基于ETCS 的ATO 系統車地無線消息研究

何鐳強

歐洲列車運行控制系統（ETCS）是為了解決歐洲各個國家鐵路信號系統的互聯和兼容問題，由歐洲鐵路部門（ERA）組織制定的統一的、開放性的信號系統。ETCS 在兼容既有信號系統的同時，實現了各國列車在歐洲鐵路網內的互通運營［1］。

近年來，為提高線路的運輸能力和效率，歐洲鐵路部門開始組織研究在ETCS 的基礎上疊加自動駕駛技術（ATO）［2］。基于ETCS 的ATO 系統采用了獨立于ETCS 的無線通道進行車地信息傳輸，并且無線消息報文定義也和ETCS 有較大的區別。本文對車地無線消息的定義及其應用原則進行研究。

1 基 于ETCS 的ATO 系 統

1.1 系統架構

2011 年開始，歐洲通過“泛歐交通運輸網（TEN-T） ”“ 下 一 代 列 車 運 行 控 制 系 統（NGTC）”和“轉移至鐵路（Shift2Rail）”一系列項目，對鐵路實現自動駕駛進行了研究。根據自動化等級的不同，研究分為GOA2 級（半自動化）和GOA3/4 級（無人駕駛/無人干預） 2 個階段進行［3-5］。目前，GOA2 級的主要技術規范已經制訂，基于這些規范，歐洲信號廠商完成了設備研發和試驗室互聯互通測試，即將進行現場驗證［6］。

如圖1 所示，GOA2 級的ATO 系統在ETCS、運輸管理系統（TMS）的基礎上，增加了ATO 車載設備和ATO 地面設備。ATO 車載設備和地面設備通過無線通信的方式，獨立于ETCS 的既有通道，進行車地信息的傳輸［7］。整個系統由ETCS 實現安全防護，ATO 實現自動駕駛功能。

1.2 規范文件

為滿足GOA2 級的功能需求，ETCS 在基線3版本的基礎上，擬對下列規范進行修訂［8］。

1） ETCS 人 機 接 口 規 范（ERA_ERTMS_015560），增加ATO 相關信息的顯示。

圖1 ATO 系統參考架構

2）ETCS 系統需求規范（Subset-026），增加自動駕駛模式及相關處理。

3） ETCS 司法記錄接口規范（Subset-027），增加ATO 的數據記錄。

4）ETCS 列車接口規范（Subset-034），增加ETCS 與列車的接口內容，實現對ATO 的防護功能。

同時，ATO 系統本身也增加了許多新的規范子集，定義了ATO 系統需求和一系列的接口規范。如表1 所示，ATO 車載與地面設備、ATO 車載設備與ATP 之間均為形式規格化的功能接口（FFFIS），其他則為功能接口（FIS）。

表1 ATO 系統新增規范

對于車地無線通信，表1 中僅Subset-126 在應用層進行了定義，作為FFFIS 重要組成的底層協議尚無相關規范發布。歐洲信號廠商在試驗室互聯互通測試時，使用了GSM-R 網絡的分組數據業務（GPRS）。

2 車地無線消息組織處理方式

2.1 數據組織方式

基于ETCS 的ATO 系統參考城市軌道交通CBTC 的架構，故其數據組織方式與ETCS 有一定的區別。如圖2 所示，ETCS 地面設備按列車的實際進路向車載設備發送線路數據，不管列車所經過的進路多么復雜，線路數據總是按進路縱向延伸［9］，即ETCS 車載設備收到的是列車所要走行的線路數據。

圖2 列車實際進路和車載設備認為的進路

ATO 系統則采用不同的方式，將車載所需的控車數據分為2 層，分別為靜態數據層和運行計劃層。靜態數據層描述了線路的限速、坡度、曲線半徑，以及應答器、停車點、隧道、分相區等位置信息；運行計劃層描述了列車的走行徑路以及運行時刻、停車點、站臺側等信息。

在實現時，ATO 系統將線路劃分為若干個區段，每個區段除了靜態數據描述外，還具備版本和唯一的標識ID。正常情況下，ATO 車載設備應預存線路的所有區段數據。運行計劃通過列車所要走行區段的標識組合，實現對走行徑路的描述。2 種數據通過不同的無線消息提供。

