ETCS系統應用ATO技術發展綜述

徐效寧，宋志丹，易海旺，汪 洋，倪一丹

(中國鐵道科學研究院通信信號研究所，北京 100081)

歐洲鐵路運輸管理系統/歐洲列車控制系統(ERTMS/ETCS)是歐洲鐵路部門為了解決歐洲各個國家鐵路信號系統的互聯和兼容問題，制定的統一的、開放性的信號系統。ERTMS/ETCS既與現有信號體制兼容，又可在各國統一推廣使用，保證了各國的列車在歐洲鐵路網內互通運營，現已被歐洲和世界范圍內的干線鐵路廣泛應用。

隨著干線鐵路的進一步發展，其運輸能力和效率面臨著更高的要求。在城市軌道交通中廣泛應用的自動駕駛(ATO)技術，被證明是有效的解決手段之一[1]，但干線鐵路由于其復雜性，被普遍認為更難實現。近年來，國內外學者開始研究干線鐵路應用自動駕駛的可行性[2-6]。本文研究了歐洲鐵路部門在ETCS系統的基礎上實現自動駕駛(簡稱ATO over ETCS)的研究背景、系統架構和工作原理、規范體系及發展情況，為我國干線鐵路引入自動駕駛提供參考。

1 ETCS系統應用ATO的發展背景

IEC標準62290將自動駕駛的自動化等級(GOA)分為從GOA0到GOA4共5個等級，分別為GOA0級人工列車運行模式、GOA1級非自動化列車運行模式、GOA2級半自動化列車運行模式、GOA3級無人駕駛列車運行模式和GOA4級無人干預列車運行模式[7]。裝備ETCS車載設備的列車，自動化等級已達到GOA1級。歐洲鐵路部門主要研究如何在既有ETCS系統的基礎上，實現GOA2到GOA4級的自動駕駛功能，研究過程大約分為3個階段，如圖1所示。

第一階段：泛歐交通運輸網(TEN-T)計劃[8]。TEN-T計劃是歐盟在1996年提出的關于公路、鐵路、水路、民航等交通運輸網絡的一系列規劃綱領，項目持續時間已經過20年。它在發展過程中經過多次調整，其中構筑連接歐洲東西部成員國的運輸走廊，是過去10年內所取得的最為重要的成就之一。2011年，子課題“促進加快ERTMS發展”開始進行ETCS系統應用ATO的研究[9]，課題組論證了ATO在干線鐵路的可行性，并在ETCS基線3版本(ETCS Baseline3)的基礎上，提出了GOA2級的ATO over ETCS運營概念和互聯互通需求。

圖1 ATO over ETCS研究路線

第二階段：下一代列車運行控制系統(NGTC)計劃[10]。NGTC計劃是歐洲鐵路部門2013年啟動的，其通過分析比較ETCS和CBTC系統[11]，使干線鐵路和城市軌道交通的列控系統在功能需求、系統結構和硬件平臺具備更大比例的通用性，未來列控系統發展趨勢如圖2所示。在TEN-T計劃的基礎上，項目組根據CBTC系統自動駕駛的運用經驗，提出了GOA3/4級的ATO over ETCS運營概念。

圖2 歐洲鐵路下一代列控系統發展趨勢

第三階段：“轉移至鐵路”(Shift2Rail)項目[12]。Shift2Rail是歐盟有史以來最大的研究和創新計劃“地平線2020”的規劃項目，其研究內容覆蓋了整個鐵路運輸系統的各個專業，課題2“先進的運輸管理和控制系統”中任務2.2即是開發和驗證ATO over ETCS系統，目標是在城市軌道交通和市郊鐵路實現自動化等級最高可達GOA4級、其他線路(包括貨運線路)至少可達GOA2級的自動駕駛功能。它在TEN-T和NGTC計劃的基礎上，進行GOA2到GOA4級全部自動化等級的規范、產品開發、測試平臺驗證、試驗線驗證等內容的研究，其時間進度如表1所示。

