京張高鐵CTCS-3+ATO系統工程設計方案研究

王東方,李紅俠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

隨著我國高速鐵路路網建設的不斷完善，高速鐵路憑借其安全、快速、便捷、舒適等優點，已經成為旅客出行的首選[1]。面對日益增加的運輸需求，為提高運速效率、提升服務質量，需要高速鐵路向更加智能化的方向發展。列車自動駕駛(ATO)作為智能高鐵的重要體現，必將成為我國高速鐵路列控系統的發展趨勢[2]。

珠三角莞惠以及佛肇等鐵路實施的城際鐵路CTCS-2+ATO系統，將自動駕駛技術應用于時速200 km城際鐵路[3]。2019年12月30日，京張高鐵順利開通，首次實現了列車自動駕駛技術在時速350 km高速鐵路上的應用。

2 京張高鐵信號系統工程概況

京張高鐵自北京北站引出，終至張家口高速場，正線全長約174 km。全線共設車站10座、動車運用所1處、信號中繼站6處。京張高鐵采用調度集中(CTC)系統，由2個調度臺管轄。新設京張調度臺納入北京鐵路局客專調度所；既有S2調度臺升級改造為CTC臺，維持既有普速調度中心不變。全線采用CTCS-3級的列控系統，同時滿足配置有CTCS-2級車載設備的動車組跨線運行。車站及信號中繼站設置列控中心設備，相鄰的張呼鐵路采用CTCS-2級的列控系統，區間設置C3/C2級間轉換。全線共設置2套無線閉塞中心(RBC)以及2套臨時限速服務器(TSRS)，臨時限速服務器管轄范圍與調度臺管界一致。清河站以及八達嶺長城站站臺邊緣設置站臺門，站臺門距離站臺邊緣1.2 m。

3 增加ATO功能后信號系統總體結構

增加ATO功能后，現有的CTCS-3、CTCS-2級列控系統結構基本維持不變，車載設置ATO模塊以及車地無線通信模塊，臨時限速服務器、列控中心、CTC等地面設備增加相應功能；同時在股道增加精準定位應答器組[4-5]；RBC、計算機聯鎖以及軌道電路等設備維持不變。增加ATO功能后信號系統總體結構如圖1所示。

圖1 京張高鐵增加ATO功能后信號系統總體結構示意

4 京張高鐵增加ATO系統后實現的主要功能

4.1 系統功能

增加ATO后，信號系統可以實現五大功能：完全監控模式下的股道自動發車、按照運行計劃的站間自動運行、股道自動停車、車門自動開啟及防護、車門/安全門(屏蔽門)聯動控制[6]。

4.2 設備功能

ATO設備主要功能：具備站間自動運行、車站股道精準停車及通過、駕駛策略的自動調整、車門自動開啟、車門/安全門(屏蔽門)聯動控制及設備自診斷、記錄、報警等功能；統籌考慮車輛制動和牽引參數，實現在車站啟動加速、站間自動運行、電分相自動通過、股道停車等情況的平穩控制[7]。

ATP對ATO的支持功能：具備車門開門防護功能，當列車停車誤差超過允許開門停車窗時，禁止向ATO發送停準停穩信息，不允許列車開門。

5 京張高鐵CTCS-3+ATO工程設計方案

5.1 車載設備

車載設備增加ATO無線傳輸模塊以及GPRS通信電臺等設備。采用通用分組無線業務(GPRS)實現車載設備與地面設備的雙向通信。通過接收到的站間數據、運行計劃等信息，實現自動控制列車速度、車門自動開啟以及車門/安全門(屏蔽門)聯控等功能。同時ATP車載設備相應修改，增加列車開門防護功能[8]。

5.2 TSRS

TSRS設備既有功能不變，增加以下ATO相關功能：接收ATO車載設備開/關門命令，并發送至TCC，由TCC控制站臺門，同時TSRS向ATO車載設備反饋站臺門狀態；實時接收列車運行狀態，并發送至CTC，同時實時接收CTC運行計劃，并發送至相關ATO車載設備，實現運行計劃下發；向ATO單元發送站間線路數據等[9]。

