高速铁路自动驾驶系统方案设计研究

李一楠，郑理华，徐效宁

（中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所，北京 100081)

1 概述

随着我国高速铁路网逐年扩大，运输压力不断提高，高速铁路需要更加高效和便捷的控制系统，在提高自动化运行程度的同时保障安全性。因此，高速铁路运输对于自动驾驶的应用需求持续增加。如何在高速铁路既有的列控系统中叠加自动驾驶功能，是近年来我国高速铁路重点研究的技术之一。

中国列车运行控制系统(Chinese Train Control System，CTCS)是我国高速铁路重要的控制系统，保证高速列车安全、可靠的运行。CTCS对列车运行进行实时监控，以目标距离连续速度控制模式方式超速防护，其中我国运用最为广泛的是CTCS-3和CTCS-2级列控系统。列车自动驾驶(Automatic Train Operation，ATO)最早在城市轨道交通中应用[1]，它以自动化方式替代司机驾驶列车的任务，利用地面信息实现对列车牵引、制动、惰行和自动折返等运行控制，综合考虑运行计划、列车性能参数、线路数据条件等因素进行实时计算和优化控制，使列车基本处于最佳运行状态，提高了旅客的乘坐舒适度和列车的准点到达率，缩短运行间隔、提高运输效率，最大程度降低人为因素的出错率，降低运营成本并可节约能源。目前ATO在城市轨道交通中得到快速发展，是自动化控制的可靠技术保障。因此，CTCS列控系统和ATO系统在高速铁路和城市轨道交通2个不同领域均得到了广泛应用，有着成熟可靠的技术基础。CTCS列控系统技术重心落于安全性，ATO系统则更多是关注提高运输效率、乘坐舒适度，以及准点率和自动化控制等应用技术。

近年来，我国逐步开展了铁路自动驾驶技术应用的可行性研究，建立起较完善的自动驾驶技术融合方案，一种结合高速铁路和城市轨道交通各自特点的控制系统应运而生，即高速铁路ATO系统。高速铁路ATO系统在可靠的CTCS列控系统中叠加ATO自动驾驶功能，在具备安全性保障的前提下，利用自动化控制技术提高运输效率、便捷性，提高自动化程度。

高速铁路ATO系统根据速度等级不同可以分为CTCS2+ATO和CTCS3+ATO系统。其中，CTCS2+ATO系统是CTCS2级列控系统叠加ATO相关功能，适用于速度250 km/h及以下的线路，经几年应用研究和技术探索，以及在珠三角地区的成功运用[2]，形成了CTCS2+ATO列控系统总体技术方案[3]，系统逐步优化和完善，为CTCS3+ATO系统的研究打下了坚实的技术基础。CTCS3+ATO系统是CTCS3级列控系统叠加ATO相关功能，适用于更高速度等级线路，也是今后高速铁路ATO系统的重点发展方向，目前已经成功装车并进行试验验证。

我国在列控系统叠加自动驾驶功能技术领域属于国际领先水平，不但形成了相对成熟的总体技术方案，并且有成功的现场应用经验。而欧洲在这方面的研究始于2013年，启动了下一代列车运行控制系统(Next Generation Train Control，NGTC)计划[4]，该计划根据既有列控系统的技术特点与基于无线通信的列车控制系统(CBTC)的优势相结合，提出叠加自动驾驶功能的欧洲列车控制系统(ATO over ETCS)的运营理念。欧洲列车控制系统(ETCS)规范体系在ETCS基线3版本规范基础上，增加了ATO的系统需求规范及相关的接口规范，但至今仍没有现场应用经验。

2 高速铁路ATO系统方案设计

2.1 系统结构

高速铁路ATO系统由车载设备和地面设备组成，车载设备部分包括列车运行控制系统(Automatic Train Protection，ATP)，以及列车自动驾驶ATO、无线电台等设备；地面设备包括临时限速服务器(Temporary Speed Restrictoin Server，TSRS)、调度集中系统(Centralized Traffic Control System，CTC)、 列 控 中 心 (Train Control Center，TCC)等设备，车站股道增加精确定位应答器，构成了高速铁路ATO系统。高速铁路ATO系统总体结构如图1所示。

高速铁路ATO系统各子系统的设计功能如下。

图1 高速铁路ATO系统总体结构Fig.1 The structure of ATO system for high-speed railway

（1）ATP实时计算目标距离连续速度控制模式曲线并依据曲线对列车超速进行自动防护，其中应答器接收单元接收、解调地面应答器信号获得线路数据，测速测距单元采集来自速度传感器的信号并计算速度、走行距离和方向，无线传输单元实现车－地无线消息双向传输并具备消息加密－解密功能，轨道电路处理单元接收解调地面轨道电路的载频、低频等信息，用于轨道电路占用及移动授权的计算等。ATP实现上述既有安全防护功能基础上，进行适应性功能优化，协同ATO控车并增加车门防护[5]。

（2）ATO在ATP的安全行车许可控制范围内，通过无线通信接收运行计划、线路数据和临时限速等信息实现列车速度自动控制、自动开关车门功能。

（3）TSRS负责临时限速集中管理，在既有的功能外增加了站台门(安全门或屏蔽门，以下简称“站台门”)控制信息管理、站台门命令处理、运行计划管理、站间数据管理等功能。

