列車自動駕駛技術(shù)方案探討

徐 越 曾科智 高俊明

（中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，成都 610031）

國務(wù)院印發(fā)的《國家綜合立體交通規(guī)劃綱要》與TJ／QT 008-2020《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》明確將智能化納入中國鐵路發(fā)展規(guī)劃中。動車組自動駕駛（ATO）技術(shù)作為列車智能化重要標志之一，已在我國部分線路得到了初步應(yīng)用，在提高運輸效率、降低牽引能耗、減輕司機工作強度方面均取得了良好的效果。

目前，國內(nèi)城市軌道交通與鐵路均開展了自動駕駛技術(shù)的工程應(yīng)用，自動駕駛在城市軌道發(fā)展較快，北京地鐵燕房線、上海地鐵15、18 號線、成都地鐵9號線目前已經(jīng)實現(xiàn)了全自動駕駛（GOA4），駕駛室不再配屬負責(zé)監(jiān)控的司機。同時，自動駕駛技術(shù)在高速鐵路領(lǐng)域也得到了初步應(yīng)用，珠三角開通了C2+ATO 的莞惠，廣佛肇、廣清城際鐵路，京津冀開通了C3+ATO 的京張高速鐵路。然而，由于高速鐵路動車組運行速度快、運行交路多、運營場景復(fù)雜，目前自動駕駛自動化程度仍為GOA2 級。

本文參考城市軌道運營組織方式，結(jié)合高速鐵路實際運營需求，開展高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)方案研究，研究成果對完善高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)方案設(shè)計，提升高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)提升自動化、智能化水平具有重要意義。

1 高速鐵路ATO 系統(tǒng)需求分析

1.1 高速鐵路與城市軌道ATO系統(tǒng)對比分析

高速鐵路與城市軌道在運營環(huán)境、運行速度與控車系統(tǒng)等方面存在差異，由此導(dǎo)致對自動駕駛系統(tǒng)需求不盡相同。高速鐵路與城市軌道自動駕駛系統(tǒng)區(qū)別包括：

（1）線路條件不同：高速鐵路線路較長，站間距較城市軌道系統(tǒng)更長，列車走行距離拉長對高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)控制精度要求更高。此外，高速鐵路站場規(guī)模比城市軌道大，場景多樣、復(fù)雜，自動駕駛系統(tǒng)技術(shù)難度更大。

（2）運行環(huán)境不同：高速鐵路相比城市軌道運行環(huán)境復(fù)雜，自動駕駛系統(tǒng)需考慮過分相控制、長大坡道控制及風(fēng)雨雪、路橋、路隧過渡段等影響因素。

（3）運營速度不同：高速鐵路運營速度在200 km／h及以上，城市軌道運營速度一般不超過140 km／h。高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)需考慮高速下的列車運動模型、制動性能與線路環(huán)境，速度控制算法需更加精準、靈敏。

（4）互聯(lián)互通要求不同：城市軌道一般為專線運行，即使當(dāng)前正在進行的互聯(lián)互通示范，也只限于市區(qū)幾條線路之間，其運行范圍是確定的，自動駕駛系統(tǒng)可以預(yù)置好控車參數(shù)、線路數(shù)據(jù)等信息［1］；高速鐵路為全國一張網(wǎng)，需要考慮非自動駕駛列車與自動駕駛列車之間的跨線運行，其應(yīng)用范圍遠大于城市軌道。

（5）自動駕駛系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道不同：與城市軌道自動駕駛系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸通道不同，高速鐵路、城際鐵路需要采用單獨的GPRS 分組交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行計劃處理，而城市軌道主要采用LTE-M 通信方式。

（6）自動駕駛行車計劃來源不同：高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)運行計劃來自行車調(diào)度指揮系統(tǒng)（CTC），而城市軌道運行計劃或指令來自于列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）。

1.2 高速鐵路ATO系統(tǒng)功能需求分析

當(dāng)前運營場景中，高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)主要功能需求主要有7 個方面，如圖1所示。

圖1 高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)功能需求分析圖

由圖1可知，高速鐵路在自動駕駛領(lǐng)域主要功能需求主要包括車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門（防護）、車門或站臺門聯(lián)動控制、列車工況自動控制、列車故障處理及應(yīng)急處理等功能。其中，車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門自動開門（防護）、車門或站臺門聯(lián)動控制為GOA2 級自動駕駛系統(tǒng)功能需求，而列車工況自動控制、列車故障處理及應(yīng)急處理為GOA2 級以上自動駕駛系統(tǒng)功能需求。

