市域鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng)自動折返功能的優(yōu)化研究

陳永明，崔佳諾，張友兵

(1.國能新朔鐵路有限責任公司大準鐵路分公司,內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300;2.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司安全控制技術(shù)研究院,北京 100070)

引言

近年來,隨著中國城鎮(zhèn)化進程加快,市域鐵路建設(shè)也在迅速推進。市域鐵路又稱為通勤鐵路、市郊鐵路,是大都市市域范圍內(nèi)的客運軌道交通系統(tǒng),服務(wù)于城市與郊區(qū)、中心城市與衛(wèi)星城、重點城鎮(zhèn)間等,提供公交化、大運量、快速便捷的軌道交通系統(tǒng),是城市綜合交通系統(tǒng)的重要組成部分。

2016年3月,珠三角城際鐵路莞惠和廣佛肇開通運行,城際CTCS2+ATO系統(tǒng)在國內(nèi)首次投入運營。2018年6月至9月,在京沈高鐵完成了高速動車組自動駕駛系統(tǒng)(CTCS3+ATO列控系統(tǒng))現(xiàn)場試驗,并成功應用于京張高鐵[1-3]。

高速鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)是在CTCS-2級列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,車載設(shè)置ATO單元實現(xiàn)自動駕駛控制,地面設(shè)置專用精確定位應答器實現(xiàn)精確定位,地面設(shè)備通過GPRS通信實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行計劃調(diào)整。高速鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)主要功能包括車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門(防護)、車門/站臺門聯(lián)動控制[4-6]。

市域鐵路可以采用高速鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng),但需要增加自動折返功能。本文以高速鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)為基礎(chǔ),進行適應性設(shè)計,滿足市域鐵路公交化、大運量、快速便捷的基本要求。

1 市域鐵路需求

市域鐵路按照公交化理念運營,市域鐵路與城市軌道交通實現(xiàn)互聯(lián)互通,目標是引導城市功能、人口向軌道站點周邊聚集,切實發(fā)揮軌道建設(shè)引領(lǐng)城市發(fā)展的作用,促進鐵路與城市深度融合,實現(xiàn)“軌道上的職住平衡”[7-9]。

從市域鐵路的功能定位來看,其具有公交化、高密度的運營需求,通常要求滿足3 min追蹤間隔。在相同的站場規(guī)模、相同列車加減速能力的情況下,CTCS2+ATO信號系統(tǒng)滿足列車區(qū)間和車站的間隔需求,但該系統(tǒng)目前不具備自動折返能力,難以滿足市域鐵路小于3 min的折返間隔要求[10-12]。

國鐵領(lǐng)域中,采用CTCS制式的線路均未實現(xiàn)自動折返功能。在現(xiàn)場實際運用中,僅人工換端就需要約120s(考慮雙司機,不含司機走行時間),站后折返的折返時間需約10 min,有兩條折返線的情況下,折返間隔接近5 min。

為了滿足市域鐵路列車3 min追蹤間隔要求,CTCS2+ATO列控系統(tǒng)必須增加自動折返功能,由列控系統(tǒng)實現(xiàn)無人自動折返,提高自動折返效率。C2+ATO列控系統(tǒng)實現(xiàn)自動折返功能后,將明顯縮短市域動車組在折返站的折返間隔,提高列車開行密度,實現(xiàn)公交化運營目標,吸引更多客流,獲得更多的客票收入,能夠獲得良好的經(jīng)濟效益及社會效益[13-16]。

自動折返又細分為原地自動折返和站后自動折返。原地自動折返是指列車在股道停穩(wěn)后,由司機發(fā)起換端操作,車載設(shè)備自動完成兩端的信息交互并交接控制權(quán),司機激活駕駛臺啟動另一端車載設(shè)備,由于該過程中列車并未移動,原地自動折返也可稱為原地自動換端。站后自動折返是指在整個折返過程中,包括駛?cè)胝鄯稻€、換端和折出過程都不需要司機在駕駛臺控制操作。A端的列控車載設(shè)備在站臺股道接收到司機下發(fā)的自動折返發(fā)車指令后,由ATO車載設(shè)備自動駕駛列車從到達站臺股道駛?cè)胝鄯稻€停穩(wěn)后,兩端車載設(shè)備及車輛駕駛端完成控制權(quán)的交接,再由B端(原休眠端)ATO車載設(shè)備駕駛列車折出折返線,到站臺股道停準停穩(wěn)[17-19]。

