CTCS2+ATO城際列控系統與高速鐵路ATO系統差異性及應用趨勢探討

徐軼劼

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 系統現狀

我國高速鐵路自動駕駛（ATO）系統根據速度等級不同，可分為CTCS2+ATO 城際列控系統和高速鐵路ATO 系統。

CTCS2+ATO 城際列控系統是在CTCS-2 級列控系統增加ATO 相關功能，適用于250 km/h 以下的城際鐵路。經過辛苦的研究與探索，國內珠三角莞惠城際鐵科首次在鐵路領域實現了自動駕駛，成為世界上首個速度200 km/h 動車組應用自動駕駛的運營典范。截止2019 年，珠三角地區又成功在佛肇、穗莞深兩條城際鐵路實現了自動駕駛。

高速鐵路ATO 系統是在CTCS-2/CTCS-3 級列控系統基礎上增加ATO 相關功能，不僅適用于250 km/h 以下城際鐵路，也同樣適用300 km/h以上高速鐵路。2018 年京沈高鐵350 km/h 高速鐵路自動駕駛試驗的成功，標志著我國智能高鐵自動駕駛關鍵技術研發取得重要的成果，2019 年世界首個時速300 km 以上動車組在京張智能高鐵成功應用自動駕駛。

2 系統構成

2.1 CTCS2+ATO城際列控系統的構成

CTCS2+ATO 城際列控系統的地面設備由臨時限速服務器（TSRS）、通信控制服務器（CCS）、列控中心（TCC）、應答器及LEU、軌道電路、GSM-R 通信接口設備等構成，如圖1 所示。

圖1 CTCS2+ATO城際列控系統的地面設備Fig.1 Ground equipment of CTCS2+ATO intercity train control system

TSRS 具有設備初始化功能及臨時限速的設置、取消和管理功能。

新增的CCS 設備與CTC 和車載設備進行通信，實現CTC 運行計劃的處理和轉發功能，并對門控信息的管理。與此同時，CCS 通過TCC 進行通信，實現站臺門的控制和防護功能。

TCC 新增站臺門控制和防護以及站臺緊急關閉等功能，TCC 可采集站臺門防護繼電器且能驅動站臺門控制相關繼電器。

CTC 新增加與CCS 通信的接口，可對CCS 發送運行計劃，實現對站站停車和大站停車分別管理，可根據運行計劃自動觸發折返進路，并且完成車次號的自動變更。顯示界面增加區間運行時分、站臺門狀態、緊急關閉狀態、站停時分、防淹門靜態位置顯示、車載狀態報告、人防隔斷門靜態位置顯示、司乘信息、與CCS 連接狀態、運行計劃設置、故障報警等相關內容。

應答器為了滿足自動運行以及精確停車等新增相關功能，向車載設備提供運營停車點信息、門側信息等。

CTCS2+ATO 城際列控系統的車載設備由ATP和ATO 構成，如圖2 所示。

ATP 根據應答器報文提供線路參數、臨時限速等信息和列車參數，按照目標距離、連續速度控制模式生成動態速度曲線，監控列車的安全運行。新增門允許顯示、停準顯示、車門站臺門聯動控制等功能，與CCS 進行通信并接收運行計劃。

ATO 在ATP 的行車許可下根據線路參數、運行計劃等信息實現列車區間自動運行、區間自動計時及車門自動控制等相關功能。

圖2 CTCS2+ATO城際列控系統的車載設備Fig.2 Onboard equipment of CTCS2+ATO intercity train control system

2.2 高速鐵路ATO系統的構成

高速鐵路ATO 系統在CTCS-2/CTCS-3 級列控系統的基礎上，地面設備在TSRS、CTC、TCC、GSM-R 等設備上增加功能；車站股道增加精確定位應答器，如圖3 所示。

圖3 高速鐵路ATO系統的地面設備Fig.3 Ground equipment of high-speed railway ATO system

TSRS 增加通信接口服務器單元，新增加一路與CTC 的通信接口，在既有功能的基礎上，增加運行計劃處理和轉發，站間數據存儲、調用、發送，站臺門門控信息管理，站臺門命令/狀態轉發等功能。

