張友兵，陳志強，王建敏，吳培棟

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

經(jīng)過多年的發(fā)展和建設，目前我國高速鐵路正朝著智能鐵路的方向發(fā)展。在人工駕駛的情況下，司機的駕駛技術對列車的運行狀況影響顯著。將自動駕駛技術引入高速鐵路，使ATP系統(tǒng)和ATO系統(tǒng)有效結合起來，在ATP系統(tǒng)保證安全的前提下，ATO系統(tǒng)不但可以提高停車精度、準點率和運行舒適度，還能大幅減少司機的工作量[1]，成為高速鐵路重要的研究和發(fā)展方向之一。

2016年3月，珠三角城際鐵路莞惠和廣佛肇開通運行，城際CTCS-2+ATO系統(tǒng)在我國首次投入運營[2]。在此探討的CTCS-3+ATO列控系統(tǒng)可兼容CTCS-2+ATO功能，運行期間進行CTCS-2與CTCS-3等級轉(zhuǎn)換時，不退出自動駕駛模式，是一種功能更加完備、應用更加廣泛、運行速度更高的高鐵自動駕駛系統(tǒng)。

1 高速鐵路ATO系統(tǒng)

高速鐵路ATO系統(tǒng)在CTCS-2/CTCS-3級列控系統(tǒng)的基礎上，車載設置ATO單元實現(xiàn)自動駕駛控制，地面設置專用精確定位應答器實現(xiàn)精確定位，地面設備通過通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）通信實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行計劃調(diào)整處理。高速鐵路ATO系統(tǒng)主要功能包括車站自動發(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/站臺門聯(lián)動控制[3-6]。

圖1 高速鐵路ATO系統(tǒng)車載設備結構

高速鐵路ATO系統(tǒng)車載設備結構見圖1。ATO系統(tǒng)車載設備由原ATP相關功能模塊和新增ATO相關功能模塊2部分組成。原ATP相關功能模塊包括ATP、GSM-R無線通信單元、軌道電路信息接收單元、應答器信息接收單元、測速測距單元、司法記錄單元、列車接口單元和人機界面。新增ATO相關功能模塊包括ATO、GPRS無線通信單元和列車接口單元。GPRS無線通信單元通過GPRS天線與臨時限速服務器（Temporary Speed Restriction Server，TSRS）建立無線連接，互相發(fā)送數(shù)據(jù)。ATO通過列車接口單元與車輛建立連接，向車輛發(fā)送開/關門、加/減速等控制命令，從車輛接收車門狀態(tài)、牽引制動狀態(tài)等反饋信息。ATO與ATP建立連接，互相傳遞信息，分工協(xié)作，ATO負責自動駕駛，ATP負責安全防護。ATO將工作狀態(tài)發(fā)送給ATP，ATP再將ATO相關工作狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)給DMI，通過DMI向司機顯示ATO的實時工作狀態(tài)。司機也可以通過DMI輸入無線呼叫命令，ATP將無線呼叫命令轉(zhuǎn)發(fā)給ATO，ATO執(zhí)行命令與TSRS建立通信連接。

在CTCS-2級和CTCS-3級列控車載設備中，司機通過觀察和操作DMI完成監(jiān)控和調(diào)整列車運行狀態(tài)[7-9]，DMI是司機與列控車載設備之間的橋梁，也是掌握列車運行狀態(tài)的關鍵設備，熟練使用DMI是司機保證列車行車安全、提高運行效率的必要技能和手段。

高速鐵路車載設備增加ATO功能后，DMI界面顯示信息更加豐富，也增加了新的司機操作。在此從圖標顯示、文本提示、控車提示3方面對DMI的新特征進行詳細解讀。

2 圖標顯示

2.1 ATO控車模式

在完全監(jiān)控（Full Supervision，F(xiàn)S）模式下，且ATO控車的其他條件均滿足，經(jīng)過司機操作，ATO才能轉(zhuǎn)入自動駕駛模式（Automatic Mode，AM）模式，由ATO實現(xiàn)列車自動駕駛。在轉(zhuǎn)入AM模式之前，DMI顯示FS模式（一種ATP模式）。轉(zhuǎn)入AM模式后，DMI顯示AM模式（一種ATO模式）。AM模式下，ATO對列車自動加速或減速，實現(xiàn)自動駕駛。當自動駕駛的條件不再滿足時，ATO將退出AM模式，DMI將顯示ATP的實際控車模式。