以更為復雜的站后自動折返為研究對象,研究站后自動折返過程,分析各子系統(tǒng)的功能需求分配,探討關(guān)鍵技術(shù),給出解決方案。

2 站后自動折返過程分析

2.1 站后自動折返過程

站后自動折返過程包括駛?cè)胝鄯稻€、換端、駛出折出線,整個過程都不需要司機在駕駛臺控制操作。假設(shè)列車兩端分別為A端和B端,兩端分別裝有列控車載設(shè)備,且列車兩端的車載設(shè)備具有首尾通信能力。第1階段,列車進站,側(cè)線停車(位置1),A端為首端,B端為尾端。列車進站前,A端車載設(shè)備從地面收到自動折返命令,列車在站臺股道停穩(wěn)停準后,車載設(shè)備提示司機進行自動折返作業(yè),司機啟動自動折返發(fā)車指令后,由A端車載設(shè)備ATO單元自動駕駛列車從到達站臺股道駛?cè)胝鄯稻€停穩(wěn)(位置2);第2階段,兩端車載設(shè)備及車輛駕駛端完成控制權(quán)的交接,A端變?yōu)槲捕?B端變?yōu)槭锥?第3階段,滿足發(fā)車條件后,由B端車載設(shè)備ATO單元駕駛列車折出折返線,到達站臺股道停穩(wěn)停準(位置3)。

下面以圖1為例詳細闡述自動折返3個階段的具體過程。

圖1 站后自動折返過程

2.2 駛?cè)胝鄯稻€流程

調(diào)度集中(Centralized Traffic Control,CTC)提前一個車站通過臨時限速服務(wù)器(Temporary Speed Restriction Server,TSRS)向車載設(shè)備發(fā)送運行計劃(包含自動、非自動折返計劃)。列車位于折返站站臺股道,CTC收到TSRS發(fā)送的停穩(wěn)信息后延時一段時間,CTC根據(jù)折返計劃通過聯(lián)鎖辦理自動折返發(fā)車進路,并通過TSRS周期向車載設(shè)備發(fā)送運行計劃。車載設(shè)備收到折返計劃,通過人機接口設(shè)備(Driver Machine Interface,DMI)向司機給出自動折返提示。車載設(shè)備判斷必要條件滿足后,控制A端駕駛臺的“折返按鈕”指示燈閃爍綠色燈光。

關(guān)閉車門并聯(lián)動關(guān)閉站臺門后,司機按壓A端駕駛臺上的“折返按鈕”,車載設(shè)備進入自動折返狀態(tài)。車載設(shè)備控制A端駕駛臺的“折返按鈕”指示燈亮綠色穩(wěn)定燈光,并在DMI上提示司機可關(guān)閉駕駛臺。

司機關(guān)閉駕駛臺并拔出鑰匙。車載設(shè)備輸出“折返激活”信號有效,車輛將“折返激活”信號作為等效鑰匙輸出駕駛室激活、方向手柄前向,同時給出“折返激活反饋”信號,繼續(xù)保持A端駕駛室占用狀態(tài)。

車載設(shè)備檢測到駕駛室鑰匙拔出,判斷為自動折返。車載設(shè)備檢查滿足條件后,ATO自動啟動列車運行,ATO啟動按鈕亮綠色穩(wěn)定燈光。ATO車載設(shè)備自動駕駛列車駛?cè)胝鄯稻€。待列車占用折返線列車運行前方的軌道區(qū)段后,后方軌道區(qū)段立即轉(zhuǎn)換發(fā)碼方向。

2.3 自動換端流程

列車運行至折返線停穩(wěn)后,A端車載設(shè)備輸出制動。車載ATO設(shè)備向TSRS發(fā)送列車停穩(wěn)狀態(tài)信息,TSRS將列車停穩(wěn)狀態(tài)信息發(fā)送給CTC后,CTC按計劃通過計算機聯(lián)鎖(Computer Based Interlocking,CBI)辦理折返接車進路。

