王 佳

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

高速鐵路已成為中短途旅客出行首選的交通工具，具有快捷、準時、安全和環(huán)保等特點， 列車運行控制系統(tǒng)（Chinese Train Control System，CTCS）是我國高速鐵路建設(shè)重要技術(shù)裝備之一，擔負著列車追蹤安全防護和列車運行安全控制功能。城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)通過增加ATO系統(tǒng)實現(xiàn)車門自動控制、車門與站臺門聯(lián)動控制、運行計劃管理等相關(guān)功能，已經(jīng)在莞惠、佛肇城際線路開通運營。

高速鐵路CTCS-3/CTCS-2級列控系統(tǒng)上增加ATO系統(tǒng)實現(xiàn)高速鐵路的自動駕駛、自動車門控制及運行計劃管理等功能[1]，自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用可有效的提高運輸能力、降低運行能耗、減輕司機勞動強度，是高速鐵路列控系統(tǒng)智能化的重要標志。

本文從車載ATO設(shè)備功能進行分析，針對CTC運行計劃的應(yīng)用方法進行研究，提出CTC運行計劃的處理原則及應(yīng)用方法。

1 運行計劃處理基本原則

1.1 CTC運行計劃

城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)中CTC通過CCS設(shè)備利用車地GSM-R網(wǎng)絡(luò)通道將運行計劃信息發(fā)送到對應(yīng)的動車組，由車載ATO設(shè)備實時處理CTC運行計劃信息，車載設(shè)備提示司機或者自動執(zhí)行CTC運行計劃內(nèi)容[2]。

高速鐵路ATO系統(tǒng)參考城際鐵路的技術(shù)方案，利用既有的TSRS設(shè)備通過增加站臺門門控信息管理、站臺門命令/狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)、運行計劃處理和轉(zhuǎn)發(fā)、站間數(shù)據(jù)存儲、調(diào)用、發(fā)送等功能[3]，利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)通道實現(xiàn)發(fā)送CTC運行計劃到對應(yīng)的動車組，車載ATO設(shè)備實時處理接收到的CTC運行計劃，車載設(shè)備提示司機或者自動執(zhí)行CTC運行計劃內(nèi)容。CTC運行計劃的數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 CTC運行計劃數(shù)據(jù)流示意圖Fig.1 Schematic diagram of CTC operation plan data flow

1.1.1 CTC運行計劃組織方式

CTC中心調(diào)度員根據(jù)當天的行車計劃制定CTC運行圖，CTC根據(jù)運行圖信息生成發(fā)送動車組的ATO運行計劃信息，運行計劃信息包括地面當前時刻、出發(fā)車站股道編號、站臺發(fā)車時刻、到達車站股道編號、站臺到達時刻、是否辦客（開關(guān)門進行旅客上下車）及通過或到發(fā)等信息[4]，TSRS將運行計劃信息通過GSM-R車地無線通道發(fā)送到車載ATO設(shè)備，并根據(jù)列車位置信息及車載設(shè)備狀態(tài)報告更新計劃。

高速鐵路ATO系統(tǒng)方案中在車地無線報文及定義中增加ATO運行計劃信息包，兼容高速鐵路站間距較長并參考城際鐵路的CTC運行計劃組織方式，CTC運行計劃發(fā)送以站間為基本單位，每次發(fā)送的運行計劃包含兩個站間的運行計劃。如圖2所示，CTC發(fā)送站臺F—站臺A，站臺A—線路所的計劃信息。

圖2 CTC運行計劃發(fā)送示意Fig.2 Schematic diagram of sending CTC operation plan

1.1.2 CTC運行計劃更新時機

考慮運行計劃數(shù)據(jù)的冗余性，CTC發(fā)送的運行計劃包括兩個站間的運行計劃數(shù)據(jù)，即每一個運行計劃報文中包含兩段運行計劃信息。如圖 2所示，CTC運行計劃包含典型的站臺及線路所，其中線路所等同為站臺進行處理。CTC更新運行計劃的基本原則為間隔20 s周期發(fā)送或者計劃調(diào)整實時發(fā)送，并在站臺區(qū)域越過出站信號機（如圖2中的X3信號機）時更新下一段的運行計劃信息，線路所則是在越過進站信號機（如圖2中的X信號機）時更新下一段的運行計劃信息。

車載ATO設(shè)備控制動車組或者司機手動駕駛動車組運行至A站時，CTC中心根據(jù)動車組位置實時發(fā)送F—A站，A站—線路所的計劃信息。當列車越過A站出站信號機X3后，CTC更新新的運行計劃，運行計劃更新為A站—線路所，線路所-B站的計劃信息。

