既有CTCS-2高速鐵路實現自動駕駛關鍵技術研究

易海旺,汪 洋,何鐳強,唐明亮,唐 峻

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081； 3.北京華鐵信息技術有限公司,北京 100081)

針對大城市人口稠密，城市都市圈交通問題嚴峻，城市間人口流動頻繁等現狀，迫切需要建設高效率、高密度的城際鐵路交通系統；逐步形成城市間發展高速城際鐵路系統，多種軌道交通類型并存的現代城市軌道交通新格局。

在列車自動防護系統(ATP，Automatic Train Protection)確保列車運行安全的條件下，提高列車運行準點和舒適度，縮短列車追蹤間隔時間，將列車運行智能控制納入交通運輸管理體系，逐步提高鐵路運輸能力和旅客乘車體驗，其關鍵是實現列車運行的自動駕駛。列車自動駕駛(ATO，Automatic Train Operation)綜合智能控制技術、計算機仿真技術、無線通信技術和軟件工程技術等，建立自學習控制模型，優化列車速度控制算法，進而實現列車運行智能控制。

采用先進的列車自動駕駛技術，可以大大提高行車效率、安全性。隨著列車自動駕駛ATO設備逐步發展，列車運行控制將形成為“機控優先，人控后備”的格局[1]。列車自動駕駛系統在珠三角城際鐵路CTCS2+ATO線路中得到廣泛應用，它降低了司機的疲勞程度，有效實現節能控制，提高了旅客乘坐舒適性和列車運行準點率。

1 技術路線

在既有CTCS-2列車控制系統基礎上，重點突破自動駕駛關鍵技術難題，并基于國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心實驗室，搭建了硬件半實物仿真測試環境，進行系統級聯調、集成測試及試驗驗證，最后，依靠莞惠城際鐵路試驗段進行現場功能測試和互聯互通測試。其研究技術路線如圖1所示。

圖1 技術路線

2 技術方案

依據《城際鐵路CTCS2+ATO列控系統暫行總體技術方案》[2]，既有CTCS-2級高速鐵路列控系統(ATO)車載設備由ATP設備(列車自動防護系統)與ATO設備(列車自動駕駛系統)2個部分構成，車載ATP設備符合《CTCS-2級列控車載設備技術規范》[2]的要求，車載ATO設備系統結構如圖2所示。

圖2 車載ATO系統設備結構

2.1 ATP設備

ATP設備由安全計算機(VC)、軌道電路信息接收單元(TCR)、應答器信息接收模塊(BTM)、數據記錄單元(DRU)、人機界面(DMI)、列車接口單元(TIU)及測速測距單元(CODO)等組成[3]。為實現ATO功能，車載ATP設備須在原有功能基礎上進行以下修改。

(1)車載ATP主機軟件適應性修改

為滿足城際鐵路運行條件，車載ATP軟件須進行相應軟件變更修改，主要內容包含：休眠模式、機信模式、自動折返、停車停穩、自動過分相、車門-安全門聯動，無線通信管理、ATO相關數據記錄和分析等邏輯功能，以及與擴展單元的接口通信、新型動車組列車參數調整等軟件新增功能。

(2)車載DMI設備軟件適應性修改

參考《城際鐵路列控系統人機界面顯示規范(暫行)》，進行DMI設備軟件變更，主要新增涉及ATO的運行狀態、停穩停準、門允許、車地通信狀態、新增文本等顯示信息。

2.2 ATO設備

車載ATO設備采用雙機熱備冗余結構，車載ATO設備通過接收ATP的移動授權數據，控制列車在ATP的允許速度下運行，根據站臺精確定位應答器的信息，控制列車精確停車；結合門模式/門允許的條件下，實現自動開關門。按照CTC發送的列車運行計劃信息，實現區間運行時間自動調整和車站停車。根據折返命令時，執行站后折返控制。向TCMS轉發車站預報相關數據，實現PIS系統的自動報站功能。

(1)雙機熱備冗余

車載ATO熱備冗余切換單元置于接口單元內，實現兩系輸出的切換。ATO系統兩系周期自檢，交換狀態并同步數據，通過切換板實現熱備冗余切換。

(2)列車自動駕駛及精確停車

車載ATO系統在ATP的允許速度下，根據CTC的運行計劃實現區間運行等級調整、車站通過或站臺精確停車功能。

(3)實時運行等級調整功能

ATO根據CTC發送的區間運行時間，結合列車當前位置、速度，以及運行區間的土建限速、臨時限速、坡度等數據，實時計算運行區間等級，以滿足準點到達的要求。

3 ATO系統關鍵技術研究

3.1 車載ATO系統架構

車載ATO系統兩系安裝于同一機籠內，采用獨立的電源及背板設計，每一系由CPU板、串口通信板、以太網板以及IO板組成，各板卡間由CPCI總線控制連接。兩系控制單元間通過以太網連接。ATO接口單元對外的采集和輸出均通過繼電器實現電氣隔離；電源板置于接口單元內，兩系采用獨立的電源設計。切換板置于接口單元內，實現兩系輸出的切換。如圖3所示。

