ATO over ETCS 技術(shù)在德國(guó)的首次應(yīng)用
—— 漢堡數(shù)字化輕軌

2021年10月11日—15日，2021年國(guó)際智能交通系統(tǒng)（ITS）大會(huì)在德國(guó)漢堡市成功舉辦。大會(huì)期間進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)演示，其中包括基于歐洲列車控制系統(tǒng)（ETCS）的列車自動(dòng)駕駛（ATO）技術(shù)（ATO over ETCS）。相關(guān)研究項(xiàng)目被稱為漢堡數(shù)字化輕軌項(xiàng)目，由德國(guó)鐵路股份公司（DB）與西門子交通公司（Siemens Mobility）聯(lián)合開(kāi)展，旨在推動(dòng)ATO over ETCS技術(shù)在德國(guó)鐵路旅客運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用。為此，2 家公司選取從漢堡市柏林托爾（Berliner Tor）經(jīng)貝爾格多夫（Bergedorf）到奧米勒（Aumühle）長(zhǎng)約23 km的線路作為試驗(yàn)線路，為其安裝ETCS和ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備，并為4輛漢堡輕軌列車裝配ETCS和ATO車載組件。這是ATO over ETCS技術(shù)在德國(guó)鐵路領(lǐng)域的首次應(yīng)用，也是德國(guó)“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)道路上的一個(gè)里程碑。ATO over ETCS技術(shù)的引入可增強(qiáng)線路運(yùn)輸能力，提高運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)列車的節(jié)能運(yùn)行。

1 項(xiàng)目概況

漢堡數(shù)字化輕軌項(xiàng)目是DB和Siemens Mobility聯(lián)合開(kāi)展的研究項(xiàng)目，旨在為漢堡市及其他城市的輕軌數(shù)字化發(fā)展積累寶貴經(jīng)驗(yàn)，以及為將ATO over ETCS技術(shù)引入德國(guó)鐵路線網(wǎng)奠定運(yùn)營(yíng)、規(guī)劃和技術(shù)基礎(chǔ)。項(xiàng)目的具體內(nèi)容包括選定試驗(yàn)線路、車輛并為其裝配所需的ETCS和ATO系統(tǒng)組件，與車輛制造商龐巴迪公司合作對(duì)相關(guān)車輛進(jìn)行調(diào)試，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以及對(duì)德國(guó)鐵路線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)法規(guī)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

在該項(xiàng)目中，ATO over ETCS技術(shù)被應(yīng)用在2個(gè)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景（即列車高度自動(dòng)化運(yùn)行和全自動(dòng)化運(yùn)行）中（圖1）。在列車高度自動(dòng)化運(yùn)行場(chǎng)景中，ATO系統(tǒng)接管了列車的牽引和制動(dòng)控制；駕駛員負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況并在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行干預(yù)，以及在自動(dòng)化和常規(guī)運(yùn)行模式切換時(shí)啟用或停用ATO系統(tǒng)。列車全自動(dòng)化運(yùn)行場(chǎng)景主要在Bergedorf列車站實(shí)施，即在該站實(shí)現(xiàn)列車全自動(dòng)化折返，車輛在沒(méi)有駕駛員和乘客的情況下全自動(dòng)地從站臺(tái)移動(dòng)到折返線，然后再回到站臺(tái)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

歐盟Shift2Rail聯(lián)合體即將出臺(tái)的ATO over ETCS歐洲標(biāo)準(zhǔn)是列車高度自動(dòng)化和全自動(dòng)化運(yùn)行相關(guān)領(lǐng)域需遵循的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。DB和Siemens Mobility并未對(duì)列車自動(dòng)化運(yùn)行系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行新的開(kāi)發(fā)和概念重構(gòu)，而是采用即將推出的ATO over ETCS歐洲標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)系統(tǒng)架構(gòu)（包括所有相關(guān)的功能描述和接口規(guī)范），其原因在于，該標(biāo)準(zhǔn)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)跨歐洲鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的互操作性，而且還支持基于標(biāo)準(zhǔn)化接口的組件生產(chǎn)，從而增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.1 ATO over ETCS 技術(shù)