目前，對于更高自動化程度下的需求（包括列車工況自動控制、列車故障處理及應(yīng)急處理）高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)暫未實現(xiàn)，有必要進一步研究。列車工況自動控制主要包括：列車上電、啟動、出庫、入庫、洗車、清掃、收車斷電等工況下的自動控制；列車故障處理自動處理主要包含列車牽引、制動故障、信號車載故障等情況下的自動處理及火災(zāi)、乘客緊急對講、障礙物、脫軌等場景下的緊急處理等。

2 高速鐵路ATO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 高速鐵路ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，C2／C3列控系統(tǒng)車載ATP通過融合地面列控中心、軌道電路（C2 列控系統(tǒng)）與無線閉塞中心（C3列控系統(tǒng)）、聯(lián)鎖進路等信息生成目標距離控制模式曲線，從而實現(xiàn)列車的超速防護。高速鐵路ATO 系統(tǒng)是在C2／C3 列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過配置ATO 相應(yīng)車載與地面設(shè)備實現(xiàn)列車的自動駕駛。

相比C2／C3列控系統(tǒng)，具備自動駕駛功能的列控系統(tǒng)設(shè)備變化包括：

（1）車載增設(shè)ATO 單元、無線電臺、ATO 用測速裝置，車載ATP 設(shè)備新增與車輛繼電器接口及MVB或以太網(wǎng)通信接口。

（2）CTC、TSRS、TCC 等地面設(shè)備增加ATO相關(guān)功能；

（3）股道增配精確定位應(yīng)答器，構(gòu)成高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)。

C2／C3 ATO 列控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 CTCS-2／CTCS-3+ATO 列控系統(tǒng)架構(gòu)圖

相比C2 級列控系統(tǒng)，C3 級列控系統(tǒng)配置的自動駕駛系統(tǒng)功能變化包括：

（1）CTC 增加了運行計劃調(diào)整、在線列車管理、運行計劃發(fā)送等功能。

（2）臨時限速服務(wù)器設(shè)增加了CTC 調(diào)度計劃處理與轉(zhuǎn)發(fā)，區(qū)間數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用、發(fā)送，站臺門控制信息轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

（3）新增列車自動開門功能，根據(jù)自動駕駛需要可適當(dāng)調(diào)整。

（4）TCC 根據(jù)需要增加車門或站臺門聯(lián)動控制、站臺門防護和站臺門狀態(tài)采集功能。

（5）股道增加停車定位基準點、門側(cè)、隧道信息等應(yīng)答器報文信息。

（6）ATO 設(shè)備在ATP 的監(jiān)控下，通過GPRS 接收運行計劃、站間數(shù)據(jù)（含線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和臨時限速）等信息實現(xiàn)列車速度自動控制、自動門、車門／站臺門聯(lián)動控制等功能。

2.2 高速鐵路ATO與其他子系統(tǒng)接口

高速鐵路ATO 系統(tǒng)中ATO 車載設(shè)備與地面TSRS 設(shè)備新增GSM-R／GPRS 接口；車載設(shè)備新增ATO 與車輛、ATP 等接口，修改ATP 與車輛接口；地面設(shè)備新增TCC 與站臺門系統(tǒng)接口，修改TSRS、TCC 與CTC等接口。高速鐵路ATO系統(tǒng)接口示意如圖3所示。

圖3 高速鐵路ATO 與其他子系統(tǒng)接口示意圖

高速鐵路ATO 與其他子系統(tǒng)接口傳遞信息及需求包括：

（1）TSRS 與ATO 接口

TSRS 與ATO 車載設(shè)備新增車地GPRS 通道進行無線通信；TSRS 向ATO 發(fā)送運行計劃、站間數(shù)據(jù)和站臺門狀態(tài)等信息；ATO 向TSRS 發(fā)送運行計劃反饋、列車運行狀態(tài)、開或關(guān)站臺門命令等信息。

（2）TSRS 與CTC 接口

CTC 中心與TSRS 設(shè)置獨立ATO 功能通道；CTC 向TSRS 發(fā)送運行計劃信息；TSRS 向CTC 提供列車運行計劃確認信息（由ATO 確認）和車載設(shè)備狀態(tài)信息。

