高速鐵路ATO系統門聯動控制技術

龍時丹，陳志強，宋玉亮，趙 磊

（1.國家鐵路局裝備技術中心，北京100070；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京100070）

1 高速鐵路ATO系統

高速鐵路自動駕駛（ATO）系統在既有CTCS-3級列車運行控制系統提供列車自動防護（ATP）功能的基礎上新增列車自動駕駛功能，包括車站自動發車、區間自動運行、車站自動停車、車門自動開門（防護）、車門/站臺門聯動控制[1]。

從圖1可以看出，高速鐵路ATO系統車載設備由原車載ATP相關功能模塊、新增車載ATO相關功能模塊兩大部分組成。

原車載ATP相關功能模塊包括車載ATP主機、GSM-R無線通信單元、軌道電路信息接收單元、應答器信息接收單元、測速測距單元、司法記錄單元、列車接口單元和人機界面單元（DMI）。GSM-R無線通信單元通過GSM-R天線與地面無線閉塞中心（RBC）建立無線連接，互相發送數據。軌道電路信息接收單元與軌道電路接收天線相連，獲取地面軌道電路信息。應答器信息接收單元與應答器接收天線相連，獲取地面應答器報文信息。測速測距單元通過測速傳感器獲取列車的速度和走行距離。ATP通過列車接口單元從車輛獲取駕駛臺激活狀態、方向手柄位置、最大常用制動反饋、緊急制動反饋、休眠信號等信息，向車輛輸出緊急制動、最大常用制動、中等常用制動、弱常用制動、切除牽引、過分相等命令。基于獲取到的無線消息、軌道電路信息、應答器報文、列車速度、列車位置、車輛狀態，車載ATP進行邏輯運算，向車輛輸出控車命令，通過無線向RBC發送消息，通過DMI向司機顯示實時的列車運行狀態[2，3]。

新增ATO相關功能模塊包括車載ATO主機、GPRS無線通信單元、測速測距單元和列車接口單元。GPRS無線通信單元通過GPRS天線與臨時限速服務器（TSRS）建立無線連接，互相發送數據。為了滿足列車進站精確停車，增加ATO專用的測速測距單元，從ATO專用的測速傳感器獲取數據，當列車進站后，在ATO的自動控車下，使列車停在精確停車窗內，車門和站臺門對齊，便于乘客正常上下車。車載ATO通過列車接口單元與車輛建立連接，通過繼電器接口獲取列車左/右門開關按鈕狀態，通過繼電器接口輸出左/右門開門命令，通過多功能車輛總線（MVB）接口輸出牽引、制動等命令信息和位置、速度等狀態信息，通過MVB接口從車輛獲取門控模式、發車按鈕有效信號、牽引控制量反饋、制動控制級位反饋等狀態及反饋信息。ATO與ATP建立連接，互相傳遞信息，分工協作，ATO負責自動駕駛，ATP負責安全防護。ATO將工作狀態發送給ATP，ATP再將ATO相關工作狀態轉發給DMI，通過DMI向司機顯示ATO的實時工作狀態。司機也可以通過DMI輸入無線呼叫命令，ATP將無線呼叫命令轉發給ATO，ATO執行命令與TSRS建立通信連接[4，5]。

圖1 高速鐵路ATO系統車載設備結構圖

2 車門/站臺門聯動要求及影響因素

2.1 車門/站臺門聯動要求

車站設置站臺門時，ATO系統應實現車門/站臺門聯動控制。

高速鐵路ATO系統具備8輛單組、8輛重聯或16～18輛等不同編組列車的車門/站臺門聯動控制。

車門/站臺門的開門聯動控制由ATO或司機觸發，關門聯動控制由司機觸發。

ATP在確認列車停穩且停準后，允許打開車門。由司機或ATO進行開門操作，ATO將開門命令發送給地面設備。地面設備根據編組信息和地面站臺門設置情況，確認對應股道列車停穩且停準后，向對應的站臺門系統發送開門命令，由站臺門系統開啟站臺門。

司機進行關門操作，ATO將關門命令發送給地面設備。地面設備向對應的站臺門系統發送關門命令，由站臺門系統關閉站臺門。

車地通信正常時，站臺門開/關門命令應在2秒內由列車發送至站臺門系統。

2.2 門控模式

在高速鐵路ATO系統中存在MO/MC、AO/MC兩種門控模式。其中，MO/MC為開門人工關門，AO/MC為自動開門人工關門，司機在MO/MC和AO/MC兩種門控模式中選擇其一。

當司機選擇MO/MC門控模式時，進站停車后，滿足開門條件時，司機手動按壓開門按鈕，打開車門，完成車門和站臺門的聯動控制。滿足關門條件時，司機手動按壓關門按鈕，關閉車門，完成車門和站臺門的聯動關閉。

