劉人鵬

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

中國經(jīng)濟(jì)的快速騰飛，催生了一系列經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速的城市群區(qū)域經(jīng)濟(jì)，如珠三角、京津冀等發(fā)達(dá)地區(qū)，該地區(qū)大量人財(cái)物迅速聚集，帶來了區(qū)域內(nèi)交通出行的嚴(yán)重?fù)矶?，需要一種連接城市群內(nèi)部城市之間的站間距較小、列車出行時(shí)間間隔較短、能頻繁往返運(yùn)行的新型列車，研發(fā)人員把地鐵的運(yùn)行模式改進(jìn)升級(jí)成能適應(yīng)城市群運(yùn)營(yíng)的新模式，由此出現(xiàn)了城際鐵路。其中，京津城際鐵路作為全國第一條引進(jìn)合作建設(shè)的城際高速鐵路，于2008年奧運(yùn)會(huì)前正式啟用，為奧運(yùn)會(huì)圓滿舉辦和人員的合理疏散帶來了極大方便，極大地縮短了京津城際間的“距離感”。城際鐵路有別于傳統(tǒng)高速鐵路是服務(wù)于鄰近城市間或城市群間，設(shè)計(jì)時(shí)速一般不小于160 km，線路長(zhǎng)度不大于200 km的快捷、高效、密集型的高速鐵路，而現(xiàn)有CTCS-2列控系統(tǒng)不能完全適應(yīng)城際鐵路列車行車安全和高效運(yùn)輸?shù)囊?。為此，中國鐵路通信信號(hào)股份有限公司研發(fā)了基于ATO控車技術(shù)的CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱C2+ATO列控系統(tǒng)），有效滿足了城際鐵路高密度、高強(qiáng)度、跨線運(yùn)行的實(shí)際需求。

2 C2+ATO列控系統(tǒng)

C2+ATO列控系統(tǒng)在滿足CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，借鑒了地鐵ATC系統(tǒng)的系統(tǒng)特點(diǎn)，研發(fā)出了適用于160 km以上速度、3 min追蹤間隔、自動(dòng)駕駛運(yùn)行的滿足城際鐵路需求的新型列控系統(tǒng)，下面重點(diǎn)介紹C2+ATO列控系統(tǒng)在CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)上新增設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、新增功能說明及運(yùn)用模式。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，在CTCS-2列控系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了子系統(tǒng)后的地面設(shè)備和車載設(shè)備。其中地面設(shè)備增加了CCS通信控制子系統(tǒng)、站臺(tái)門控制子系統(tǒng)和GSM-R/GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊以及股道專用精確定位應(yīng)答器等；車載設(shè)備增加了ATO自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)和MT移動(dòng)終端和車門控制模塊。在保證既有C2列控系統(tǒng)設(shè)備較少改動(dòng)的情況下，上述新增地面設(shè)備和車載設(shè)備與既有設(shè)備通過系統(tǒng)優(yōu)化融合形成一個(gè)C2+ATO的自動(dòng)駕駛列控系統(tǒng)。

地面設(shè)備中，CTC子系統(tǒng)只增功能不增設(shè)備，在實(shí)現(xiàn)既有功能前提下還要實(shí)現(xiàn)發(fā)送運(yùn)行計(jì)劃、實(shí)時(shí)管理在線列車、自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃等功能；TCC子系統(tǒng)只增功能不增設(shè)備的前提下，增加車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制和站臺(tái)門防護(hù)功能；新增CCS子系統(tǒng)完成站臺(tái)門門控信息管理、站臺(tái)門命令/狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)、運(yùn)行計(jì)劃處理和轉(zhuǎn)發(fā)、站間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)調(diào)用發(fā)送等功能；新增車站股道精確定位應(yīng)答器實(shí)現(xiàn)列車精確定位的功能；新增站臺(tái)門控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門的開放與關(guān)閉。

圖 1 C2+ATO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 C2+ATO system structure

2.2 模式轉(zhuǎn)換

C2+ATO自動(dòng)駕駛列控系統(tǒng)的工作模式分為兩大類：人工駕駛和自動(dòng)駕駛。其中，車載設(shè)備ATP實(shí)現(xiàn)列車人工駕駛，再按C2列控系統(tǒng)常規(guī)的9種工作模式運(yùn)行，ATO實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛；當(dāng)車載設(shè)備ATP處于完全監(jiān)控模式(FM)下，同時(shí)滿足如圖2所示的3個(gè)條件并在司機(jī)確認(rèn)后ATO即接過控車使命進(jìn)入AM模式下運(yùn)行。

