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CTCS2+ATO城际列控系统与高速铁路ATO系统差异性及应用趋势探讨
CTCS2+ATO城际列控系统与高速铁路ATO系统差异性及应用趋势探讨
徐轶劼
(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司)
摘要：阐述CTCS2+ATO城际列控系统、高速铁路ATO系统构成，从系统结构、系统功能及操作显示进行差异性分析，并对两种ATO系统应用趋势进行探讨。
DOI
10.3969/j.issn.1673-4440.2021.03.008
1 系统现状
我国高速铁路自动驾驶（ATO）系统根据速度等级不同，可分为CTCS2+ATO城际列控系统和高速铁路ATO系统。
CTCS2+ATO城际列控系统是在CTCS-2级列控系统增加ATO相关功能，适用于250 km/h以下的城际铁路。经过辛苦的研究与探索，国内珠三角莞惠城际铁科首次在铁路领域实现了自动驾驶，成为世界上首个速度200 km/h动车组应用自动驾驶的运营典范。截止2019年，珠三角地区又成功在佛肇、穗莞深两条城际铁路实现了自动驾驶。
高速铁路ATO系统是在CTCS-2/CTCS-3级列控系统基础上增加ATO相关功能，不仅适用于250 km/h以下城际铁路，也同样适用300 km/h以上高速铁路。2018年京沈高铁350 km/h高速铁路自动驾驶试验的成功，标志着我国智能高铁自动驾驶关键技术研发取得重要的成果，2019年世界首个时速300 km以上动车组在京张智能高铁成功应用自动驾驶。
2 系统构成
2.1 CTCS2+ATO城际列控系统的构成
CTCS2+ATO城际列控系统的地面设备由临时限速服务器（TSRS）、通信控制服务器（CCS）、列控中心（TCC）、应答器及LEU、轨道电路、GSM-R通信接口设备等构成，如图1所示。
TSRS具有设备初始化功能及临时限速的设置、取消和管理功能。
新增的CCS设备与CTC和车载设备进行通信，实现CTC运行计划的处理和转发功能，并对门控信息的管理。与此同时，CCS通过TCC进行通信，实现站台门的控制和防护功能。
TCC新增站台门控制和防护以及站台紧急关闭等功能，TCC可采集站台门防护继电器且能驱动站台门控制相关继电器。
CTC新增加与CCS通信的接口，可对CCS发送运行计划，实现对站站停车和大站停车分别管理，可根据运行计划自动触发折返进路，并且完成车次号的自动变更。显示界面增加区间运行时分、站台门状态、紧急关闭状态、站停时分、防淹门静态位置显示、车载状态报告、人防隔断门静态位置显示、司乘信息、与CCS连接状态、运行计划设置、故障报警等相关内容。
应答器为了满足自动运行以及精确停车等新增相关功能，向车载设备提供运营停车点信息、门侧信息等。
CTCS2+ATO城际列控系统的车载设备由ATP和ATO构成，如图2所示。
ATP根据应答器报文提供线路参数、临时限速等信息和列车参数，按照目标距离、连续速度控制模式生成动态速度曲线，监控列车的安全运行。新增门允许显示、停准显示、车门站台门联动控制等功能，与CCS进行通信并接收运行计划。
ATO在ATP的行车许可下根据线路参数、运行计划等信息实现列车区间自动运行、区间自动计时及车门自动控制等相关功能。
2.2 高速铁路ATO系统的构成
高速铁路ATO系统在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，地面设备在TSRS、CTC、TCC、GSM-R等设备上增加功能；车站股道增加精确定位应答器，如图3所示。
