高速铁路ATO系统人机界面的新特征

张友兵，陈志强，王建敏，吴培栋

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

经过多年的发展和建设，目前我国高速铁路正朝着智能铁路的方向发展。在人工驾驶的情况下，司机的驾驶技术对列车的运行状况影响显著。将自动驾驶技术引入高速铁路，使ATP系统和ATO系统有效结合起来，在ATP系统保证安全的前提下，ATO系统不但可以提高停车精度、准点率和运行舒适度，还能大幅减少司机的工作量[1]，成为高速铁路重要的研究和发展方向之一。

2016年3月，珠三角城际铁路莞惠和广佛肇开通运行，城际CTCS-2+ATO系统在我国首次投入运营[2]。在此探讨的CTCS-3+ATO列控系统可兼容CTCS-2+ATO功能，运行期间进行CTCS-2与CTCS-3等级转换时，不退出自动驾驶模式，是一种功能更加完备、应用更加广泛、运行速度更高的高铁自动驾驶系统。

1 高速铁路ATO系统

高速铁路ATO系统在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，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，地面设备通过通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）通信实现站台门控制、站间数据发送和列车运行计划调整处理。高速铁路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[3-6]。

图1 高速铁路ATO系统车载设备结构

高速铁路ATO系统车载设备结构见图1。ATO系统车载设备由原ATP相关功能模块和新增ATO相关功能模块2部分组成。原ATP相关功能模块包括ATP、GSM-R无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收单元、测速测距单元、司法记录单元、列车接口单元和人机界面。新增ATO相关功能模块包括ATO、GPRS无线通信单元和列车接口单元。GPRS无线通信单元通过GPRS天线与临时限速服务器（Temporary Speed Restriction Server，TSRS）建立无线连接，互相发送数据。ATO通过列车接口单元与车辆建立连接，向车辆发送开/关门、加/减速等控制命令，从车辆接收车门状态、牵引制动状态等反馈信息。ATO与ATP建立连接，互相传递信息，分工协作，ATO负责自动驾驶，ATP负责安全防护。ATO将工作状态发送给ATP，ATP再将ATO相关工作状态转发给DMI，通过DMI向司机显示ATO的实时工作状态。司机也可以通过DMI输入无线呼叫命令，ATP将无线呼叫命令转发给ATO，ATO执行命令与TSRS建立通信连接。

在CTCS-2级和CTCS-3级列控车载设备中，司机通过观察和操作DMI完成监控和调整列车运行状态[7-9]，DMI是司机与列控车载设备之间的桥梁，也是掌握列车运行状态的关键设备，熟练使用DMI是司机保证列车行车安全、提高运行效率的必要技能和手段。

高速铁路车载设备增加ATO功能后，DMI界面显示信息更加丰富，也增加了新的司机操作。在此从图标显示、文本提示、控车提示3方面对DMI的新特征进行详细解读。

2 图标显示

2.1 ATO控车模式

在完全监控（Full Supervision，FS）模式下，且ATO控车的其他条件均满足，经过司机操作，ATO才能转入自动驾驶模式（Automatic Mode，AM）模式，由ATO实现列车自动驾驶。在转入AM模式之前，DMI显示FS模式（一种ATP模式）。转入AM模式后，DMI显示AM模式（一种ATO模式）。AM模式下，ATO对列车自动加速或减速，实现自动驾驶。当自动驾驶的条件不再满足时，ATO将退出AM模式，DMI将显示ATP的实际控车模式。

2.2 ATO与车辆网络连接状态

ATO与列车网络控制系统（Train Control and Management System，TCMS）之间采用多功能车辆总线（Multi-function Vehicle Bus，MVB）进行通信，ATO向车辆发送控制信息和状态信息，车辆向ATO发送状态及反馈信息。当ATO与TCMS通信正常时，DMI显示ATO与TCMS连接正常图标；当ATO与TCMS通信故障时，DMI显示ATO与TCMS连接断开图标，ATO将退出AM模式。

2.3 GPRS电台网络注册状态

车载设备上电后，GPRS电台注册到网络后，DMI显示GPRS电台已注册图标。当GPRS电台断电，或GPRS电台故障，或GPRS天线故障时，DMI界面上GPRS电台已注册图标消失，由于无法正常收发无线消息，ATO与TSRS的通信会话将随之断开。

2.4 ATO与TSRS会话连接状态

ATO与TSRS的会话连接有3种状态：断开、正在连接、已连接。ATO收到呼叫命令后，正在与TSRS建立通信会话时，DMI显示“正在连接”图标；ATO与TSRS成功建立通信会话后，DMI显示“已连接”图标；ATO与TSRS建立通信会话失败，或者ATO与TSRS通信会话中断，DMI显示“断开”图标。

