适应高速铁路自动驾驶系统的列车运行计划调整策略研究

李宝旭，李建明

（1.中国铁路沈阳局集团有限公司 质量技术监督所，辽宁 沈阳 110001；2.中国铁路沈阳局集团有限公司 长春站，吉林 长春 130051)

高速铁路动车组列车自动驾驶系统(以下简称“ATO 系统”)实现了列车在车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门开关控制、车门/站台门联动控制等功能，对于保证安全、提高效率、节约能源等方面都有较大提升[1]。列车运行由列车运行计划直接控制，由于受到线路条件、设备故障、突发事件等诸多影响，给列车运行计划的及时性、准确性带来极大挑战。为此，研究与ATO 相匹配的列车运行计划调整策略，是保障高速铁路运输安全的必要手段。

1 ATO 系统与运行计划关系分析

1.1 ATO系统工作原理

ATO 系统是一个具有重复性、多场景运行特征的复杂非线性受控系统，在CTCS-3 级列控系统基础上，通过车载设置ATO 单元实现自动驾驶功能，通过地面设置专用的精确定位应答器实现精确定位[2]，通过优化既有地面设备实现站台门控制、站间数据发送和列车运行计划处理。ATO 系统结构如图1 所示。

图1 ATO 系统结构Fig.1 High speed railway ATO system structure

ATO 系统由地面设备提供系统自动运行所需的相关数据，车载ATO 设备根据地面设备提供的列车运行计划、站间数据自动调整驾驶策略，控制列车自动加速、巡航、惰行、减速和停车，实现自动按图行车。

行车调度指挥系统根据实际运营情况，以日班计划为依据，结合动车组性能，对列车运行信息进行调整，形成列车运行计划。列车运行计划发生调整时，地面设备实时向车载ATO 设备发送调整后的列车运行计划。

经过实验室测试和京沈高速铁路综合试验段现场测试，验证了CTCS-3+ATO 列控系统的有效性、稳定性。相较于传统的人工驾驶，基于运行计划与ATP 移动授权的ATO 系统有效提升了列车运行安全，消除了人工驾驶以经验操作为主带来的运行效果差异性，降低了司机劳动强度，提高了旅客舒适度。

1.2 适应ATO系统的运行计划调整需求

由ATO 工作原理可以看出，应用ATO 系统后，司机岗位职能已经由操纵列车转变为应急值守，系统根据列车调度员下达的列车运行计划控制列车自动发车、加速、巡航、惰行、减速、停车及开关车门，因此列车运行计划是ATO 自动驾驶的根本保障。

（1）适应我国铁路复杂运用场景。高速铁路成网运行条件下，线路交叉、站台复用等情况对ATO 系统的处理能力提出了更高的要求，对列车运行计划影响也较大。

（2）应急处理复杂多变外部环境。高速铁路运行计划易受到外部环境的影响，如风、雨、雪、雾、霜等环境下线路黏着条件变化时，列车不能按照正常速度运行，需要及时对列车运行计划作出调整。

（3）满足多类型列车最优运行曲线。不同种类列车牵引制动性能存在差异性，其最优运行曲线不同，需要对列车运行计划作出调整。

1.3 ATO系统与运行计划相关接口

ATO 系统通过列车运行计划实现自动驾驶，行车调度指挥系统以日班计划为基本依据，结合列车实际运行情况，对列车运行计划进行实时调整，地面设备通过GPRS向车载ATO 设备发送调整后的列车运行计划，ATO 车载设备在ATP 的行车许可下，通过GPRS 无线通信收到的列车运行计划、站间数据(含线路基础数据和临时限速)等信息实现列车速度自动控制、自动开车门和车门/站台门联控控制等功能。ATO 系统接口示意图如图2 所示。

1.4 ATO系统与运行计划的相互约束

（1）ATO 系统执行列车运行计划存在限制条件。ATO 驾驶策略严格执行列车运行计划要求，ATO 车载设备根据列车运行计划中前方站列车到发股道、列车到发时刻、列车通过等信息，结合当前运行位置和速度计算区间运行时分，从而控制列车运行速度[4]，但由于受设备条件限制，在顶棚速度区运行时，列车速度不低于80 km/h，即如果按照列车运行计划计算的运行速度低于80 km/h时，系统只能默认按照80 km/h 的速度运行，ATO无法执行更低的运行速度值，发生这种情况，列车运行计划将无法实现。

（2）列车运行计划不准确影响ATO 自动驾驶。列车调度员下达的列车运行计划不及时、不准确，或ATO 系统接收的列车运行计划不可用时，ATO将自动选择预选驾驶策略控制列车运行，选择策略1 时低于ATP 曲线5 km/h，为默认策略；选择策略2 时低于ATP 曲线2 km/h；选择策略3 时低于ATP 曲线8 km/h。ATO 预选驾驶策略示意图如图3 所示。

