基于TAG定位的列車自動駕駛系統應用研究

王 鵬，陳志強，葛鷺明，李玲玉

（1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070;2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070;3.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車系統集成工程技術研究中心，長春 130052）

1 概述

近年來隨著軌道交通的快速發展，列車自動駕駛（ATO）技術研究的越來越深入與普及。目前國內城市軌道交通以具備ATO功能的基于通信的列控系統（CBTC）為主，并已于各大城市普遍應用；國內干線鐵路方面，莞惠C2+ATO開創了城際鐵路附加ATO功能的先河，并已安全高效運營3年；2018年的京沈試驗的成功驗收也標志著ATO成功引入高鐵。

然而對于既有干線鐵路客運、貨運線路、地鐵或國外普速鐵路線路，增加ATO功能同樣勢在必行，若采用CBTC、城際、高鐵ATO方案對既有系統升級改造，則新增設備與接口較多，維護維修難度很大。對此本文提出了一種基于TAG定位的輕量級ATO系統升級方案。

2 基于TAG定位的ATO系統

2.1 系統結構

基于電子信標（TAG）定位的ATO系統無嚴格的標準結構，是在原有列控系統基礎上，增加車載ATO單元、無線電臺及配套設備、TAG讀取器及配套設備，地面設備增加車站自動駕駛設備（車站ATO），軌旁設備增加TAG，其他既有設備功能及接口維持不變。典型的基于TAG定位的列控系統結構如圖1所示。

圖1 基于TAG定位的輕量級列控系統Fig.1 Lightweight train control system based on TAG positioning

地面設備主要包括調度中心、繼電/計算機聯鎖、車站ATO。調度中心主要承擔行車調度指揮、分散自律功能，聯鎖主要承擔進路選排、信號控制、轉轍機控制、空閑檢查等功能，車站ATO設備為新增設備，用于通過車地無線通信向車載ATO發送運行計劃相關信息。

軌旁既有設備包括信號機、軌道電路、轉轍機，功能與接口維持既有不變，新增無源TAG，車載ATO通過接收其報文獲取站臺出入口位置、停車點位置等信息，以實現進站減速及精確停車等功能。

車載設備主要包括車載ATP、車載ATO、車載DMI，車載ATP通過接受軌道碼實現速度防護邏輯，并通過列車接口單元對車輛進行緊急制動、切除牽引、駐車制動等操作，防止列車超速、冒進或溜車。車載ATO通過車地通信獲取運行等級限速，通過TAG獲取停車點位置及站臺限速等信息，在ATP速度防護下控制列車牽引制動及精確停車。車載DMI用于顯示列車速度、列車限速、跳停、扣車等信息，供司機監測。

2.2 車地通信

2.2.1 車地通信內容

車地通信在本系統中僅為ATO功能，用于運行計劃調整，其通信內容非安全信息，地面的控制命令主要包括：運行等級、開關門命令、站停時間、期望停車階段減速率、跳停、扣車。

其中跳停、扣車命令、開關門命令、站停時間等僅在此站有效，來源于調度員的設置；運行等級有效范圍為此站出站到下一站進站前，是車站ATO根據各個列車到達本站的時刻表以及發車時刻表，計算前后兩車的行駛時間間隔，然后根據本站與下一個車站的距離間隔，計算每輛列車應行駛在兩站之間的平均速度，以此推算而來。

2.2.2 車地通信過程

此系統車地通信于列車進站前一定距離建立，出站后一定距離中斷，且總是由車站ATO發起，車載ATO被動接收。車站ATO發送的信息幀包括：請求幀（HELLO）、輪詢幀（POLL）、控制幀（CONTROL），車載ATO回應的信息幀包括：應答幀（ACK）、說明幀（IDC），車地通信的整體流程如圖2所示。

1）車站ATO廣播發送HELLO信息幀。

2）若列車處于通信范圍內，車載ATO回復ACK信息；若列車不處于通信范圍內，車載ATO不做回應。

3）車站ATO通過接收到的ACK信息，獲取列車識別號，并發送POLL信息。

4）車載ATO接收POLL信息后，判斷其報文中列車識別號、車站號是否正確，若正確則回復INDICATION信息，匯報自身運行狀態，車載ATO認為車地建鏈完成；否則重發一次INDICATION信息。

5）車站ATO接收到INDCATION信息后，向車載ATO周期發送包括控制命令的CONTROL信息。

6）車載ATO接收到CONTROL信息后，判斷其報文中列車識別號、車站號是否正確，若報文合法則回復ACK信息，若超過規定時間未收到CONTROL信息，則重發ACK信息。

