào)文、列車速度、列車位置、車輛狀態(tài)，車載ATP進(jìn)行邏輯運(yùn)算，向車輛輸出控車命令，通過無線向RBC發(fā)送消息，通過DMI向司機(jī)顯示實(shí)時(shí)的列車運(yùn)行狀態(tài)[2，3]。

新增ATO相關(guān)功能模塊包括車載ATO主機(jī)、GPRS無線通信單元、測速測距單元和列車接口單元。GPRS無線通信單元通過GPRS天線與臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）建立無線連接，互相發(fā)送數(shù)據(jù)。為了滿足列車進(jìn)站精確停車，增加ATO專用的測速測距單元，從ATO專用的測速傳感器獲取數(shù)據(jù)，當(dāng)列車進(jìn)站后，在ATO的自動(dòng)控車下，使列車停在精確停車窗內(nèi)，車門和站臺(tái)門對(duì)齊，便于乘客正常上下車。車載ATO通過列車接口單元與車輛建立連接，通過繼電器接口獲取列車左/右門開關(guān)按鈕狀態(tài)，通過繼電器接口輸出左/右門開門命令，通過多功能車輛總線（MVB）接口輸出牽引、制動(dòng)等命令信息和位置、速度等狀態(tài)信息，通過MVB接口從車輛獲取門控模式、發(fā)車按鈕有效信號(hào)、牽引控制量反饋、制動(dòng)控制級(jí)位反饋等狀態(tài)及反饋信息。ATO與ATP建立連接，互相傳遞信息，分工協(xié)作，ATO負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛，ATP負(fù)責(zé)安全防護(hù)。ATO將工作狀態(tài)發(fā)送給ATP，ATP再將ATO相關(guān)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)給DMI，通過DMI向司機(jī)顯示ATO的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)。司機(jī)也可以通過DMI輸入無線呼叫命令，ATP將無線呼叫命令轉(zhuǎn)發(fā)給ATO，ATO執(zhí)行命令與TSRS建立通信連接[4，5]。

圖1 高速鐵路ATO系統(tǒng)車載設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2 車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)要求及影響因素

2.1 車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)要求

車站設(shè)置站臺(tái)門時(shí)，ATO系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制。

高速鐵路ATO系統(tǒng)具備8輛單組、8輛重聯(lián)或16～18輛等不同編組列車的車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制。

車門/站臺(tái)門的開門聯(lián)動(dòng)控制由ATO或司機(jī)觸發(fā)，關(guān)門聯(lián)動(dòng)控制由司機(jī)觸發(fā)。

ATP在確認(rèn)列車停穩(wěn)且停準(zhǔn)后，允許打開車門。由司機(jī)或ATO進(jìn)行開門操作，ATO將開門命令發(fā)送給地面設(shè)備。地面設(shè)備根據(jù)編組信息和地面站臺(tái)門設(shè)置情況，確認(rèn)對(duì)應(yīng)股道列車停穩(wěn)且停準(zhǔn)后，向?qū)?yīng)的站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送開門命令，由站臺(tái)門系統(tǒng)開啟站臺(tái)門。

司機(jī)進(jìn)行關(guān)門操作，ATO將關(guān)門命令發(fā)送給地面設(shè)備。地面設(shè)備向?qū)?yīng)的站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送關(guān)門命令，由站臺(tái)門系統(tǒng)關(guān)閉站臺(tái)門。

車地通信正常時(shí)，站臺(tái)門開/關(guān)門命令應(yīng)在2秒內(nèi)由列車發(fā)送至站臺(tái)門系統(tǒng)。

2.2 門控模式

在高速鐵路ATO系統(tǒng)中存在MO/MC、AO/MC兩種門控模式。其中，MO/MC為開門人工關(guān)門，AO/MC為自動(dòng)開門人工關(guān)門，司機(jī)在MO/MC和AO/MC兩種門控模式中選擇其一。

當(dāng)司機(jī)選擇MO/MC門控模式時(shí)，進(jìn)站停車后，滿足開門條件時(shí)，司機(jī)手動(dòng)按壓開門按鈕，打開車門，完成車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。滿足關(guān)門條件時(shí)，司機(jī)手動(dòng)按壓關(guān)門按鈕，關(guān)閉車門，完成車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)關(guān)閉。

當(dāng)司機(jī)選擇AO/MC門控模式時(shí)，進(jìn)站停車后，滿足開門條件時(shí)，ATO自動(dòng)給出開門命令，打開車門，完成車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。滿足關(guān)門條件時(shí)，司機(jī)手動(dòng)按壓關(guān)門按鈕，關(guān)閉車門，完成車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)關(guān)閉。

