基于ETCS的ATO系统工作模式研究

徐效宁，李一楠，程林芳，赵东旭

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所，北京 100081；2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心，北京 100081）

列车自动驾驶技术作为智能铁路的重要组成部分，可以降低司机的劳动强度，提高运输效率，实现节能控制，是未来铁路的一个重要发展方向[1]。2016年3月，城际CTCS2+ATO列控系统在珠三角城际铁路商业运用，在世界范围内首次实现时速200 km线路的自动驾驶技术。同时，国内高速铁路ATO系统也已完成现场测试并在京沈高铁试用，未来也将运用于智能京张高铁[2]。

近年来，欧洲铁路部门面向干线铁路，提出了基于欧洲列车运行控制系统（ETCS）的ATO系统（ATO over ETCS）。为实现互联互通，基于ETCS的ATO系统定义了不同的工作模式，本文主要对各种模式的定义和转换条件进行研究。

1 基于ETCS的ATO系统介绍

1.1 研究背景

基于ETCS的ATO系统研究可以分为3个阶段：泛欧交通运输网（TEN-T）、下一代列车运行控制系统（NGTC）和“转移至铁路”（Shift2Rail）项目，如图1所示[3-4]。

图1 基于ETCS的ATO系统开发路线Fig.1 Development route of ATO over ETCS

TEN-T项目研究了干线铁路实现自动驾驶的可行性，在ETCS基线3版本的基础上提出了自动化等级（GoA）2级的运营需求。NGTC项目则根据ATO在城市轨道交通的运用经验，提出了GoA3和GoA4级的运营需求。Shift2Rail项目的“先进的运输管理和控制系统”正式开始基于ETCS的ATO系统研发，最终目标是在城市轨道交通和市郊铁路实现GoA4级、货运等其他线路至少达到GoA2级的自动驾驶功能，目前项目主要集中于GoA2级的规范制定和设备开发阶段。

2018年底，ETCS2+ATO系统在英国伦敦的泰晤士联线中商业运用。由于基于ETCS的ATO系统相关规范细则尚未完全确定，因此泰晤士联线的ETCS2+ATO系统在设计时更多的参考了城市轨道交通CBTC的架构设计[5]。

1.2 体系架构

如图2所示，在ETCS的基础上，系统增加了单独的ATO车载和ATO地面设备，以实现自动驾驶相关功能[6]。同时，欧洲铁路部门通过SUBSET-125等一系列规范文件，要求不同信号厂商的ATO车载和地面设备、ATO车载和ETCS车载设备（ATP）能够实现互联互通，便于既有设备的升级改造以及提高市场的竞争力[7]。

图2 基于ETCS的ATO系统参考架构Fig.2 ATO over ETCS reference architecture

2 ATO工作模式分析

2.1 ATO控车条件

基于ETCS的ATO系统细化了ATO控车所需的条件，将其分为“ATO可用条件”和“ATO启动条件”。当满足不同的条件时，ATO设备处于不同的工作模式，DMI向司机显示对应的图标。

“ATO可用条件”包括如下内容：

1）ATP允许ATO控车；

2）司机或其他系统未输出紧急制动；

3）线路数据和运行计划有效；

4）列车未处于ATO禁止运行区域[8]；

5）ATO控车所需的ETCS数据有效。

其中，ATP允许ATO控车的条件包括：1）设备处于自动驾驶（AD）或完全监控（FS）模式，并且DMI不再显示“进入完全监控模式”（即列车完全进入线路数据描述的区段）；2）设备未输出紧急或最大常用制动。

“ATO启动条件”包括如下内容：

1）方向手柄处于前进位；

2）如果列车停在站内，行车许可的长度至少保证列车完全驶离站台；

3）如果列车停在站外，行车许可的长度至少保证列车能够移动（移动最小距离可根据列车配置）；

4）当列车接近停车点时，剩余距离保证ATO能够停车；

5）车门关闭且锁闭（仅对于旅客列车）；

6）发车倒计时结束（如果有）。

2.2 ATO工作模式

参考ETCS系统需求规范，ATO系统定义了8种工作模式对应不同的运用场景，这也有利于区分人机职责[9]。

1） ATO未上电模式（ATO No Power，NP）

未上电时，ATO设备处于NP模式。该模式下，ATO不负责列车运行。

2） ATO 配 置 模 式（ATO Configuration，CO）

上电后，ATO设备进入CO模式，同时向ATP发送ETCS数据请求。该模式下，ATO不负责列车运行。

3） ATO不可用模式（ATO Not Available，NA）

ATO设备等待具备“ATO可用条件”。该模式下，ATO不负责列车运行。

4） ATO可用模式（ATO Available，AV）

ATO设备具备“ATO可用条件”，等待“ATO启动条件”满足。该模式下，ATO不负责列车运行。

5） ATO准备模式（ATO Ready，RE）

ATO设备具备“ATO可用条件”和“ATO启动条件”，等待司机启用ATO控车。只有当控制手柄位于牵引或中立位，ATO才能启用。该模式下，ATO仍不负责列车运行，司机负责启用ATO控车。