CTC 增加發送對應的運行計劃、運行計劃自動調整、實時管理在線列車等功能并能顯示站臺門相關狀態。

TCC 增加站臺門防護功能、車門/站臺門聯動控制和站臺門狀態采集功能。

應答器報文中新增加隧道信息、TSRS 呼叫信息、運營停車點、門側等信息。

高速鐵路ATO 系統車載設備增加ATO 單元、GPRS 電臺及相關配套設備，如圖4 所示。

圖4 高速鐵路ATO系統的車載設備Fig.4 Onboard equipment of high-speed railway ATO system

ATP 車載設備增加列車開門防護及折返功能，并根據ATO 自動駕駛增加門允許、停準、GPRS 電臺等顯示功能。

3 系統差異性

高速鐵路ATO 系統與CTCS2+ATO 城際列控系統的差異性主要體現在以下幾個方面。

3.1 系統設備構成差異

在既有的CTCS 列控基礎上實現車地數據交互及站臺門聯動功能時，CTCS2+ATO 城際列控系統中在CTCS-2 級列控系統的基礎上新增加單獨的CCS設備；高速鐵路ATO 系統無需新增加設備，通過既有TSRS 設備上增加通信接口及相關功能實現。

CTCS2+ATO 城際列控系統使用原有的GSM-R網絡電路交換數據業務，高速鐵路ATO 系統需在GSM-R 系統上增加GGSN 設備及SGSN 設備。

CTCS2+ATO 城際列控系統車載設備是在CTCS-2 級列控系統的基礎上，增設ATO 設備和車地無線通信設備。高速鐵路ATO 系統車載設備分為分體設計與一體化設計，分體設計是在CTCS-3級列控系統國產化車載基礎上增加ATO 設備和車地無線通信設備，另外單獨設計一個機柜，一體化設計是在CTCS-3 級列控系統自主化車載基礎上增加ATO 設備和車地無線通信設備，最后和ATP 車載設備共同設計為一個機柜。

CTCS2+ATO 城際列控系統車載設備中的車地無線通信設備采用GSM-R 電臺與ATP 接口，高速鐵路ATO 系統車載設備中的車地無線通信設備采用GPRS 電臺與ATO 接口。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的車載設備ATO 通過RS-485 實現與車輛通信。高速鐵路ATO 系統中的車載設備由ATO 通過MVB 總線實現與車輛通信。

3.2 系統功能差異

CTCS2+ATO 城際列控系統中的TSRS 僅具有臨時限速設置、取消和管理功能，高速鐵路ATO 系統中的TSRS 不僅具有臨時限速設置、取消和管理功能，同時還有CTCS2+ATO 城際列控系統中CCS的所有功能，如增加站臺門命令/狀態轉發，站臺門門控信息管理，運行計劃處理和轉發，同時增加CCS 不具備的運行計劃的拼接，站間數據存儲、調用、發送等功能。

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高速鐵路ATO 系統的TCC 相比CTCS2+ATO城際列控系統的，減少了TCC 站臺緊急關閉的功能。

CTCS2+ATO 城際列控系統中應答器增加[CTCS-11]（股道信息包），且無需在正線無站臺股道設置，但ATO 所需的線路數據需由應答器提供。高速鐵路ATO 系統中增加[CTCS-13]（停車位置信息包），[CTCS-12]（ATO 通信管理信息包）且需要在[ETCS-68]包中增加隧道信息。

CTCS2+ATO 城際列控系統車地通信使用GSM-R 電路域業務；CTCS2+ATO 城際列控系統車地通信使用GPRS 分組域業務。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的車載設備由ATP 通過GSM-R 網絡實現車地通信；而高速鐵路ATO 系統中的車載設備是由ATO 通過GPRS 網絡采用動態分配的IP 地址方式實現車地通信。