但是，在以下幾種情況下，ATO不提供自動(dòng)開門功能：

1）ATP給出雙側(cè)門允許；

2）本股道運(yùn)行計(jì)劃為“通過”或運(yùn)行計(jì)劃不可用；

3）本股道運(yùn)行計(jì)劃為“不辦客”；

4）列車停車精度大于ATO允許開門精度。

2.3 門允許

車站內(nèi)布置有精確定位應(yīng)答器，列車進(jìn)站時(shí)，從精確定位應(yīng)答器組獲取停車位置信息包。其中，站臺(tái)位置信息標(biāo)記是左側(cè)站臺(tái)、右側(cè)站臺(tái)、雙側(cè)站臺(tái)或無站臺(tái)。當(dāng)列車停穩(wěn)停準(zhǔn)后，ATP根據(jù)站臺(tái)側(cè)信息給出對(duì)應(yīng)側(cè)的門允許。得到門允許后，ATO或司機(jī)才可以打開車門，并開啟車門/站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。

2.4 停車辦客

車載ATO通過GPRS與地面TSRS相連，車載ATO向TSRS發(fā)送位置報(bào)告，TSRS向ATO發(fā)送運(yùn)行計(jì)劃，包括是否辦客標(biāo)志和到發(fā)通過標(biāo)志，是否辦客標(biāo)志表示列車進(jìn)站后辦客或不辦客，到發(fā)通過標(biāo)志表示列車進(jìn)站后是先停車再發(fā)車，還是直接通過車站。當(dāng)運(yùn)行計(jì)劃為到發(fā)辦客，門控模式為AO/MC，且其他條件均滿足時(shí)，車載ATO才自動(dòng)執(zhí)行開門的門聯(lián)動(dòng)過程。

3 車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)功能

3.1 門聯(lián)動(dòng)過程

車地通信正常時(shí)可實(shí)現(xiàn)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制，車門和站臺(tái)門在聯(lián)動(dòng)過程中同步進(jìn)行開/關(guān)門動(dòng)作，車門與站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制示意圖如圖2所示。

圖2 車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)過程

門聯(lián)動(dòng)過程：

（1）列車進(jìn)站停穩(wěn)停準(zhǔn)后，DMI顯示停穩(wěn)停準(zhǔn)圖標(biāo)。車載ATO輸出制動(dòng)，向TSRS發(fā)送停穩(wěn)停準(zhǔn)信息。

（2）車載ATP從應(yīng)答器獲取到站臺(tái)側(cè)信息，向動(dòng)車組輸出開門允許信息，DMI顯示對(duì)應(yīng)的開門允許圖標(biāo)。車載ATO收到的運(yùn)營計(jì)劃為本站停車辦客，在車載ATP給出車門允許信息后，根據(jù)門控模式，由車載ATO或司機(jī)打開車門，并觸發(fā)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制過程。

（3）如果門控模式為MO/MC，司機(jī)手動(dòng)打開車門。如果門控模式為AO/MC，車載ATO自動(dòng)給出開門命令。同時(shí)，ATO向TSRS發(fā)送開門命令，TSRS根據(jù)編組信息和地面站臺(tái)門設(shè)置情況，確認(rèn)對(duì)應(yīng)股道列車停穩(wěn)停準(zhǔn)后，向?qū)?yīng)的列車控制中心（TCC）發(fā)送開門命令。TCC向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送開門命令，車門/站臺(tái)門同步打開，完成開門聯(lián)動(dòng)控制。

（4）門控模式為MO/MC或AO/MC，均由司機(jī)手動(dòng)關(guān)閉車門。司機(jī)按壓關(guān)門按鈕，ATO向TSRS發(fā)送關(guān)門命令，TSRS向?qū)?yīng)的TCC發(fā)送關(guān)門命令，TCC向站臺(tái)門系統(tǒng)發(fā)送關(guān)門命令，車門/站臺(tái)門同步關(guān)閉，完成關(guān)門聯(lián)動(dòng)控制。

3.2 按鈕有效性檢查

列車進(jìn)站停穩(wěn)停準(zhǔn)后，司機(jī)按壓開/關(guān)門按鈕或ATO模擬按壓開/關(guān)門按鈕，打開或關(guān)閉車門，并啟動(dòng)車門/站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)過程。車載ATO需要根據(jù)車載ATP的門允許信息對(duì)采集到的開/關(guān)門按鈕動(dòng)作進(jìn)行有效性檢查。表1為正常情況下門允許和有效的開門/關(guān)門按鈕動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表1 門允許與有效開/關(guān)門按鈕動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系