1.2 運行計劃使用原則

1.2.1 軌旁輔助設(shè)備

在城際鐵路CTCS2+ATO系統(tǒng)中地面在股道設(shè)置專用的精確定位應(yīng)答器，用于實現(xiàn)列車精確定位[2]。高速鐵路ATO系統(tǒng)中地面增加專用的精確定位應(yīng)答器， 并在精確定位應(yīng)答器中增加車站股道信息及站臺停車點信息。

車載ATO設(shè)備接收到地面軌旁設(shè)備增加的精確定位應(yīng)答器報文后，根據(jù)當前列車所屬的股道信息進行計劃有效性判斷。

應(yīng)答器的具體布置距離根據(jù)列車及設(shè)備特點進行調(diào)整，典型的雙向站臺應(yīng)答器布置如圖3所示[5]。

1.2.2 正常站臺到發(fā)-通過作業(yè)

圖3 本站臺股道區(qū)應(yīng)答器布置示意Fig.3 Balises layout on platform tracks

車載ATO設(shè)備控制動車組或者司機手動駕駛動車組運行至A站時，CTC中心根據(jù)動車組位置實時發(fā)送F—A站，A站—線路所的計劃信息，信息包括F站的發(fā)車時刻、A站的到達時刻、A站的發(fā)車時刻、線路所的到達時刻以及F站和A站的辦客計劃等信息。通常線路所的計劃信息為通過、不辦客信息，且發(fā)車時刻與到達時刻相同。

CTC的站臺作業(yè)計劃包括站臺是否辦客、是否到發(fā)停車及車站發(fā)車時刻信息。其中車載ATO設(shè)備根據(jù)CTC到站信息控制列車準點到達車站后，判斷CTC運行計劃為辦客作業(yè)時，司機或者車載ATO設(shè)備自動進行車門/站臺門聯(lián)控完成上下客作業(yè)后，判斷發(fā)車時刻到達后提示司機再次投入ATO設(shè)備，控車到達下一站。

對于大站停車作業(yè)及特殊作業(yè)條件時，CTC運行計劃中包括前方站臺到發(fā)/通過作業(yè)信息，車載ATO設(shè)備接收CTC的前方車站是否通過信息進行處理，當前方車站為通過作業(yè)時，控制列車根據(jù)地面信號許可通過該通過站臺，直接控制列車到下一車站停車。

1.2.3 區(qū)間運行時刻表調(diào)整作業(yè)

車載ATO設(shè)備每20 s周期接收到來自CTC運行計劃信息，并根據(jù)當前時刻及前方站臺到達時刻實時計算該站間剩余的運行時間。車載ATO設(shè)備結(jié)合線路限速、ATP允許速度及運行時間，實時調(diào)整列車控制速度，實現(xiàn)區(qū)間的自動速度調(diào)整。

2 應(yīng)用研究

車載ATO設(shè)備接收到CTC運行計劃后，首先根據(jù)股道信息判斷運行計劃是否有效，僅在運行計劃判斷有效后，執(zhí)行CTC運行計劃信息。

2.1 CTC運行計劃應(yīng)用

2.1.1 運行計劃的合法性檢查

車載ATO設(shè)備接收到CTC發(fā)送的運行計劃后，應(yīng)先對CTC運行計劃進行合法性檢查，檢查內(nèi)容包括報文信息的互斥檢查、報文時間的一致性檢查以及接/發(fā)車股道編號的一致性檢查，檢查應(yīng)遵循以下原則。

1) 同一站臺的發(fā)車時刻信息應(yīng)晚于該站臺的計劃到達時刻，否則則認為計劃信息無效。

2) 同一站臺的辦客與通過信息不能同時均為有效值，否則認為計劃信息無效。

3) 同一站臺的接車股道與發(fā)車股道信息（不同計劃段）應(yīng)一致，否則認為計劃無效。

4) 同一個計劃段的接車股道與發(fā)車股道應(yīng)不相同，否則認為計劃無效。

5) CTC運行計劃內(nèi)容非默認值。

車載ATO判斷CTC運行計劃合法后，更新當前的運行計劃，進行后續(xù)的計劃有效性判斷。若判斷CTC運行計劃非法時，則丟棄該條計劃信息，繼續(xù)使用之前的合法運行計劃信息。

2.1.2 運行計劃的有效性檢查

對于新建的高速鐵路ATO線路，站臺股道均增加了精確定位應(yīng)答器，車載ATO設(shè)備控制列車經(jīng)過站臺股道接收到精確定位應(yīng)答器后，從應(yīng)答器報文中獲取站臺的股道編號信息。

