高速铁路CTCS3+ATO列控系统技术研究

程剑锋，冯凯，李科

（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）

随着高速铁路在我国大规模应用，迫切需求信号系统进一步自动化的解决方案。CTCS-3级列控系统（包括列车自动防护（ATP）系统和无线闭塞中心（RBC））保障列车在350 km时速下的安全运行，结合列车自动驾驶（ATO）技术能够实现列车准时并高效到达的功能，可进一步提高高铁的竞争力并使其成为未来最高效的交通工具之一[1]。

中国铁道科学研究院集团有限公司多年来一直致力于高速列车的安全防护（ATP/CTCS3-400C系统）和地铁自动驾驶系统（ATO/CBTC系统）的研发，通过ATO优化驾驶时间、精确停车、自动开门、缩短站内停留时间以及沿着CTCS3制动干预曲线精确行驶来缩短运行时间，从而提高自动化程度，提升效率，使CTCS3+ATO系统符合国际高速列车控制系统的发展方向。

1 国内外高速列车ATO技术现状

1.1 国外高速铁路自动驾驶系统

2018年2月，阿尔斯通与荷兰铁路基础设施运营商ProRail/鹿特丹铁路运输公司RRF签署了一项协议，计划进行ATO的相关测试。阿尔斯通将在一条长150 km、安装欧洲铁路运输管理系统（ERTMS）的双线货运线路上实施GOA2级自动化并进行测试，测试机车配备了ATP系统和ATO辅助系统，ATO测试线路长约100 km。通过ATO试验计划，运营商ProRail热衷于成为这项技术的领导者，并计划使荷兰成为铁路创新的测试中心[2]。

2018年3月17日，泰晤士线伦敦中部线路进行ETCS2+ATO（GOA2级）试验，GTR公司的列车向南在肯特斯镇转变为ETCS-2级ATO模式，运行至后伦敦圣潘克拉斯自动停车，停车后继续以ATO模式向前运行。该系统于2016年4月开始进行ETCS2测试， 2016年11月开始ATO测试，截至2018年3月针对ETCS2和ATO系统共进行了200个昼夜的测试。该ETCS2+ATO系统计划将于2019年5月在圣潘克拉斯—布莱克修士运行，2019年12月将运营区间扩展到伦敦桥[3]。

泰晤士线伦敦中部线路ETCS2和ATO系统由西门子公司提供，Network Rail公司负责系统集成。GTR公司宣称是世界上第1个在ETCS2线路上运行ATO系统的列车运营商。西门子公司认为叠加ATO的ETCS2系统的优点为：（1）99%准时；（2）列车可以直接从动车所自动唤醒；（3）线路容量增加50%；（4）列车运行节能15%。这些自动化功能从轨道交通领域可以成功适应于区域铁路和干线铁路，以实现效率显著提高。

2013年，欧洲铁路行业协会（UNIFE）启动欧洲下一代列车控制系统 NGTC（Next Generation of Train Control System）项目，致力于研究“具有列车自动防护（ATP）、列车自动驾驶（ATO）和列车自动监视（ATS）功能的干线铁路及城市轨道交通应用标准化列车控制系统，降低列控系统总成本和寿命周期成本，提高列控系统总体性能”。

2015年，欧盟全面启动“构建未来铁路系统联合行动计划（Shift2Rail）”，旨在通过运用最新技术创新手段，把提升欧洲铁路运输能力、服务质量和可靠性以及降低全生命周期成本作为工作重点，其中以自动驾驶为代表的先进交通管理控制系统是五大创新工作包之一[4]。法国国家铁路运营商SNCF宣布2022年将在法国铁路网实现列车自动驾驶。德国铁路（股份）公司DB AG则公布了2023年将实现干线自动驾驶的工作计划。

1.2 城市轨道交通自动驾驶系统

城市轨道交通CBTC系统实现了GOA2的ATO自动驾驶功能，城市轨道交通全自动运行系统FAO实现了GOA3或GOA4级的自动化功能。

世界第1条FAO城轨线路——法国里尔1号线于1983年开通运营，2005年后FAO发展速度逐渐加快，并开始在中、高运量地铁广泛应用。我国应用FAO技术的地铁线路主要有北京机场线、上海10号线、香港南港岛线。北京燕房线首次采用我国第1个自主化全自动运行系统，按照GOA4等级建设，于2017年年底开通。燕房线是全国首条拥有完全自主知识产权GOA4的地铁线，列车运行时速最高80 km，能够实现动车段自动唤醒。

国际公共交通协会（UITP）估计，到2020年国际上75%的新线采用FAO技术，40%的既有线改造时采用FAO技术。预计到2025年全球将实现2 300 km的全自动运行线路。

1.3 城际铁路自动驾驶系统

2010年，根据我国铁路信号系统应用现状、结合城际轨道交通用户需求，在珠三角城际轨道交通建设领导小组第2次会议上，中国铁路总公司与广东省确定了“信号列控系统采用CTCS-2级列控系统+ATO”的城际轨道交通信号系统方案。

