基于ETCS的ATO系統工作模式研究

徐效寧，李一楠，程林芳，趙東旭

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心，北京 100081）

列車自動駕駛技術作為智能鐵路的重要組成部分，可以降低司機的勞動強度，提高運輸效率，實現節能控制，是未來鐵路的一個重要發展方向[1]。2016年3月，城際CTCS2+ATO列控系統在珠三角城際鐵路商業運用，在世界范圍內首次實現時速200 km線路的自動駕駛技術。同時，國內高速鐵路ATO系統也已完成現場測試并在京沈高鐵試用，未來也將運用于智能京張高鐵[2]。

近年來，歐洲鐵路部門面向干線鐵路，提出了基于歐洲列車運行控制系統（ETCS）的ATO系統（ATO over ETCS）。為實現互聯互通，基于ETCS的ATO系統定義了不同的工作模式，本文主要對各種模式的定義和轉換條件進行研究。

1 基于ETCS的ATO系統介紹

1.1 研究背景

基于ETCS的ATO系統研究可以分為3個階段：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）項目，如圖1所示[3-4]。

圖1 基于ETCS的ATO系統開發路線Fig.1 Development route of ATO over ETCS

TEN-T項目研究了干線鐵路實現自動駕駛的可行性，在ETCS基線3版本的基礎上提出了自動化等級（GoA）2級的運營需求。NGTC項目則根據ATO在城市軌道交通的運用經驗，提出了GoA3和GoA4級的運營需求。Shift2Rail項目的“先進的運輸管理和控制系統”正式開始基于ETCS的ATO系統研發，最終目標是在城市軌道交通和市郊鐵路實現GoA4級、貨運等其他線路至少達到GoA2級的自動駕駛功能，目前項目主要集中于GoA2級的規范制定和設備開發階段。

2018年底，ETCS2+ATO系統在英國倫敦的泰晤士聯線中商業運用。由于基于ETCS的ATO系統相關規范細則尚未完全確定，因此泰晤士聯線的ETCS2+ATO系統在設計時更多的參考了城市軌道交通CBTC的架構設計[5]。

1.2 體系架構

如圖2所示，在ETCS的基礎上，系統增加了單獨的ATO車載和ATO地面設備，以實現自動駕駛相關功能[6]。同時，歐洲鐵路部門通過SUBSET-125等一系列規范文件，要求不同信號廠商的ATO車載和地面設備、ATO車載和ETCS車載設備（ATP）能夠實現互聯互通，便于既有設備的升級改造以及提高市場的競爭力[7]。

圖2 基于ETCS的ATO系統參考架構Fig.2 ATO over ETCS reference architecture

2 ATO工作模式分析

2.1 ATO控車條件

基于ETCS的ATO系統細化了ATO控車所需的條件，將其分為“ATO可用條件”和“ATO啟動條件”。當滿足不同的條件時，ATO設備處于不同的工作模式，DMI向司機顯示對應的圖標。

“ATO可用條件”包括如下內容：

1）ATP允許ATO控車；

2）司機或其他系統未輸出緊急制動；

3）線路數據和運行計劃有效；

4）列車未處于ATO禁止運行區域[8]；

5）ATO控車所需的ETCS數據有效。

其中，ATP允許ATO控車的條件包括：1）設備處于自動駕駛（AD）或完全監控（FS）模式，并且DMI不再顯示“進入完全監控模式”（即列車完全進入線路數據描述的區段）；2）設備未輸出緊急或最大常用制動。

“ATO啟動條件”包括如下內容：

1）方向手柄處于前進位；

2）如果列車停在站內，行車許可的長度至少保證列車完全駛離站臺；

3）如果列車停在站外，行車許可的長度至少保證列車能夠移動（移動最小距離可根據列車配置）；

4）當列車接近停車點時，剩余距離保證ATO能夠停車；

5）車門關閉且鎖閉（僅對于旅客列車）；

6）發車倒計時結束（如果有）。

2.2 ATO工作模式

參考ETCS系統需求規范，ATO系統定義了8種工作模式對應不同的運用場景，這也有利于區分人機職責[9]。

1） ATO未上電模式（ATO No Power，NP）

未上電時，ATO設備處于NP模式。該模式下，ATO不負責列車運行。

2） ATO 配 置 模 式（ATO Configuration，CO）

上電后，ATO設備進入CO模式，同時向ATP發送ETCS數據請求。該模式下，ATO不負責列車運行。

3） ATO不可用模式（ATO Not Available，NA）

ATO設備等待具備“ATO可用條件”。該模式下，ATO不負責列車運行。

4） ATO可用模式（ATO Available，AV）

ATO設備具備“ATO可用條件”，等待“ATO啟動條件”滿足。該模式下，ATO不負責列車運行。

5） ATO準備模式（ATO Ready，RE）

ATO設備具備“ATO可用條件”和“ATO啟動條件”，等待司機啟用ATO控車。只有當控制手柄位于牽引或中立位，ATO才能啟用。該模式下，ATO仍不負責列車運行，司機負責啟用ATO控車。