2.2 ATO與車輛網(wǎng)絡連接狀態(tài)

ATO與列車網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（Train Control and Management System，TCMS）之間采用多功能車輛總線（Multi-function Vehicle Bus，MVB）進行通信，ATO向車輛發(fā)送控制信息和狀態(tài)信息，車輛向ATO發(fā)送狀態(tài)及反饋信息。當ATO與TCMS通信正常時，DMI顯示ATO與TCMS連接正常圖標；當ATO與TCMS通信故障時，DMI顯示ATO與TCMS連接斷開圖標，ATO將退出AM模式。

2.3 GPRS電臺網(wǎng)絡注冊狀態(tài)

車載設備上電后，GPRS電臺注冊到網(wǎng)絡后，DMI顯示GPRS電臺已注冊圖標。當GPRS電臺斷電，或GPRS電臺故障，或GPRS天線故障時，DMI界面上GPRS電臺已注冊圖標消失，由于無法正常收發(fā)無線消息，ATO與TSRS的通信會話將隨之斷開。

2.4 ATO與TSRS會話連接狀態(tài)

ATO與TSRS的會話連接有3種狀態(tài)：斷開、正在連接、已連接。ATO收到呼叫命令后，正在與TSRS建立通信會話時，DMI顯示“正在連接”圖標；ATO與TSRS成功建立通信會話后，DMI顯示“已連接”圖標；ATO與TSRS建立通信會話失敗，或者ATO與TSRS通信會話中斷，DMI顯示“斷開”圖標。

ATO與TSRS建立通信會話的場景有：

（1）車載設備上電后，完成啟機流程，司機通過DMI輸入TSRS呼叫信息；

（2）在未與TSRS建立通信會話時，列車運行過程中，從地面應答器收到的應答器報文包含TSRS呼叫命令。

ATO與TSRS建立通信會話后，結束通信會話的場景有：

（1）在已與TSRS建立通信會話時，列車運行過程中，從地面應答器收到的應答器報文包含結束與TSRS通信會話的命令；

（2）在已與TSRS建立通信會話時，通過無線從TSRS收到結束通信會話的命令。

在ATO與TSRS已建立通信會話的情況下，TSRS向ATO發(fā)送運行計劃，若運行計劃有效，在區(qū)間運行時，ATO將根據(jù)運行計劃中的到達時刻調(diào)整列車速度，保證列車準點到達車站。若運行計劃要求在前方站停車且“辦客”，列車進站停穩(wěn)停準后，ATO自動開門，并向TSRS發(fā)送開門聯(lián)動命令，實現(xiàn)車門和站臺門的聯(lián)動打開。所以，只有當ATO與TSRS通信會話正常時，ATO才能根據(jù)運行計劃行車，進站后才能實現(xiàn)車門和站臺門的聯(lián)動打開和關閉。

2.5 ATO牽引制動狀態(tài)

列車過分相時，主斷路器斷開，車輛從外部獲取不到能量，所以過分相時，車載設備不對列車輸出牽引命令。當ATO正在對列車進行加速時，DMI顯示牽引圖標，如果列車進入分相區(qū)，ATO停止輸出牽引命令，DMI顯示惰行圖標，當列車出清分相區(qū)后，ATO繼續(xù)對列車輸出牽引命令，DMI重新顯示牽引圖標。

2.6 運行計劃可用狀態(tài)

當ATO與TSRS建立無線連接后，調(diào)度集中系統(tǒng)（Centralized Traffic Control，CTC）向TSRS發(fā)送運行計劃，TSRS向ATO轉(zhuǎn)發(fā)運行計劃。運行計劃覆蓋前方2個車站，包含列車到發(fā)股道、列車到發(fā)時刻、列車通過等信息。ATO檢查運行計劃有效，DMI將顯示“運行計劃可用”圖標。如果ATO檢測到運行計劃無效，DMI將顯示“運行計劃不可用”圖標[11]。

列車在區(qū)間運行時，如果運行計劃有效，ATO根據(jù)運行時分計算出合理的運行速度，控制列車準點到達車站；如果運行計劃無效，ATO根據(jù)司機選擇的駕駛策略控制列車速度，快行策略低于允許速度2 km/h，正常策略低于允許速度5 km/h，慢行策略低于允許速度8 km/h。

列車進站停車后，如果運行計劃有效，計劃為“到發(fā)”且“辦客”，ATO自動開門；如果運行計劃無效，或運行計劃有效但計劃為“通過”或“不辦客”，ATO不自動開門，由司機手動開門。

列車以AM模式發(fā)車，運行計劃有效時，基于運行計劃中的“發(fā)車時間”在DMI上顯示發(fā)車倒計時，提示司機人工關閉車門，并按壓“發(fā)車按鈕”發(fā)車。