如圖2所示，ATP轉(zhuǎn)ATO首先需要處于人工駕駛的完全監(jiān)控模式下并且同時(shí)滿足3個(gè)與條件，當(dāng)ATP處在人工模式的其余8種工作模式下均無法轉(zhuǎn)入ATO自動(dòng)駕駛模式，而ATO轉(zhuǎn)ATP只要滿足圖2中的一個(gè)或條件，說明轉(zhuǎn)入自動(dòng)駕駛的條件對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)要求更加嚴(yán)苛，一旦有條件不滿足即迫使司機(jī)轉(zhuǎn)回人工模式運(yùn)行，同時(shí)在轉(zhuǎn)換的過程都有一個(gè)需要司機(jī)確認(rèn)的環(huán)節(jié)，以提醒司機(jī)將要進(jìn)入何種模式下運(yùn)行；若司機(jī)未確認(rèn),又分兩種情形處理：ATP轉(zhuǎn)ATO時(shí)，未確認(rèn)就會(huì)有聲光提示信息以一定時(shí)間間隔提示司機(jī)；ATO轉(zhuǎn)ATP時(shí)，未及時(shí)確認(rèn)就會(huì)輸出常用制動(dòng)，確認(rèn)后緩解該制動(dòng)。

圖2 ATP與ATO相互轉(zhuǎn)換條件示意圖Fig.2 Conditions of Mutual transformation between ATP and ATO

由此可見，在人工駕駛與自動(dòng)駕駛的相互轉(zhuǎn)換時(shí)，都需要司機(jī)有一個(gè)“確認(rèn)”的動(dòng)作，也是提示司機(jī)將要進(jìn)入的是何種駕駛模式，如果司機(jī)因其他原因忘記確認(rèn)就會(huì)一直提示或輸出常用制動(dòng)引起司機(jī)注意。當(dāng)列車轉(zhuǎn)入人工駕駛模式后，即進(jìn)入CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)既有的9個(gè)工作模式適應(yīng)不同場(chǎng)景下運(yùn)行。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

2.3.1 自動(dòng)駕駛模式

1）區(qū)間運(yùn)行時(shí)，車載設(shè)備ATO系統(tǒng)會(huì)依據(jù)地面設(shè)備上傳的運(yùn)行計(jì)劃或按照預(yù)選駕駛策略，自動(dòng)控制列車進(jìn)行各種不同的操作如加速、減速、巡航、惰行和停車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行；期間，司機(jī)的任務(wù)主要是瞭望前方與觀察DMI屏幕有無異常報(bào)警信息提示。

2）進(jìn)站停車時(shí)，車載設(shè)備ATO通過BTM讀取器獲取股道上的精確定位應(yīng)答器（JD）的定位信息后即刻對(duì)列車位置進(jìn)行校正，并根據(jù)JD應(yīng)答器提供的運(yùn)營(yíng)停車標(biāo)信息確定本股道運(yùn)營(yíng)停車標(biāo)的精確位置和站臺(tái)門門側(cè)信息，運(yùn)算處理后自動(dòng)控制列車在車站股道停車標(biāo)處精準(zhǔn)停車；ATO系統(tǒng)判斷列車停準(zhǔn)停穩(wěn)后，對(duì)車門/站臺(tái)門啟動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制。ATO收到運(yùn)行計(jì)劃時(shí)自動(dòng)開門；未接收到運(yùn)行計(jì)劃時(shí)，由司機(jī)開啟相應(yīng)側(cè)的動(dòng)車組車門。動(dòng)車組關(guān)門仍需司機(jī)與車長(zhǎng)聯(lián)控后人工操縱；而ATP則根據(jù)接收到的站臺(tái)側(cè)信息根據(jù)不同情況實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組車門的開門防護(hù)。

3）自動(dòng)折返功能，ATO子系統(tǒng)新增了自動(dòng)折返作業(yè)功能，在自動(dòng)駕駛模式下通過控制動(dòng)車組切換牽引端實(shí)現(xiàn)該功能，該功能極大地節(jié)省了換端時(shí)的各種操作時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速折返。

2.3.2 人工駕駛模式

列車處于人工駕駛模式發(fā)車時(shí)，車門/站臺(tái)門均不參與聯(lián)動(dòng)控制，由司機(jī)關(guān)閉車門，車站人員關(guān)閉站臺(tái)門，人工通過無線對(duì)講完成車門/站臺(tái)門關(guān)閉的確認(rèn)。人工駕駛模式增加了司機(jī)的作業(yè)數(shù)量與相互確認(rèn)頻次。

