徐效寧，李一楠，程林芳，趙東旭

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081；2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100081）

列車自動(dòng)駕駛技術(shù)作為智能鐵路的重要組成部分，可以降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，是未來鐵路的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。2016年3月，城際CTCS2+ATO列控系統(tǒng)在珠三角城際鐵路商業(yè)運(yùn)用，在世界范圍內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)時(shí)速200 km線路的自動(dòng)駕駛技術(shù)。同時(shí)，國內(nèi)高速鐵路ATO系統(tǒng)也已完成現(xiàn)場測(cè)試并在京沈高鐵試用，未來也將運(yùn)用于智能京張高鐵[2]。

近年來，歐洲鐵路部門面向干線鐵路，提出了基于歐洲列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（ETCS）的ATO系統(tǒng)（ATO over ETCS）。為實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，基于ETCS的ATO系統(tǒng)定義了不同的工作模式，本文主要對(duì)各種模式的定義和轉(zhuǎn)換條件進(jìn)行研究。

1 基于ETCS的ATO系統(tǒng)介紹

1.1 研究背景

基于ETCS的ATO系統(tǒng)研究可以分為3個(gè)階段：泛歐交通運(yùn)輸網(wǎng)（TEN-T）、下一代列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（NGTC）和“轉(zhuǎn)移至鐵路”（Shift2Rail）項(xiàng)目，如圖1所示[3-4]。

圖1 基于ETCS的ATO系統(tǒng)開發(fā)路線Fig.1 Development route of ATO over ETCS

TEN-T項(xiàng)目研究了干線鐵路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的可行性，在ETCS基線3版本的基礎(chǔ)上提出了自動(dòng)化等級(jí)（GoA）2級(jí)的運(yùn)營需求。NGTC項(xiàng)目則根據(jù)ATO在城市軌道交通的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，提出了GoA3和GoA4級(jí)的運(yùn)營需求。Shift2Rail項(xiàng)目的“先進(jìn)的運(yùn)輸管理和控制系統(tǒng)”正式開始基于ETCS的ATO系統(tǒng)研發(fā)，最終目標(biāo)是在城市軌道交通和市郊鐵路實(shí)現(xiàn)GoA4級(jí)、貨運(yùn)等其他線路至少達(dá)到GoA2級(jí)的自動(dòng)駕駛功能，目前項(xiàng)目主要集中于GoA2級(jí)的規(guī)范制定和設(shè)備開發(fā)階段。

2018年底，ETCS2+ATO系統(tǒng)在英國倫敦的泰晤士聯(lián)線中商業(yè)運(yùn)用。由于基于ETCS的ATO系統(tǒng)相關(guān)規(guī)范細(xì)則尚未完全確定，因此泰晤士聯(lián)線的ETCS2+ATO系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)更多的參考了城市軌道交通CBTC的架構(gòu)設(shè)計(jì)[5]。

1.2 體系架構(gòu)

如圖2所示，在ETCS的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)增加了單獨(dú)的ATO車載和ATO地面設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛相關(guān)功能[6]。同時(shí)，歐洲鐵路部門通過SUBSET-125等一系列規(guī)范文件，要求不同信號(hào)廠商的ATO車載和地面設(shè)備、ATO車載和ETCS車載設(shè)備（ATP）能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，便于既有設(shè)備的升級(jí)改造以及提高市場的競爭力[7]。

圖2 基于ETCS的ATO系統(tǒng)參考架構(gòu)Fig.2 ATO over ETCS reference architecture

2 ATO工作模式分析

2.1 ATO控車條件

基于ETCS的ATO系統(tǒng)細(xì)化了ATO控車所需的條件，將其分為“ATO可用條件”和“ATO啟動(dòng)條件”。當(dāng)滿足不同的條件時(shí)，ATO設(shè)備處于不同的工作模式，DMI向司機(jī)顯示對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。

“ATO可用條件”包括如下內(nèi)容：

1）ATP允許ATO控車；

2）司機(jī)或其他系統(tǒng)未輸出緊急制動(dòng)；

3）線路數(shù)據(jù)和運(yùn)行計(jì)劃有效；

4）列車未處于ATO禁止運(yùn)行區(qū)域[8]；

5）ATO控車所需的ETCS數(shù)據(jù)有效。

其中，ATP允許ATO控車的條件包括：1）設(shè)備處于自動(dòng)駕駛（AD）或完全監(jiān)控（FS）模式，并且DMI不再顯示“進(jìn)入完全監(jiān)控模式”（即列車完全進(jìn)入線路數(shù)據(jù)描述的區(qū)段）；2）設(shè)備未輸出緊急或最大常用制動(dòng)。