ATO按當前運行計劃自動駕駛列車時，若未收到更新的運行計劃，繼續(xù)執(zhí)行當前站間的運行計劃直至停車，停車后ATO不提供發(fā)車倒計時和自動開/關門功能，DMI將顯示“運行計劃不可用”圖標。

干旱是在全球氣候變化和人類活動雙重驅(qū)動下，水資源—經(jīng)濟社會—生態(tài)與環(huán)境復雜系統(tǒng)極值缺水過程在不同時空尺度上的綜合體現(xiàn)。按受旱機制分類，干旱分為：氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和經(jīng)濟社會干旱。按受旱成因分類，干旱分為：資源型干旱，即干旱區(qū)降水量稀少，土壤缺水，不足以滿足人的生存和經(jīng)濟發(fā)展的需求；工程型干旱，即缺少水利工程的開發(fā)調(diào)度；政策型干旱，即非理性的水資源分配；結構型干旱，即水質(zhì)水量達不到用水要求；布局型干旱，即追求經(jīng)濟社會快速發(fā)展情勢下的水土資源不匹配；管理型干旱，即水資源得不到高效利用和有效調(diào)配，缺少全局可靠規(guī)劃與應對策略；復合型干旱，即多種因素綜合作用下的干旱。

2.7 ATO跳停標志

如果運行計劃有效，在TSRS發(fā)送給ATO的運行計劃中，“到發(fā)/通過”標志為通過時，表明列車在前方車站不用停車，直接通過，DMI將顯示“ATO跳停標志”。當列車完全越過標記為“通過”的車站后，DMI停止顯示“ATO跳停標志”。

2.8 開門允許圖標

列車進站時，從地面應答器收到站臺側信息，列車停穩(wěn)停準后，ATP根據(jù)站臺側信息給出開門允許信息，包括左側門允許、右側門允許和雙側門允許，DMI在界面上顯示開門允許圖標。當門控模式為自動開門/手動關門（Automatic Open/Manually Close，AM）時，ATO根據(jù)開門允許信息自動生成開門命令，打開對應側車門，并實現(xiàn)車門站臺門的聯(lián)動打開。當門控模式為手動開門/手動關門（Manually Open/Manually Close，MM）時，司機按壓開門按鈕，ATO根據(jù)門允許信息對司機的開門動作進行合法性檢查，打開對應側車門，并實現(xiàn)車門站臺門的聯(lián)動打開。

3 文本提示

3.1 不在TSRS管轄范圍

列車走出本TSRS管轄范圍，以該TSRS未知的應答器為參考向該TSRS發(fā)送位置報告，TSRS識別出列車已不在本TSRS管轄范圍之內(nèi)，向ATO發(fā)送文本信息“不在TSRS管轄范圍”，同時發(fā)送結束通信會話命令。DMI界面顯示文本“不在TSRS管轄范圍”，同時可以觀察到ATO與TSRS無線連接斷開。

3.2 門聯(lián)動失敗

列車進站停穩(wěn)停準后，當門控模式為AM時，由ATO自動打開車門。當門控模式為MM時，由司機手動打開車門。打開車門時，同時啟動車門站臺門聯(lián)動打開過程。車載ATO 向TSRS發(fā)送開門命令，TSRS收到開門命令后，根據(jù)編組信息和地面站臺門設置情況，確認對應股道列車停穩(wěn)且停準后，向?qū)牧锌刂行模═rain Control Center，TCC）發(fā)送開門命令，TCC向站臺門系統(tǒng)發(fā)送開門命令。如果開門命令未能成功傳遞給站臺門系統(tǒng)，或者站臺門系統(tǒng)故障，導致站臺門不能正常打開，在規(guī)定時間內(nèi)，如果車載ATO從TSRS收到的站臺門狀態(tài)一直為關閉狀態(tài)，車載ATO判斷車門站臺門聯(lián)動打開失敗，將通過ATP向DMI發(fā)送文本信息“門聯(lián)動失敗”，DMI界面顯示文本“門聯(lián)動失敗”，提示司機聯(lián)系地面工作人員手動打開站臺門。

完成乘客上車作業(yè)后，無論門控模式是AM還是MM，都由司機手動關閉車門，并觸發(fā)車門站臺門聯(lián)動關閉過程，如果在規(guī)定時間內(nèi)，ATO檢測到站臺門未能正常關閉，也通過ATP向DMI發(fā)送文本信息“門聯(lián)動失敗”，提示司機聯(lián)系地面工作人員手動關閉站臺門。

