高 峰，桂樂琴，宋鵬飛，許 偉，王 濤

（1.北京華鐵信息技術開發(fā)有限公司 行車指揮自動化事業(yè)部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

京張智能高速鐵路(北京北—張家口)重大工程的建設，標志著當前我國高速鐵路正在從自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化階段向著智能化階段發(fā)展[1]。在高速鐵路智能化發(fā)展過程中，高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)(以下簡稱ATO系統(tǒng))和智能調(diào)度指揮系統(tǒng)(以下簡稱CTC系統(tǒng))可以實現(xiàn)列車控制自動化與調(diào)度指揮智能化[2]，還可以通過系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，保障列車自動駕駛的準點率，降低列車運行能耗，提高智能高速鐵路整體運輸效率。既有的CTC系統(tǒng)計劃信息的接收者是車站，包含將要經(jīng)過車站列車的信息[3-4]，由中心調(diào)度臺發(fā)往車站分散自律設備；而在智能高速鐵路系統(tǒng)中，CTC系統(tǒng)計劃信息的接收者是列車，包括列車將要經(jīng)過的車站信息及車站內(nèi)的作業(yè)情況信息。復興號智能動車組可以根據(jù)CTC系統(tǒng)提供的ATO列車計劃，獲取前方車站的作業(yè)內(nèi)容，提前選擇最優(yōu)的列車控制模式，控制車組精準地完成既定運輸任務[5-6]。由于發(fā)往復興號智能動車組的ATO列車計劃與既有的CTC系統(tǒng)計劃在數(shù)據(jù)內(nèi)容、接收對象上有較大差別，因而需要以CTC系統(tǒng)為基礎，制訂新的ATO列車計劃傳輸方案，明確計劃內(nèi)容，分析計劃數(shù)據(jù)組包及傳輸方式，建立數(shù)據(jù)動態(tài)更新機制，充分滿足ATO系統(tǒng)功能需求。

1 智能高速鐵路ATO列車計劃

1.1 傳輸途徑

智能高速鐵路ATO列車計劃根據(jù)CTC系統(tǒng)結合ATO列車注冊信息，在ATO接口服務器組包生成。該信息經(jīng)由ATO接口服務器、TSRS服務器、GSM-R分組數(shù)據(jù)業(yè)務GPRS相關通信設備、車載GPRS電臺、車載無線通信單元，發(fā)送至車載ATO單元設備[7]。ATO列車計劃傳輸相關系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)類型

根據(jù)智能高速鐵路ATO系統(tǒng)原理，ATO列車計劃數(shù)據(jù)包含列車運行前方2個連續(xù)車站的計劃到達時刻、計劃出發(fā)時刻、計劃站內(nèi)?？抗傻?、作業(yè)類型、作業(yè)時間等。

（1）計劃到達、出發(fā)時刻。ATO列車在區(qū)間內(nèi)自動運行時，需要根據(jù)前方車站的計劃到達時刻和出發(fā)時刻，判斷在前方車站是否停站，結合列車自身牽引制動性能，自動選擇最優(yōu)區(qū)間運行曲線，并根據(jù)該曲線控制列車速度，達到準確控制列車實際到達、出發(fā)時刻的目的。

（2）站內(nèi)作業(yè)類型。根據(jù)站內(nèi)作業(yè)類型，判斷列車進站停穩(wěn)后，是否需要聯(lián)動開啟車站門與站臺屏蔽門。目前，只有作業(yè)類型為“乘降”時，列車會自動開啟車門。

（3）站內(nèi)?？抗傻馈Ｔ谡緝?nèi)作業(yè)類型為“乘降”時，需要根據(jù)站內(nèi)?？康墓傻佬畔?，進一步判斷車門開啟方向，正確開啟對應方向的車門與站臺門。

（4）作業(yè)時間。以“乘降”作業(yè)為例，當車門與站臺門開啟的時間(乘降作業(yè)時間)超過計劃作業(yè)時間后，自動關閉或提醒司機一鍵操作關閉車門與站臺門。