當司機選擇AO/MC門控模式時，進站停車后，滿足開門條件時，ATO自動給出開門命令，打開車門，完成車門和站臺門的聯動控制。滿足關門條件時，司機手動按壓關門按鈕，關閉車門，完成車門和站臺門的聯動關閉。

但是，在以下幾種情況下，ATO不提供自動開門功能：

1）ATP給出雙側門允許；

2）本股道運行計劃為“通過”或運行計劃不可用；

3）本股道運行計劃為“不辦客”；

4）列車停車精度大于ATO允許開門精度。

2.3 門允許

車站內布置有精確定位應答器，列車進站時，從精確定位應答器組獲取停車位置信息包。其中，站臺位置信息標記是左側站臺、右側站臺、雙側站臺或無站臺。當列車停穩停準后，ATP根據站臺側信息給出對應側的門允許。得到門允許后，ATO或司機才可以打開車門，并開啟車門/站臺門的聯動控制。

2.4 停車辦客

車載ATO通過GPRS與地面TSRS相連，車載ATO向TSRS發送位置報告，TSRS向ATO發送運行計劃，包括是否辦客標志和到發通過標志，是否辦客標志表示列車進站后辦客或不辦客，到發通過標志表示列車進站后是先停車再發車，還是直接通過車站。當運行計劃為到發辦客，門控模式為AO/MC，且其他條件均滿足時，車載ATO才自動執行開門的門聯動過程。

3 車門/站臺門聯動功能

3.1 門聯動過程

車地通信正常時可實現車門/站臺門聯動控制，車門和站臺門在聯動過程中同步進行開/關門動作，車門與站臺門聯動控制示意圖如圖2所示。

圖2 車門/站臺門聯動過程

門聯動過程：

（1）列車進站停穩停準后，DMI顯示停穩停準圖標。車載ATO輸出制動，向TSRS發送停穩停準信息。

（2）車載ATP從應答器獲取到站臺側信息，向動車組輸出開門允許信息，DMI顯示對應的開門允許圖標。車載ATO收到的運營計劃為本站停車辦客，在車載ATP給出車門允許信息后，根據門控模式，由車載ATO或司機打開車門，并觸發車門/站臺門聯動控制過程。

（3）如果門控模式為MO/MC，司機手動打開車門。如果門控模式為AO/MC，車載ATO自動給出開門命令。同時，ATO向TSRS發送開門命令，TSRS根據編組信息和地面站臺門設置情況，確認對應股道列車停穩停準后，向對應的列車控制中心（TCC）發送開門命令。TCC向站臺門系統發送開門命令，車門/站臺門同步打開，完成開門聯動控制。

（4）門控模式為MO/MC或AO/MC，均由司機手動關閉車門。司機按壓關門按鈕，ATO向TSRS發送關門命令，TSRS向對應的TCC發送關門命令，TCC向站臺門系統發送關門命令，車門/站臺門同步關閉，完成關門聯動控制。

3.2 按鈕有效性檢查

列車進站停穩停準后，司機按壓開/關門按鈕或ATO模擬按壓開/關門按鈕，打開或關閉車門，并啟動車門/站臺門的聯動過程。車載ATO需要根據車載ATP的門允許信息對采集到的開/關門按鈕動作進行有效性檢查。表1為正常情況下門允許和有效的開門/關門按鈕動作的對應關系。

表1 門允許與有效開/關門按鈕動作的對應關系

但是，有些異常的開/關門按鈕動作也需要進行處理，以提高系統的可用性。例如，站臺門在左側時，車載ATP給出左側允許右側不允許，司機按壓開左門按鈕，想要打開左門。由于司機誤操作或按鈕故障等原因，也同時收到開右門和關右門命令。雖然同時收到開右門和關右門這樣一組互相矛盾的命令，由于ATP只給出了左側允許，沒有給出右側允許，依據ATP的門允許信息，ATO不會輸出右側的門命令，但是應該輸出正確的左側門命令。也就是說，錯誤的右側門命令不應影響正確的左側門命令的輸出。

所以，應分別對左/右門命令做有效性檢查，對檢查通過的左/右門命令執行門聯動操作。

左/右門命令有效性檢查應按如下方式進行：

（1）當ATP給出左側門允許時，對左門命令進行有效性檢查；如果同時收到開左門和關左門命令，認為左門命令無效，不輸出左門命令；如果收到開左門和關左門兩個命令中的一個命令，認為左門命令有效，輸出左門命令；如果沒有收到左門命令，不輸出左門命令。

（2）當ATP給出右側門允許時，對右門命令進行有效性檢查；如果同時收到開右門和關右門命令，認為右門命令無效，不輸出右門命令；如果收到開右門和關右門兩個命令中的一個命令，認為右門命令有效，輸出右門命令；如果沒有收到右門命令，不輸出右門命令。