3 系統(tǒng)改進(jìn)

基于ATO控車技術(shù)的CTCS-2列控系統(tǒng)很好解決了行程短、站間距短、上下車頻繁、折返作業(yè)多的運(yùn)輸要求，也降低了列車司機(jī)的疲勞駕駛，減少了司機(jī)的操作步驟，提高了司機(jī)的注意力，但在已開通運(yùn)營(yíng)的城際列車線路上發(fā)現(xiàn)了一些需要改進(jìn)與完善的地方。本次著重談地面設(shè)備的改進(jìn)方案，從以下兩方面入手，如功能相近子系統(tǒng)的合并優(yōu)化，個(gè)別子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)升級(jí)優(yōu)化等。

3.1 TCC與CBI合并

如圖1所示，從C2+ATO列控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)，TCC子系統(tǒng)與CBI子系統(tǒng)間有功能重復(fù)使用與信息代傳的現(xiàn)象，而這些代傳信息也是兩個(gè)子系統(tǒng)間容易出錯(cuò)的問題點(diǎn)，為此，列控中心（TCC）與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）兩個(gè)子系統(tǒng)可以合二為一成一套“地控”子系統(tǒng)作為地面設(shè)備安全控制子系統(tǒng)，從而既降低了因站場(chǎng)要求碼位修改引起另一個(gè)子系統(tǒng)的碼位修改，又減少了各站與安全數(shù)據(jù)網(wǎng)的接點(diǎn)數(shù)量。如圖3所示，去掉一套TCC或CBI子系統(tǒng)，每個(gè)車站可減少交換機(jī)上8個(gè)接點(diǎn)，交換機(jī)上接點(diǎn)數(shù)量減少也意味著故障率的降低，同時(shí)，也減輕了安全數(shù)據(jù)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)傳輸壓力，還可以把計(jì)算機(jī)室的6～8個(gè)機(jī)柜減小到2～3個(gè)機(jī)柜，精簡(jiǎn)每個(gè)車站計(jì)算機(jī)房的占用空間。

圖3 交換機(jī)接點(diǎn)配置Fig.3 Switches contacts configuration

3.2 TSRS與CCS合并

新增的通信控制子系統(tǒng)（CCS）從其完成的功能上看可與既有臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS）子系統(tǒng)合二為一，通信控制子系統(tǒng)主要完成站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)控制、運(yùn)行計(jì)劃與站間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，TSRS的功能是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)不同區(qū)間的不同區(qū)段進(jìn)行限速設(shè)置，TSRS本身功能單一，子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是服務(wù)器型式，跟通信控制子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相近，配置要求也相近，一般對(duì)應(yīng)4～5個(gè)車站設(shè)一套CCS子系統(tǒng)和一套TSRS子系統(tǒng)，為此，可考慮CCS子系統(tǒng)與TSRS子系統(tǒng)合并研發(fā)，可再次減少與安全數(shù)據(jù)網(wǎng)上的交換機(jī)接點(diǎn)數(shù)量。

3.3 CBI研發(fā)升級(jí)

CBI子系統(tǒng)升級(jí)發(fā)展已迫在眉睫，目前全路在用的CBI子系統(tǒng)已應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)十幾年，雖然跟6502繼電式集中聯(lián)鎖控制相比優(yōu)化許多，也節(jié)省了許多繼電器的用量，但隨著電子元器件的不斷發(fā)展升級(jí)，大功率器件已廣泛應(yīng)用在各領(lǐng)域，應(yīng)盡早研發(fā)全電子控制系統(tǒng)，進(jìn)一步縮減機(jī)械室內(nèi)繼電器用量。由此引起的革新會(huì)節(jié)省大量機(jī)械室設(shè)備數(shù)量，減小信號(hào)機(jī)械室的占用空間，更重要的是減輕了信號(hào)工的維保強(qiáng)度與難度，最終減少信號(hào)工的用工數(shù)量，進(jìn)一步降低各種維護(hù)成本和人力成本。

通過上述3個(gè)優(yōu)化方案，安全數(shù)據(jù)網(wǎng)上原本傳輸4個(gè)子 系 統(tǒng)（TCC、CBI、CCS和TSRS）的數(shù)據(jù)減少為只傳兩個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)優(yōu)化后形成如圖4所示的地面設(shè)備結(jié)構(gòu)。隨著技術(shù)水平的不斷提高和硬件系統(tǒng)的不斷升級(jí)，功能相近的子系統(tǒng)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)歸納、功能融合，避免重復(fù)利用，保持整個(gè)列控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔和系統(tǒng)功能完善，確保復(fù)雜樞紐中心的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化更加簡(jiǎn)單，減少網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)，降低網(wǎng)絡(luò)故障，以更加安全可靠的列控系統(tǒng)服務(wù)于高鐵運(yùn)營(yíng)。

