ETCS系統(tǒng)應用ATO技術發(fā)展綜述

徐效寧，宋志丹，易海旺，汪 洋，倪一丹

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081)

歐洲鐵路運輸管理系統(tǒng)/歐洲列車控制系統(tǒng)(ERTMS/ETCS)是歐洲鐵路部門為了解決歐洲各個國家鐵路信號系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問題，制定的統(tǒng)一的、開放性的信號系統(tǒng)。ERTMS/ETCS既與現(xiàn)有信號體制兼容，又可在各國統(tǒng)一推廣使用，保證了各國的列車在歐洲鐵路網內互通運營，現(xiàn)已被歐洲和世界范圍內的干線鐵路廣泛應用。

隨著干線鐵路的進一步發(fā)展，其運輸能力和效率面臨著更高的要求。在城市軌道交通中廣泛應用的自動駕駛(ATO)技術，被證明是有效的解決手段之一[1]，但干線鐵路由于其復雜性，被普遍認為更難實現(xiàn)。近年來，國內外學者開始研究干線鐵路應用自動駕駛的可行性[2-6]。本文研究了歐洲鐵路部門在ETCS系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)自動駕駛(簡稱ATO over ETCS)的研究背景、系統(tǒng)架構和工作原理、規(guī)范體系及發(fā)展情況，為我國干線鐵路引入自動駕駛提供參考。

1 ETCS系統(tǒng)應用ATO的發(fā)展背景

IEC標準62290將自動駕駛的自動化等級(GOA)分為從GOA0到GOA4共5個等級，分別為GOA0級人工列車運行模式、GOA1級非自動化列車運行模式、GOA2級半自動化列車運行模式、GOA3級無人駕駛列車運行模式和GOA4級無人干預列車運行模式[7]。裝備ETCS車載設備的列車，自動化等級已達到GOA1級。歐洲鐵路部門主要研究如何在既有ETCS系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)GOA2到GOA4級的自動駕駛功能，研究過程大約分為3個階段，如圖1所示。

第一階段：泛歐交通運輸網(TEN-T)計劃[8]。TEN-T計劃是歐盟在1996年提出的關于公路、鐵路、水路、民航等交通運輸網絡的一系列規(guī)劃綱領，項目持續(xù)時間已經過20年。它在發(fā)展過程中經過多次調整，其中構筑連接歐洲東西部成員國的運輸走廊，是過去10年內所取得的最為重要的成就之一。2011年，子課題“促進加快ERTMS發(fā)展”開始進行ETCS系統(tǒng)應用ATO的研究[9]，課題組論證了ATO在干線鐵路的可行性，并在ETCS基線3版本(ETCS Baseline3)的基礎上，提出了GOA2級的ATO over ETCS運營概念和互聯(lián)互通需求。

圖1 ATO over ETCS研究路線

第二階段：下一代列車運行控制系統(tǒng)(NGTC)計劃[10]。NGTC計劃是歐洲鐵路部門2013年啟動的，其通過分析比較ETCS和CBTC系統(tǒng)[11]，使干線鐵路和城市軌道交通的列控系統(tǒng)在功能需求、系統(tǒng)結構和硬件平臺具備更大比例的通用性，未來列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢如圖2所示。在TEN-T計劃的基礎上，項目組根據CBTC系統(tǒng)自動駕駛的運用經驗，提出了GOA3/4級的ATO over ETCS運營概念。

圖2 歐洲鐵路下一代列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢

第三階段：“轉移至鐵路”(Shift2Rail)項目[12]。Shift2Rail是歐盟有史以來最大的研究和創(chuàng)新計劃“地平線2020”的規(guī)劃項目，其研究內容覆蓋了整個鐵路運輸系統(tǒng)的各個專業(yè)，課題2“先進的運輸管理和控制系統(tǒng)”中任務2.2即是開發(fā)和驗證ATO over ETCS系統(tǒng)，目標是在城市軌道交通和市郊鐵路實現(xiàn)自動化等級最高可達GOA4級、其他線路(包括貨運線路)至少可達GOA2級的自動駕駛功能。它在TEN-T和NGTC計劃的基礎上，進行GOA2到GOA4級全部自動化等級的規(guī)范、產品開發(fā)、測試平臺驗證、試驗線驗證等內容的研究，其時間進度如表1所示。

表1ATOoverETCS項目時間進度

項目組認為，GOA3級無人駕駛列車運行模式和GOA4級無人干預列車運行模式，列車的駕駛室不配置司機，司機的全部責任均轉移到設備上，這與既有的ETCS系統(tǒng)有較大的區(qū)別，因此將GOA3/4級與GOA2級分為兩個階段。根據目前項目進展情況，本文主要分析GOA2級的功能原理和發(fā)展情況。