列車運行曲線的生成通常是基于前方第1個車站的計劃信息。但是，如果列車運行前方的第1個車站為線路所，或者列車于此站通過不停車，ATO系統(tǒng)可以將前方第1個車站視為區(qū)間，并結合列車運行前方第2個車站的計劃時間，選擇更優(yōu)的運行曲線控制列車速度。

2 智能高速鐵路ATO列車計劃傳輸方案

2.1 計劃傳輸關鍵技術

2.1.1 前方車站判斷

智能高速鐵路列車運行過程中，ATO列車計劃需要根據(jù)列車的前方站變化動態(tài)更新，因而需要實時確定ATO列車的位置，以判斷列車的前方站。根據(jù)CTC系統(tǒng)的既有功能，判斷列車位置的方法有以下3種。

（1）列車注冊信息。列車注冊信息由TSRS服務器提供，包含列車所在位置的公里標數(shù)據(jù)。為此，在CTC系統(tǒng)中建立線路對象的公里標映射表，以及線路對象與車站或區(qū)間的從屬關系。在判斷列車前方站時，首先根據(jù)列車注冊信息中的公里標，確定列車所處位置的線路對象；然后，確定該線路對象所屬車站或區(qū)間，再結合列車運行方向，確定列車的前方站。這種方法用于列車在區(qū)間運行時的定位較為準確，而當列車位于車站內(nèi)時，如果車站站型復雜，僅憑公里標不能準確判斷列車的具體位置，導致無法識別列車的前方站是本站還是下一車站(列車未完全進入本站的股道前，ATO列車計劃中的第1個前方站依然是本站)。

（2）車站報點信息。車站報點信息可以分為到達時刻、出發(fā)時刻和通過時刻，可以根據(jù)車站的報點信息，判斷列車是否已經(jīng)進入、離開某車站，再根據(jù)列車運行方向確定列車的前方站。車站報點信息確定列車位置示意圖如圖2所示。圖2中，車站A，B，C為3個連續(xù)車站，列車運行方向為A→B→C。列車計劃始發(fā)自A站，經(jīng)過B站，終到C站。當A站上報出發(fā)時刻時，可以認為列車已經(jīng)離開A站，因而確定列車的2個前方站為B，C；當B站上報到達時刻時，由于本站的計劃尚未完成，仍然確定列車的2個前方站為B，C；當B站上報通過時刻或出發(fā)時刻時，可以認為列車已經(jīng)離開B站，因而確定前方站為C。這種方法簡單易行，理論上適用于列車前方站的判斷。但是，如果CTC系統(tǒng)因為網(wǎng)絡原因?qū)е伦粉欁詣訄簏c信息丟包，或者值班員人工誤操作導致列車前方車站提前報點，會導致ATO列車前方站判斷錯誤，抗干擾性較差。

（3）CTC系統(tǒng)追蹤子系統(tǒng)的列車位置信息。CTC系統(tǒng)會持續(xù)追蹤列車并對外發(fā)送位置信息，但此位置信息并非精準的列車位置，而是包含有位置標志和所屬車站站碼的信息，其中位置標志包含有接車區(qū)間、接車進路、計劃股道、發(fā)車進路、發(fā)車區(qū)間等5項內(nèi)容，分別表示列車于當前車站的位置情況。如果位置標志顯示為接車區(qū)間、接車進路或計劃股道，可以判斷ATO列車計劃中的前方第1個車站仍然為當前車站；如果位置標志顯示為發(fā)車進路或發(fā)車區(qū)間，則判斷ATO列車計劃中的前方第一車站為當前站的下一車站。此信息只有在列車位置標志發(fā)生變化時才會對外發(fā)送，如果站間區(qū)間較長，列車位置長期處于發(fā)車區(qū)間或接車區(qū)間狀態(tài)，會導致長時間無法收到列車位置信息，進而無法設定判斷該信息發(fā)送的超時標準，難以保證ATO列車計劃的實時性。

通過分析比較，決定綜合利用注冊列車公里標信息和列車位置標志信息對列車前方車站進行判斷。注冊列車公里標信息的判斷優(yōu)先級高于列車位置標志信息，只有通過列車公里標信息無法唯一確定站內(nèi)線路對象時，再以當前最新的列車位置標志信息判斷列車前方車站。