（3）TCC 與CTC 接口

利用既有TCC 與CTC 站機通信通道進行通信；TCC 應(yīng)向CTC 站機發(fā)送站臺門狀態(tài)信息。

（4）TSRS 與TCC 接口

利用既有TSRS 與TCC 通信通道進行通信；TSRS向TCC 發(fā)送站臺門開或關(guān)命令、編組信息、股道等信息；TCC 向TSRS 發(fā)送站臺門狀態(tài)信息。

（5）TCC 與站臺門接口

新增TCC 與站臺門系統(tǒng)繼電接口；股道每側(cè)站臺門系統(tǒng)設(shè)置門鎖閉繼電器、門旁路繼電器和門報警繼電器。TCC 設(shè)置開、關(guān)門繼電器，并根據(jù)需要設(shè)置編組繼電器。

（6）ATP 與ATO 接口

ATP 向ATO 發(fā)送ATP 控制信息、開門允許、過分相信息、隧道信息、列車數(shù)據(jù)等信息；ATO 向ATP 發(fā)送ATO 運行狀態(tài)及ATO 顯示等信息。

（7）ATP 與車輛接口（ATO 相關(guān)）

ATP 與車輛接口信息采用繼電方式；ATP 從車輛采集牽引或制動手柄零位信號，向車輛輸出開門允許信號及ATO 有效信號。車輛從ATP 采集開門允許信號及ATO 有效信號，向ATP 輸出牽引或制動手柄零位信號。列車設(shè)置開門允許選擇開關(guān)，當(dāng)開門允許選擇開關(guān)由ATP 控制時，若ATP 輸出“開門允許”指令，車輛應(yīng)待續(xù)響應(yīng)司機或ATO 輸出的開門指令；若ATP 未輸出“開門允許”指令，車輛不響應(yīng)司機或ATO 輸出的開門指令。若ATP 因故不能輸出“開門允許”指令，可將開門允許選擇開關(guān)置于人工控制，由司機人工控制開門。列車走行過程中，ATP 不進行車門意外打開的防護處理。

（8）ATO 與車輛接口

ATO 與車輛采用繼電器和通信接口方式；通信接口可采用MVB 總線或以太網(wǎng)。

ATO 向車輛輸出“ATO 有效”、“開或關(guān)車門”指令、“牽引或制動”指令、“ATO 啟動”指令、保持制動施加、隧道等信息；車輛應(yīng)向ATO 輸出開或關(guān)門按鈕、車門狀態(tài)、門控模式選擇、ATO 啟動按鈕、列車數(shù)據(jù)等信息；輛接收到車載設(shè)備ATO 有效信息時，方可使用ATO 向車輛輸出的“開或關(guān)車門”指令、“牽引或制動”指令、保持制動施加等命令信息。

（9）ATO 系統(tǒng)與GPRS 接口

GPRS 與GGSN 通過冗余專線連接，鏈路層采用以太網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IP 協(xié)議。TSRS 中采取信息安全防護措施實現(xiàn)安全隔離。

3 高速鐵路ATO 系統(tǒng)工作原理

3.1 列車自動駕駛

列車自動駕駛包含動車組車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車等運營場景。列車車載ATP 設(shè)備與ATO 設(shè)備完成上電、注冊等啟動流程后，ATO 車載設(shè)備按照司機輸入或出站應(yīng)答器組提供的TSRS 編號呼叫TSRS 并建立鏈接，隨后TSRS 向ATO 發(fā)送位置報告參數(shù)信息，ATO 向TSRS 發(fā)送位置報告信息，如果列車位置有效，TSRS 根據(jù)基準點信息（LRBG 應(yīng)答器組）發(fā)送列車運行計劃，動車組具備發(fā)車條件后，司機在ATP 監(jiān)控下以PS 模式發(fā)車。發(fā)車過程中車載ATP 判定滿足自動駕駛條件時，控制臺“ATO 啟動”閃爍，司機按壓“ATO 啟動”按鈕進入自動駕駛（AM）模式。