車載ATO設(shè)備判斷當前為接車過程時，根據(jù)接收到股道編號信息與接收到有效的CTC運行計劃進行比較，判斷股道編號與CTC運行計劃中的接車股道編號一致時，則認為該計劃有效，且后續(xù)使用該接車股道編號匹配的運行計劃。其中接車過程指列車車頭在進站信號機（如圖4所示的X信號機）到出站信號機（如圖4所示的X3信號機）或者站內(nèi)停穩(wěn)后再次發(fā)車。

車載ATO設(shè)備判斷列車越過出站信號機（如圖4所示的X3信號機）時，記錄當前發(fā)車站臺的股道編號，根據(jù)該股道編號與CTC運行計劃中的發(fā)車股道編號進行比較。若編號一致時，認為新收到的計劃有效，且使用與發(fā)車股道編號匹配的CTC運行計劃。

車載ATO設(shè)備僅在判斷CTC運行計劃有效時，執(zhí)行CTC運行計劃進行站臺相關(guān)作業(yè)及區(qū)間時分速度調(diào)整，且提示司機當前運行計劃有效。

2.1.3 運行計劃旅客作業(yè)信息使用原則

車載ATO設(shè)備接收到CTC運行計劃信息包括站臺的到達時刻、發(fā)車時刻、到發(fā)/通過、是否辦客信息，車載ATO設(shè)備判斷計劃有效后應(yīng)根據(jù)以下原則使用計劃內(nèi)容。

1) 車載ATO設(shè)備根據(jù)前方站臺到達時刻及當前時刻，實時計算當前的控制速度，并調(diào)整ATO的控制輸出，控制列車按照時分實現(xiàn)準點控制；

2) 前方站臺的運行計劃為到發(fā)信息時，車載ATO設(shè)備控制列車在前方站臺自動停車；若前方站臺的運行計劃為通過時，車載ATO設(shè)備依據(jù)地面行車許可控制列車在前方站臺不停車直接通過；

3) 若前方站臺的運行計劃為辦客時，車載ATO設(shè)備控制列車前方站臺停車后，根據(jù)車載ATP的門防護信息完成自動開門作業(yè)；

4) 車載ATO設(shè)備控制列車停于前方站臺后，根據(jù)當前站臺的發(fā)車時刻及當前時刻完成發(fā)車倒計時提示，提示司機發(fā)車時間到達，可以關(guān)閉車門并且自動發(fā)車。

2.2 特殊場景運行計劃應(yīng)用

2.2.1 運行計劃無效或者計劃超時的應(yīng)用

車載ATO設(shè)備運行過程中判斷CTC運行計劃無效后，若當前沒有正在使用的有效運行計劃，則清除當前收到的所有運行計劃。如果當前有正在使用的運行計劃時，保留當前正在使用的運行計劃，清除其他運行計劃，直到判斷計劃超時。

車載ATO設(shè)備判斷CTC運行計劃超時后，繼續(xù)使用當前正在執(zhí)行的有效運行計劃，直到該計劃超出其描述的有效范圍或者站臺停穩(wěn)后，清除車載ATO設(shè)備使用的所有CTC計劃，對外提示運行計劃無效。

當CTC計劃無效時，車載ATO設(shè)備按照ATP限速或者駕駛策略并依據(jù)行車許可控制列車自動駕駛。

2.2.2 非ATO線路到ATO線路間的計劃切換及使用

高速鐵路新建ATO線路在站臺股道均增加精確定位應(yīng)答器，非ATO線路未安裝精確定位應(yīng)答器。

車載ATO設(shè)備控制列車從非ATO線路駛向ATO線路時，當進入ATO線路接收到股道定位應(yīng)答器中的股道編號后，根據(jù)股道編號判斷CTC運行計劃的有效性。當車載ATO設(shè)備控制列車從ATO線路駛向非ATO線路時，應(yīng)在進入非ATO線路第一個站臺的進站信號機后清除保存的股道編號信息，若站內(nèi)無法接收到新的股道編號時，根據(jù)邏輯判斷計劃無效。

2.2.3 運行計劃與列車進路不一致

在高速鐵路既有規(guī)范中，司機在手動駕駛動車組應(yīng)根據(jù)列車進路及行車許可控制列車運行，但是高速鐵路增加ATO系統(tǒng)后，車載ATO設(shè)備需要實時處理CTC運行計劃信息，若計劃有效時，應(yīng)遵循行車許可的要求按照CTC運行計劃進行自動駕駛。實際運行時，CTC運行計劃與列車進路應(yīng)一致，當發(fā)生CTC運行計劃與列車進路不一致時，車載ATO設(shè)備建議按照以下原則處理。

1) 前方站臺辦理通過進路（出站信號開放），CTC運行計劃發(fā)送為前方站臺到發(fā)信息時，此時車載ATO設(shè)備判斷計劃有效后，控制列車在前方站臺自動停車并根據(jù)辦客計劃打開車門及提示發(fā)車倒計時，完成旅客上下客作業(yè)。