2016年，在珠三角城际莞惠及佛肇线上实施了CTCS-2级列控系统+ATO的运营，成功实现了世界上首次将自动驾驶技术运用到200 km/h等级的铁路。

2 我国CTCS3+ATO技术特点

我国CTCS3+ATO系统在CTCS-2/CTCS-3级列控系统基础上，车载设置ATO单元实现自动驾驶控制，地面设置专用精确定位应答器实现精确定位，地面设备通过GPRS通信实现站台门（包括安全门或屏蔽门，简称站台门）控制、站间数据发送和运行计划处理[5-9]。CTCS3+ATO系统结构见图1。

CTCS3+ATO系统功能及其在既有设备上的主要改动如下：

（1）CTCS3+ATO系统主要功能包括：车站自动发车、区间自动运行、车站自动停车、车门自动开门（防护）、车门/站台门联动控制。在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，车载增加ATO单元、GPRS电台及相关配套设备；地面在临时限速服务器（TSRS）、调度集中（CTC）、列控中心（TCC）等设备上增加功能；车站股道增加精确定位应答器，构成CTCS3+ATO系统。

图1 CTCS3+ATO系统结构

（2）ATP车载设备在既有功能的基础上，增加列车开门防护功能，并根据ATO自动驾驶的需要适当调整。

（3）ATO车载设备在ATP的行车许可下，通过GPRS无线通信接收到的运行计划、站间数据（含线路基础数据和临时限速）等信息实现列车速度自动控制、自动开车门和车门/站台门联动控制等功能。

（4）TSRS设备在既有功能的基础上，增加站台门门控信息管理，站台门命令/状态转发，运行计划处理和转发，站间数据存储、调用、发送等功能。

（5）CTC设备在既有功能的基础上，增加发送对应的运行计划、实时管理在线列车、运行计划自动调整等功能。

（6）TCC设备在既有功能的基础上，增加车门/站台门联动控制和站台门防护功能。

（7）在相关应答器组中增加停车标、门侧、隧道信息等应答器报文。

3 我国CTCS3+ATO试验情况

我国CTCS3+ATO列控系统试验内容分为2类，一类是ATO功能试验，另一类是ATO性能试验。ATO功能类试验主要包括：CTCS3+ATO系统的区间自动运行、车站自动停车、车站自动发车功能；测试增加ATO后，列控设备对车门的防护功能，以及车门/站台门的联动控制及防护功能；测试CTC将行车计划通过GPRS分组数据业务、TSRS等实时上传列车的功能；测试区间跨TSRS运行、跨线运行等互联互通功能。ATO性能类试验主要包括：ATO设备自动停车功能以及在精确定位应答器的辅助下，分别控制列车精确地在预定位置停车，其停车误差在允许范围之内；测试ATO系统在行车准时到站和运行舒适性等方面的运用情况；测试不同负荷条件下GPRS传输延时的变化规律，以及对节能指标的测试。

根据试验大纲中确定的测试案例，结合现场线路条件，编制测试序列。现场测试按照测试序列要求准备测试进路和地面配合条件，动车组运行过程中通过监测设备对车载设备运行状态信息、RBC运行状态信息、车地信息交互信息等进行记录，根据记录信息和评判标准对测试结果进行评判。CTCS3+ATO系统试验结束时，试验大纲规定的全部案例通过测试，车载设备和地面设备的功能、关键技术参数以及互联互通性能满足CTCS3+ATO系统相关技术规范的要求。试验结果表明：CTCS3+ATO系统可有效降低司机的工作强度、避免疲劳驾驶；可有效降低能耗。在测试样本中，采用能耗优化算法的列车，在行车时间近似的情况下，与人工驾驶相比较，各区间都有较为明显的节能效果，可节能10%左右；可有效提高通过能力，在指定的区间运行时间内，自动驾驶比人工驾驶更节省时间。

4 结束语

京张高铁、京雄高铁将采用GOA2级自动驾驶（半自动驾驶等级），ATO可实现自动发车、区间按图自动运行、到站精确停车，以及停站期间车门/站台门等自动控制功能。具备自动驾驶功能的时速350 km动车组自动驾驶技术在世界范围内尚无应用先例。自动驾驶技术的应用可有效提高运输能力、降低运行能耗、减轻司机劳动强度，是高速铁路智能化的重要标志，对保持我国高速铁路列控技术的国际先进水平具有重要意义。GOA3和GOA4级自动驾驶（无人驾驶等级）不仅对车载信号设备，同时对车辆系统、地面信号设备、地面安全防护系统、车站设备、线路条件以及运营方式等都提出了更高要求，涉及面较大，短期内不具备实施条件，是下一阶段的研究方向。根据中国铁路总公司智能铁路发展展望，将在2021—2025年突破全面感知的列车无人驾驶（DTO、GOA3），在2026—2035年，探索全自动无人驾驶（UTO、GOA4），实现铁路运营全面自主操控、无人化[10]。