相對CTCS2+ATO 城際列控系統中車載設備的門控功能，高速鐵路ATO 系統車載設備取消了自動關門功能。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的車載設備由ATP 實現車門/站臺門聯動控制；高速鐵路ATO 系統中的車載設備由ATO 實現車門/站臺門聯動控制。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的車載設備由ATP 轉發應答器中的線路數據和臨時限速給ATO；高速鐵路ATO 系統中的車載設備由ATO 通過車地無線通信直接從TSRS 中獲取線路數據和臨時限速。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的ATO 在無運行計劃時按照頂棚曲線追蹤控車策略；高速鐵路ATO系統中的ATO 在無運行計劃時有快行（低于允許速度2 km/h）、慢行（低于允許速度8 km/h）、正常（低于允許速度5 km/h）3 種控車策略。

CTCS2+ATO 城際列控系統中的車載設備具備站后端有人自動折返和原地折返兩種功能；高速鐵路ATO 系統中的車載設備僅支持原地折返。

由于CTCS2+ATO 城際列控系統的應答器設置，ATO 支持通過未設置[CTCS-11]包的車站時運行計劃有效；高速鐵路ATO 系統中的ATO，如經過未設置[CTCS-13]包的車站，會判斷運行計劃無效。

3.3 DMI顯示差異

根據CTCS2+ATO 城際列控系統的車載設備的使用情況，高速鐵路ATO 系統的車載設備DMI 顯示作了一些調整，如表1 所示。

表1 CTCS2+ATO城際列控系統與高速鐵路ATO系統DMI顯示差異Tab.1 Differences in DMI display between CTCS2+ATO intercity train control system and high-speed railway ATO system

4 應用趨勢

通過對CTCS2+ATO 城際列控系統和高速鐵路ATO 系統的差異性描述，從以下幾點總結高速鐵路ATO 系統的優勢所在。

從硬件設備構成角度分析，高速鐵路ATO 系統地面無需單獨增加設備，僅對既有設備進行改造，降低了系統復雜性，減少了建設成本，同時也降低了運營維護的成本，使用高速鐵路ATO 系統方案會使今后既有高鐵線路改造相對簡單，車載設備ATO與車輛接口也由RS-485 更換為MVB，減少了硬線接口。將來更有可能改為傳輸數據量更大，速度更快，價格更加低廉的TRDP。

從無線網絡分配角度分析，高速鐵路ATO 系統通過GPRS 網絡實現線路數據、運行計劃、車門/站臺門聯動等功能，改造升級既有線路時可不影響既有的GSM-R 網路通道。今后無線網絡更有可能都升級為網絡結構更加優化、延時更低的LTE 網絡。

從功能差異性角度分析，CTCS2+ATO 城際列控系統ATO 通過從應答器獲取的線路數據由于應答器容量有限，數據范圍同樣有限，對于無運行計劃行車只有一種策略選擇，且因為精確定位應答器的設置方式，對一些錯誤運行計劃的發送情況ATO不會進行防護。高速鐵路ATO 通過GPRS 網絡從TSRS 獲取線路數據，數據范圍更長。所以高速鐵路ATO 系統不僅可適用區間較短的城際鐵路，也同樣適用區間較長的高鐵線路。高速鐵路ATO 系統中的ATO 在無運行計劃行車時有3 種策略可以選擇，更加靈活。處于對乘客安全考慮，高速鐵路ATO系統取消了自動關門功能。最后高速鐵路ATO 系統完善了應答器的設置方式，并且對一些錯誤運行計劃發送的情況ATO 進行了防護。今后線路數據等內容預計會以電子地圖的方式通過無線傳輸至車載，輔以少量的地面應答器區分車站股道，減少對地面設備的依賴。

從司機的操作角度分析，高速鐵路ATO 系統取消了CTCS2+ATO 城際列控系統的與車輛顯示界面重復的ATO 與車輛顯示圖標，取消運行計劃的顯示，用ATO 狀態圖標的顏色區分有無運行計劃，取消復雜的前方站通過圖標用文字來代替，這些變化都大大簡化了司機的操作。開門允許圖標和停穩停準圖標顯示條件一致，未來可能根據司機的使用會進一步優化DMI 顯示內容。

5 結束語

高速鐵路ATO 系統無論從費用成本還是從功能的完整性上來講，都相對于CTCS2+ATO 城際列控系統更加完善，對于既有線路升級改造也相對簡單。通過京沈的成功試驗以及京張智能高鐵示范工程的應用，將進一步推廣高速鐵路ATO 系統，實現我國高速鐵路的智能化。