2.1.2 站車計劃一致性保持

智能高速鐵路ATO列車計劃應與前方車站計劃保持一致。但是，部分大型車站或者銜接多個方向車站的站型復雜，車站計劃調(diào)整頻繁，為了保證安全，提升作業(yè)效率，往往采用“分散自律—車站操作”模式。在此模式下，車站值班員可以修改本站的列車計劃(包括股道和作業(yè)類型)。如果前方車站的計劃發(fā)生改變，應實時更新ATO列車計劃。

（1）根據(jù)行車調(diào)度臺計劃更新ATO列車計劃。CTC系統(tǒng)會自上而下保持行車調(diào)度臺計劃與車站計劃一致，即當行車調(diào)度臺的計劃運行線發(fā)生調(diào)整時，車站對應的計劃會同步更新[8-9]。但是，在車站操作模式下，車站對本站計劃的操作優(yōu)先級高于中心行車調(diào)度臺。車站值班員修改了股道或作業(yè)類型后，如果行車調(diào)度臺再次修改并下達計劃，車站的列車計劃仍然保持車站值班員修改的計劃不變，此時車站計劃與行車調(diào)度臺計劃數(shù)據(jù)不一致。如果ATO列車計劃隨著行車調(diào)度臺計劃線實時更新，則會導致ATO列車計劃與實際的車站計劃不一致。

（2）根據(jù)車站分散自律系統(tǒng)的計劃指令信息更新ATO列車計劃。車站分散自律系統(tǒng)會對外發(fā)送本站列車計劃指令信息至各操作終端，實時顯示本站的列車計劃狀態(tài)，此信息中包含計劃列車車次號、計劃股道、計劃時間、股道作業(yè)等。該信息以“實時+定時”的方式發(fā)送。依據(jù)此信息動態(tài)更新ATO列車計劃，可以保持ATO列車計劃與車站計劃的一致性。ATO列車計劃更新相關數(shù)據(jù)流示意圖如圖3所示。

2.2 傳輸流程

智能高速鐵路ATO列車計劃傳輸流程包括計劃生成、計劃發(fā)送、計劃更新、計劃完成4個過程。ATO列車計劃傳輸流程示意圖如圖4所示。

2.2.1 計劃生成

ATO列車計劃最初由行車調(diào)度臺計劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換生成。計劃運行線數(shù)據(jù)的每一個節(jié)點代表一個車站。信息轉(zhuǎn)換時，首先將計劃運行線各節(jié)點信息按時間先后進行排序、編號、計數(shù)，抽取節(jié)點信息中的車站站碼、計劃時間、計劃車次、計劃股道、股道作業(yè)、作業(yè)時間等關鍵數(shù)據(jù)，重新組包生成最初的ATO列車計劃。計劃運行線節(jié)點分為始發(fā)、終到、到開、通過、接入、交出等類型。計劃運行線節(jié)點類型如圖5所示。

圖3 ATO列車計劃更新相關數(shù)據(jù)流示意圖Fig.3 ATO train plan update related data flow

圖4 ATO列車計劃傳輸流程示意圖Fig.4 ATO train plan transmission process

（1）始發(fā)節(jié)點。對應節(jié)點順序為1，計劃到達時間為空，計劃出發(fā)時間有效。因為ATO列車計劃中最初始的前方車站即為始發(fā)站的下一站，所以不發(fā)送始發(fā)站的計劃信息。

（2）終到節(jié)點。對應節(jié)點序號與總節(jié)點數(shù)相同，計劃到達時間有效，計劃出發(fā)時間為空。

圖5 計劃運行線節(jié)點類型Fig.5 Node type of planned operation line

（3）到開節(jié)點。對應節(jié)點序號非1非總節(jié)點數(shù)，計劃到達、出發(fā)時間均有效且不相同。

（4）通過節(jié)點。對應節(jié)點序號非1，且非總節(jié)點數(shù)，計劃到達、出發(fā)時間均有效且相同。

（5）接入節(jié)點。計劃為鄰臺接入計劃，列車始發(fā)站非本行調(diào)臺所轄車站，且在本行調(diào)臺節(jié)點序號為1，計劃到達、出發(fā)時間均有效。對于接入站，ATO列車計劃將其作為最初始的前方車站。