ATO与TSRS建立通信会话的场景有：

（1）车载设备上电后，完成启机流程，司机通过DMI输入TSRS呼叫信息；

（2）在未与TSRS建立通信会话时，列车运行过程中，从地面应答器收到的应答器报文包含TSRS呼叫命令。

ATO与TSRS建立通信会话后，结束通信会话的场景有：

（1）在已与TSRS建立通信会话时，列车运行过程中，从地面应答器收到的应答器报文包含结束与TSRS通信会话的命令；

（2）在已与TSRS建立通信会话时，通过无线从TSRS收到结束通信会话的命令。

在ATO与TSRS已建立通信会话的情况下，TSRS向ATO发送运行计划，若运行计划有效，在区间运行时，ATO将根据运行计划中的到达时刻调整列车速度，保证列车准点到达车站。若运行计划要求在前方站停车且“办客”，列车进站停稳停准后，ATO自动开门，并向TSRS发送开门联动命令，实现车门和站台门的联动打开。所以，只有当ATO与TSRS通信会话正常时，ATO才能根据运行计划行车，进站后才能实现车门和站台门的联动打开和关闭。

2.5 ATO牵引制动状态

列车过分相时，主断路器断开，车辆从外部获取不到能量，所以过分相时，车载设备不对列车输出牵引命令。当ATO正在对列车进行加速时，DMI显示牵引图标，如果列车进入分相区，ATO停止输出牵引命令，DMI显示惰行图标，当列车出清分相区后，ATO继续对列车输出牵引命令，DMI重新显示牵引图标。

2.6 运行计划可用状态

当ATO与TSRS建立无线连接后，调度集中系统（Centralized Traffic Control，CTC）向TSRS发送运行计划，TSRS向ATO转发运行计划。运行计划覆盖前方2个车站，包含列车到发股道、列车到发时刻、列车通过等信息。ATO检查运行计划有效，DMI将显示“运行计划可用”图标。如果ATO检测到运行计划无效，DMI将显示“运行计划不可用”图标[11]。

列车在区间运行时，如果运行计划有效，ATO根据运行时分计算出合理的运行速度，控制列车准点到达车站；如果运行计划无效，ATO根据司机选择的驾驶策略控制列车速度，快行策略低于允许速度2 km/h，正常策略低于允许速度5 km/h，慢行策略低于允许速度8 km/h。

列车进站停车后，如果运行计划有效，计划为“到发”且“办客”，ATO自动开门；如果运行计划无效，或运行计划有效但计划为“通过”或“不办客”，ATO不自动开门，由司机手动开门。

列车以AM模式发车，运行计划有效时，基于运行计划中的“发车时间”在DMI上显示发车倒计时，提示司机人工关闭车门，并按压“发车按钮”发车。

ATO按当前运行计划自动驾驶列车时，若未收到更新的运行计划，继续执行当前站间的运行计划直至停车，停车后ATO不提供发车倒计时和自动开/关门功能，DMI将显示“运行计划不可用”图标。

干旱是在全球气候变化和人类活动双重驱动下，水资源—经济社会—生态与环境复杂系统极值缺水过程在不同时空尺度上的综合体现。按受旱机制分类，干旱分为：气象干旱、水文干旱、农业干旱和经济社会干旱。按受旱成因分类，干旱分为：资源型干旱，即干旱区降水量稀少，土壤缺水，不足以满足人的生存和经济发展的需求；工程型干旱，即缺少水利工程的开发调度；政策型干旱，即非理性的水资源分配；结构型干旱，即水质水量达不到用水要求；布局型干旱，即追求经济社会快速发展情势下的水土资源不匹配；管理型干旱，即水资源得不到高效利用和有效调配，缺少全局可靠规划与应对策略；复合型干旱，即多种因素综合作用下的干旱。

2.7 ATO跳停标志

如果运行计划有效，在TSRS发送给ATO的运行计划中，“到发/通过”标志为通过时，表明列车在前方车站不用停车，直接通过，DMI将显示“ATO跳停标志”。当列车完全越过标记为“通过”的车站后，DMI停止显示“ATO跳停标志”。

2.8 开门允许图标

列车进站时，从地面应答器收到站台侧信息，列车停稳停准后，ATP根据站台侧信息给出开门允许信息，包括左侧门允许、右侧门允许和双侧门允许，DMI在界面上显示开门允许图标。当门控模式为自动开门/手动关门（Automatic Open/Manually Close，AM）时，ATO根据开门允许信息自动生成开门命令，打开对应侧车门，并实现车门站台门的联动打开。当门控模式为手动开门/手动关门（Manually Open/Manually Close，MM）时，司机按压开门按钮，ATO根据门允许信息对司机的开门动作进行合法性检查，打开对应侧车门，并实现车门站台门的联动打开。

3 文本提示

3.1 不在TSRS管辖范围

列车走出本TSRS管辖范围，以该TSRS未知的应答器为参考向该TSRS发送位置报告，TSRS识别出列车已不在本TSRS管辖范围之内，向ATO发送文本信息“不在TSRS管辖范围”，同时发送结束通信会话命令。DMI界面显示文本“不在TSRS管辖范围”，同时可以观察到ATO与TSRS无线连接断开。