（3）當ATP給出雙側門允許時，先對左門命令進行有效性檢查，再對右門命令進行有效性檢查，輸出檢查通過的左門命令和右門命令。

（4）如果ATP給出雙側不允許，不輸出左門命令和右門命令。

3.3 生成門聯動命令

列車進站停穩停準后，司機按壓開/關門按鈕，或ATO模擬按壓開/關門按鈕后，車載ATO采集到按鈕動作，對按鈕動作進行有效性檢查，將通過檢查的按鈕動作轉化門聯動命令并發送出去。

如果收到一側的門命令，發送這一側的門命令，另一側的門命令標記為無命令。

如果正在處理一側的門命令，收到另一側的門命令，分別監控左右兩側門命令的重發邏輯。如果到達左側門命令的重發時間，發送左門命令時，將右門命令順帶發送出去。如果到達右側門命令的重發時間，發送右門命令，將左門命令順帶發送出去。

如果同時收到左右兩側的門命令，同時發送兩側的門命令。

當某一側門命令執行成功，應停止發送并清除這一側的門命令。如果某一側門命令發送出去之后，一直未收到執行成功的反饋信息，則這一側的門命令最多重發兩次。超過三次，停止發送并清除這一側的門命令，并報告這一側門聯動失敗。

如果正在執行某一側的門命令，收到這一側新的門命令，新命令替代舊命令，并重啟該側門命令的重發機制。

4 門聯動命令的發送過程

車載ATO通過GPRS網絡將門聯動命令發送給地面的TSRS設備，TSRS將命令發送給對應的TCC，TCC再將命令發送給站臺門系統，完成車門和站臺門的聯動控制。車載ATO從得到有效的門命令到將門命令發送給TSRS，需要進行四個步驟的操作：檢查和保存門控命令、檢查門控命令反饋、監控門控命令發送時機、發送兩側門控命令，保證門控命令可以正確、及時地發送給TSRS，實現車門和站臺門的聯動控制。

4.1 檢查和保存門控命令

收到新的門命令，檢查門命令的有效性。如果門命令通過檢查，收到新的左側門命令，保存左側門命令，收到新的右側門命令，保存右側門命令。如果同時存在兩側的門命令，還需要對左側門命令和右側門命令做一致性檢查，如果檢查不通過，清除兩側的門命令，并報告門聯動失敗。

4.2 檢查門控命令反饋

檢查左右兩側門控命令反饋的邏輯相同，以檢查左側門控命令反饋為例，說明如何檢查門控命令反饋。

如果當前存在左側門命令，收到反饋信息表明左側站臺門狀態與左側門命令一致，說明左側站臺門聯動成功，清除左側門命令，并重置左側門命令的重發機制。

對兩側門命令反饋分別進行檢查，互不影響。

4.3 監控門命令發送時機

左右兩側門命令發送時機的處理邏輯相同，仍以左側門命令的發送時機為例，說明如何監控門命令的發送時機。

如果當前存在左側門命令，且一直未收到反饋信息，如果到達重發時間，重發次數未超過規定次數，標記本周期需要發送左側門命令；如果到達重發時間，重發次數超過規定次數，報左側站臺門聯動失敗，清除左側門命令，并重置左側門命令的重發機制。

4.4 發送兩側門控命令

如果本周期需要發送左側門命令或右側門命令，合并兩側門命令，一起發送出去。

如果本周期需要發送左側門命令，且此時存在右側門命令時，將兩側門命令一起發送出去；當此時不存在右側門命令，只發送左側門命令，右側門命令填寫為無命令。

同理，如果本周期需要發送右側門命令，且此時存在左側門命令時，將兩側門命令一起發送出去；當此時不存在左側門命令，只發送右側門命令，左側門命令填寫為無命令。

發送左側或右側門命令時，記錄各自的發送時間和已發送次數，基于這些信息實現兩側門控命令的重發機制。

5 結束語

將ATO技術引入高速鐵路中，提升高速列車運行控制的自動化程度，實現列車既高速又高效的安全運行，是列車運行控制的一個重要發展方向。車門/站臺門聯動控制是高速鐵路ATO系統的一項重要功能，本文介紹的車門/站臺門聯動控制方法已在京沈高鐵試驗段（沈陽西-朝陽）高速鐵路ATO系統試驗中得到檢驗，8輛編組CR400BF型復興號及其重聯情況下的車門/站臺門聯動控制效果良好，完全滿足了高速鐵路ATO系統車門/站臺門聯動控制功能的相關技術要求，證明這是一種安全、可靠、合理的方法，對高速鐵路ATO系統的設計及實現、應用等具有一定的指導和借鑒價值。