TSRS增加通信接口服务器单元，新增加一路与CTC的通信接口，在既有功能的基础上，增加运行计划处理和转发，站间数据存储、调用、发送，站台门门控信息管理，站台门命令/状态转发等功能。
CTC增加发送对应的运行计划、运行计划自动调整、实时管理在线列车等功能并能显示站台门相关状态。
TCC增加站台门防护功能、车门/站台门联动控制和站台门状态采集功能。
应答器报文中新增加隧道信息、TSRS呼叫信息、运营停车点、门侧等信息。
高速铁路ATO系统车载设备增加ATO单元、GPRS电台及相关配套设备，如图4所示。
ATP车载设备增加列车开门防护及折返功能，并根据ATO自动驾驶增加门允许、停准、GPRS电台等显示功能。
ATO车载设备根据ATP行车许可，并通过GPRS无线通信接收到TSRS发送的运行计划及站间数据（含线路数据和临时限速）等信息实现列车区间自动运行、站内自动停车、自动开车门以及车门/站台门联动控制等功能。
3 系统差异性
高速铁路ATO系统与CTCS2+ATO城际列控系统的差异性主要体现在以下几个方面。
3.1 系统设备构成差异
在既有的CTCS列控基础上实现车地数据交互及站台门联动功能时，CTCS2+ATO城际列控系统中在CTCS-2级列控系统的基础上新增加单独的CCS设备；高速铁路ATO系统无需新增加设备，通过既有TSRS设备上增加通信接口及相关功能实现。
CTCS2+ATO城际列控系统使用原有的GSM-R网络电路交换数据业务，高速铁路ATO系统需在GSM-R系统上增加GGSN设备及SGSN设备。
CTCS2+ATO城际列控系统车载设备是在CTCS-2级列控系统的基础上，增设ATO设备和车地无线通信设备。高速铁路ATO系统车载设备分为分体设计与一体化设计，分体设计是在CTCS-3级列控系统国产化车载基础上增加ATO设备和车地无线通信设备，另外单独设计一个机柜，一体化设计是在CTCS-3级列控系统自主化车载基础上增加ATO设备和车地无线通信设备，最后和ATP车载设备共同设计为一个机柜。
CTCS2+ATO城际列控系统车载设备中的车地无线通信设备采用GSM-R电台与ATP接口，高速铁路ATO系统车载设备中的车地无线通信设备采用GPRS电台与ATO接口。
CTCS2+ATO城际列控系统中的车载设备ATO通过RS-485实现与车辆通信。高速铁路ATO系统中的车载设备由ATO通过MVB总线实现与车辆通信。
3.2 系统功能差异
CTCS2+ATO城际列控系统中的TSRS仅具有临时限速设置、取消和管理功能，高速铁路ATO系统中的TSRS不仅具有临时限速设置、取消和管理功能，同时还有CTCS2+ATO城际列控系统中CCS的所有功能，如增加站台门命令/状态转发，站台门门控信息管理，运行计划处理和转发，同时增加CCS不具备的运行计划的拼接，站间数据存储、调用、发送等功能。
高速铁路ATO系统的TCC相比CTCS2+ATO城际列控系统的，减少了TCC站台紧急关闭的功能。
CTCS2+ATO城际列控系统中应答器增加[CTCS-11]（股道信息包），且无需在正线无站台股道设置，但ATO所需的线路数据需由应答器提供。高速铁路ATO系统中增加[CTCS-13]（停车位置信息包），[CTCS-12]（ATO通信管理信息包）且需要在[ETCS-68]包中增加隧道信息。
CTCS2+ATO城际列控系统车地通信使用GSM-R电路域业务；CTCS2+ATO城际列控系统车地通信使用GPRS分组域业务。
CTCS2+ATO城际列控系统中的车载设备由ATP通过GSM-R网络实现车地通信；而高速铁路ATO系统中的车载设备是由ATO通过GPRS网络采用动态分配的IP地址方式实现车地通信。
相对CTCS2+ATO城际列控系统中车载设备的门控功能，高速铁路ATO系统车载设备取消了自动关门功能。
