徐效宁，徐 宁，易海旺
(中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京 100081)
摘 要：为提高高速铁路运输效率和自动化程度，根据珠三角城际铁路CTCS2+ATO列控系统的运用经验，提出高速铁路引入自动驾驶(ATO)的方案。方案采用CTCS+ATO系统结构，根据系统配置分为CTCS+ATO-PFC(Partial Function Configuration)和CTCS+ATO-FFC(Full Function Configuration)两个等级。分别对每个等级的系统功能、地面和车载设备配置进行定义，并提出系统分级实施方案。CTCS+ATO列控系统方案综合考虑我国列控系统的现状和发展方向，为我国高速铁路引入自动驾驶提供参考依据。
关键词：高速铁路；城际铁路；列控系统；列车自动驾驶；系统分级；
随着珠三角莞惠城际和广佛肇城际铁路的开通运营，城际铁路CTCS2+ATO列控系统在国内正式投入使用[1]。珠三角城际铁路兼顾城市轨道交通和国铁客运专线的运行需求，国铁、地铁、轻轨现有的信号系统都不能很好地适应其需要[2，3]，城际铁路CTCS2+ATO列控系统创造性地在大铁领域引入了ATO设备，实现了列车自动驾驶，提高了系统自动化程度和运输效率，在保证安全的前提下，降低了司机的工作强度，得到了机务部门的高度评价。
目前CTCS2+ATO列控系统方案设计只是面向城际铁路，如何在高铁线路实现自动驾驶、确定高速铁路CTCS+ATO的列控系统方案是一个重要的研究方向。
本文根据城际铁路CTCS2+ATO列控系统在珠三角城际铁路的运用经验，结合我国高速铁路列控系统的现状和发展方向，提出面向高速铁路的CTCS+ATO列控系统方案。
1.1 城际铁路CTCS2+ATO列控系统结构
城际铁路CTCS2+ATO列控系统包括地面设备和车载设备[4]。
(1)地面设备由通信控制服务器(CCS)、列控中心(TCC)、临时限速服务器(TSRS)、轨道电路、应答器及轨旁电子单元LEU、GSM-R通信接口设备等组成，如图1所示。
图1 城际铁路列控系统地面结构
CCS与车载设备、CTC进行通信，实现门控信息的管理，并实现CTC运行计划的处理和转发功能。同时，CCS通过TCC设备实现站台门相关的防护和控制功能。
TSRS具有临时限速设置、取消和管理功能。
TCC具有轨道电路编码、应答器报文储存和调用、站间安全信息传输、临时限速功能。同时，为了满足站台门防护和控制、站台紧急关闭等功能，TCC具备相关的采集和驱动接口。
应答器向车载设备传输定位信息、线路参数和临时限速等信息；同时，为了满足自动运行相关功能，向车载设备传输运营停车点、门侧等信息。
(2)车载设备由ATP和ATO构成，其中ATP由车载安全计算机(VC)、GSM-R无线通信单元(RTU)、轨道电路信息接收单元(TCR)、应答器信息接收模块(BTM)、司法记录单元(JRU)、人机界面(DMI)、列车接口单元(TIU)、测速测距单元(SDU)等组成，如图2所示。
ATP根据地面设备提供的行车许可、线路参数、临时限速等信息和列车参数，按照目标距离连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车安全运行。
ATO在ATP的行车许可下根据线路条件、运行计划等信息实现列车自动驾驶及车门自动控制等功能。
图2 城际铁路列控系统车载设备结构
1.2 城际铁路CTCS2+ATO列控系统分析
CTCS2+ATO列控系统是一个面向城际铁路设计的全新系统，集成了ATO的所有功能。在CTCS-2级列控系统基础上，车载设备增加RTU实现车地双向通信，增加ATO设备实现列车自动驾驶；地面设置专用的精确定位应答器实现列车精确定位，设置CCS实现站台门控制和运行计划处理。
CTCS2+ATO列控系统借鉴CTCS-3级列控系统，采用GSM-R网络电路交换数据业务实现车地双向通信[5]。在CTCS-3级无线报文定义[6]的基础上，车载设备向地面发送停准停稳、开/关门命令、车型、运行计划反馈和车载状态等信息。地面设备向车载设备发送站台门状态、运行计划和乘客信息系统PIS信息等内容。