2 ETCS系統(tǒng)應用ATO的功能及原理

ETCS系統(tǒng)的制定目的是歐洲為了解決各個國家鐵路信號系統(tǒng)的互聯(lián)和兼容問題，因此，ATO設備的引入首先要考慮與既有ETCS系統(tǒng)的兼容性。同時，為了便于既有設備的升級和保證市場的競爭，ATO設備應盡可能與ETCS系統(tǒng)獨立，不同信號廠商的ATO和ETCS車載設備可以實現(xiàn)互聯(lián)互通[13]。

2.1 設備功能原理

GOA2級的ATO over ETCS系統(tǒng)在ETCS的基礎上，增加了ATO車載和軌旁設備，結構及接口示意如圖3所示[13-15]。在該系統(tǒng)中，ATO不能作為單獨的設備控車，因ATO不是安全設備，行車安全仍由ETCS系統(tǒng)保證。ATO車載和軌旁設備通過獨立于ETCS系統(tǒng)的無線通道進行信息交互，通過該通道ATO軌旁向車載設備發(fā)送包含運行計劃曲線JP(Journey Profile)和區(qū)段曲線SP(Segment Profile)的運行計劃信息。JP包含線路每個計時點的位置和經過時間，以及車站的站停時間、是否作業(yè)等信息；SP則包含線路靜態(tài)限速、坡度、應答器位置及特殊區(qū)段信息。

圖3 ATO over ETCS系統(tǒng)(GOA2級)結構及接口示意

ETCS系統(tǒng)引入ATO后，系統(tǒng)自動駕駛的基本原理為：

(1)運輸管理系統(tǒng)TMS根據運輸計劃，自動控制聯(lián)鎖排列進路，開放出站信號；

(2)始發(fā)站司機激活駕駛臺，輸入列車數(shù)據，手動駕駛列車出站；

(3)ATO車載根據司機輸入或應答器的命令與軌旁設備建立無線通信會話，向其發(fā)送列車位置報告并請求運行計劃；

(4)ATO軌旁設備根據TMS的信息，向ATO車載發(fā)送對應格式的運行計劃；

(5)當ETCS車載設備進入完全監(jiān)控模式且“進入完全監(jiān)控模式”文本消失后、制動手柄處于零位且其他條件滿足后，向司機提示ATO可用，司機確認后，列車進入自動駕駛模式；

(6)自動駕駛過程中，當ATO車載估算不能準時到達指定的計時位置時，則向ATO軌旁設備發(fā)送估計到達時間；ATO軌旁設備收到車載反饋信息后，將更新運行計劃；

(7)當運行計劃要求前方車站停車時，ATO將控制列車對標停車，停準且停穩(wěn)后ATO將輸出開門命令(門釋放命令由其他安全系統(tǒng)保證)；

(8)站停時間結束后，ATO輸出關門指令；當車門關閉且鎖閉、ATO軌旁設備允許發(fā)車、ATO車載設備收到有效的運行計劃等條件滿足后，ATO將自動駕駛列車出站，繼續(xù)運行。

GOA2級系統(tǒng)ATO實現(xiàn)的主要功能包括：自動駕駛、數(shù)據記錄、車門操作、立即發(fā)車、跳停、扣車、自動折返、低黏著系數(shù)的處理等功能。其中，自動駕駛包括以下內容。

(1)安全曲線速度處理SPSM(Safe Profile Speed Management)：ATO根據ETCS車載的限制速度，計算最大允許速度；

(2)時間表曲線處理TTSM(Time Table Speed Management)：ATO根據停車或通過點的時間，計算最節(jié)能的速度曲線；

(3)自動停車點處理ASPM(Automatic Stopping Point Management)：ATO根據停車點位置計算停車的速度曲線，并輸出門控命令。

(4)ATO牽引/制動控制：ATO輸出控制命令，使列車按照上述速度曲線運行。

2.2 系統(tǒng)規(guī)范

ETCS規(guī)范體系由歐盟制訂的互聯(lián)互通技術標準CCS TSI、以國際鐵路聯(lián)盟為代表的用戶方提出的功能需求規(guī)范、以歐洲主要信號系統(tǒng)供應商提出的系統(tǒng)需求規(guī)范、安全需求規(guī)范、測試規(guī)范以及一系列接口規(guī)范等共同構成[16]。

ETCS系統(tǒng)引入ATO后，其規(guī)范文件仍然遵循上述體系，它在ETCS基線3版本規(guī)范的基礎上[17]，增加了ATO的系統(tǒng)需求規(guī)范以及相關的接口規(guī)范。新增的規(guī)范文件包括以下內容。