TSRS利用既有接口采用冗余專用數據通信通道與CTC系統連接，與TSRS的ATO功能間通信的設備編號等參數由CTC中心服務器重新分配。TSRS使用獨立的接口通過無線網絡與ATO車載設備通信，在既有臨時限速服務器的基礎上增加一個通信接口，并采取信息安全防護措施。

TSRS設備通過冗余設置的專線接入GPRS網絡的GGSN(網關GPRS支持節點)設備，并采用成對防護墻進行安全隔離[10]。為滿足京張高鐵列控系統ATO業務需求，在北京局客專調度所核心網機房新設4套防火墻，與北京北站信號樓RBC機房設置的2套TSRS內部的4套防火墻成對連接，實現上聯鏈路的通信側與信號側網絡安全隔離。同時，每對防火墻之間通過傳輸設備提供的專線連接，每套TSRS使用兩條專線，形成冗余路徑，保證通信安全。連接的鏈路層采用以太網協議，網絡層采用IP協議。此外，在北京局客專調度所核心網機房內設置2套三層交換機，用于匯聚每套TSRS上接入GGSN服務器的兩條冗余線路。TSRS與GGSN連接示意如圖2所示。

圖2 TSRS與GGSN連接示意

5.3 CTC

CTC設備既有功能不變，同時根據列車運行位置，向列車發送三站兩區間的運行計劃信息。北京局集團公司調度所CTC中心增加與TSRS接口服務器，接口服務器與TSRS一對一設置，用于獲取列車運行狀態以及列車運行計劃上車等。ATO依據獲取的運行計劃以及列車運行狀態自動采用牽引、制動、惰行等控制策略，進而降低牽引能耗。同時CTC車站設備擴展與TCC系統接口，獲取站臺門狀態等信息[11]。

5.4 TCC

TCC既有功能維持不變，增加站臺門控制與防護功能。同時增加與站臺門(安全門)相關的驅動、采集信息。

對于設有安全門的清河站以及八達嶺長城站，TCC增設與安全門系統接口，接口采用繼電方式，電路如圖3所示。股道每側安全門系統設置門報警(MBJ)、門旁路(MPLJ)和門鎖閉(MSB1J、MSB2J)繼電器。同時設置開、關門繼電器(KMJ、GMJ)以及車型選擇繼電器CXZ8J、CXF8J、CXZ16J、CXF16J、CX17J，分別表示8編組正向、8編組反向、16編組正向、16編組反向以及17編等車型[12-13]。

圖3 TCC與站臺門接口電路

TSRS發送站臺門的控制命令給TCC，由TCC驅動相應的繼電器(KMJ、GMJ)，通過聯系電路傳給站臺門系統，控制站臺門開/關動作。同時TCC采集站臺門狀態信息，并發送給TSRS、CTC以及CSM。

站臺門的防護功能：TCC未向站臺門系統輸出開門命令，且采集到的站臺門未處于關閉且鎖閉狀態時，TCC向對應股道發送H碼。TCC向站臺門系統輸出開門命令，且采集到的站臺門未處于關閉且鎖閉狀態時，TCC向對應股道發送HU碼。

5.5 地面應答器

為實現列車在股道上的精準定位，設置股道精確定位應答器組[BJD][14]。

5.5.1 設有高站臺的動車組徑路股道[BJD]設置

首先確定股道停車基準點(含正向及反向)，距停車基準點l0 m以及40 m的位置設置單個BJD，同時既有股道中間設置的定位應答器可作為BJD使用。BJD一方面可以實現列車精準定位，同時能夠發送站臺側以及停車位置信息。京張高鐵各站(不含北京北站以及延慶站)精確定位應答器組中的BJD3與既有股道中間的定位應答器組合用，新設BJD1、BJD2、BJD4、BJD5四個應答器組，具體設置如圖4所示。動車運用所不設置ATO系統。

圖4 股道(高站臺)精確定位應答器組設置示意(單位：m)

對于清河站以及八達嶺長城站設有安全門的股道，接車方向第一個安全門的門中心位置為停車基準點；其他沒有設置安全門的股道，按照停車標位置進行折算，停車基準點為折算后接車方向第一個站臺門的門中心位置。對于450 m標準站臺的股道，考慮17輛編組動車組的停靠，停車標按距站臺端10 m設置；對于550 m站臺的股道，按照動車組居中停靠折算450 m有效站臺端，停車標按距有效站臺端10 m設置[15]。