“ATO啟動(dòng)條件”包括如下內(nèi)容：

1）方向手柄處于前進(jìn)位；

2）如果列車停在站內(nèi)，行車許可的長度至少保證列車完全駛離站臺(tái)；

3）如果列車停在站外，行車許可的長度至少保證列車能夠移動(dòng)（移動(dòng)最小距離可根據(jù)列車配置）；

4）當(dāng)列車接近停車點(diǎn)時(shí)，剩余距離保證ATO能夠停車；

5）車門關(guān)閉且鎖閉（僅對(duì)于旅客列車）；

6）發(fā)車倒計(jì)時(shí)結(jié)束（如果有）。

2.2 ATO工作模式

參考ETCS系統(tǒng)需求規(guī)范，ATO系統(tǒng)定義了8種工作模式對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)用場景，這也有利于區(qū)分人機(jī)職責(zé)[9]。

1） ATO未上電模式（ATO No Power，NP）

未上電時(shí)，ATO設(shè)備處于NP模式。該模式下，ATO不負(fù)責(zé)列車運(yùn)行。

2） ATO 配 置 模 式（ATO Configuration，CO）

上電后，ATO設(shè)備進(jìn)入CO模式，同時(shí)向ATP發(fā)送ETCS數(shù)據(jù)請(qǐng)求。該模式下，ATO不負(fù)責(zé)列車運(yùn)行。

3） ATO不可用模式（ATO Not Available，NA）

ATO設(shè)備等待具備“ATO可用條件”。該模式下，ATO不負(fù)責(zé)列車運(yùn)行。

4） ATO可用模式（ATO Available，AV）

ATO設(shè)備具備“ATO可用條件”，等待“ATO啟動(dòng)條件”滿足。該模式下，ATO不負(fù)責(zé)列車運(yùn)行。

5） ATO準(zhǔn)備模式（ATO Ready，RE）

ATO設(shè)備具備“ATO可用條件”和“ATO啟動(dòng)條件”，等待司機(jī)啟用ATO控車。只有當(dāng)控制手柄位于牽引或中立位，ATO才能啟用。該模式下，ATO仍不負(fù)責(zé)列車運(yùn)行，司機(jī)負(fù)責(zé)啟用ATO控車。

6） ATO啟用模式（ATO Engaged，EG）

該模式下，ATO負(fù)責(zé)控制列車運(yùn)行。

7） ATO退出模式（ATO Disengaging，DE）

在EG模式時(shí)，若ATP允許ATO控車而其他“ATO可用條件”不再具備，ATO設(shè)備將進(jìn)入DE模式。進(jìn)入DE模式后，ATO設(shè)備仍使用上一次計(jì)算的曲線控車，但不再輸出牽引制令；如果5 s內(nèi)“ATO可用條件”重新滿足，ATO設(shè)備恢復(fù)為EG模式，否則5 s后將輸出最大常用制動(dòng)。

8） ATO失效模式（ATO Failure，F(xiàn)A）

當(dāng)檢測(cè)到不能執(zhí)行自動(dòng)駕駛相關(guān)功能的故障時(shí)，ATO設(shè)備將進(jìn)入該模式。

3 工作模式轉(zhuǎn)換

3.1 ATO模式轉(zhuǎn)換

ATO模式轉(zhuǎn)換如圖3所示。圖中“1＞”表示當(dāng)條件“1”滿足時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到箭頭“＞”指向的模式。為避免不同條件同時(shí)滿足發(fā)生模式轉(zhuǎn)換沖突，每個(gè)轉(zhuǎn)換條件都被分配了一定的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)用“-px-”表示，當(dāng)x數(shù)值越小時(shí)優(yōu)先等級(jí)越高。圖3中的“6b，8，10”表示“條件6b或者條件8或者條件10”，即只要滿足其中一個(gè)條件就進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

圖3 模式轉(zhuǎn)換圖Fig.3 Mode transition diagram

模式轉(zhuǎn)換條件如表1所示。

3.2 ETCS模式轉(zhuǎn)換

為適應(yīng)ATO系統(tǒng)功能需求，ETCS在基線3版本的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)駕駛模式（AD）。當(dāng)下列任一條件滿足時(shí)，ATO應(yīng)請(qǐng)求ATP進(jìn)入AD模式。