作者简介：张喜玲，女，黑龙江密山人，苏州国际外国语学校，初中英语教师，二级教师，硕士研究生，研究方向：英语教育。

图2 ATO 系统接口示意图Fig.2 Diagram of ATO system interface

由图3 可知，如按照列车运行计划计算的运行时分小于列车按顶棚速度运行所需时分时，运行计划无法实现；如按照列车运行计划计算的运行时分大于列车按顶棚速度运行时分，则列车不能达到规定的运行速度，将导致列车晚点。

图3 ATO 预选驾驶策略示意图Fig.3 Diagram of ATO pre-selected driving strategy

2 列车运行计划与ATO 系统适应性分析

通过分析2019 年1—10 月京沈高速铁路ATO运行试验数据发现，存在列车运行计划不及时、不准确的问题，结合对相关的信息系统进行分析，主要原因是影响行车的信息不能自动集成、系统不能自动调整列车运行计划、人工判断运行时分不准等问题。

2.1 行车限制信息不能自动集成处理

当前高速铁路自然灾害和异物侵限监控系统提供的风、雨、雪限速或禁行信息[5]，供电系统提供的接触网跳闸限速或禁行信息，车辆系统检测发现的异常限速或禁行信息等，均不能直接与ATO 系统和列车运行计划系统相关联，无法实现自动控制，而是将所有行车限制报警信息分别发送到调度台，由调度员人工集成、人工判断，再布置相关列车司机采取停车或限速措施；多项行车限制信息同时发生时，人工处置的及时性、准确性很难保证，而且这种处置方式也不适用于ATO 自动驾驶需要，造成退出ATO 自动驾驶的场景过多。

2.2 列车附加运行时分无法准确判断

当高速铁路动车组列车在区间产生停车、限速等运行限制条件，或者发生大面积晚点不能按正常速度运行时，对已经在区间内运行的列车，调度集中控制系统(Centralized Traffic Control，CTC)不能准确采集或接收列车当前的运行速度和运行位置[6]，无法自动计算列车降速、提速附加时分和限速影响时分[7]，只能由列车调度员人工预估列车运行影响时分，并据此调整CTC 系统的列车运行计划，存在一定判断误差。

2.3 列车运行计划缺少执行前检验环节

列车运行计划调整的时效性要求很高，需在极短时间内完成，而目前CTC 系统的列车运行计划完全依靠人工计算和人工调整，必然存在一定的不合理性。同时，列车运行计划下达后，ATO 系统不能根据顶棚速度和最低限速不能低于80 km/h的运行条件[8]，对列车运行计划的可执行性给出检验，及时向CTC 系统反馈；ATO 系统与CTC 系统无法相互检验列车运行计划的科学性、合理性，就不能在列车运行计划执行前发现问题，不能提前给出报警提示并做出合理调整。

2.4 调度系统智能化程度有待提高

当前铁路各系统智能化快速发展，列车驾驶运行、接发车进路办理、客运闸机检票、信息广播上屏等实现了自动化办理，且均依托于列车运行计划办理。但调度系统的列车运行计划自动化程度与高质量需求不匹配，目前高速铁路调度主要使用CTC 系统指挥行车，CTC 系统与外部信息没有实现有效兼容，完全靠人工整合各种行车信息，还需要调度员人工查看邻台列车、人工计算影响时分、人工判断调整方案[9]、人工挪动列车运行线，加之高速铁路列车密度大、临时限速多、交叉影响大等诸多因素影响，列车运行计划的及时性、准确性很难适应ATO 系统自动驾驶的需要。

3 适应ATO 系统的列车运行计划调整策略

针对ATO 系统应用后对调度行车指挥需求的变化，科研单位、设备厂家进行了相关系统研发，部分系统已经在京沈高速铁路进行初期试验。结合已经开展的研究和现场实际需求，根据列车运行、调度指挥相关信息系统条件，研究适应ATO 系统的列车运行计划调整策略建议。

3.1 研发集中化行车控制平台

针对当前高速铁路各信息系统未实现信息完全共享，造成信息不对称、计划调整不及时的问题，提高信息采集、处理的准确性和及时性，研发能够集成防灾、供电、车辆、CTC、列控等相关系统信息的集中化行车控制平台，在各专业系统自主独立运行的同时，实现各种行车信息互通共享[10]，实时采集设备状态和外部环境信息，据实形成行车限制信息，即时形成行车指令发送至ATO 系统，ATO 系统根据行车限制要求自动采取降速、停车等控制措施，从而减少人工判断、传递、执行等环节，实现“机控”保安全。集中化行车控制平台结构如图4所示。

将行车限制信息反馈至CTC 的列车运行计划系统，根据设备条件和现场实际对列车运行计划进行自动调整，下达至ATO 系统控制列车运行。列车运行计划自动调整示意图如图5 所示。

由图5 可知，通过各信息系统行车限制信息和列车晚点信息的实时共享，系统智能判断、精准计算，自动压缩G399次列车预留附加时分，有效解决人工计算滞后和存在误差的问题，提升了列车运行计划的精准性和及时性。