列車由車站發(fā)車并通過離去區(qū)段應(yīng)答器組時，ATO 車載設(shè)備將接收TSRS 發(fā)送的運行計劃、站間數(shù)據(jù)和應(yīng)答器發(fā)送的TSRS 呼叫信息。ATO 根據(jù)CTC調(diào)度計劃、列車運行工況及TSRS 提供的站間數(shù)據(jù)，確定牽引、惰行、制動等控制策略，自動控制列車在區(qū)間的運行。當(dāng)ATO 系統(tǒng)判定CTC 調(diào)度計劃不可用時，ATO 車載設(shè)備自動選擇默認策略控制列車運行，司機根據(jù)列車運行情況，可人工調(diào)整預(yù)選駕駛策略。

當(dāng)列車通過股道精確定位應(yīng)答器時，ATP 通過應(yīng)答器信息讀取模塊獲得定位信息并對列車位置校正。車載設(shè)備根據(jù)運營停車定位基準點信息確定精準停車位置和站臺門信息。ATO 根據(jù)ATP 控車信息及列車位置、速度等信息調(diào)整對列車運行狀態(tài)，最終實現(xiàn)精準停車。列車進站停穩(wěn)并保持制動狀態(tài)且停準時（列車實際位置與運營停車定位基準點距離誤差小于ATP 安全停車窗），DMI 應(yīng)顯示停穩(wěn)停準圖標，車載設(shè)備在自動駕駛或完全監(jiān)控模式下向動車組提供“開門允許”（左、右側(cè)或雙側(cè)）指令。車載設(shè)備將停車信息發(fā)送給地面設(shè)備，車載設(shè)備-地面設(shè)備完成車門與站臺門聯(lián)動控制后，站臺門與動車組分別控制站臺門、車門同步打開。

3.2 車站自動開門（防護）

ATP 車載設(shè)備在列車停準、停穩(wěn)后，根據(jù)側(cè)線股道應(yīng)答器中相關(guān)信息，進行站臺門開門防護，其中，站臺門信息分為“左側(cè)”、“右側(cè)”、“雙側(cè)”三種，分別表示“開左門”、“開右門”、“左、右側(cè)同時開門”。ATO 開門控制有兩種方式：司機開或關(guān)門和ATO 開門或手動關(guān)門。

3.3 列車非正線運行工況下的自動控制

動車組非正線運行工況下的作業(yè)（如列車上電、啟動、出庫、入庫、洗車、清掃與收車斷電等）由ATO系統(tǒng)自動控制或中心遠程控制，不需要司機進行相關(guān)操作［2］。此外，動車組障礙物檢測、遠程緊急制動及緩解、列車運行狀態(tài)監(jiān)測及故障處理均在ATO 系統(tǒng)與遠程控制中心監(jiān)控下自動完成相關(guān)作業(yè)。上述自動駕駛功能屬于GOA4 級-全自動無人駕駛，目前該級別的高速鐵路領(lǐng)域自動駕駛功能仍處于研發(fā)中。

4 高速鐵路ATO 系統(tǒng)工程方案

新設(shè)自動駕駛的高速鐵路線路，列控車載設(shè)備需修改ATP 與ATO 的接口，地面車站股道需增設(shè)精確定位應(yīng)答器組，此外CTC 調(diào)度中心需新設(shè)ATO 接口服務(wù)器，TSRS 等需要做適應(yīng)性修改，車站CTC、TCC等設(shè)備需增加相關(guān)ATO 功能

4.1 車載ATO設(shè)備

新采購動車組車載ATP 與ATO 集成于一個機柜，二者之間采用物理隔離。ATP 與ATO 作為控車模塊，采用冗余配置。列車兩端駕駛室各配置1 套ATP 與ATO 綜合機柜，其中列車激活端的設(shè)備為主控設(shè)備，控制列車運行，列車未激活端的ATP 與ATO 為熱備冗余單元，二者可人工切換。正常運行期間，兩端均能接收來自兩個駕駛室的諸如按鈕、開關(guān)和接點的輸入［3-4］；無故障運行時，未激活端ATO 控制單元跟隨激活端ATO 控制單元的輸出；當(dāng)激活端ATO 故障時，立即切換到狀態(tài)未激活端ATO 控制列車的運行。