A端車載設(shè)備檢查條件滿足時,開始進行自動換端。A端通過車輛貫通線給B端發(fā)送換端請求及相關(guān)數(shù)據(jù)。B端車載設(shè)備給A端回復換端請求確認,更新DMI相關(guān)信息及狀態(tài)信息。A端撤銷給車輛發(fā)送“折返激活”信號,進入待機模式(Standby,SB)。B端由SL模式進入SB模式,輸出制動。B端給車輛發(fā)送“折返激活”信號,激活駕駛臺,點亮駕駛臺“折返指示燈”。車輛給A端發(fā)送休眠信號,A端進入休眠模式(同時取消輸出制動)。B端在SB模式下自動完成開機注冊,并向TSRS發(fā)送換端結(jié)束信息,進入部分模式(Partial Surpervision,PS)。

2.4 駛出折返線流程

車載通過TSRS將換端狀態(tài)信息(包含換端成功或換端失敗)發(fā)送給CTC。當發(fā)車條件具備后,B端車載設(shè)備自動進入PS模式下的ATO自動駕駛模式,并限速45 km/h運行,ATO輸出牽引制動控制命令,列車運行一定距離(可配置)收到折返進路信號機處的應答組報文,轉(zhuǎn)為正常ATO模式,控制列車運行至站臺。列車駛出折返線并在站臺股道停穩(wěn)停準后,ATO自動打開車門。當B端駕駛臺鑰匙激活后,車載設(shè)備熄滅駕駛臺“折返指示燈”,取消輸出“折返激活”信號,完成自動折返流程。

司機人工關(guān)閉車門,并聯(lián)動關(guān)閉站臺門。隨后進行后續(xù)發(fā)車操作,列車以自動駕駛模式(Automatic Mode,AM)從車站發(fā)車。

3 車輛功能優(yōu)化

3.1 支持首尾ATP通信

從自動折返流程可知,首端列車自動防護設(shè)備(Automatic Train Protection,ATP)與尾端ATP需要進行信息交互,才能完成自動折返過程。可以采用車輛的MVB總線(Multifunction Vehicle Bus,多功能車輛總線)進行首尾通信,車輛在MVB網(wǎng)絡(luò)中扮演主設(shè)備,兩端ATP均扮演從設(shè)備,基于車輛總線的首尾ATP通信原理如圖2所示。

圖2 基于車輛總線的首尾ATP通信

3.2 列車接口設(shè)計

為了支持自動折返功能,列車接口設(shè)計見表1。

表1 支持自動折返的列車接口設(shè)計

在駕駛臺上,設(shè)置自動折返按鈕(自復式,帶燈按鈕)。當車載設(shè)備判斷具備自動折返條件時,激活端的自動折返按鈕指示燈閃爍綠燈;司機按下自動折返按鈕后,列車兩端的自動折返按鈕常亮綠燈;自動折返流程結(jié)束后,自動折返按鈕指示燈熄滅。

股道上停車時,司機按壓折返按鈕確認車載進入自動折返狀態(tài)。

按壓折返按鈕后,車載設(shè)備輸出折返激活信號有效,司機拔出鑰匙。車輛收到折返激活信號且檢測到車鑰匙拔出后,將折返激活信號作為等效鑰匙輸出駕駛室激活(站后自動折返時還需輸出“方向手柄前向”信號),同時給出折返激活反饋信號、組合零位信號,繼續(xù)保持A端駕駛室占用狀態(tài)。

車輛任意一端檢測到駕駛臺插入鑰匙激活時,車輛不再使用折返激活信號等效駕駛室激活及方向手柄前向,而是開始根據(jù)實際鑰匙激活情況,給出相應駕駛臺激活/休眠和方向手柄位置信號,并撤銷折返激活反饋信號。

當車載設(shè)備判斷具備自動折返條件時,車載設(shè)備輸出至車輛,由車輛控制A端(激活端)的自動折返按鈕指示燈閃爍綠燈。司機按下自動折返按鈕后,A端的自動折返按鈕常亮綠燈。換端結(jié)束后,B端(另一端)的自動折返按鈕常亮綠燈,A端(原激活端)的自動折返按鈕指示燈熄滅。B端退出自動折返狀態(tài)時,B端的自動折返按鈕指示燈熄滅。

在表1中,ATO從車輛采集折返按鈕狀態(tài),向車輛輸出折返指示燈命令,ATP向車輛發(fā)送折返激活信號,從車輛采集折返激活反饋狀態(tài)。

4 車載設(shè)備功能優(yōu)化

4.1 增加虛擬激活功能

一般情況下,司機關(guān)閉駕駛臺,車載設(shè)備將進入待機模式,在該模式下車載設(shè)備不允許列車移動,一旦移動,將觸發(fā)緊急制動。

在自動折返過程中,司機在首端駕駛臺按壓折返按鈕,并關(guān)閉駕駛臺,啟動自動折返流程。在這種情況下,關(guān)閉駕駛臺后,需要向車載設(shè)備提供虛擬激活信號,車載設(shè)備保持現(xiàn)有模式,允許ATO設(shè)備自動駕駛列車移動,完成自動折返過程。