7）當列車駛離通信范圍，車載ATO停止回復任何信息，中斷車地鏈接。

當車地建鏈完成后，若列車接收到車站號、列車識別碼不正確的控制報文后，不做回應，且不采信其報文內容，直至接收到正確的車站號、列車識別碼的控制報文。車地通信中斷的方式為車載不再回復地面信息從而超時斷鏈，或列車駛離通信區域從而通信中斷。

圖2 車地通信時序圖Fig.2 Train-trackside communication time sequence diagram

2.3 TAG定位方案

基于TAG定位的自動駕駛系統主要依靠電子標簽獲取目標點位置信息以及判斷列車方向，TAG是一種射頻供電，應用于915 MHz頻率的軌旁定位設備，較應答器具備更小的體積、更低的輻射功率、更強的抗干擾性、且無需內置電源。

2.3.1 TAG部署

在本列控系統中，TAG設置于每站站內、進站出站口外一定距離，且每站TAG的布置順序及ID號相同。TAG的安裝位置如圖3所示。

圖3 TAG部署原則Fig.3 TAG deployment principle

本系統中分3類TAG，分別為進站TAG、精確停車TAG和換線TAG，進站TAG的編號為1～4，位于進站口出站口外固定距離；精確停車TAG編號為5～10，于站臺內對稱分布；轉線TAG編號為11，位于站臺咽喉區。

若定義線路通常的運營方向為正向，則無論上下行，TAG安裝均采用正向安裝，即依次為進站T1、T2，精確停車T5～T10，出站T3、T4。

2.3.2 TAG校驗

當列車經過某一TAG時，車載ATO進行一致性檢查、鏈接距離檢查、ID順序檢查，并根據檢查結果匯報相應故障。

一致性檢查面向T1～T10，主要針對報文內容合法性進行檢查，具體包括：對于先后經過的同一站兩個TAG，描述的車站、線路編號、開門側、停車點位置、到達站臺入口位置、站臺限速等信息應當相同。一致性校驗用于保證停車點、目標點等信息不回突變。

鏈接距離檢查面向T1～T10，主要對先后經過的兩個電子信標的間距進行檢查，判斷相鄰兩個TAG間的理論安裝距離與實際走行距離的偏差是否滿足一定誤差范圍要求。鏈接距離檢查用于檢測測速測距精度是否滿足要求。

ID順序檢查面向T1～T10，主要對依次經過電子信標的編號順序進行檢查，防止方向跳轉的情況發生。ID順序檢查用于檢測是否丟失TAG。

2.3.3 方向判斷

TAG中相同含義的信息通常存在于兩個字段，分別用于列車正向和反向運行。列車方向的判斷是根據經過TAG的順序決定，具體為：

1）當列車依次經過的TAG標號遞增，如T1→T2、T5→T10、T3→T4的順序，則定義為正向，當列車依次經過的TAG標號遞減，如T4→T3、T10→T5、T2→T1的順序，則定義為反向。

2）若在已確定方向的情況下，TAG標號遞增遞減情況突變，則丟失方向，等待下個TAG重新確定方向。

3）當列車經過T11后，則丟失方向，等待下個TAG重新確定方向。

2.3.4 目標點計算

當列車經過某個TAG完成方向判斷及TAG校驗后，可以使用其報文信息計算停車點或站臺出入口位置。

為便于TAG報文數據管理與配置，每車站TAG安裝位置及報文配置相同，因此表示位置的信息實際配置的是距離信息。信標報文中的停車點、站臺入口、站臺出口字段含義并非指停車點、站臺入口、站臺出口的實際公里標，而是指距停車點、目標點的距離，因此車載ATO需要將距離信息轉化為位置信息使用。

停車點校位或目標點校位的算法為：

其中KP表示停車點位置或目標點位置，s表示列車首次收到電子信標報文那一周期的位置，該位置來源于測速測距單元，即從列車上電時算起的累積位移，這個列車位置在每個列車周期都會計算，l表示報文中此電子信標到達站臺入口或站臺出口的距離字段，Δ t表示從列車接收射頻數據到使用射頻數據的平均延時，v表示列車首次收到電子信標報文那一周期的速度，D表示電子信標接收窗范圍大小，周期為車載ATO主控邏輯周期，即車載ATO每100 ms進行一次報文讀取并計算。

3 發展與展望

基于TAG定位的列控系統結構簡單，增加ATO功能對既有系統變動較少，適用于運營效率不高線路增加ATO功能的升級改造。此系統已在巴西圣保羅CPTM十一、十二號線成功投入使用，對我國貨運、既有普速鐵路、部分地鐵城軌的增加ATO功能升級改造具有指導意義。