（6）交出節(jié)點。對應節(jié)點序號與總節(jié)點數(shù)相同，計劃到達、出發(fā)時間均有效。交出站往往為2個相鄰行車調(diào)度臺的分界站，ATO列車計劃中交出站的計劃信息會額外標注發(fā)車口編號。此編號可以輔助TSRS服務器完成與相應鄰臺ATO列車計劃的拼接，保證ATO列車計劃跨臺傳送的連續(xù)性。

2.2.2 計劃發(fā)送

ATO列車的注冊信息是ATO列車計劃發(fā)送的必要條件。CTC系統(tǒng)依據(jù)車次號將ATO列車注冊信息與初始的ATO列車計劃進行匹配，匹配成功后，對外發(fā)送ATO列車計劃。在ATO列車運行過程中，仍然會實時監(jiān)控列車注冊信息并進行超時判斷，如果超時沒有收到該信息，則停止對外發(fā)送對應的ATO列車計劃，然后保持當前ATO列車計劃，等待再次匹配。

2.2.3 計劃更新

（1）更新ATO列車前方車站計劃信息。確定ATO列車位置，找到當前位置所屬車站在完整計劃中的節(jié)點順序。如果列車未越過計劃股道，則判定當前車站為第1前方車站；如果列車已越過計劃股道，則判定下一節(jié)點順序?qū)能囌緸榈?前方車站。

（2）根據(jù)前方車站列車指令信息更新ATO列車計劃。只處理來自ATO列車前方車站的列車指令信息，已經(jīng)過車站的指令信息不再監(jiān)測與處理。

2.2.4 計劃完成

在2種場景下，CTC系統(tǒng)可以判斷ATO列車計劃已經(jīng)完成。在這2種場景下對ATO列車計劃的處理方式有所不同。

（1）到達終到車站。當ATO列車前方車站為站內(nèi)終到，且列車位置為前方車站的計劃股道時，判斷列車已經(jīng)到達終到車站。此時，ATO列車計劃已經(jīng)完成，停止對外發(fā)送該計劃，系統(tǒng)內(nèi)部同步刪除此信息。

（2）駛出交出車站。當ATO列車前方車站為站內(nèi)交出，且列車位置為前方車站的發(fā)車進路或發(fā)車區(qū)間，則判斷列車已經(jīng)駛出交出車站。此時，ATO列車計劃已經(jīng)在本行車調(diào)度臺所轄范圍內(nèi)完成。但是，考慮到TSRS服務器需要拼接跨臺的ATO列車計劃，所以設定延遲停止發(fā)送時限。在規(guī)定時間范圍內(nèi)，如果收到ATO列車注銷信息，則停止對外發(fā)送ATO列車計劃，并同時在系統(tǒng)內(nèi)部刪除；如果超時仍未收到列車注銷信息，同樣不再對外發(fā)送ATO列車計劃，并在系統(tǒng)內(nèi)部刪除。

3 結束語

智能高速鐵路ATO列車計劃傳輸方案為智能高速鐵路ATO系統(tǒng)的高效、可靠運作提供技術支撐。截至目前，京張智能高速鐵路已經(jīng)在線運營，ATO列車計劃傳輸方案已經(jīng)在京張智能高鐵系統(tǒng)中得到有效應用，京張復興號動車組在列車自動駕駛系統(tǒng)操控下安全、高效地完成了運輸任務，進一步證實ATO列車計劃傳輸方案的可靠性與有效性，為我國高速鐵路信號系統(tǒng)智能化發(fā)展奠定基礎。另外，還需要在實踐中根據(jù)現(xiàn)場需求，調(diào)整和完善智能高速鐵路ATO列車計劃的傳輸方案，進一步提升列車運行調(diào)度指揮的效率。