方案1,司機按壓折返按鈕后,折返模式繼電器吸起,車輛向首端ATP給出激活信號和方向手柄前向信號,向尾端ATP給出休眠信號。為了區(qū)分真實激活和虛擬激活,需要增加鑰匙狀態(tài),具體情況見表2。當鑰匙處于插入狀態(tài)且駕駛臺激活,則為真實駕駛臺激活;當鑰匙處于拔出狀態(tài)且駕駛臺激活,則為虛擬駕駛臺激活。如果真實駕駛臺激活和虛擬駕駛臺激活不能無縫銜接,中間存在縫隙,將導致車載設(shè)備退出ATO自動駕駛模式,ATP轉(zhuǎn)入待機模式,自動折返過程失敗。

表2 車輛實現(xiàn)虛擬激活的狀態(tài)分析

方案2,司機按壓折返按鈕后,折返模式繼電器吸起,首端ATP給出虛擬激活信號和虛擬方向手柄前向信號,車輛向尾端ATP給出休眠信號。不需要增加鑰匙狀態(tài),車載設(shè)備能夠區(qū)分真實激活和虛擬激活,具體情況見表3。當來自車輛的駕駛臺激活為激活狀態(tài),認為當前處于真實激活狀態(tài);當來自車輛的駕駛臺激活為非激活狀態(tài),且折返模式繼電器吸起,認為當前處于虛擬激活狀態(tài)。

表3 車載設(shè)備實現(xiàn)虛擬激活的狀態(tài)分析

4.2 車載設(shè)備啟機過程優(yōu)化

在折返過程中,ATO駕駛列車進入折返軌,停穩(wěn)停準后,首尾ATP完成換端,原首端變成尾端,原尾端變成首端。新首端進入待機模式,因為沒有司機參與,需要自動完成啟機流程,包括輸入司機號和車次號、選擇等級、輸入列車數(shù)據(jù)、確認啟動,進入部分模式,支持ATO駕駛列車執(zhí)行折出流程,從折返軌移動到站臺。

方案1,車載ATP不做修改,DMI判斷處于自動折返過程中,DMI對ATP信息進行自動回復,配合ATP完成上電啟動流程,正常的車載設(shè)備自動啟機流程如圖3所示。優(yōu)點是改動小,缺點是需要執(zhí)行完整的上電啟動過程,需要耗時20 s以上,降低了自動換端效率,同樣也降低了自動折返過程效率。

圖3 正常的車載設(shè)備自動啟機流程

方案2,車載ATP和DMI都做必要修改,當處于自動折返過程中,ATP執(zhí)行簡化的上電啟動流程,DMI對ATP信息進行自動回復,配合ATP完成上電啟動流程,簡化后的車載設(shè)備自動啟機流程如圖4所示。例如,在車載設(shè)備第一次上電時,執(zhí)行制動測試,如果車載設(shè)備不斷電,之后的上電啟動流程不再執(zhí)行制動測試,節(jié)省制動測試的執(zhí)行時間;在上電啟動流程中,本端車載設(shè)備使用對端車載設(shè)備數(shù)據(jù)自動輸入司機號、車次號、等級、列車數(shù)據(jù)、載頻等信息,不需要和DMI進行信息交互,大大縮短上電啟動流程。簡化的上電啟動流程可以將時間壓縮到3 s以內(nèi),大大提高自動換端效率,進而提高自動折返過程效率。

圖4 簡化后的車載設(shè)備自動啟機流程

4.3 部分模式下的ATO自動駕駛

無論是CTCS2+ATO系統(tǒng)還是CTCS3+ATO系統(tǒng)中,只有ATP處于FS模式下才允許ATO自動駕駛列車運行。但是在市域鐵路中,車載設(shè)備在折返線完成換端后,自動執(zhí)行啟機流程并進入PS模式,此時并不滿足進入FS模式的條件。因此,需要在折出狀態(tài)的PS模式下,ATP向ATO給出允許,ATO依據(jù)ATP的PS模式下的允許速度自動駕駛列車運行。然而,在PS模式下ATO駕駛列車自動運行應設(shè)置一個距離條件,以保證行車安全。運行距離超過限制值之前,車載設(shè)備從地面應答器收到數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)入FS模式,ATO可以駕駛列車繼續(xù)運行,完成折返流程。如果運行距離超過限制值之后,車載設(shè)備依舊沒有從地面應答器收到數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)入FS模式,為了保證行車安全,車載設(shè)備應退出自動折返,折返模式繼電器落下,車載設(shè)備進入SB模式,施加緊急制動并停車[20-22]。車載設(shè)備以PS模式自動駕駛列車駛出折返線的過程如圖5所示。

