基于城际铁路CCS和高铁ATO系统TSRS的ATO技术探讨

韩涛，夏明，侯晓伟，张波，刘彬，赖昊，张炳坤

（卡斯柯信号有限公司北京分公司，北京100160）

0 引言

列车自动驾驶（ATO）最早在城市轨道交通中应用，利用地面信息实现对列车牵引、制动、惰行和自动折返等运行控制，在保障列车运行安全的前提下，以运行计划为基础，综合考虑准时、舒适、节能、停车精度等目标，实时调整列车运行，提高旅客乘坐舒适度和列车准点到达率，缩短运行间隔，提高运输效率并节约能源。与CTCS系统相比，ATO系统强调自动化控制，更注重运输效率的提升、旅客乘坐舒适度和准点率的提高，是解决运输能力与运输需求之间矛盾的有效手段。

国外学者研究了干线铁路应用自动驾驶的可行性［1-2］。同时，欧洲铁路部门提出在ETCS系统基础上实现自动驾驶的设想，制定了下一代列车运行控制系统计划，通过比较ETCS和CBTC系统，在ETCS规范基础上，增加了ATO的系统需求规范以及相关接口规范。目前，ETCS和ATO已经应用在泰晤士联线核心区段上，为该地区提供高运能服务［3］。

近年来，我国学者对ATO技术的研究不断深入。有学者重点研究如何提高ATO系统的控制精度，例如，文献[4]通过构建基于增广误差的自适应控制系统，使调节过程更平稳。随着国家智慧城市战略的部署，也有学者从节能的角度出发，探讨充分利用ATO高层推荐速度曲线、低层跟踪控制的双层结构，实现地铁的智慧节能［5］。这些研究都为高速铁路ATO系统的发展奠定了基础，并逐步形成完善的系统融合方案［6-9］。

CTCS+ATO系统融合CTCS系统的高可靠性和ATO系统的高效、舒适等特点，提高了高速铁路列控系统的自动化程度。CTCS+ATO系统可分为CTCS2+ATO（简称C2+ATO系统）和高铁ATO系统。C2+ATO系统适用于速度250 km/h及以下的线路，已在珠三角城际铁路中成功应用。在此基础上发展起来的高铁ATO系统适用于速度高于250 km/h的线路，已在京沈高铁成功地进行了现场试验，标志着我国高铁ATO系统取得了重要阶段性成果。

1 C2+ATO系统及CCS

1.1 C2+ATO系统

C2+ATO系统是在成熟的高铁CTCS-2级列控系统基础上，增加地铁列车自动驾驶功能而自主研发的城际铁路信号系统。CTCS-2级列控系统主要应用于时速250 km以下线路，ATO系统则一般应用于地铁列车的自动驾驶，C2+ATO系统则综合了高铁和地铁列控技术特点。随着国家珠三角、长三角、京津冀城市群发展战略的提出，城市之间中短途客运的需求日益增加，城际铁路采用公交化运营，列控系统应满足站站停和大站停2种行车方式混合运输的开行，以及最高时速250 km、区间最短追踪间隔3 min的运行需求［10］。

C2+ATO系统在CTCS-2级列控系统基础上，具备站间自动运行、车站定点停车及车站通过、折返作业、列车运行自动调整、车门/站台门（安全门或屏蔽门PSD）防护及联动控制、列车运行节能控制等自动运行相关功能。因此C2+ATO系统地面设置专用的精确定位应答器实现精确定位，车载设备增加无线通信单元（RTU）实现车地双向通信；增加通信控制服务器（CCS），实现屏蔽门控制和运营计划处理。系统整体结构见图1［11］。

图1 C2+ATO系统整体结构

1.2 CCS设备及功能

CCS主要具备车站屏蔽门管理、列车运营计划管理、列车管理等功能，其功能结构示意见图2。借鉴CTCS-3级列控系统，CCS通过ISDN服务器将电路域转为网络域来连接GSM-R网络，车载设置GSM-R电台，CCS和车载之间通过GSM-R无线网络进行数据双向传输，并采用SUBSET-037安全通信协议保证数据的安全有效传输。车载设备向地面发送停准停稳、开关门命令、车型、运营计划反馈和车载状态信息。地面CCS向车载发送站台门状态、运营计划和乘客信息系统（PIS）信息。CCS列车管理模块主要包括车地无线消息管理、列车状态管理、会话状态管理、列车位置管理。

图2 CCS功能结构示意图

CCS和列控中心（TCC）通过铁路安全数据网采用双网双机连接，采用RSSP-I安全协议，保证通信数据的安全性和有效性。CCS与TCC接口，实现站台门、防淹门、紧急关闭按钮等相关信息的传输。CCS向TCC发送屏蔽门开、关门驱动命令，从TCC接收屏蔽门、紧急关闭按钮等继电器状态。CCS站台门控制模块主要包括站台门驱动命令管理和站台门继电器状态管理。屏蔽门控制过程如下：

（1）车载发出屏蔽门开门命令，相对于正向股道的门侧（左/右）和列车类型。

（2）根据门侧信息和列车类型，CCS决定驱动相应的屏蔽门开门继电器并通知TCC。

（3）车载发出屏蔽门关门命令，该命令包括相对于正向股道的门侧（左/右）和列车类型。

（4）CCS根据上述信息生成PSD控制命令发送至TCC。

CCS与调度集中（CTC）间采用RSSP-II安全协议接口，实现运营计划的转发功能。CCS向CTC发送站台门、紧急关闭按钮状态，从CTC获取列车运营计划、折返命令、PIS信息。