圖3 車載ATO系統架構

3.2 ATO速度控制

ATO系統采用標準、開放的系統設計，支持包括電平信號(110VDC)、干接點信號、模擬電壓信號、電流環信號、串口通信接口(RS422/RS485)、MVB通信接口等在內的多樣化列車接口。ATO依據系統輸入，分別計算各限速點或停車點對當前位置的速度的影響值，并取影響最大的值作為當前速度的參考值，控制列車按照該速度曲線運行。ATO速度控制流程如圖4所示。

圖4 ATO列車速度控制

3.3 ATO控制模型

ATO單元建立ATO自動駕駛模型，列車運動模型通過接收速度傳感器的速度信息、應答器信息等，并綜合列車能耗模型實現列車運行的舒適度，輸出列車控制仿真結果，進而通過與車載ATP的實際速度、目標距離、允許速度等信息進行尋優控制，基于控制策略，對ATO計算結果進行優化處理，并將最終結果反饋到列車運動模型和能耗模塊，實現參數自學習自調整功能。ATO列車自動駕駛控制模型如圖5所示。

圖5 ATO自動駕駛模型

3.4 運行計劃實時調整

列車運行計劃調整控制作為ATO單元核心模塊之一，其主要根據地面設備發送的列車運行時刻(CTC計劃)，結合列車當前位置、速度，以及運行區間的線路限速、臨時限速、坡度等數據，通過ATO系統構建的列車動力模型，以高效的控車算法進行實時計算運行速度，以滿足準點到達的要求。為了實現運行等級的實時計算，ATO系統構建了列車動力模型，并以真實的控車算法進行實時運行等級的計算。運行計劃實時調整模型如圖6所示。

圖6 運行計劃實時調整模型

3.5 列車定位技術

城際鐵路與國鐵干線要實現互聯互通，就必須兼容CTCS系統。城際鐵路自動駕駛系統在此基礎上，研究并實現了基于應答器的列車精確定位停車，滿足了城際鐵路±35 cm的站停誤差的要求。

根據規范要求，BTM設備的應答器定位精度在0.998置信區間內的最大定位誤差Lerr要求如下：

|Lerr|=0.20 m 0 km/h

|Lerr|=1.1×10-3V+0.15 m

40 km/h≤V≤500 km/h

為實現站內精確定位停車，地面站內設置定位應答器，應答器布置如圖7所示。列車進站后需要BTM提供精確的列車定位信息，實現精確停車功能。為滿足精確定位功能需求，BTM設備使用了多種先進的技術，用于提高定位功能的精確度。

(1)通過采用先進的數字解調、模擬濾波和數字濾波技術，有效地濾除外界的干擾信號，提高BTM設備應答器模擬信號的接收可靠性和信號對稱性。

(2)結合應答器模擬信號工作特點，設計的同步解調譯碼算法，已確保BTM實地準確地處理應答器模擬信號，為后級應答器定位運算模塊提供了高實時性的定位數據。

(3)通過采用先進的數字處理技術，以及軟硬件聯合優化，降低BTM的應答器定位運算模塊處理時延，確保模塊能夠在毫秒級的時延內完成應答器定位信息的準確估算，并將定位信息發送至ATP/ATO，從而實現BTM應答器精確定位功能。

圖7 定位應答器布置(單位：m)

3.6 車地通信系統

高速鐵路地面新增通信控制服務器CCS，實現站臺門控制和運行計劃轉發。車載設備增加移動終端MT，實現車地信息的雙向通信。車載和地面設備采用GSM-R公開網絡交換數據，通過加密，以保證數據安全。高速鐵路車載無線功能結構如圖8所示。

圖8 系統結構與邊界接口

3.7 無線通信軟件結構設計

車地無線通信軟件結構及模塊劃分如圖9所示。

圖9 車地通信軟件結構

(1)安全層對上處理與應用層接口，對下處理與傳輸層接口。軟件模塊3僅是安全層的一部分，模塊2，3，4共同構成安全層。

(2)傳輸層設計為與網絡層和數據鏈路層一起在非安全的ISDN-S或RTU上實現，傳輸層承擔CFM的對外接口(主要是對安全層的接口)，同時傳輸層處理對網絡層的接口。模塊7，8，11共同構成傳輸層。

(3)安全層和傳輸層之間要通過傳輸層原語進行交互，原語的形式和內容是安全層和傳輸層的核心，而P幀中的幀頭和幀尾與服務原語無關，它們由模塊5和模塊6處理，而原語幀則由模塊4和模塊7處理。