6） ATO啟用模式（ATO Engaged，EG）

該模式下，ATO負責控制列車運行。

7） ATO退出模式（ATO Disengaging，DE）

在EG模式時，若ATP允許ATO控車而其他“ATO可用條件”不再具備，ATO設備將進入DE模式。進入DE模式后，ATO設備仍使用上一次計算的曲線控車，但不再輸出牽引制令；如果5 s內“ATO可用條件”重新滿足，ATO設備恢復為EG模式，否則5 s后將輸出最大常用制動。

8） ATO失效模式（ATO Failure，FA）

當檢測到不能執行自動駕駛相關功能的故障時，ATO設備將進入該模式。

3 工作模式轉換

3.1 ATO模式轉換

ATO模式轉換如圖3所示。圖中“1＞”表示當條件“1”滿足時，系統轉換到箭頭“＞”指向的模式。為避免不同條件同時滿足發生模式轉換沖突，每個轉換條件都被分配了一定的優先級。優先級用“-px-”表示，當x數值越小時優先等級越高。圖3中的“6b，8，10”表示“條件6b或者條件8或者條件10”，即只要滿足其中一個條件就進行模式轉換。

圖3 模式轉換圖Fig.3 Mode transition diagram

模式轉換條件如表1所示。

3.2 ETCS模式轉換

為適應ATO系統功能需求，ETCS在基線3版本的基礎上增加自動駕駛模式（AD）。當下列任一條件滿足時，ATO應請求ATP進入AD模式。

表1 模式轉換條件表Tab.1 Mode transition conditions table

1）ATO設備處于RE模式，列車在運動，且控制手柄在中立或牽引位。

2）ATO設備處于RE模式，列車停穩，且控制手柄在中立位。

3）ATO設備處于EG或DE模式。

4）ATO設備處于AV模式，ATP處于AD模式，且控制手柄在中立位。

當ATP允許ATO控車且收到AD模式請求時，ATP進入AD模式。若ATO設備停止發送AD模式請求或ATP設備本身不再允許ATO控車，則ATP退出AD模式，并根據既有轉換條件進入相應的工作模式。

4 運營場景舉例

4.1 正常運營場景

ATO正常運營場景如圖4所示。

圖4 正常運營場景Fig.4 Normal operational scenario

上電后，ATO設備由NP進入CO模式，向ETCS發送數據請求。當收到ETCS數據后，ATO設備進入NA模式。當“ATO可用條件”具備后，ATO設備進入AV模式。當“ATO啟動條件”具備后，ATO設備進入RE模式，并提示司機啟用ATO。司機啟用后，ATO設備進入EG模式，ATP進入AD模式。在EG模式下，ATO設備控制列車運行，當根據運行計劃在車站停車后，ATO設備輸出保持制動，退回AV模式。當發車倒機時結束等“ATO啟動條件”滿足后，ATO設備再次提示司機啟用ATO。司機啟用后，ATO設備重新進入EG模式，控制列車運行。這樣，ATO設備在AV、RE、EG模式之間切換，ATP則保持AD模式。

4.2 列車駛離ATO區域

列車駛離ATO區域的運營場景如圖5所示。經過正常流程，ATO進入EG模式，控制列車運行。當離開ATO區域后，“ATO可用條件”不再滿足，ATO進入DE模式，提示司機退出ATO。同時，系統將進行如下處理。

圖5 列車駛離ATO區域的運營場景Fig.5 Operational scenario of train leaving ATO area

1）在進入DE模式的前5 s時間內，ATO設備仍按照之前的運行曲線控車，但不再輸出牽引。

2）如果司機在5 s時間內進行退出ATO操作（手柄制動或選擇退出ATO），ATO設備進入NA模式，ETCS退出AD模式。

3）如果司機未采取退出ATO操作，5 s后ATO設備將輸出最大常用制動停車。在停車過程中，如果司機操作退出ATO，ATO設備將緩解制動并進入NA模式，ETCS退出AD模式；如果司機仍未進行操作，ATO設備在列車停車后自動進入NA模式，ETCS退出AD模式。

5 總結

ETCS系統通過定義各種模式，以區分不同運營場景的人機職責。基于ETCS的ATO系統沿用這個原則，同時系統需求規范通過定義各種模式下的控制功能和數據處理原則，盡量避免各信號廠商在具體實現時的歧義性，為實現不同型號ATP和ATO設備的互聯互通提供了基礎。