5.5.2 線路正線未設置站臺的車站定位應答器設置

線路正線未設置站臺的車站，利用既有設置的出站及股道定位無源應答器組，增加[CTCS-13]信息包提供車站信息。具體設置如圖5所示。

圖5 正線未設置站臺定位應答器組設置示意

5.5.3 線路所定位應答器設置

八達嶺西線路所以及二撥子線路所正反向進站信號機中間適當位置設置定位應答器，提供車站信息。具體設置如圖6所示。

圖6 線路所定位應答器組設置示意

5.5.4 盡頭站定位應答器設置

北京北站以及延慶站為盡頭車站，所有股道均鄰靠站臺，根據TB 3484-2017《列控系統應答器應用原則》設置A、B、C點應答器。BJD3應答器與原B點應答器合用，新設BJD1、BJD2或BJD4、BJD5兩個應答器組，具體設置如圖7所示。

圖7 盡頭車站精確定位應答器組設置示意(單位：m)

5.5.5 ATO呼叫應答器組[AC]設置

[AC]應答器組內配置ATO通信管理信息[CTCS-12]包或者呼叫TSRS命令信息包，用于ATO車載設備呼叫臨時限速服務器并建立連接，可以與區間應答器組(Q、FQ)、出站應答器組(CZ/FCZ)以及調車應答器組(DC)等合并設置。

(1)ATO系統邊界[AC]應答器組設置

京張高鐵ATO系統分界為張家口高速場上行進站信號機，張家口高速場上行線1950G外方設置[AC]應答器組，與區間應答器組合設，如圖8所示。

圖8 ATO系統線路邊界站ATO呼叫應答器組示意

懷安方向具備ATO功能的動車組向張家口高速場方向運行，經過[AC]應答器組后，ATO車載設備呼叫京張高鐵臨時限速服務器，仍按ATP模式進入張家口高速場，當動車組駛出張家口高速場后，具備條件時可轉換為ATO模式。

(2)車站[AC]應答器組的設置

京張高鐵各站正向進站信號機以及出站信號機處設置[AC]應答器組，其中進站信號機處[AC]應答器組與進站信號機外方第一個Q合設；出站信號機處[AC]應答器組與CZ/FCZ合設，如圖9所示。

圖9 ATO車載呼叫TSRS設備的應答器組位置示意

(3)動車走行線[AC]應答器組的設置

北京北動車運用所與清河站間按調車模式辦理，北京北動車運用所不設置ATO系統。為實現動車組與清河站站臺門聯動，在動車走行線清河站入口設置[AC]應答器組，與清河站D2信號機DC合設，如圖10所示。

圖10 動車走線ATO呼叫應答器組位置示意

(4)TSRS邊界處[AC]應答器組設置

京張高鐵TSRS1和TSRS2的分界為昌平站上行進站口，在昌平站上行進站信號機(含反向)外方設置[AC]應答器組，與進站信號機(含反向)外方第二個Q合設，如圖11所示。

圖11 TSRS切換邊界ATO呼叫應答器組位置示意

5.5.6 隧道通知信息應答器組

該應答器組不單獨設置，與車站或區間(Q、FQ)應答器組共用，發送隧道起點位置及長度信息。

車載收到隧道信息后通過接口發送給車輛設備，在進入隧道前，車輛采取相應措施，保持車廂內的氣壓穩定，降低列車高速進入隧道時因車廂內氣壓變化產生的耳鳴等不適感，提高旅客乘車舒適度。

6 京張高鐵CTCS+ATO系統與珠三角莞惠等線路城際鐵路CTCS-2+ATO系統主要區別

珠三角莞惠等線路城際鐵路CTCS-2+ATO系統與京張高鐵CTCS+ATO系統結構不同、設備間接口以及推廣應用前景均有不同之處。

6.1 系統結構

珠三角莞惠等線路城際鐵路CTCS-2+ATO系統在既有信號系統基礎上，地面通過增加通信控制服務器(CCS)實現站臺門防護及控制，同時對運行計劃進行管理及轉發。

京張高鐵CTCS+ATO系統維持既有信號系統地面設備不變(不新增)，通過TSRS增加通信接口模塊以及軟件修改，實現站臺門防護及控制以及對運行計劃進行管理、轉發功能，充分利用既有信號系統設備，節省了工程投資。