CTCS2+ATO城际列控系统中的车载设备由ATP实现车门/站台门联动控制；高速铁路ATO系统中的车载设备由ATO实现车门/站台门联动控制。
CTCS2+ATO城际列控系统中的车载设备由ATP转发应答器中的线路数据和临时限速给ATO；高速铁路ATO系统中的车载设备由ATO通过车地无线通信直接从TSRS中获取线路数据和临时限速。
CTCS2+ATO城际列控系统中的ATO在无运行计划时按照顶棚曲线追踪控车策略；高速铁路ATO系统中的ATO在无运行计划时有快行（低于允许速度2 km/h）、慢行（低于允许速度8 km/h）、正常（低于允许速度5 km/h）3种控车策略。
CTCS2+ATO城际列控系统中的车载设备具备站后端有人自动折返和原地折返两种功能；高速铁路ATO系统中的车载设备仅支持原地折返。
由于CTCS2+ATO城际列控系统的应答器设置，ATO支持通过未设置[CTCS-11]包的车站时运行计划有效；高速铁路ATO系统中的ATO，如经过未设置[CTCS-13]包的车站，会判断运行计划无效。
3.3 DMI显示差异
根据CTCS2+ATO城际列控系统的车载设备的使用情况，高速铁路ATO系统的车载设备DMI显示作了一些调整，如表1所示。
4 应用趋势
通过对CTCS2+ATO城际列控系统和高速铁路ATO系统的差异性描述，从以下几点总结高速铁路ATO系统的优势所在。
从硬件设备构成角度分析，高速铁路ATO系统地面无需单独增加设备，仅对既有设备进行改造，降低了系统复杂性，减少了建设成本，同时也降低了运营维护的成本，使用高速铁路ATO系统方案会使今后既有高铁线路改造相对简单，车载设备ATO与车辆接口也由RS-485更换为MVB，减少了硬线接口。将来更有可能改为传输数据量更大，速度更快，价格更加低廉的TRDP。
从无线网络分配角度分析，高速铁路ATO系统通过GPRS网络实现线路数据、运行计划、车门/站台门联动等功能，改造升级既有线路时可不影响既有的GSM-R网路通道。今后无线网络更有可能都升级为网络结构更加优化、延时更低的LTE网络。
从功能差异性角度分析，CTCS2+ATO城际列控系统ATO通过从应答器获取的线路数据由于应答器容量有限，数据范围同样有限，对于无运行计划行车只有一种策略选择，且因为精确定位应答器的设置方式，对一些错误运行计划的发送情况ATO不会进行防护。高速铁路ATO通过GPRS网络从TSRS获取线路数据，数据范围更长。所以高速铁路ATO系统不仅可适用区间较短的城际铁路，也同样适用区间较长的高铁线路。高速铁路ATO系统中的ATO在无运行计划行车时有3种策略可以选择，更加灵活。处于对乘客安全考虑，高速铁路ATO系统取消了自动关门功能。最后高速铁路ATO系统完善了应答器的设置方式，并且对一些错误运行计划发送的情况ATO进行了防护。今后线路数据等内容预计会以电子地图的方式通过无线传输至车载，辅以少量的地面应答器区分车站股道，减少对地面设备的依赖。
从司机的操作角度分析，高速铁路ATO系统取消了CTCS2+ATO城际列控系统的与车辆显示界面重复的ATO与车辆显示图标，取消运行计划的显示，用ATO状态图标的颜色区分有无运行计划，取消复杂的前方站通过图标用文字来代替，这些变化都大大简化了司机的操作。开门允许图标和停稳停准图标显示条件一致，未来可能根据司机的使用会进一步优化DMI显示内容。
5 结束语
高速铁路ATO系统无论从费用成本还是从功能的完整性上来讲，都相对于CTCS2+ATO城际列控系统更加完善，对于既有线路升级改造也相对简单。通过京沈的成功试验以及京张智能高铁示范工程的应用，将进一步推广高速铁路ATO系统，实现我国高速铁路的智能化。
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素材来源：中国通号《铁路通信信号工程技术》杂志