新采購的具有ATO 功能的動車組，集成了ATO 與車輛繼電器、MVB 及以太網(wǎng)的接口，無需考慮ATO 與車輛接口的修改。

4.2 ATO系統(tǒng)地面支持設(shè)備

高速鐵路ATO 線路需按照TJ／DW 221-2019《高速鐵路ATO 系統(tǒng)應(yīng)答器設(shè)置及應(yīng)用暫行技術(shù)條件》［5］設(shè)置應(yīng)答器。與非ATO 高速鐵路線路相比，車站側(cè)線股道增加了5 組精確定位應(yīng)答器，用于列車精確停車。另外，ATO 線路與非ATO 線路過渡區(qū)段，需設(shè)置ATO 切換應(yīng)答器組，從而實現(xiàn)不類型動車組在不同線路區(qū)段的跨線運行。此外，應(yīng)答器組增加了停車定位基準點、門側(cè)、隧道信息等應(yīng)答器報文信息。

4.3 地面其他系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備

與ATO 相關(guān)的地面其他相關(guān)子系統(tǒng)也要做適應(yīng)性修改。其中，地面調(diào)度中心需新設(shè)1 套ATO 接口服務(wù)器，調(diào)度中心TSRS 等其他相關(guān)設(shè)備作適應(yīng)性修改；車站CTC、TCC 等設(shè)備增加相關(guān)ATO 功能。另外，地面需新設(shè)GPRS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)ATO 系統(tǒng)對運行計劃、站間數(shù)據(jù)的接收。

5 高速鐵路ATO 系統(tǒng)智能化展望

目前，高速鐵路ATP 與ATO 系統(tǒng)共同實現(xiàn)了GOA2 級的自動駕駛，在進路安全控制、正線列車間隔安全控制、列車超速防護、列車運行監(jiān)控、列車運行調(diào)整等方面均實現(xiàn)了設(shè)備的自動控制，但其距離《智能高速鐵路體系架構(gòu)1.0》智能裝備-列車智能駕駛技術(shù)仍有一定的差距，根據(jù)智能高速鐵路頂層架構(gòu)設(shè)計，現(xiàn)有自動駕駛技術(shù)將向環(huán)境狀態(tài)自感知、安全態(tài)勢自評估、設(shè)備故障自診斷的智能駕駛技術(shù)方向演進［6］。

未來高速鐵路ATO 系統(tǒng)自動化程度將由GOA2級向GOA4 級邁進，由現(xiàn)在的三級控制（調(diào)度中心、車站、司機）、兩級管理（調(diào)度中心、車站）發(fā)展為兩級控制（中心智能化綜合管理平臺、車站）、一級管理（中心智能化綜合管理平臺）。ATO 達到GOA4 級時，司機的工作職能一部分由中心智能化綜合管理平臺完成，司機、調(diào)度中心和車站共同控制的運營控制模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合管理平臺直接面向運行的運營管理模式。在列車上電、啟動、出庫、正線運行、停站、開關(guān)門、發(fā)車、入庫、洗車、清掃、收車斷電等作業(yè)過程中，由司機控制或防護的職能，在GOA4 級時則由系統(tǒng)或綜合管理平臺遠程控制實現(xiàn)。

高速鐵路ATO 系統(tǒng)自動化程度達到GOA4 級時，數(shù)據(jù)存儲量增大，信號系統(tǒng)與牽引變電、接觸網(wǎng)、客票、災(zāi)害監(jiān)測等系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)增多，要求在調(diào)度中心搭建智能鐵路綜合管理平臺。基于云服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)的智能鐵路綜合管理平臺，提供數(shù)據(jù)管理、集成、存儲、分析、計算等服務(wù)。各專業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)在智能鐵路綜合管理平臺匯集并進行統(tǒng)一處理，最終為智能高速鐵路智能裝備、智能運營等領(lǐng)域的應(yīng)用提供決策支持。

6 結(jié)束語

我國較早開展了智能高速鐵路的系統(tǒng)研究，制定了智能高速鐵路體系架構(gòu)和發(fā)展戰(zhàn)略，并在京張高速鐵路、珠三角城際等工程中開展了創(chuàng)新性應(yīng)用。目前我國處于高速鐵路智能化關(guān)鍵技術(shù)突破的關(guān)鍵階段，開展高速鐵路自動駕駛子系統(tǒng)深入研究，可進一步提高其自動化、譜系化發(fā)展水平，推動現(xiàn)有自動駕駛技術(shù)面向環(huán)境狀態(tài)自感知、安全態(tài)勢自評估、設(shè)備故障自診斷的智能駕駛技術(shù)方向演進，為打造更加安全、高效、智能、綠色的智能駕駛技術(shù)裝備奠定基礎(chǔ)。