(1)SUBSET-125：ATO系統(tǒng)需求規(guī)范，它規(guī)定了ATO的功能特征、工作模式、系統(tǒng)結構和人機界面等；

(2)SUBSET-126：ATO車地接口規(guī)范，它規(guī)定了ATO信息包、應用層的通信原理；

(3)SUBSET-130：ATO車載與ETCS車載設備接口規(guī)范，它規(guī)定了ATO車載設備與ETCS車載設備、列車接口、人機界面、數(shù)據記錄器的接口定義；

(4)SUBSET-131：ATO軌旁設備與運輸管理系統(tǒng)的接口規(guī)范；

(5)SUBSET-132：ATO軌旁設備之間的接口規(guī)范。

通過上述規(guī)范文件，歐洲鐵路部門使應用ATO的ETCS系統(tǒng)實現(xiàn)了與既有ETCS設備的兼容、不同廠家ATO車載與軌旁設備的互聯(lián)互通，以及不同廠家ATO車載與ETCS車載設備的互聯(lián)互通。

3 ETCS系統(tǒng)應用ATO的發(fā)展及應用

目前，ETCS系統(tǒng)應用ATO的規(guī)范細則仍在制訂中，歐洲的部分信號系統(tǒng)供應商已結合城市軌道交通的經驗研發(fā)出相應的信號設備，預計2018年將有2條實際線路投入運營。

3.1 泰晤士聯(lián)線(Thames link)項目

泰晤士聯(lián)線項目貫穿倫敦南北鐵路，通過線路、車站、電力和信號系統(tǒng)等改造后，運營最高時速160 km，行車間隔正常運營2.5 min，最短2 min，預計2018年改造完成，線路如圖4所示。該項目信號系統(tǒng)的ETCS和ATO的車載、地面設備均有德國西門子公司提供，其系統(tǒng)結構如圖5所示[18]。

圖4 泰晤士聯(lián)線位置示意

圖5 泰晤士聯(lián)線項目ETCS應用ATO系統(tǒng)框圖

本項目信號系統(tǒng)是在ETCS-2級系統(tǒng)的基礎上增加了ATO車載設備和自動列車監(jiān)控(ATS)，實現(xiàn)了GOA2級的自動駕駛功能。該系統(tǒng)ATS實現(xiàn)運輸管理系統(tǒng)TMS的功能，ATO相當于集成到ETCS系統(tǒng)當中。ATO車地之間不具備單獨的通信通道，運行計劃的下發(fā)借助于ETCS系統(tǒng)的通信設備和通道，其信息流向是ATS→無線閉塞中心RBC→無線通道→ETCS車載設備ATP→ATO。該系統(tǒng)的架構與CBTC相似，它將CBTC和ETCS系統(tǒng)結合，成功在ETCS系統(tǒng)的基礎上實現(xiàn)了自動駕駛[19]。

3.2 墨西哥城-托盧卡市(Mexico-Toluca)城際鐵路

墨西哥城—托盧卡市城際鐵路位于墨西哥，地理位置如圖6所示，線路全長57.7 km，全線設6個車站，運營最高時速160 km，行車間隔2.5 min，預計2018年開通[20]。該項目的ATO車載和軌旁設備、ETCS車載設備由西班牙CAF信號公司提供，ETCS軌旁設備(RBC)由法國泰雷茲公司提供，實現(xiàn)的自動化等級同樣為GOA2級。

圖6 墨西哥城-托盧卡市線路位置

該線路也是采用ETCS-2級列控系統(tǒng)(圖7)，在此基礎上增加了ATO車載和軌旁設備，它的結構更類似于目前Shift2Rail項目的要求[21]。ATO車載與軌旁設備利用既有的無線設備，通過IP通信方式進行信息交互，它與既有ETCS系統(tǒng)的通道相對獨立，減少了對既有系統(tǒng)的影響。

圖7 墨西哥城-托盧卡市線路ETCS應用ATO系統(tǒng)框圖

4 結語

歐洲鐵路部門是在既有ETCS系統(tǒng)的基礎上集成了自動駕駛技術，系統(tǒng)的設計思路保證了與既有設備的兼容性，目前它的規(guī)范細則仍在制定中，后期在實驗室和實際線路測試中也會不斷地更新和完善。我國CTCS2+ATO列控系統(tǒng)已在珠三角城際鐵路正式運用，干線鐵路也開始進行自動駕駛的研究，希望ETCS系統(tǒng)應用ATO的思路可以為我國干線鐵路引入自動駕駛和中國鐵路“走出去”戰(zhàn)略提供一定的借鑒意義。