(4)模塊1實現了安全層與應用層的銜接。

(5)模塊2，3，4組成了安全層，模塊3實現了內部處理，模塊2和模塊4則完成了和系統的銜接，內部處理邏輯遵守SL層協議相對穩定，而系統結構和需求則易變化，分出模塊2和模塊4更靈活。

(6)模塊7，8，11構成了傳輸層，模塊8使傳輸層與系統銜接更靈活，模塊11完成傳輸層中與網絡層的銜接。

(7)模塊9實現了傳輸層和網絡層及鏈路層的銜接，是否需要模塊9，由集成系統本身情況決定。

(8)模塊10實現了網絡層和鏈路層。

(9)應用層實現車地信息的交互，交互信息見表1、表2。

表1 車到地消息

表2 地到車消息

3.8 車門/站臺門聯控技術

車門/站臺門聯動控制由車載ATO系統自動觸發或司機手動觸發，車載ATP設備負責車地通信和開關門信息轉發，其控制流程如圖10所示，具體步驟如下[5]。

圖10 車門/屏蔽門的聯動控制流程

(1)車載ATP列車停穩且停準時，分別給DMI顯示器和ATO系統輸出門允許后，司機手動按壓開門按鈕，或車載ATO系統自動輸出開/門關門指令。

(2)車載ATP在判斷列車停穩且停準時，輸出門允許指令，并將司機/車載ATO輸出的開門指令通過無線通信系統轉發到地面設備。

(3)地面CCS設備在確認對應股道列車停準且停穩后，依據列車類型和地面站臺門設置情況，向對應的站臺門控制系統發送開門命令，由站臺門控制系統實施對站臺門開啟動作。

(4)ATO發車倒計時結束后，司機/車載ATO輸出關門指令時，車載ATP將關門命令通過無線通信系統轉發發送給地面設備。地面設備向對應的站臺門控制系統發送關門命令，由站臺門控制系統實施對站臺門關閉動作。

(5)當車地通信故障、停準失敗等異常情況，車門/站臺門不能正常聯動時，車門的開/關由司機人工操作，站臺門開/關由地面人員通過站臺門操作終端進行人工操作。

4 系統測試

針對CTCS-2級高鐵鐵路列控車載ATP/ATO設備主要進行以下仿真測試。

(1)利用CTCS2+ATO測試平臺和仿真擴展單元軟件搭建測試環境，對車載ATP/ATO車載設備進行測試，基于測試平臺搭建的測試環境如圖11所示。

圖11 基于測試平臺搭建的測試環境

測試平臺是實驗室用于ATP/ATO設備的系統集成和測試系統，通過執行根據業務場景編制的測試腳本實現對列車運行地面環境的模擬仿真，利用在線監測軟件記錄并分析車載設備的運行狀態。在該測試環境中，測試平臺負責模擬發送BTM報文、控制轉速平臺模擬列車速度、控制發碼器發送軌道電路信息、接收地面CTC、臨時限速服務器的ATO信息并給系統提供各種測試數據。

(2)利用珠三角莞惠城際試驗段中四站三區間的數據搭建仿真測試環境，對ATP設備(含仿真擴展單元)、ATO設備、TSRS設備、無線通信系統等設備進行系統功能測試。

結果表明：既有CTCS2+ATO列控車載ATP/ATO設備能夠滿足既有CTCS-2級高速鐵路自動駕駛的需要。該方案對既有ATP設備的改動較小，在確保列車行車安全性的條件下，實現既有CTCS-2級高速鐵路車載設備的功能需求。

5 應用情況

珠三角城際鐵路C2+ATO系統自2016年投入商業運營以來，已經穩定運行3年多的時間，系統功能滿足城際鐵路的運營要求且性能穩定，ATO停準率(±35 cm)100%，ATO準點率(偏差60s內)100%，獲得了用戶單位的好評。統計列車關鍵部件閘片更換情況，以2016年1月26日至2017年4月23日為例，各動車組更換閘片數據統計表明，裝配ATO動車組極大減少列車行車制動時間(0402為非裝配ATO動車組，其他為裝配ATO動車組)，如圖12所示。

圖12 動車組更換閘片數據統計

6 結語

高速鐵路動車組自動駕駛系統ATO是結合國鐵CTCS-2級列控系統和城市軌道交通自動駕駛系統技術，實現了系統集成創新。2016年首次實現時速200 km城際鐵路動車組自動駕駛并投入批量運用，處于世界領先水平。系統的推廣應用將為國家節約大量人力成本，減輕機務勞動強度，提高乘客舒適度和列車準點率；售前、售后服務本地化，既有利于提高服務質量，又可降低服務成本，創造了良好的經濟效益和社會效益。