城际铁路CTCS2+ATO列控系统与我国高铁CTCS列控系统能够实现互联互通，装备城际铁路CTCS2+ATO列控车载设备的列车可在C2/C3线路按CTCS-2级运行。
2.1 高速铁路列控系统概述
我国列车运行控制系统根据系统配置按功能划分为5级[7]。根据技规[8]，高速铁路应根据线路允许速度选用不同等级：250 km/h以下铁路采用CTCS-2级列控系统，250 km/h铁路宜采用CTCS-3级列控系统，300 km/h及以上铁路采用CTCS-3级列控系统。
高速铁路CTCS列控系统作为安全苛求系统，任何改变都可能影响系统的功能和安全完整性等级[9]。ATO设备在引入时，应充分考虑高铁线路的复杂性，以及对既有地面和车载设备的影响。
2.2 高速铁路CTCS+ATO列控系统分级
借鉴ETCS和CTCS的构建原则[10-12]，结合我国国情，高速铁路CTCS+ATO列控系统进行分级设计。分级原则以地面设备为基础，车载设备与地面设备统一设计。
高速铁路CTCS+ATO列控系统包括地面设备和车载设备，根据系统配置按功能分为两级，系统向下兼容。两个等级分别定义为CTCS+ATO-PFC(Partial Function Configuration)和CTCS+ATO-FFC(Full Function Configuration)系统。
3.1 总体描述
CTCS+ATO-PFC系统在既有的CTCS-2/3级列控系统的基础上，车载设备增加ATO设备/功能，实现ATO站间自动运行和定点停车功能。
地面不设通信控制服务器，车地之间不传输ATO相关信息，系统不具备列车运行计划自动调整和车门-站台门联动控制功能。
CTCS+ATO-PFC系统对既有的高铁线路和车载设备改动较小，更适用于既有线路。
3.2 地面设备
CTCS+ATO-PFC系统地面设备由无线闭塞中心(C3线路配置)、列控中心、临时限速服务器、轨道电路、应答器及LEU、GSM-R通信接口设备等组成，如图3所示。
图3 CTCS+ATO-PFC系统地面设备构成示意
地面设备不设置通信控制服务器，除应答器外，其他与CTCS-2/3级列控系统完全相同，不再赘述。
为了实现精确停车，应答器需要向车载提供精确定位信息。高铁车站不设站台门，定位精度要求较低，在满足精度的情况下，可不增设精确定位应答器，而在既有应答器(反出站信号机应答器组、股道定位应答器)中增加精确定位信息包。
精确定位信息通过CTCS包的形式描述至运营停车点的距离及门侧信息。高铁车站通常设置8辆和16辆动车组的2个停车标，信息包中应描述不同编组列车对应的多个运营停车点。精确定位信息包定义见表1。
表1 精确定位信息包定义
CTCS-11信息包(精确定位信息包)序号12变量名位数说明NID_XUSER9信息包标识码=000001011Q_DIR2验证方向(00=反向有效,01=正向有效,其他=无效)L_PACKET13信息包位数Q_SCALE2距离长度分辨率(00=10cm,01=1m,10=10m,11=备用)M_DOORDIR2站台门位置(01=左侧,10=右侧,11=双侧,00=不设站台门)N_G24列车停靠的股道编号N_ITER5包含列车类型的数量NID_TRAINLEN(n)2编组类型(00=8辆,01=16辆,其他备用)D_STOP(n)15距本类型列车运营停车点距离
3.3 车载设备
(1)增加ATO功能
CTCS+ATO-PFC系统要求车载设备实现站间自动运行和定点停车功能。车载设备可增加新的ATO独立硬件，由于ATO功能简单，也可在ATP硬件上只增加软件模块实现。
CTCS系统相对ETCS系统增加了机控优先的制动控车方式，车载设备根据限速曲线的变化自动输出弱常用制动或中常用制动，以避免触发最大常用制动。因此，在不增加ATO硬件的前提下，对机控优先功能进行完善发展，可实现CTCS+ATO-PFC系统要求的控车功能。
(2)增加车载设备与车辆接口
车辆需要向车载设备提供牵引和制动的接口。
(3)增加测速传感器(可选)