ATO over ETCS技術(shù)的基本理念是在傳統(tǒng)ETCS設(shè)備的基礎(chǔ)上補(bǔ)充用于列車自動(dòng)控制的組件（即ATO系統(tǒng)設(shè)備）。其將列車控制系統(tǒng)功能劃分為“ATO系統(tǒng)控制”和“ETCS監(jiān)控”2部分。這一方面使監(jiān)控建立在技術(shù)成熟、值得信賴并在歐洲具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的ETCS基礎(chǔ)上，可保障列車安全運(yùn)行；另一方面得益于ETCS的監(jiān)控，ATO系統(tǒng)可以作為非安全相關(guān)組件發(fā)揮其作用，這在系統(tǒng)實(shí)施和調(diào)試方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

在這種技術(shù)條件下，列車控制任務(wù)主要由ATO系統(tǒng)車載設(shè)備完成，其根據(jù)當(dāng)前列車運(yùn)行時(shí)刻表數(shù)據(jù)和前方閉塞區(qū)段信號(hào)計(jì)算出列車的最佳速度曲線，然后使用適當(dāng)?shù)臓恳椭苿?dòng)命令引導(dǎo)列車沿著計(jì)算出的速度曲線行駛。ATO系統(tǒng)軌旁設(shè)備負(fù)責(zé)存儲(chǔ)列車運(yùn)行時(shí)刻表及基礎(chǔ)設(shè)施等的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其分發(fā)給區(qū)域內(nèi)的所有ATO車輛。ATO車載設(shè)備通過(guò)無(wú)線電接口接收上述信息。

ETCS負(fù)責(zé)根據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算出的且不斷更新的制動(dòng)曲線對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行不間斷監(jiān)控。ETCS的這個(gè)功能是ATO over ETCS技術(shù)的基本安全保障：只要ATO系統(tǒng)的速度控制與ETCS計(jì)算出的制動(dòng)曲線不相違背，則可保證列車的安全運(yùn)行。

除接管速度控制外，ATO系統(tǒng)還可為提高線路運(yùn)輸效率及服務(wù)水平提供進(jìn)一步的支持：將列車當(dāng)前位置和速度（精確到米和秒）傳輸給運(yùn)營(yíng)控制中心（OCC），使其更準(zhǔn)確地了解線路交通狀況，并據(jù)此進(jìn)行更科學(xué)的管理和調(diào)度；對(duì)列車運(yùn)行時(shí)刻表的動(dòng)態(tài)變化做出反應(yīng)，例如，在晚點(diǎn)時(shí)，跳過(guò)某個(gè)站點(diǎn)，在時(shí)間盈余時(shí)，降低車速，從而使車輛性能和線路資源得到充分、合理的利用，并使鐵路運(yùn)營(yíng)總體上更加穩(wěn)定、可靠。

盡管采用ATO over ETCS技術(shù)的列車具有高度自動(dòng)化運(yùn)行功能，但仍需要駕駛員的參與，包括監(jiān)控列車運(yùn)行情況，并在出現(xiàn)列車或軌道側(cè)故障、事故時(shí)進(jìn)行干預(yù)，接管列車運(yùn)行控制。駕駛員對(duì)列車的這種控制可以通過(guò)多種方式輕松完成，例如，通過(guò)將牽引制動(dòng)桿移動(dòng)到制動(dòng)位置的方式即可停用ATO系統(tǒng)，開(kāi)啟手動(dòng)駕駛模式。

在本項(xiàng)目中，ATO over ETCS技術(shù)的應(yīng)用是通過(guò)由Siemens Mobility開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的ATO平臺(tái)（目前已應(yīng)用于全球100多條城市軌道交通線路）及Trainguard ETCS設(shè)備實(shí)現(xiàn)的（圖2）。

2.2 AVVO 系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)列車全自動(dòng)化無(wú)人折返，必須利用系統(tǒng)化的技術(shù)使諸多的駕駛員操作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此，需要將一個(gè)與安全相關(guān)的新組件集成到車輛中，該組件可以獨(dú)立執(zhí)行某些關(guān)鍵性的控制操作，如解鎖駕駛臺(tái)、釋放彈簧儲(chǔ)能制動(dòng)器、循環(huán)操作自動(dòng)停車裝置等。該組件的安裝允許ETCS和ATO兩大系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化流程自動(dòng)控制列車運(yùn)行。該組件被稱為車輛運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵（AVVO）系統(tǒng)，是基于Siemens Mobility的Trainguard平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成。