4 應(yīng)用中問題

莞惠城際已開通半年有余，在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間與開通運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)了一些問題，值得分析研究，減少今后C2+ATO列控系統(tǒng)城際項(xiàng)目再出現(xiàn)類似問題。

圖4 完善后的地面設(shè)備示意圖Fig.4 Ground equipment after optimization

4.1 車載設(shè)備收到A/B碼不一致時(shí)易引起車載設(shè)備死機(jī)

車載ATP設(shè)備引用國外理念，把核心安全軟件采用A/B雙代碼開發(fā)，意在提高列車高安全性與高可靠性，列車運(yùn)行中遇到A/B代碼采集不一致時(shí)，以ATP死機(jī)的安全模式強(qiáng)制緊急制動(dòng)列車，這個(gè)方法雖然干脆直接倒向安全，但因死機(jī)引起的重啟以及列車數(shù)據(jù)輸入與呼叫等操作步驟，會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)行效率。通過在城際線路上分析發(fā)現(xiàn)，遇到折返作業(yè)時(shí)就容易收到A/B代碼不一致引起ATP死機(jī)，而在長(zhǎng)大干線上，很少有城際線路上這樣的頻繁的折返作業(yè)，因此，長(zhǎng)大干線上運(yùn)行的列車很少有“死機(jī)”現(xiàn)象發(fā)生。

分析“死機(jī)”現(xiàn)象過程如下：城際列車從死機(jī)時(shí)車載設(shè)備采取的緊急制動(dòng)到ATP系統(tǒng)重啟需要至少5 min左右，重啟之后司機(jī)需要重新輸入確認(rèn)數(shù)據(jù)、選擇駕駛模式、呼叫連接TSRS和CCS兩個(gè)子系統(tǒng)等，又要幾分鐘，統(tǒng)計(jì)可在10幾分鐘左右，對(duì)此時(shí)間長(zhǎng)度已影響了城際列車頻繁折返作業(yè)的效率；從已開通城際項(xiàng)目上的各項(xiàng)指標(biāo)上分析都處于正常值，沒有無線信號(hào)衰弱或不滿足要求的情況，為此出現(xiàn)A/B代碼不一致的因素確系很難判斷，但從系統(tǒng)軟件研發(fā)上可以防止遇到車載ATP通過GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)收到A/B碼不一致時(shí)“死機(jī)”現(xiàn)象，改為緊急制動(dòng)而非死機(jī)，制動(dòng)過程中由司機(jī)確認(rèn)前方狀況，再選擇相應(yīng)駕駛模式運(yùn)行，如此處理可省去5～7 min時(shí)間。

4.2 自動(dòng)停車不準(zhǔn)

在莞惠城際項(xiàng)目上自動(dòng)停車位置不準(zhǔn)確是個(gè)通病，幾乎每個(gè)車站的停車位置都不太準(zhǔn)確，這有兩方面原因造成的：一是由于不同車型的測(cè)速測(cè)距不夠精確或者精確度偏差引起的測(cè)距不準(zhǔn)，二是由于站臺(tái)布置精確定位應(yīng)答器時(shí)的位置不夠準(zhǔn)確，很多安裝JD應(yīng)答器時(shí)以為跟區(qū)間應(yīng)答器的精度一樣，為此，要明確基于CRH6型動(dòng)車組參數(shù)布置，JD應(yīng)答器的安裝精度控制在±0.1 m以內(nèi)；另一個(gè)參數(shù)是JD應(yīng)答器中心與站臺(tái)門活動(dòng)門中心間距離測(cè)量數(shù)據(jù)精確到0.1 m。在安裝JD應(yīng)答器時(shí)能滿足上述兩項(xiàng)精度要求后，基本都能滿足自動(dòng)停車要求。

5 小結(jié)

本文介紹了C2+ATO自動(dòng)駕駛列控系統(tǒng)與既有CTCS-2級(jí)列控系統(tǒng)的區(qū)別之處，同時(shí)，根據(jù)國內(nèi)外列控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)，提出列控系統(tǒng)的優(yōu)化解決方案，期待能對(duì)研發(fā)人員、軟件編制人員、項(xiàng)目集成人員和系統(tǒng)維保人員提供些許補(bǔ)益。