不设站台门的高铁车站，对车载设备的停车精度要求不高。国内运用的各ATP设备测速方式不同，有的ATP低速时误差较大，需要增加新的速度传感器进行校正。如果车载设备能够满足运用需求，可不增加新的速度传感器。
4.1 总体描述
CTCS+ATO-FFC系统ATO具备站间自动运行、定点停车、车门-站台门联动控制和列车运行自动调整等功能。
根据城际CTCS2+ATO的成功运用经验，CTCS+ATO-FFC系统采用GSM-R网络电路交换数据业务实现车地双向通信，进行列车运行自动调整和车门-站台门联动控制。依据这个原则，CTCS-2级列控系统增加通信控制服务器，CTCS-3级列控系统则对RBC进行扩展，实现通信控制服务器的功能。
CTCS+ATO-FFC系统适用于新建线路，对既有的高铁线路和车载设备改动较大，实现了ATO的全部功能。
4.2 地面设备
CTCS+ATO-FFC系统地面设备由通信控制服务器(C2线路配置)、无线闭塞中心(C3线路配置)、列控中心、临时限速服务器、轨道电路、应答器及LEU、GSM-R通信接口设备等组成。地面设备构成及接口示意分别如图4、图5所示。
图4 CTCS+ATO-FFC系统C2级地面设备构成示意
图5 CTCS+ATO-FFC系统C3级地面设备构成示意
临时限速服务器、轨道电路、GSM-R通信接口设备等与既有CTCS-2/3系统相同，以下描述与既有地面不同的设备。
(1)通信控制服务器CCS
高铁C2线路采用与城际C2+ATO列控系统相同的配置方案，地面设备增设CCS，用于车地传输ATO相关信息。
CCS与TCC接口，实现防淹门、站台门、紧急关闭等相关信息的交互。CCS向TCC发送站台门开/关门驱动命令，CCS从TCC获取站台门、紧急关闭按钮等状态。
CCS与CTC接口，实现运行计划的转发功能。CCS向CTC发送站台门、紧急关闭按钮状态，CCS从CTC获取列车运行计划、折返命令等信息。
(2)无线闭塞中心RBC
C3级线路不另设通信控制服务器，RBC在满足相关技术规范[13]的基础上，需实现CCS的功能。
既有RBC与TCC的信息通过CBI交换[14]。ATO新增的信息仍由RBC通过CBI既有的接口交互，不与TCC直接通信。RBC通过CBI向TCC发送站台门开/关门驱动命令，CCS从CBI获取站台门、紧急关闭等状态。
RBC利用与CTC既有的接口通信，RBC向CTC发送站台门、紧急关闭状态，RBC从CTC获取列车运行计划、折返命令等信息。
(3)列控中心TCC
TCC除满足既有的技术要求[15]外，还应完成防淹门状态采集、站台门采集/驱动、紧急关闭采集功能。不设TCC的无配线车站，由相邻TCC实现相关功能。
C2线路，TCC将采集的状态信息直接发送给CCS。同时接收CCS的门控命令，输出站台门的控制动作。
C3线路，TCC通过CBI接收RBC的门控命令，输出站台门的控制动作。
(4)应答器
①精确定位信息
对于设置站台门的高铁车站，股道设置专用的精确定位应答器，用于实现列车精确定位。
如图6所示，车站到发线股道共设置5组精确定位应答器，所有定位应答器都为单应答器组成，其中JD3设置在股道站台中心位置，用于双向定位； JD4、JD5用于正向列车定位，JD1、JD2用于反向定位。无配线站股道可不设反向定位JD1、JD2。
图6 精确定位应答器布置
不设站台门的高铁车站，在满足定位精度的前提下，可按CTCS+ATO-PFC系统的原则不设单独的精确定位应答器组，而在既有应答器中增加精确定位信息包。
精确定位信息包格式与CTCS+ATO-PFC系统中的定义一致。
②通信会话管理信息
C2线路车载设备需要呼叫CCS，所以应答器中需增加通信会话管理信息。该信息通过[ETCS-42]包实现，与C3应答器应用原则一致，放置在各车站的出站口无源应答器中。
在部分通信质量较差区间，可在区间应答器组中增加通信会话管理信息包，以便无线中断后重新呼叫。
4.3 其他相关信号设备
(1)联锁CBI
CBI除满足既有的技术要求[16]外，还应具备防淹门、站台门、紧急关闭相关的采集功能。
CBI开放/关闭进、出站信号机时，应考虑对应的防淹门、站台门、紧急关闭状态。