圖5 駛出折返線的自動駕駛過程

5 地面設(shè)備功能優(yōu)化

5.1 臨時限速服務(wù)器TSRS

TSRS應實時接收CTC發(fā)送的折返運行計劃,并發(fā)送至相關(guān)車載設(shè)備。車載設(shè)備收到折返運行計劃后,給TSRS發(fā)送回執(zhí)。TSRS收到回執(zhí)后,反饋給CTC。TSRS應實時接收車載設(shè)備發(fā)送的折返狀態(tài)信息,并發(fā)送至CTC。TSRS應支持與休眠端車載保持連接的功能。

5.2 調(diào)度集中CTC

CTC系統(tǒng)應支持通過TSRS向車載設(shè)備發(fā)送折返計劃(區(qū)分顯示站后折返、原地折返)。站后自動折返時,列車出清發(fā)車股道后停止發(fā)送折返計劃。原地自動折返時,接收到來自TSRS的列車自動換端成功信息后停止發(fā)送折返計劃。

CTC系統(tǒng)應根據(jù)運行計劃和列車停穩(wěn)信息自動觸發(fā)折返進路,并完成折返車次號的自動變更。CTC系統(tǒng)應能根據(jù)車輛編組的不同,辦理不同的長短進路。

在車站具有兩條折返線時,在運行圖終端日班計劃中按規(guī)則指定折返軌或在調(diào)整圖中由調(diào)度員人工指定折返軌。

CTC系統(tǒng)應接收TSRS發(fā)送的折返狀態(tài)信息,并在CTC終端上顯示。

6 實驗室仿真驗證

搭建市域鐵路半實物仿真平臺上,進行站后無人自動折返的仿真驗證實驗。半實物仿真平臺包括車載設(shè)備、地面設(shè)備、仿真設(shè)備3個部分,半實物仿真環(huán)境架構(gòu)如圖6所示。車載設(shè)備為增加了自動折返功能的CTCS-2+ATO車載設(shè)備,包括車載ATP設(shè)備和車載ATO模塊;地面設(shè)備包括支持自動折返功能的列控中心TCC、計算機聯(lián)鎖CBI以及臨時限速服務(wù)器TSRS;仿真設(shè)備包括信號設(shè)備仿真模型、CTC 仿真模型、車輛仿真模型、車載接口平臺和仿真測試環(huán)境。

圖6 半實物仿真環(huán)境架構(gòu)

采用半實物仿真環(huán)境,進行站后無人自動折返的仿真驗證實驗,進行多次自動折返試驗,其中3次自動折返試驗的時間統(tǒng)計見表4。從試驗結(jié)果可知,CTCS-2+ATO列控系統(tǒng)增加自動折返功能后,由車載設(shè)備自動駕駛列車實現(xiàn)自動折返,折返過程總時間可以壓縮到160 s以內(nèi),能夠滿足3 min自動折返時間要求。

表4 自動折返時間統(tǒng)計

7 結(jié)語

本文以高速鐵路CTCS2+ATO列控系統(tǒng)為基礎(chǔ),對系統(tǒng)整體進行適應性設(shè)計,實現(xiàn)無人自動折返功能。在實驗室搭建半實物仿真環(huán)境,采用真實的車載設(shè)備和地面設(shè)備,基于真實的站場數(shù)據(jù)進行仿真試驗,證明本文提出的設(shè)計方案合理、可行,支持CTCS2+ATO列控系統(tǒng)實現(xiàn)自動折返功能,且可以將站后自動折返時間壓縮在160 s以內(nèi),能夠滿足市域鐵路3 min自動折返的高要求。目前已經(jīng)完成具備自動折返功能的CTCS2+ATO列控系統(tǒng)開發(fā),具備開展現(xiàn)場試驗條件,為在市域鐵路推廣應用做好準備。