但是，有些異常的開/關(guān)門按鈕動(dòng)作也需要進(jìn)行處理，以提高系統(tǒng)的可用性。例如，站臺(tái)門在左側(cè)時(shí)，車載ATP給出左側(cè)允許右側(cè)不允許，司機(jī)按壓開左門按鈕，想要打開左門。由于司機(jī)誤操作或按鈕故障等原因，也同時(shí)收到開右門和關(guān)右門命令。雖然同時(shí)收到開右門和關(guān)右門這樣一組互相矛盾的命令，由于ATP只給出了左側(cè)允許，沒有給出右側(cè)允許，依據(jù)ATP的門允許信息，ATO不會(huì)輸出右側(cè)的門命令，但是應(yīng)該輸出正確的左側(cè)門命令。也就是說，錯(cuò)誤的右側(cè)門命令不應(yīng)影響正確的左側(cè)門命令的輸出。

所以，應(yīng)分別對(duì)左/右門命令做有效性檢查，對(duì)檢查通過的左/右門命令執(zhí)行門聯(lián)動(dòng)操作。

左/右門命令有效性檢查應(yīng)按如下方式進(jìn)行：

（1）當(dāng)ATP給出左側(cè)門允許時(shí)，對(duì)左門命令進(jìn)行有效性檢查；如果同時(shí)收到開左門和關(guān)左門命令，認(rèn)為左門命令無效，不輸出左門命令；如果收到開左門和關(guān)左門兩個(gè)命令中的一個(gè)命令，認(rèn)為左門命令有效，輸出左門命令；如果沒有收到左門命令，不輸出左門命令。

（2）當(dāng)ATP給出右側(cè)門允許時(shí)，對(duì)右門命令進(jìn)行有效性檢查；如果同時(shí)收到開右門和關(guān)右門命令，認(rèn)為右門命令無效，不輸出右門命令；如果收到開右門和關(guān)右門兩個(gè)命令中的一個(gè)命令，認(rèn)為右門命令有效，輸出右門命令；如果沒有收到右門命令，不輸出右門命令。

（3）當(dāng)ATP給出雙側(cè)門允許時(shí)，先對(duì)左門命令進(jìn)行有效性檢查，再對(duì)右門命令進(jìn)行有效性檢查，輸出檢查通過的左門命令和右門命令。

（4）如果ATP給出雙側(cè)不允許，不輸出左門命令和右門命令。

3.3 生成門聯(lián)動(dòng)命令

列車進(jìn)站停穩(wěn)停準(zhǔn)后，司機(jī)按壓開/關(guān)門按鈕，或ATO模擬按壓開/關(guān)門按鈕后，車載ATO采集到按鈕動(dòng)作，對(duì)按鈕動(dòng)作進(jìn)行有效性檢查，將通過檢查的按鈕動(dòng)作轉(zhuǎn)化門聯(lián)動(dòng)命令并發(fā)送出去。

如果收到一側(cè)的門命令，發(fā)送這一側(cè)的門命令，另一側(cè)的門命令標(biāo)記為無命令。

如果正在處理一側(cè)的門命令，收到另一側(cè)的門命令，分別監(jiān)控左右兩側(cè)門命令的重發(fā)邏輯。如果到達(dá)左側(cè)門命令的重發(fā)時(shí)間，發(fā)送左門命令時(shí)，將右門命令順帶發(fā)送出去。如果到達(dá)右側(cè)門命令的重發(fā)時(shí)間，發(fā)送右門命令，將左門命令順帶發(fā)送出去。

如果同時(shí)收到左右兩側(cè)的門命令，同時(shí)發(fā)送兩側(cè)的門命令。

當(dāng)某一側(cè)門命令執(zhí)行成功，應(yīng)停止發(fā)送并清除這一側(cè)的門命令。如果某一側(cè)門命令發(fā)送出去之后，一直未收到執(zhí)行成功的反饋信息，則這一側(cè)的門命令最多重發(fā)兩次。超過三次，停止發(fā)送并清除這一側(cè)的門命令，并報(bào)告這一側(cè)門聯(lián)動(dòng)失敗。