6） ATO启用模式（ATO Engaged，EG）

该模式下，ATO负责控制列车运行。

7） ATO退出模式（ATO Disengaging，DE）

在EG模式时，若ATP允许ATO控车而其他“ATO可用条件”不再具备，ATO设备将进入DE模式。进入DE模式后，ATO设备仍使用上一次计算的曲线控车，但不再输出牵引制令；如果5 s内“ATO可用条件”重新满足，ATO设备恢复为EG模式，否则5 s后将输出最大常用制动。

8） ATO失效模式（ATO Failure，FA）

当检测到不能执行自动驾驶相关功能的故障时，ATO设备将进入该模式。

3 工作模式转换

3.1 ATO模式转换

ATO模式转换如图3所示。图中“1＞”表示当条件“1”满足时，系统转换到箭头“＞”指向的模式。为避免不同条件同时满足发生模式转换冲突，每个转换条件都被分配了一定的优先级。优先级用“-px-”表示，当x数值越小时优先等级越高。图3中的“6b，8，10”表示“条件6b或者条件8或者条件10”，即只要满足其中一个条件就进行模式转换。

图3 模式转换图Fig.3 Mode transition diagram

模式转换条件如表1所示。

3.2 ETCS模式转换

为适应ATO系统功能需求，ETCS在基线3版本的基础上增加自动驾驶模式（AD）。当下列任一条件满足时，ATO应请求ATP进入AD模式。

表1 模式转换条件表Tab.1 Mode transition conditions table

1）ATO设备处于RE模式，列车在运动，且控制手柄在中立或牵引位。

2）ATO设备处于RE模式，列车停稳，且控制手柄在中立位。

3）ATO设备处于EG或DE模式。

4）ATO设备处于AV模式，ATP处于AD模式，且控制手柄在中立位。

当ATP允许ATO控车且收到AD模式请求时，ATP进入AD模式。若ATO设备停止发送AD模式请求或ATP设备本身不再允许ATO控车，则ATP退出AD模式，并根据既有转换条件进入相应的工作模式。

4 运营场景举例

4.1 正常运营场景

ATO正常运营场景如图4所示。

图4 正常运营场景Fig.4 Normal operational scenario

上电后，ATO设备由NP进入CO模式，向ETCS发送数据请求。当收到ETCS数据后，ATO设备进入NA模式。当“ATO可用条件”具备后，ATO设备进入AV模式。当“ATO启动条件”具备后，ATO设备进入RE模式，并提示司机启用ATO。司机启用后，ATO设备进入EG模式，ATP进入AD模式。在EG模式下，ATO设备控制列车运行，当根据运行计划在车站停车后，ATO设备输出保持制动，退回AV模式。当发车倒机时结束等“ATO启动条件”满足后，ATO设备再次提示司机启用ATO。司机启用后，ATO设备重新进入EG模式，控制列车运行。这样，ATO设备在AV、RE、EG模式之间切换，ATP则保持AD模式。

4.2 列车驶离ATO区域

列车驶离ATO区域的运营场景如图5所示。经过正常流程，ATO进入EG模式，控制列车运行。当离开ATO区域后，“ATO可用条件”不再满足，ATO进入DE模式，提示司机退出ATO。同时，系统将进行如下处理。

图5 列车驶离ATO区域的运营场景Fig.5 Operational scenario of train leaving ATO area

1）在进入DE模式的前5 s时间内，ATO设备仍按照之前的运行曲线控车，但不再输出牵引。

2）如果司机在5 s时间内进行退出ATO操作（手柄制动或选择退出ATO），ATO设备进入NA模式，ETCS退出AD模式。

3）如果司机未采取退出ATO操作，5 s后ATO设备将输出最大常用制动停车。在停车过程中，如果司机操作退出ATO，ATO设备将缓解制动并进入NA模式，ETCS退出AD模式；如果司机仍未进行操作，ATO设备在列车停车后自动进入NA模式，ETCS退出AD模式。

5 总结

ETCS系统通过定义各种模式，以区分不同运营场景的人机职责。基于ETCS的ATO系统沿用这个原则，同时系统需求规范通过定义各种模式下的控制功能和数据处理原则，尽量避免各信号厂商在具体实现时的歧义性，为实现不同型号ATP和ATO设备的互联互通提供了基础。