（4）CTC负责对信号设备集中控制，对列车进行指挥和管理。在既有功能基础上实现发送运行计划、管理在线列车、计划自动调整等功能。

（5）TCC在既有功能基础上增加站台门联动控制和站台门防护功能，负责接收TSRS发送的开关站台门命令，实现站台门控制功能。

（6）应答器组在既有报文信息[6]定义外，增加了停车标、门侧等城际铁路相关的报文。

2.2 系统功能

高速铁路ATO系统是列车运行控制系统ATP基础上增设ATO实现自动驾驶控制，地面设置专用精确定位应答器实现精确定位，地面设备通过无线通信实现站台门控制、站间数据发送和运行计划处理[7]。主要以实现区间自动运行控制、车站自动停车和发车、车门防护及站台门联动控制来提高运输效率和安全性。

（1）区间自动运行。在ATP安全防护下自动驾驶ATO单元根据地面设备提供的线路数据条件、运行计划，考虑动车组制动牵引性能和相关车辆参数，采用不同驾驶策略实时进行计算和调整，自动控制列车的加减速、定速巡航、启动停车和惰行，根据运输时刻表自动调整列车速度。ATO在控速设计中进行舒适度优化，避免加减速度变化率过大而影响乘坐体验。相对于人工驾驶的列车，列车准点到达率得到提升，列车运行间隔也有所缩短，乘坐体验良好，降低司机操作出错率。

（2）车站自动停车和发车。高速铁路ATO系统通过自动驾驶并根据地面应答器精准停车信息，实现精准对标控制，确保列车自动且准确地停在股道运营停车点。而站内发车时，当地面具备发车条件后，司机仅需按压“ATO启动”按钮确认后，动车组从车站自动发车，有效缩短发车间隔。自动停车和发车功能，彻底避免司机手动停车精度低、对标不准造成的无法正常开门的情况，同时提高区间运行及进出站的运输效率。

（3）车门防护及站台门联动控制。系统在列车进站后，通过地面应答器信息可判断站台方向，待列车停准停稳后，如果运行计划要求当前车站办客，系统可自动控制开启车门，同时控制站台门联动。车门及站台门联动控制流程示意图如图2所示。在繁忙的城际铁路公交化运营模式中，车门操作更加频繁，利用系统实现自动化车门控制及站台门联动功能，较之司机手动控门出错率大幅降低，确保车门和站台门的正确开启，进一步保障旅客上下车的安全性。

综上所述，基于高速铁路ATO系统的铁路运输，提高了站内发车和停车效率，缩短了区间运行形成间隔，提高准点达到率，同时加强了旅客的安全保障，经济和社会效益有了明显提升。

2.3 系统应用

CTCS2+ATO系统在广佛肇(广州—佛山西—肇庆)和莞惠(东莞—惠州) 2条城际铁路中得到成功应用。广佛肇城际铁路沿线共设广州、佛山西、狮山、狮山北、三水北、云东海、大旺、四会、鼎湖东、鼎湖山、端州、肇庆站等12个客运业务办理车站，线路全长111 km。莞惠城际铁路常平东站至小金口站区段沿线共设常平东、樟木头东、银瓶、沥林北、仲恺、惠环、龙丰、西湖东、云山、小金口站等10个客运业务办理车站，线路全长53 km。这2条线路实现了公交化运营模式，车票随买随走，站台安装自动屏蔽门，实现了列车自动驾驶、精确停车、车门与站台门联动控制等功能，有效减轻了司机、站台客运人员的劳动强度，加快了珠三角各主要城市之间的互联互通，极大地提高了运输效率和出行便捷性。其中200C列控车载叠加ATO系统，是通过列控设备的扩展单元模块[8]，使200C型列控系统与ATO及相关设备通信，实现列控ATO系统功能。自从2016年广佛肇和莞惠2条城际铁路开通运营以来，经过不断的现场运营实践，发现CTCS2+ATO系统有待改善和优化的问题，如站台门相关故障、车地通信故障、未对标精确停车、外界影响导致ATO控车越标停车等。通过现场运行数据分析，结合实际情况在技术上进行优化升级，系统不断完善，进一步增强了CTCS2+ATO系统的适应性和可用性。

CTCS3+ATO系统目前安装于复兴号标准动车组，正在京沈客运专线(北京—沈阳)自主化智能高速铁路综合试验中进行全功能测试验证。京张铁路(北京—张家口)将于2019年开通，成为中国首条“智能铁路”，用于京张铁路的复兴号列车将进行智能化升级，其中就包括CTCS3+ATO系统，在世界上将首次实现速度350 km/h的自动驾驶。

图2 车门及站台门联动控制流程示意图Fig.2 Schematic diagram of interact control between train door and platform door

3 结束语

高速铁路ATO系统在CTCS-2和CTCS-3列控系统基础上与自动驾驶进行技术融合，确保系统安全性的同时，提升了站内及区间运行效率。CTCS-2+ATO系统已有多年应用业绩，用户反馈系统简化了司机的操作，有效确保列车准点到达，目前正在进行扩大应用。CTCS-2+ATO系统的成功也为CTCS-3+ATO系统提供了良好的技术和应用基础[9-10]。CTCS-3+ATO系统通过了全面系统的实验室仿真测试并在京沈客运专线的现场试验中得到验证，功能全部符合设计预期，将在京张铁路率先投入使用。自动驾驶技术借鉴城市轨道交通的技术经验，结合高速铁路特点将不断进行优化研究，实现高速铁路最高等级完全无人自动驾驶的ATO系统。