AVVO系統(tǒng)的引入可實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)控（由ETCS實(shí)現(xiàn)）、列車運(yùn)行自動(dòng)化（由ATO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）和車輛操控自動(dòng)化（由AVVO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)）三大功能的分離。引入AVVO系統(tǒng)后，ETCS和ATO系統(tǒng)的原有功能不受影響，并且無(wú)需重新開(kāi)發(fā)列車自動(dòng)折返這一基本功能，而是將其集成到ETCS和ATO系統(tǒng)現(xiàn)有的高度自動(dòng)化運(yùn)行功能中。與ETCS和ATO系統(tǒng)類似，AVVO系統(tǒng)也由車載和軌旁設(shè)備組成。AVVO系統(tǒng)軌旁設(shè)備（即操作臺(tái)）在由遠(yuǎn)程駕駛員（即AVVO系統(tǒng)操作臺(tái)的操作員）啟動(dòng)后，會(huì)請(qǐng)求相應(yīng)的車輛自行激活其AVVO系統(tǒng)車載設(shè)備并在所有先決條件均滿足的情況下執(zhí)行折返操作；其用戶圖形界面會(huì)顯示無(wú)人駕駛列車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)（如位置、速度）。AVVO系統(tǒng)車載設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)ETCS和ATO系統(tǒng)車載設(shè)備執(zhí)行必要的控制操作。AVVO系統(tǒng)的車載和軌旁設(shè)備通過(guò)第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）進(jìn)行通信，5G技術(shù)的應(yīng)用也是該項(xiàng)目的一大創(chuàng)新點(diǎn)。

在上述過(guò)程中，遠(yuǎn)程駕駛員負(fù)責(zé)對(duì)列車全自動(dòng)化折返過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并在必要時(shí)實(shí)施干預(yù)，其可以啟動(dòng)或結(jié)束全自動(dòng)化折返進(jìn)程，以及觸發(fā)緊急制動(dòng)等。AVVO系統(tǒng)操作臺(tái)位于Bergedorf OCC的調(diào)度控制室中。

3 實(shí)施進(jìn)展

漢堡數(shù)字化輕軌項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了ATO over ETCS技術(shù)在德國(guó)鐵路領(lǐng)域的首次應(yīng)用，也是德國(guó)“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)道路上的一個(gè)里程碑。

DB和Siemens Mobility密切合作，在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)完成了相關(guān)規(guī)范的制定，截至2019年12月，所需的所有規(guī)范均已出臺(tái)。

2020年6月，所需全部軌旁設(shè)備在Bergedorf OCC投入使用。2020年8月，Siemens Desiro ETCS測(cè)試車在試驗(yàn)線路上成功完成ETCS驗(yàn)收運(yùn)行（圖3），試驗(yàn)線路于2021年2月正式投入使用。2021年3月底，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試順利完成。截至2021年9月，所有4輛漢堡輕軌列車都已裝配ETCS、ATO和AVVO系統(tǒng)車載設(shè)備并投入運(yùn)營(yíng)（圖4）；相關(guān)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)聯(lián)試及列車的試運(yùn)行也已完成（圖 5）。在2021年10月的ITS大會(huì)上，ATO over ETCS技術(shù)完成了在試驗(yàn)線路上的首秀。

4 結(jié)語(yǔ)

漢堡數(shù)字化輕軌項(xiàng)目的實(shí)施使ATO over ETCS技術(shù)首次應(yīng)用于德國(guó)鐵路領(lǐng)域。該技術(shù)可通過(guò)縮短列車的運(yùn)行間隔，提高鐵路線網(wǎng)的運(yùn)輸效率；可利用無(wú)線電通信向列車連續(xù)傳輸有關(guān)當(dāng)前交通狀況的信息，并根據(jù)這些信息對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使列車運(yùn)行時(shí)刻表更加穩(wěn)定、列車更準(zhǔn)時(shí)；可通過(guò)更少的制動(dòng)操作獲得最佳速度曲線，從而降低鐵路運(yùn)輸?shù)哪茉聪?，顯著提高乘客的旅行舒適度。目前，DB和Siemens Mobility正計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到漢堡試點(diǎn)輕軌線路之外。