3.2 门联动失败

列车进站停稳停准后，当门控模式为AM时，由ATO自动打开车门。当门控模式为MM时，由司机手动打开车门。打开车门时，同时启动车门站台门联动打开过程。车载ATO 向TSRS发送开门命令，TSRS收到开门命令后，根据编组信息和地面站台门设置情况，确认对应股道列车停稳且停准后，向对应的列控中心（Train Control Center，TCC）发送开门命令，TCC向站台门系统发送开门命令。如果开门命令未能成功传递给站台门系统，或者站台门系统故障，导致站台门不能正常打开，在规定时间内，如果车载ATO从TSRS收到的站台门状态一直为关闭状态，车载ATO判断车门站台门联动打开失败，将通过ATP向DMI发送文本信息“门联动失败”，DMI界面显示文本“门联动失败”，提示司机联系地面工作人员手动打开站台门。

完成乘客上车作业后，无论门控模式是AM还是MM，都由司机手动关闭车门，并触发车门站台门联动关闭过程，如果在规定时间内，ATO检测到站台门未能正常关闭，也通过ATP向DMI发送文本信息“门联动失败”，提示司机联系地面工作人员手动关闭站台门。

4 控车提示

4.1 进入ATO模式

对于始发站，司机以C2部分模式或C3目视模式发车，当列车在运行过程中进入完全监控模式且满足进入AM模式条件时，“ATO 启动”灯闪烁，司机按压“ATO启动”按钮进入AM模式，DMI显示“AM”模式。

当ATP处于完全监控模式，且具备下列ATO使用条件时，提示司机确认车载设备转入AM模式，司机若未确认，则通过声光等提示信息以一定时间间隔提醒司机确认；待司机确认后方可进入AM模式。当ATP处于其他工作模式时，不允许使用AM模式。

进入 AM 模式的必要条件包括：

（1）处于完全监控模式；

（2）方向手柄前向；

（3）牵引制动手柄处于零位；

（4）ATO 工作正常；

（5）ATP 未输出紧急制动；

（6）动车组允许 ATO 模式。

对于中间站，车载设备处于AM模式、ATO确认车门关闭、方向手柄向前、牵引制动手柄处于零位，且发车条件具备后，闪烁“ATO启动”灯提示司机，司机确认车门关闭后，根据发车提示按压“ATO启动”按钮，ATO根据列车运行计划信息，控制列车发车。

若发车时车载设备无法转入AM 模式，需由司机人工驾驶列车从车站出发，待具备进入AM模式条件后，“ATO启动”灯闪烁，司机按压“ATO启动”按钮进入AM模式。

“ATO启动”灯不同状态具有不同含义，常亮表示ATO当前处于AM模式；AM 模式下从常亮到闪烁，提示发车；非AM 模式由熄灭到闪烁，提示进入AM 模式；熄灭表示ATO当前处于非AM模式。

4.2 退出ATO模式

ATO处于AM模式时，若满足任一退出AM模式的必要条件，应自动退出AM 模式并提示司机，若司机在5 s内确认，则ATP不输出常用制动，确认后转为司机操作；若未及时确认，则5 s后ATP 输出最大常用制动，确认后ATP缓解制动。

退出 AM 模式的必要条件包括：

（1）方向手柄不在前向位；

（2）牵引制动手柄处于非零位；

（3）ATO工作不正常；

（4）ATP 输出紧急制动；

（5）动车组不允许ATO模式。

4.3 预选驾驶策略

列车运行过程中运行计划不可用时，ATO车载设备按预选驾驶策略中的默认策略控制列车运行。ATO可提供快行、正常、慢行3种预选驾驶策略，司机根据列车运行情况，可人工调整预选驾驶策略。使用驾驶策略自动控车时，在ATP防护下区间停车和按预选驾驶策略实现站台定点停车，ATO不提供自动开/关门功能。

4.4 无线呼叫信息

车载设备上电完成启机流程，司机可以按压DMI上的“TSRS数据”键，输入TSRS呼叫信息，呼叫TSRS，与之建立通信会话。ATO与TSRS建立通信会话后，会将TSRS呼叫信息发送给ATP，ATP将TSRS呼叫信息保存在非易失存储区里。当车载设备再次上

电时，司机选择“TSRS数据”界面时，可以使用或修改上一次呼叫成功的TSRS呼叫信息。

4.5 发车倒计时

当运行计划可用时，列车以AM模式发车，ATO根据运行计划中的“出发时刻”和当前时间，计算出发车倒计时，通过ATP实时传递给DMI，在DMI上显示发车倒计时，提示司机关闭车门并发车。

5 结束语

高速铁路ATO系统是一种新型的列车控制系统。将自动驾驶技术引入高速铁路后，可以提高系统的自动化程度，降低司机的劳动强度，实现列车既高速又高效地安全运行，是未来列车运行控制的一个主要发展方向。高速铁路车载设备增加自动驾驶功能后，DMI设备呈现出一些新特征，对DMI的新特征进行详细解读，有利于通过观察DMI更好地掌握列车的实时运行状态，指导司机做出正确的操作，保障列车更安全更高效地运行。