CCS外部接口结构见图3，其中CCS通过ISDN服务器接入GSM-R网络。ISDN服务器负责将GSM-R电路域数据转换为与CCS接口的网络域数据，维护车地之间数据链路层、网络层、传输层的连接，实现CCS系统和GSM-R无线网络的接口。

图3 CCS外部接口结构

2 高铁ATO系统及TSRS

2.1 高铁ATO系统

高铁ATO系统是在既有成熟列控系统基础上，车载设备增加ATO功能模块、电台及相关配套，相应的地面设备扩展临时限速服务器（TSRS）、TCC、CTC相关功能，从而自主研发的高速铁路信号系统。其总体结构见图4。

高铁ATO系统在现有高铁列控系统基础上，构建独立的车地通信通道并通过车载设备增加ATO模块，复用地面既有设备实现ATO相关功能。高铁ATO系统实现区间自动运行、车站自动停车、车站自动发车、车门/站台门防护及联动控制功能。高铁ATO系统能适应不同编组列车的站台门防护要求，站台门防护由地面列控系统进行防护。

高铁ATO车载设备新增ATO单元与无线控制单元，实现测速测距、车地通信接口、逻辑运算、列车接口控制等功能。ATP扩展车门防护功能。

高铁ATO地面设备站台区域增加精确定位应答器；TSRS设备增加接口扩展单元，实现地面数据及运行计划上车、站台门控制等功能；TCC设备扩展站台门控制接口；CTC设备扩展ATO运行计划接口［12］。

图4 高铁ATO系统总体结构

2.2 TSRS设备及功能

地面TSRS设备是在既有TSRS功能上增加高速铁路地面ATO相关功能。TSRS具有GSM-R网络通信功能，采用GPRS技术实现与车载ATO设备双向通信。TSRS设备主要外部接口见图5。

图5 TSRS设备主要外部接口

（1）接口1为与非安全网接口，采用RSSP-II安全协议保证通信数据的安全性和有效性。主要实现运行计划的转发功能。TSRS从CTC获取列车运行计划信息（包括列车到发股道、列车到发时刻、列车通过等），向CTC发送车载ATO设备的列车运行状态信息。TSRS接收车载ATO设备的开关门命令，向车载ATO设备发送CTC的运行计划。

（2）接口2中TSRS与TCC通过铁路安全数据网采用双网双机连接，并采用RSSP-I安全协议，实现站台门相关信息的交互。TSRS向TCC发送站台门开/关门驱动命令，从TCC获取站台门状态。TSRS与相邻TSRS及RBC采用RSSP-II安全协议，与相邻TSRS完成运营计划的拼接功能，与RBC完成临时限速信息交互。

（3）接口3为既有的维护功能接口。

（4）接口4为TSRS新增接口，实现与GPRS网通信，直接采用分组域的方式将CCS等地面设备数据网络和GSM-R网络对接，组成1个IP网络系统，实现车地间端到端的无线通信方式，实现车地双向通信。随着通信技术的不断发展，通信领域新技术会逐渐引入铁路系统，尤其近年来4G、5G技术的发展，车地通信信息传输效率将会极大提高，保证列车更高效运行。

TSRS主要功能为：接收车载ATO设备开/关门命令，并发送至相关TCC，由TCC实现站台门的控制；接收车载ATO设备的列车运行状态信息，并发送至CTC；实时接收CTC运行计划，并发送至相关车载ATO设备，实现运行计划下发；向车载ATO设备发送站间线路数据及站台门状态信息。TSRS主要包括6个模块：列车注册注销管理、站台门联动控制、运行计划拼接和发送、站间线路数据发送、状态信息及维护管理。其功能结构示意见图6。

图6 TSRS功能结构示意图

3 城际铁路CCS与高铁ATO系统TSRS的对比

CTCS-2级ATO系统和高铁ATO系统都是在相应列控系统基础上与自动驾驶进行技术融合产生的，在确保系统安全性的同时，提升了站内及区间的运行效率，CCS和TSRS对比见表1。

表1 CCS和TSRS对比

在设备硬件层面，两者分别是通过新增设备或者改造设备功能来实现。因各自系统的现实因素，例如，C2+ATO系统是1套基于C2全新架构的系统，在设计实现中没有更多的约束条件；对于高铁ATO系统则更应注重既有路网中设备的升级，尤其是软升级可降低对现有系统的影响，同时能够更好地应用ATO技术。在高铁ATO系统中，基于设备现状及运用升级影响，选择更加务实的产品方案，为ATO技术快速应用奠定技术基础。从这个角度看，经过C2+ATO系统城际铁路实践运用后，对于我国高速铁路ATO系统的发展考量，采用既有设备系统的软件升级方式，将更有利于ATO技术在路网稳定地应用与推广。

4 展望

列车自动驾驶技术借鉴城市轨道交通的技术经验，结合高速铁路特点将不断进行优化。未来高速铁路ATO技术的发展趋势如下：

（1）无线通信技术方面，从C2+ATO电路域到高速铁路ATO分组域，ATO信息传输通道带宽从56 k增加到100 k+，为信息高速、稳定地传输提供保障。使用分组域（全IP）技术将会更容易借力LTE和5G通信技术，加快高速铁路ATO系统演进。

（2）列车牵引运行能耗是铁路运输中的主要能源消耗，深入研究ATO节能驾驶算法和策略，不仅可以节约运营成本，降低司机的劳动强度，也符合新常态下“绿色发展”的理念。

（3）结合高速铁路运营模式特点和城市轨道交通特点，ATO系统还需要围绕行车调度指挥这个核心，尽可能多地实现多专业的深度集成和融合，并逐步发展为基于大数据和人工智能的更高等级全自动驾驶技术。自动驾驶技术在我国高铁中经过试验应用后，将在路网范围内更广泛应用，使我国高铁技术进一步领先。