表1 模式轉(zhuǎn)換條件表Tab.1 Mode transition conditions table

1）ATO設(shè)備處于RE模式，列車在運(yùn)動(dòng)，且控制手柄在中立或牽引位。

2）ATO設(shè)備處于RE模式，列車停穩(wěn)，且控制手柄在中立位。

3）ATO設(shè)備處于EG或DE模式。

4）ATO設(shè)備處于AV模式，ATP處于AD模式，且控制手柄在中立位。

當(dāng)ATP允許ATO控車且收到AD模式請(qǐng)求時(shí)，ATP進(jìn)入AD模式。若ATO設(shè)備停止發(fā)送AD模式請(qǐng)求或ATP設(shè)備本身不再允許ATO控車，則ATP退出AD模式，并根據(jù)既有轉(zhuǎn)換條件進(jìn)入相應(yīng)的工作模式。

4 運(yùn)營場景舉例

4.1 正常運(yùn)營場景

ATO正常運(yùn)營場景如圖4所示。

圖4 正常運(yùn)營場景Fig.4 Normal operational scenario

上電后，ATO設(shè)備由NP進(jìn)入CO模式，向ETCS發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求。當(dāng)收到ETCS數(shù)據(jù)后，ATO設(shè)備進(jìn)入NA模式。當(dāng)“ATO可用條件”具備后，ATO設(shè)備進(jìn)入AV模式。當(dāng)“ATO啟動(dòng)條件”具備后，ATO設(shè)備進(jìn)入RE模式，并提示司機(jī)啟用ATO。司機(jī)啟用后，ATO設(shè)備進(jìn)入EG模式，ATP進(jìn)入AD模式。在EG模式下，ATO設(shè)備控制列車運(yùn)行，當(dāng)根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃在車站停車后，ATO設(shè)備輸出保持制動(dòng)，退回AV模式。當(dāng)發(fā)車倒機(jī)時(shí)結(jié)束等“ATO啟動(dòng)條件”滿足后，ATO設(shè)備再次提示司機(jī)啟用ATO。司機(jī)啟用后，ATO設(shè)備重新進(jìn)入EG模式，控制列車運(yùn)行。這樣，ATO設(shè)備在AV、RE、EG模式之間切換，ATP則保持AD模式。

4.2 列車駛離ATO區(qū)域

列車駛離ATO區(qū)域的運(yùn)營場景如圖5所示。經(jīng)過正常流程，ATO進(jìn)入EG模式，控制列車運(yùn)行。當(dāng)離開ATO區(qū)域后，“ATO可用條件”不再滿足，ATO進(jìn)入DE模式，提示司機(jī)退出ATO。同時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行如下處理。

圖5 列車駛離ATO區(qū)域的運(yùn)營場景Fig.5 Operational scenario of train leaving ATO area

1）在進(jìn)入DE模式的前5 s時(shí)間內(nèi)，ATO設(shè)備仍按照之前的運(yùn)行曲線控車，但不再輸出牽引。

2）如果司機(jī)在5 s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行退出ATO操作（手柄制動(dòng)或選擇退出ATO），ATO設(shè)備進(jìn)入NA模式，ETCS退出AD模式。

3）如果司機(jī)未采取退出ATO操作，5 s后ATO設(shè)備將輸出最大常用制動(dòng)停車。在停車過程中，如果司機(jī)操作退出ATO，ATO設(shè)備將緩解制動(dòng)并進(jìn)入NA模式，ETCS退出AD模式；如果司機(jī)仍未進(jìn)行操作，ATO設(shè)備在列車停車后自動(dòng)進(jìn)入NA模式，ETCS退出AD模式。

5 總結(jié)

ETCS系統(tǒng)通過定義各種模式，以區(qū)分不同運(yùn)營場景的人機(jī)職責(zé)?；贓TCS的ATO系統(tǒng)沿用這個(gè)原則，同時(shí)系統(tǒng)需求規(guī)范通過定義各種模式下的控制功能和數(shù)據(jù)處理原則，盡量避免各信號(hào)廠商在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)的歧義性，為實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)ATP和ATO設(shè)備的互聯(lián)互通提供了基礎(chǔ)。