如果正在執(zhí)行某一側(cè)的門命令，收到這一側(cè)新的門命令，新命令替代舊命令，并重啟該側(cè)門命令的重發(fā)機(jī)制。

4 門聯(lián)動(dòng)命令的發(fā)送過程

車載ATO通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將門聯(lián)動(dòng)命令發(fā)送給地面的TSRS設(shè)備，TSRS將命令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的TCC，TCC再將命令發(fā)送給站臺(tái)門系統(tǒng)，完成車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。車載ATO從得到有效的門命令到將門命令發(fā)送給TSRS，需要進(jìn)行四個(gè)步驟的操作：檢查和保存門控命令、檢查門控命令反饋、監(jiān)控門控命令發(fā)送時(shí)機(jī)、發(fā)送兩側(cè)門控命令，保證門控命令可以正確、及時(shí)地發(fā)送給TSRS，實(shí)現(xiàn)車門和站臺(tái)門的聯(lián)動(dòng)控制。

4.1 檢查和保存門控命令

收到新的門命令，檢查門命令的有效性。如果門命令通過檢查，收到新的左側(cè)門命令，保存左側(cè)門命令，收到新的右側(cè)門命令，保存右側(cè)門命令。如果同時(shí)存在兩側(cè)的門命令，還需要對(duì)左側(cè)門命令和右側(cè)門命令做一致性檢查，如果檢查不通過，清除兩側(cè)的門命令，并報(bào)告門聯(lián)動(dòng)失敗。

4.2 檢查門控命令反饋

檢查左右兩側(cè)門控命令反饋的邏輯相同，以檢查左側(cè)門控命令反饋為例，說明如何檢查門控命令反饋。

如果當(dāng)前存在左側(cè)門命令，收到反饋信息表明左側(cè)站臺(tái)門狀態(tài)與左側(cè)門命令一致，說明左側(cè)站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)成功，清除左側(cè)門命令，并重置左側(cè)門命令的重發(fā)機(jī)制。

對(duì)兩側(cè)門命令反饋分別進(jìn)行檢查，互不影響。

4.3 監(jiān)控門命令發(fā)送時(shí)機(jī)

左右兩側(cè)門命令發(fā)送時(shí)機(jī)的處理邏輯相同，仍以左側(cè)門命令的發(fā)送時(shí)機(jī)為例，說明如何監(jiān)控門命令的發(fā)送時(shí)機(jī)。

如果當(dāng)前存在左側(cè)門命令，且一直未收到反饋信息，如果到達(dá)重發(fā)時(shí)間，重發(fā)次數(shù)未超過規(guī)定次數(shù)，標(biāo)記本周期需要發(fā)送左側(cè)門命令；如果到達(dá)重發(fā)時(shí)間，重發(fā)次數(shù)超過規(guī)定次數(shù)，報(bào)左側(cè)站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)失敗，清除左側(cè)門命令，并重置左側(cè)門命令的重發(fā)機(jī)制。

4.4 發(fā)送兩側(cè)門控命令

如果本周期需要發(fā)送左側(cè)門命令或右側(cè)門命令，合并兩側(cè)門命令，一起發(fā)送出去。

如果本周期需要發(fā)送左側(cè)門命令，且此時(shí)存在右側(cè)門命令時(shí)，將兩側(cè)門命令一起發(fā)送出去；當(dāng)此時(shí)不存在右側(cè)門命令，只發(fā)送左側(cè)門命令，右側(cè)門命令填寫為無命令。

同理，如果本周期需要發(fā)送右側(cè)門命令，且此時(shí)存在左側(cè)門命令時(shí)，將兩側(cè)門命令一起發(fā)送出去；當(dāng)此時(shí)不存在左側(cè)門命令，只發(fā)送右側(cè)門命令，左側(cè)門命令填寫為無命令。

發(fā)送左側(cè)或右側(cè)門命令時(shí)，記錄各自的發(fā)送時(shí)間和已發(fā)送次數(shù)，基于這些信息實(shí)現(xiàn)兩側(cè)門控命令的重發(fā)機(jī)制。

5 結(jié)束語

將ATO技術(shù)引入高速鐵路中，提升高速列車運(yùn)行控制的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)列車既高速又高效的安全運(yùn)行，是列車運(yùn)行控制的一個(gè)重要發(fā)展方向。車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制是高速鐵路ATO系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，本文介紹的車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制方法已在京沈高鐵試驗(yàn)段（沈陽西-朝陽）高速鐵路ATO系統(tǒng)試驗(yàn)中得到檢驗(yàn)，8輛編組CR400BF型復(fù)興號(hào)及其重聯(lián)情況下的車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制效果良好，完全滿足了高速鐵路ATO系統(tǒng)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制功能的相關(guān)技術(shù)要求，證明這是一種安全、可靠、合理的方法，對(duì)高速鐵路ATO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用等具有一定的指導(dǎo)和借鑒價(jià)值。