表1ATOoverETCS項目時間進度

項目組認為，GOA3級無人駕駛列車運行模式和GOA4級無人干預列車運行模式，列車的駕駛室不配置司機，司機的全部責任均轉移到設備上，這與既有的ETCS系統有較大的區別，因此將GOA3/4級與GOA2級分為兩個階段。根據目前項目進展情況，本文主要分析GOA2級的功能原理和發展情況。

2 ETCS系統應用ATO的功能及原理

ETCS系統的制定目的是歐洲為了解決各個國家鐵路信號系統的互聯和兼容問題，因此，ATO設備的引入首先要考慮與既有ETCS系統的兼容性。同時，為了便于既有設備的升級和保證市場的競爭，ATO設備應盡可能與ETCS系統獨立，不同信號廠商的ATO和ETCS車載設備可以實現互聯互通[13]。

2.1 設備功能原理

GOA2級的ATO over ETCS系統在ETCS的基礎上，增加了ATO車載和軌旁設備，結構及接口示意如圖3所示[13-15]。在該系統中，ATO不能作為單獨的設備控車，因ATO不是安全設備，行車安全仍由ETCS系統保證。ATO車載和軌旁設備通過獨立于ETCS系統的無線通道進行信息交互，通過該通道ATO軌旁向車載設備發送包含運行計劃曲線JP(Journey Profile)和區段曲線SP(Segment Profile)的運行計劃信息。JP包含線路每個計時點的位置和經過時間，以及車站的站停時間、是否作業等信息；SP則包含線路靜態限速、坡度、應答器位置及特殊區段信息。

圖3 ATO over ETCS系統(GOA2級)結構及接口示意

ETCS系統引入ATO后，系統自動駕駛的基本原理為：

(1)運輸管理系統TMS根據運輸計劃，自動控制聯鎖排列進路，開放出站信號；

(2)始發站司機激活駕駛臺，輸入列車數據，手動駕駛列車出站；

(3)ATO車載根據司機輸入或應答器的命令與軌旁設備建立無線通信會話，向其發送列車位置報告并請求運行計劃；

(4)ATO軌旁設備根據TMS的信息，向ATO車載發送對應格式的運行計劃；

(5)當ETCS車載設備進入完全監控模式且“進入完全監控模式”文本消失后、制動手柄處于零位且其他條件滿足后，向司機提示ATO可用，司機確認后，列車進入自動駕駛模式；

(6)自動駕駛過程中，當ATO車載估算不能準時到達指定的計時位置時，則向ATO軌旁設備發送估計到達時間；ATO軌旁設備收到車載反饋信息后，將更新運行計劃；

(7)當運行計劃要求前方車站停車時，ATO將控制列車對標停車，停準且停穩后ATO將輸出開門命令(門釋放命令由其他安全系統保證)；

(8)站停時間結束后，ATO輸出關門指令；當車門關閉且鎖閉、ATO軌旁設備允許發車、ATO車載設備收到有效的運行計劃等條件滿足后，ATO將自動駕駛列車出站，繼續運行。

GOA2級系統ATO實現的主要功能包括：自動駕駛、數據記錄、車門操作、立即發車、跳停、扣車、自動折返、低黏著系數的處理等功能。其中，自動駕駛包括以下內容。

(1)安全曲線速度處理SPSM(Safe Profile Speed Management)：ATO根據ETCS車載的限制速度，計算最大允許速度；

(2)時間表曲線處理TTSM(Time Table Speed Management)：ATO根據停車或通過點的時間，計算最節能的速度曲線；

(3)自動停車點處理ASPM(Automatic Stopping Point Management)：ATO根據停車點位置計算停車的速度曲線，并輸出門控命令。

(4)ATO牽引/制動控制：ATO輸出控制命令，使列車按照上述速度曲線運行。

2.2 系統規范

ETCS規范體系由歐盟制訂的互聯互通技術標準CCS TSI、以國際鐵路聯盟為代表的用戶方提出的功能需求規范、以歐洲主要信號系統供應商提出的系統需求規范、安全需求規范、測試規范以及一系列接口規范等共同構成[16]。