6.2 計算機聯鎖設備接口

珠三角莞惠城際鐵路等線路CTCS-2+ATO系統，站臺門除與TCC設備有接口外，還與計算機聯鎖設備有接口。計算機聯鎖設備采集站臺門鎖閉(MSJ)及報警(MBJ)信息。當聯鎖設備采集到站臺門故障時，會取消已經辦理的聯鎖進路，以保證行車安全。站臺門故障排除后，經各方確認才能重新辦理聯鎖進路，手續繁雜且影響運輸效率。根據運營單位統計，莞惠城際對運營影響最大因素為站臺門系統故障，約占全部故障的45%[16-18]。

京張高鐵CTCS-3+ATO系統計算機聯鎖設備維持既有功能不變，與站臺門系統無接口，由TCC采集站臺門鎖閉(MSJ)及報警(MBJ)信息。當TCC采集到站臺門故障時，會控制相應股道發H碼或HU碼，以保證行車安全，已辦理的聯鎖進路保持不變。站臺門故障排除后，TCC控制軌道電路按正常邏輯發碼，列車正常運行。盡量減少站臺門故障對運輸的影響。

6.3 ATO系統推廣應用前景

2013年7月，原中國鐵路總公司發布了TJ/DW 149-2013《城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統暫行總體技術方案》，是珠三角莞惠等城際鐵路CTCS-2+ATO系統設計的依據。目前國鐵集團相關部門已明確表示，將不再對“城際鐵路CTCS-2+ATO列控系統總體技術方案”進行技術評審，國家鐵路局也不發布城際鐵路CTCS2+ATO列控系統相關技術標準，城際鐵路CTCS-2+ATO系統僅局限在珠三角范圍城際鐵路維持使用[19]。

為了最大化利用既有資源以及滿足互聯互通的需求，2019年8月國鐵集團印發了TJ/DW 202-2019《高速鐵路ATO系統總體暫行技術規范》等ATO相關規范及標準性技術條件，適用于所有采用CTCS-2、CTCS-3級列控系統的城際鐵路、高速鐵路。京張高鐵的地面設備(TSRS、CTC、TCC、應答器等)以及車載設備(智能動車組)均執行高速鐵路ATO系統相關規范及技術條件進行設置。已完成了CTCS-3級列控系統ATO功能的聯調聯試并開通運營。京張高鐵自2019年底開通運營以來，智能動車組(配置CTCS-3+ATO車載設備)ATO功能運行良好。如果完成CTCS-2級車載設備ATO功能的試驗驗證，京張高鐵所采用的高速鐵路CTCS+ATO系統將具備在設置有CTCS-3或CTCS-2級列控系統全部高速和城際鐵路的推廣應用條件。

7 結語

列車自動駕駛系統(ATO)在列車自動防護系統(ATP)的監督下自動控制列車運行，實現股道自動發車、站間列車自動運行、股道自動停車、車門自動開啟及防護以及車門與站臺門聯動控制等功能，在確保列車運行安全的前提下減輕了動車組司機的勞動強度、改善了旅客的乘車體驗，同時降低了牽引能耗，是高速鐵路智能化的重要標志，是未來高速鐵路列控技術發展的必然趨勢。京張高鐵CTCS-3+ATO系統是時速350 km動車組自動駕駛技術在世界范圍內的首次應用，極大提升了我國列控裝備的國際競爭力。京張高鐵CTCS-3級列控系統與ATO系統的完美結合，能滿足8輛、16輛以及17輛編組列車的站內精準停車以及安全運營，實現了不同車載設備間以及CTCS-3標準線路與CTCS-2標準線路間的互聯互通。新增功能均在既有信號設備基礎上修改，節約了項目投資。京張高鐵CTCS-3+ATO系統技術方案的成功實施，對于今后高速鐵路ATO系統工程設計具有一定的借鑒和參考價值。