運行過程中，ATO 車載設備根據收到的運行計劃，從存儲的區段數據中選取出所要走行的前方線路信息，并結合ATP 限速、列車運行時刻、能耗等因素，計算出一條最優速度曲線進行控車。當未找到運行計劃對應的區段或版本不匹配時，ATO 車載設備應向地面設備請求更新對應的區段數據。

2.2 無線消息定義

基于ETCS 的ATO 系統共定義了9 條無線消息，用于車地信息傳輸，如表2 所示。其中，消息編號為3 的“計劃曲線”（JP） 和消息編號為6 的“區段曲線”（SP）即對應上文所述的運行計劃和區段數據。

表2 基于ETCS 的ATO 系統無線消息定義

與國內城際CTCS2+ATO、高速鐵路ATO 系統相比，歐洲鐵路未將車門/站臺門的聯動控制納入ATO 功能需求，因此規范中沒有相關的消息定義。

2.3 數據一致性檢查

為確保控車的正確性，ATO 車載設備應對地面設備發送的無線消息進行檢查，主要包括以下兩方面。

1）進路一致性檢查。ATO 車載設備根據“計劃曲線”和“區段曲線”，計算得到列車所要走行的應答器鏈表。當ATP 預告的下一組應答器編號不在鏈表范圍內時，ATO 車載設備應判斷出發生進路一致性錯誤，退出控車。如果ATP 預告的是重定位應答器組，ATO 車載設備則不應進行檢查。

2）“區段曲線”與“運行曲線”一致性檢查。當運行計劃預告的停車點不在區段數據中、運行計劃預告的到發時刻亂序或者運行計劃要求的某一區段與當前存儲的數據版本不兼容等情況發生時，ATO 車載設備應認為存在一致性錯誤。如果該錯誤會影響列車到當前停車點的運行，ATO 車載設備將退出控車。

3 車地無線消息應用原則

3.1 通信會話建立

ATO 車載設備從ATP 獲取機車號和車次號后，根據司機輸入與地面設備建立無線連接。當連接建立后，ATO 車載設備向地面設備發送“握手請求”消息，當收到地面設備的“握手確認”消息后，即認為通信會話建立，如圖3 所示。

圖3 通信會話建立

“握手請求”消息包含了車載設備支持的ATO系統版本列表。地面設備應在“握手確認”消息中告知本次通信會話所使用的ATO 系統版本。同時，“握手確認”消息還包含了消息超時重發時間和狀態報告發送周期。

3.2 運行計劃發送

如圖4 所示，地面設備發送運行計劃分為2 種情況。

1）當車載設備無運行計劃可用或當前剩余計劃不足時，主動向地面設備發送“計劃曲線請求”，地面設備根據機車號和車次號回復對應的“計劃曲線”。

2）當運行計劃調整時，地面設備主動向車載設備發送“計劃曲線”，車載設備回復“計劃曲線確認”。

圖4 運行計劃交互流程

3.3 區段曲線發送

ATO 車載設備在收到“計劃曲線”后，將檢查車載數據庫中是否已存儲對應的區段。如果對應的區段不存在或者數據版本不兼容，車載設備將向地面發送“區段曲線請求”消息，如圖5 所示。

“區段曲線請求”消息包含了車載設備未存儲的或版本不兼容區段的ID，地面設備將根據該請求回復車載設備所需區段的數據。

圖5 區段曲線交互流程

圖6 狀態報告交互流程

3.4 狀態報告發送

如圖6 所示，ATO 車載設備定期向地面設備發送“狀態報告”，地面設備回復“狀態報告確認”。“狀態報告”消息中包含了車載設備的工作模式、列車速度、位置、停車精度以及實際的到發時刻，這些信息將由ATO 地面設備轉發給運輸管理系統TMS。

4 總結

近年來，自動駕駛已逐漸成為鐵路發展的一個主要方向，歐洲計劃2022 年將其納入歐盟鐵路信號 系 統 互 聯 互 通 技 術 規 范（CCS TSI）［10］。與ETCS 相比，ATO 系統的車地無線消息雖然較為簡單，但作為互聯互通的組成部分，其重要性不言而喻。本文基于ETCS 的ATO 系統車地無線消息研究可為國內自動駕駛技術的發展提供一定的參考。