ETCS系統引入ATO后，其規范文件仍然遵循上述體系，它在ETCS基線3版本規范的基礎上[17]，增加了ATO的系統需求規范以及相關的接口規范。新增的規范文件包括以下內容。

(1)SUBSET-125：ATO系統需求規范，它規定了ATO的功能特征、工作模式、系統結構和人機界面等；

(2)SUBSET-126：ATO車地接口規范，它規定了ATO信息包、應用層的通信原理；

(3)SUBSET-130：ATO車載與ETCS車載設備接口規范，它規定了ATO車載設備與ETCS車載設備、列車接口、人機界面、數據記錄器的接口定義；

(4)SUBSET-131：ATO軌旁設備與運輸管理系統的接口規范；

(5)SUBSET-132：ATO軌旁設備之間的接口規范。

通過上述規范文件，歐洲鐵路部門使應用ATO的ETCS系統實現了與既有ETCS設備的兼容、不同廠家ATO車載與軌旁設備的互聯互通，以及不同廠家ATO車載與ETCS車載設備的互聯互通。

3 ETCS系統應用ATO的發展及應用

目前，ETCS系統應用ATO的規范細則仍在制訂中，歐洲的部分信號系統供應商已結合城市軌道交通的經驗研發出相應的信號設備，預計2018年將有2條實際線路投入運營。

3.1 泰晤士聯線(Thames link)項目

泰晤士聯線項目貫穿倫敦南北鐵路，通過線路、車站、電力和信號系統等改造后，運營最高時速160 km，行車間隔正常運營2.5 min，最短2 min，預計2018年改造完成，線路如圖4所示。該項目信號系統的ETCS和ATO的車載、地面設備均有德國西門子公司提供，其系統結構如圖5所示[18]。

圖4 泰晤士聯線位置示意

圖5 泰晤士聯線項目ETCS應用ATO系統框圖

本項目信號系統是在ETCS-2級系統的基礎上增加了ATO車載設備和自動列車監控(ATS)，實現了GOA2級的自動駕駛功能。該系統ATS實現運輸管理系統TMS的功能，ATO相當于集成到ETCS系統當中。ATO車地之間不具備單獨的通信通道，運行計劃的下發借助于ETCS系統的通信設備和通道，其信息流向是ATS→無線閉塞中心RBC→無線通道→ETCS車載設備ATP→ATO。該系統的架構與CBTC相似，它將CBTC和ETCS系統結合，成功在ETCS系統的基礎上實現了自動駕駛[19]。

3.2 墨西哥城-托盧卡市(Mexico-Toluca)城際鐵路

墨西哥城—托盧卡市城際鐵路位于墨西哥，地理位置如圖6所示，線路全長57.7 km，全線設6個車站，運營最高時速160 km，行車間隔2.5 min，預計2018年開通[20]。該項目的ATO車載和軌旁設備、ETCS車載設備由西班牙CAF信號公司提供，ETCS軌旁設備(RBC)由法國泰雷茲公司提供，實現的自動化等級同樣為GOA2級。

圖6 墨西哥城-托盧卡市線路位置

該線路也是采用ETCS-2級列控系統(圖7)，在此基礎上增加了ATO車載和軌旁設備，它的結構更類似于目前Shift2Rail項目的要求[21]。ATO車載與軌旁設備利用既有的無線設備，通過IP通信方式進行信息交互，它與既有ETCS系統的通道相對獨立，減少了對既有系統的影響。

圖7 墨西哥城-托盧卡市線路ETCS應用ATO系統框圖

4 結語

歐洲鐵路部門是在既有ETCS系統的基礎上集成了自動駕駛技術，系統的設計思路保證了與既有設備的兼容性，目前它的規范細則仍在制定中，后期在實驗室和實際線路測試中也會不斷地更新和完善。我國CTCS2+ATO列控系統已在珠三角城際鐵路正式運用，干線鐵路也開始進行自動駕駛的研究，希望ETCS系統應用ATO的思路可以為我國干線鐵路引入自動駕駛和中國鐵路“走出去”戰略提供一定的借鑒意義。