2) 前方站臺辦理到發(fā)進路（出站信號關(guān)閉），CTC運行計劃發(fā)送為前方站臺通過信息時，此時車載ATO設(shè)備判斷計劃有效后，提示司機前方站臺為通過計劃，但是依據(jù)行車許可控制列車在前方站臺自動停車，不進行旅客上下客作業(yè)。

2.2.4 首發(fā)站/終到站的運行計劃使用

CTC運行計劃正常發(fā)送均包含兩段運行計劃，如圖5中B站臺發(fā)車時計劃包括B-C、C-D兩段計劃。當動車組從動車所開往首發(fā)站臺（A站）時，CTC發(fā)送的運行計劃為F站(F站股道編號未知)—A站、A站—B站的信息。車載ATO在控制列車未進入A站臺的進站信號機前，由于無法獲取A站臺的股道編號信息，判斷CTC運行計劃無效，直到進入A站接收到股道編號信息后，依據(jù)股道編號信息判斷CTC運行計劃有效后，控制列車停車后根據(jù)計劃進行辦客作業(yè)。在條件具備時，該處理方案能夠提高首發(fā)站的作業(yè)效率。

圖5 CTC運行計劃段示意Fig.5 Sending CTC operation plan according to sections

若進入首發(fā)站A站停車時，車載ATO設(shè)備不具備控車條件，則A站由于車載ATO設(shè)備無法處理精確定位應(yīng)答器信息，會判斷計劃無效。

如圖5所示，車載ATO設(shè)備控制列車經(jīng)過D站時，CTC運行計劃包括D-E、E-F(F站股道編號未知)兩段計劃，車載ATO設(shè)備應(yīng)能識別該計劃為終點站計劃，根據(jù)D站的股道信息判斷該計劃有效。車載ATO設(shè)備根據(jù)有效的CTC運行計劃控制列車進入E站停車后，應(yīng)能根據(jù)E站的作業(yè)計劃完成自動開門作業(yè)，同時不提示發(fā)車倒計時（E站發(fā)車時刻未知）。

2.2.5 通過-到發(fā)的運行計劃使用

車載ATO設(shè)備接收到CTC運行計劃的通過信息時，應(yīng)控制列車高速通過前方站臺股道；若接收到CTC運行計劃為到發(fā)時，應(yīng)控制列車在前方站臺停車。

從功能分析，車載ATO設(shè)備處理通過計劃與到發(fā)計劃為互斥邏輯。如圖6所示，車載ATO設(shè)備B站出發(fā)后，接收到前方站臺C站為通過計劃，則控制列車高速通過C站臺，此時若C站臺的運行計劃變更為到發(fā)，車載ATO設(shè)備按照計劃需控制列車在C站臺停車。按照300 km/h的速度，車載ATO設(shè)備在平直道上按照最大制動減速度至少需要7.7 km的制動距離，該距離遠遠超過站臺的有效長度，因此車載ATO設(shè)備無法控制列車在站臺停車。

圖6 通過計劃示意Fig.6 Plan of passing through a station

基于以上分析，結(jié)合地鐵成熟的運營經(jīng)驗參考，建議對于前方站臺通過-到發(fā)計劃的處理原則如下：

1)車載ATO設(shè)備在任意位置接收到通過的運行計劃時均應(yīng)響應(yīng)，控制列車通過車站；

2)車載ATO設(shè)備在越過通過站臺的進站信號機后，收到CTC運行計劃變更為到發(fā)運行計劃時，判斷到發(fā)計劃無效，繼續(xù)判斷站臺計劃為通過計劃并控制動車組不停車通過站臺；

3)車載ATO設(shè)備僅在如圖6中所示的站臺B范圍內(nèi)（未越過B站的出站信號機時），可以響應(yīng)前方C站運行計劃由通過變?yōu)榈桨l(fā)。如果考慮運行效率，則至少判斷距離前方站臺（C站）預(yù)估停車點大于最高速度對應(yīng)的制動距離時，才能變更通過計劃為到發(fā)計劃有效，確保計劃變更時車載ATO能夠控制列車在C站臺停車。

3 結(jié)論

本文所描述的車載ATO設(shè)備對CTC運行計劃的應(yīng)用方法研究，從正常應(yīng)用場景及特殊應(yīng)用場景進行分析，為高速鐵路ATO系統(tǒng)中車載ATO處理CTC運行計劃的應(yīng)用提供參考依據(jù)。經(jīng)過室內(nèi)測試驗證表明文中描述方案切實可行，可以滿足高速鐵路自動化、智能化的運行要求。