图4 集中化行车控制平台结构Fig.4 Structure of centralized operation control platform

图5 列车运行计划自动调整示意图Fig.5 Automatic adjustment of train operation plan

3.2 设计设备信息与运行图表一体化管控模式

列车运行计划调整需建立在掌握设备状态和列车运行实况的基础上，但当前运行图界面除下达计划和采点功能外，没有与设备状态进行关联，制约了列车运行计划自动调整。重点研究行车设备与运行图相结合的指挥模式，将列车运行线、车辆、线路、信号、接触网设备等集成在同一个界面操作形成一一对应关系，通过读取设备的行车限制信息或人工设定的行车限制条件，自动形成应急处置流程命令和列车运行调整计划，实现设备状态与运行计划一体化管理。

列车运行图系统应建立线路、接触网、车辆等设备状态智能感知体系，通过接收设备变化信息，准确掌握行车限制条件，实现设备状态自动采集分析。对人工汇报的外部侵害等影响行车信息，通过人工设置行车限制条件，匹配到列车运行图系统，使列车运行图系统及时准确汇总各类对行车产生影响的信息。

列车运行图系统接收汇总各类行车限制信息后，综合分析设备状态对列车运行时分和接发列车条件的影响，进而形成与列车运行计划相匹配的影响信息，根据列车运行图结构、列车实际运行位置、车站接发车能力等条件，对列车运行计划进行自动调整。

高速铁路应急处置流程化、及时性的特点明显，系统根据设备状态变化信息，自动设定应急处置模型，根据行车限制条件和列车运行位置，即时自动生成、发送、执行行车限制命令，实现应急反应科学、迅速，为高速铁路列车运行安全提供保障。

3.3 探索即时位置线和限制位置线的运行图结构

针对当前列车运行图只能按照站间划分，对已经在站间运行的列车不能区分具体限制区段，无法根据列车运行实际位置精准计算到达前方站时刻的问题，探索列车即时位置线和行车限制位置线在列车运行图中的应用。即时位置线是指通过车载信息系统对列车运行位置的实时反馈，准确定位列车在运行图站间所处的位置，形成即时列车运行位置线；行车限制位置线是指根据各信息系统提供的行车限制条件，在运行图中准确定位行车限制的起止里程，形成列车运行限制线。

通过引入列车即时位置线和行车限制位置线，系统能够在当前列车运行位置和行车限制点与前方站间形成虚拟区间，根据虚拟区间的行车限制条件和当前列车运行位置、状态，准确计算列车在限制范围内的影响运行时分，精准判断列车到达前方站的时刻，进而推算列车在站间不同位置采取的不同运行速度。

在列车运行图中引入列车即时位置线和行车限制位置线，可解决以往列车运行图按站间计算运行时分不够精准的问题，将列车运行线的变化点精准到实际行车限制位置，据此精准调整列车运行计划，发送至ATO 系统执行自动驾驶，达到分段精准控制列车运行速度的目的，同时也提高车站的通过能力，避免了列车在行车限制点前紧追踪的风险。列车运行限制线构想如图6 所示。

图6 列车运行限制线构想Fig.6 Concept of limit line for train operation

3.4 优化ATO区段人工调整计划方法

（1）研究适合ATO 的列车运行计划调整原则。通过京沈高速铁路联调联试不断摸索验证，积累ATO 区段列车运行调整规律，在现有技术设备条件下，适应ATO 区段列车运行计划直接控车的特点，人工调整阶段计划时应按照“由远及近，先快后慢”的调整原则，以适应ATO 直接控制列车运行速度的要求[11]，充分考虑阶段计划能够控制的列车最低降速值，防止调整无效计划，造成列车紧追踪运行。

（2）提升系统对人工决策的辅助决策水平。针对各类设备故障和风雨雪等自然灾害影响情况，逐项查定常态运用的8 个档位列车运行速度所需运行时分，并根据牵引计算原理查定不同档位间提速、降速所需的运行附加时分，编制快速计算软件，实现快速准确计算，据此调整列车运行计划，并不断地实践验证、校核影响时分的准确性。

（3）列车调整充分考虑旅客乘车舒适度。在发生较大非正常情况影响列车大面积晚点时，要适当采用多个列车运行计划平移调整的方式，使列车处于平缓运行状态，尽量避免逐列调整列车运行计划产生时间差，充分考虑列车突然降速或提速对旅客乘车舒适度造成的影响。

4 结束语

随着高速铁路ATO 系统、CTC 系统、旅服系统、自然灾害和异物侵限监测系统等新技术、新设备不断投入运用，高速铁路智能化、自动化、集中化程度迅速提升，而CTC 系统与其他专业系统缺乏信息集成共享，需要进一步完善集中化行车控制平台，自动汇集相关行车信息，自动生成列车运行计划，优化列车运行计划调整策略，确保高速铁路列车运行安全，提升高速铁路列车运行质量。