4 控車提示

4.1 進入ATO模式

對于始發(fā)站，司機以C2部分模式或C3目視模式發(fā)車，當列車在運行過程中進入完全監(jiān)控模式且滿足進入AM模式條件時，“ATO 啟動”燈閃爍，司機按壓“ATO啟動”按鈕進入AM模式，DMI顯示“AM”模式。

當ATP處于完全監(jiān)控模式，且具備下列ATO使用條件時，提示司機確認車載設備轉(zhuǎn)入AM模式，司機若未確認，則通過聲光等提示信息以一定時間間隔提醒司機確認；待司機確認后方可進入AM模式。當ATP處于其他工作模式時，不允許使用AM模式。

進入 AM 模式的必要條件包括：

（1）處于完全監(jiān)控模式；

（2）方向手柄前向；

（3）牽引制動手柄處于零位；

（4）ATO 工作正常；

（5）ATP 未輸出緊急制動；

（6）動車組允許 ATO 模式。

對于中間站，車載設備處于AM模式、ATO確認車門關閉、方向手柄向前、牽引制動手柄處于零位，且發(fā)車條件具備后，閃爍“ATO啟動”燈提示司機，司機確認車門關閉后，根據(jù)發(fā)車提示按壓“ATO啟動”按鈕，ATO根據(jù)列車運行計劃信息，控制列車發(fā)車。

若發(fā)車時車載設備無法轉(zhuǎn)入AM 模式，需由司機人工駕駛列車從車站出發(fā)，待具備進入AM模式條件后，“ATO啟動”燈閃爍，司機按壓“ATO啟動”按鈕進入AM模式。

“ATO啟動”燈不同狀態(tài)具有不同含義，常亮表示ATO當前處于AM模式；AM 模式下從常亮到閃爍，提示發(fā)車；非AM 模式由熄滅到閃爍，提示進入AM 模式；熄滅表示ATO當前處于非AM模式。

4.2 退出ATO模式

ATO處于AM模式時，若滿足任一退出AM模式的必要條件，應自動退出AM 模式并提示司機，若司機在5 s內(nèi)確認，則ATP不輸出常用制動，確認后轉(zhuǎn)為司機操作；若未及時確認，則5 s后ATP 輸出最大常用制動，確認后ATP緩解制動。

退出 AM 模式的必要條件包括：

（1）方向手柄不在前向位；

（2）牽引制動手柄處于非零位；

（3）ATO工作不正常；

（4）ATP 輸出緊急制動；

（5）動車組不允許ATO模式。

4.3 預選駕駛策略

列車運行過程中運行計劃不可用時，ATO車載設備按預選駕駛策略中的默認策略控制列車運行。ATO可提供快行、正常、慢行3種預選駕駛策略，司機根據(jù)列車運行情況，可人工調(diào)整預選駕駛策略。使用駕駛策略自動控車時，在ATP防護下區(qū)間停車和按預選駕駛策略實現(xiàn)站臺定點停車，ATO不提供自動開/關門功能。

4.4 無線呼叫信息

車載設備上電完成啟機流程，司機可以按壓DMI上的“TSRS數(shù)據(jù)”鍵，輸入TSRS呼叫信息，呼叫TSRS，與之建立通信會話。ATO與TSRS建立通信會話后，會將TSRS呼叫信息發(fā)送給ATP，ATP將TSRS呼叫信息保存在非易失存儲區(qū)里。當車載設備再次上

電時，司機選擇“TSRS數(shù)據(jù)”界面時，可以使用或修改上一次呼叫成功的TSRS呼叫信息。

4.5 發(fā)車倒計時

當運行計劃可用時，列車以AM模式發(fā)車，ATO根據(jù)運行計劃中的“出發(fā)時刻”和當前時間，計算出發(fā)車倒計時，通過ATP實時傳遞給DMI，在DMI上顯示發(fā)車倒計時，提示司機關閉車門并發(fā)車。

5 結束語

高速鐵路ATO系統(tǒng)是一種新型的列車控制系統(tǒng)。將自動駕駛技術引入高速鐵路后，可以提高系統(tǒng)的自動化程度，降低司機的勞動強度，實現(xiàn)列車既高速又高效地安全運行，是未來列車運行控制的一個主要發(fā)展方向。高速鐵路車載設備增加自動駕駛功能后，DMI設備呈現(xiàn)出一些新特征，對DMI的新特征進行詳細解讀，有利于通過觀察DMI更好地掌握列車的實時運行狀態(tài)，指導司機做出正確的操作，保障列車更安全更高效地運行。