C3线路，CBI应将采集的状态信息转发CCS，并将RBC的门控命令转发TCC。
(2)分散自律调度集中系统CTC
CTC除满足既有的技术要求[17]外，应具备运行时刻自动调整相关功能。
CTC根据CCS(C2线路)或RBC(C3线路)报告的列车位置，通过CCS(C2线路)或RBC(C3线路)向对应列车发送运行计划、PIS等信息。
4.4 车载设备
(1)增加ATO设备
CTCS+ATO-FFC系统中ATO功能完整，建议增加独立的ATO硬件，避免对既有的ATP功能产生影响。
(2)配置RTU设备
CTCS-2级车载设备增加RTU，用于传输ATO相关无线报文。
CTCS-3级车载设备利用既有的RTU，与RBC交换C3控车信息和ATO相关报文。
(3)增加车载设备与车辆接口
车辆向车载设备提供开/关门按钮、牵引/制动手柄状态、车门状态、门控模式、ATO启用按钮等输入信号。
车载设备向车辆输出ATO有效、开门允许、开/关车门命令、牵引/制动命令及级位、ATO发车指示灯、折返状态指示灯、保持制动施加/缓解等信号。
4.5 车地ATO无线报文交互
CTCS+ATO-FFC系统的车地无线报文定义在CTCS-3级列控系统的基础上，增加ATO报文。ATO报文定义与城际CTCS2+ATO系统一致。
在C3线路由于ATO报文和C3控车信息共用GSM-R无线链路进行传输，为避免对CTCS-3级列控系统的功能和实时性产生影响，CTCS+ATO-FFC系统对ATO报文的交互流程进行优化。
(1)无线通信会话建立和结束流程
CTCS+ATO-FFC系统无线通信会话建立和结束流程和既有CTCS-3级系统一致，由CTCS-2/3级车载设备完成。
(2)无线会话保持
城际CTCS2+ATO系统中，车载设备向CCS每6 s发送1次位置报告；CCS每6 s发送1次空的通用消息24，每20 s发送1次含运行计划的通用消息24和含PIS信息的通用消息24。在运行计划和PIS信息不变化的情况下，这种周期发送意义不大。
CTCS+ATO-FFC系统对此进行优化，当CCS/ RBC发送含运行计划和PIS信息的消息时，应要求车载设备进行确认。当CCS/RBC收到车载设备的确认信息后，若运行计划或PIS信息未发生变化，则不再重复发送。
优化后，CTCS+ATO-FFC系统在C3线路运行时，每个区间只比既有CTCS-3级系统多4条报文(分别含运行计划的通用消息、含PIS信息的通用消息以及车载回复的对应确认消息)，计划调整时也只会多1条含运行计划的无线消息和对应的确认信息，因此不会对CTCS-3级系统的控车信息交互产生任何影响。
5.1 分级实施方案
高铁线路比城际铁路复杂，国外也未有高铁引入ATO的先例，实施时可采用CTCS+ATO-PFC/FFC一种系统进行验证。根据采用系统的不同，分为两种思路。
(1)先在新建线路搭建CTCS+ATO-FFC系统，对ATO的所有功能进行验证。成熟后，再对既有线改造，在既有线推广CTCS+ATO-PFC系统。这种思路考虑到既有线的改造可能会有很多问题，尤其是可操作性方面，所以先在新建线路实现。
(2)先在既有线改造，搭建CTCS+ATO-PFC系统，对ATO发车、牵引、制动和精确停车的主要控车功能进行验证。成熟后，再在新建线路推广CTCS+ATO-FFC系统。这种思路主要参考CTCS系统首先在既有线提速实现的发展路线。
5.2 限制使用范围
高铁CTCS+ATO系统在运用初期应对ATO投入使用的线路范围进行严格限制。除了对司机的严格规定以外，系统本身也应尽可能的进行卡控。即使司机误操作，ATO在高铁非CTCS+ATO线路也不应投入使用。以下从设备角度提出两种卡控措施。
(1)配置车载设备参数
在车载配置参数中设置允许ATO控车区段的地区编号。ATP设备根据收到的应答器编号，确定当前区段是否允许ATO控车。
(2)修改地面应答器报文
修改应答器报文，描述地面允许ATO控车的区段。除了定义新的CTCS信息包外，还可利用既有的信息包实现：等级转换[ETCS-41]信息包可描述到允许ATO控车区段的距离或ATO退出使用的距离；特殊区段[ETCS-68]信息包也可描述允许ATO控车区段的起点和长度。
根据高速铁路列控系统的特点，结合城际铁路CTCS2+ATO的运用经验，提出了高速铁路CTCS+ATO列控系统的方案。高速铁路CTCS+ATO系统分为CTCS+ATO-PFC和CTCS+ATO-FFC两级系统，分别对其功能、地面和车载设备配置进行了定义，为我国高速铁路引入自动驾驶提供参考。
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Study on High-speed Railway Oriented CTCS+ATO Train Control System
XU Xiao-ning， XU Ning， YI Hai-wang
(Signal & Communication Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 10081， China)
Abstract：Based on the actual application of CTCS2+ATO system in Pearl River Delta inter-city railway， this paper introduces the scheme of automation train operation (ATO) applied to high speed railway， which can improve traffic efficiency and automation. The scheme is based on Chinese Train Control System (CTCS)+ATO system structure and can be divided into two levels as CTCS+ATO-PFC (Partial Function Configuration) and CTCS+ATO-FFC (Full Function Configuration) according to system configuration. The system function， ground and onboard equipment configuration for each level are defined and corresponding implementation plans are put forward. The CTCS+ATO fusion scheme takes a comprehensive consideration of the current situation and development trend of train control system and provides some references for the application of ATO to Chinese high speed railway.
Key words：High speed railway; Inter-city railway; Train control system; Automation Train Operation (ATO); System level
文章编号：1004-2954(2017)04-0153-06
收稿日期：2016-07-26；
修回日期：2016-08-11
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划(2016X001-A)；中国铁道科学研究院基金课题(2015YJ049)
作者简介：徐效宁(1982—)，男，副研究员，硕士研究生，2008年毕业于北京交通大学交通信息工程及控制专业，主要从事铁道信号研究工作，E-mail：xuxiaoning_cars@163.com。
中图分类号：U284.48
文献标识码：A
DOI：10.13238/j.issn.1004-2954.2017.04.032
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