高速铁路既有ATP实现自动驾驶的技术方案研究

易海旺

(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)

近年来，随着国民经济的快速发展，对高速铁路的运输能力提出了更高的要求。为了在确保安全的前提下，实现列车快速和高密度运行，必须缩短列车运行时间间隔，将自动运行和运行管理有机地结合起来，进一步提高运输能力和服务质量，其关键就是发展列车自动控制技术。列车自动驾驶(ATO， Automatic Train Operation)将现代工业自动控制技术、计算机技术、信号、数据、通信、传感及信息传输技术有机结合起来，应用于列车智能化控制。

1 高速铁路ATO方案

根据《高速铁路ATO系统总体技术方案》[1]，城际铁路列控系统车载设备由ATP (列车自动防护系统)与ATO (列车自动驾驶系统)2个部分构成，车载ATP设备满足《CTCS-3 级列控车载设备技术规范》[2]的要求，高速铁路车载ATP/ATO设备结构如图1所示。

图1 高速铁路车载ATP/ATO设备结构

(1)ATP设备

ATP 设备由车载安全计算机(VC)、GSM-R 无线通信单元(RTU)、轨道电路信息接收单元(TCR)、应答器信息接收模块(BTM)、司法记录单元(JRU)、人机界面(D M I) 、列车接口单元(T I U) 及测速测距单元(SDU) 等组成。在原有ATP车载设备功能基础上增加车门防护功能，精确停车误差评定和自动驾驶ATO允许控制，DMI增加显示ATO功能相关的控制、状态、报警等信息显示及操作，具备支持ATO自动驾驶等功能。

(2)ATO设备

在CTCS-2/CTCS-3级列控系统的基础上，车载设备增加车载ATO系统、GPRS电台及相关配套设备；ATO车载设备在ATP的行车许可下，通过GPRS无线通信单元接收到的运行计划、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、车站精确定位停车、自动开车门和车门/站台门联动控制、列车运行节能控制以及设备诊断、记录和报警等功能。

2 既有ATP实现自动驾驶方案

车载系统方案是在300H-ATP系统结构的基础上增加ATO主控单元、300H扩展单元和GPRS通信单元，300H扩展单元实现300H型ATP的IO接口扩展，并负责与ATP、ATO及无线单元进行通信交互。

车载新增设备由ATO主控单元、扩展单元和无线通信单元设备组成，集成于独立机柜。ATO主控单元负责列车自动驾驶相关控车功能；扩展单元负责扩展ATP的输入输出接口，同时负责与ATP、ATO设备、无线通信设备的接口通信功能；无线通信单元负责车地无线通信功能。

ATO主控单元通过与车辆控制系统和车载其他信号系统部件(ATP系统)的接口，实现对列车运行状态的采集、列车速度控制曲线的生成等功能。车载ATO系统配置及连接如图2所示。

图2 车载ATO系统配置及连接示意

3 扩展单元关键技术研究

3.1 安全计算机平台

300H扩展单元作为300H型车载设备的扩展设备，实现了数据通信和安全采集/驱动继电器接口的扩展，实现与300H型车载设备、ATO子系统和无线通信车载模块(RTM)的数据通信。为了保证系统RAMS的指标要求，如图3所示，300H扩展单元采用了二乘二取二架构。扩展单元由电源单元、FIMIO和通信单元组成，其中通信单元组成二乘二取二结构，保证300H扩展单元中只要各有一个通信单元正常，设备就能正常工作。300H扩展单元各单元的功能如表1所示。

图3 系统结构与边界接口

表1 安全计算机平台功能

(1)通信单元冗余管理

两个通信单元采用冗余RS422串口方式进行通信。刚刚上电时，工作状态继电器1和继电器2均处于打开状态，通信单元1首先进入工作状态，驱动工作状态继电器1闭合，通信单元2采集工作状态继电器1状态，若处于闭合状态则进入备用状态，否则进入工作状态，并驱动工作状态继电器2闭合。

通信单元处于主控状态时，会与ATP、ATO、RTM以及FIMIO进行通信，处理相关信息，并将处理信息发送至备用通信单元。通信单元处于备用状态时，会接收所有设备发送的信息，保持与其他设备的正常通信，驱动工作状态继电器一直处于打开状态，并且会定期向主控通信单元发送工作状态信息。

当备用通信单元通过RS422接收到主系通信单元进入备用或者脱机状态信息，或者采集到主系通信单元的工作状态继电器处于断开状态时，备用通信单元将进入工作状态。

双系通信单元的切换机制如图4所示。

图4 通信单元工作状态示意

双系通信单元的工作状态转换条件如表2所示。

表2 工作状态转换条件

(2)安全设计机制

为了保证系统的安全性，300H扩展单元的核心处理单元——通信单元采用双CPU进行比较设计，只有在比较结果一致的情况下通信单元才可以向各设备输出数据信息。以通信单元与300H设备通信为例，通信单元的安全设计如图5所示。

图5 通信单元安全设计

如图5所示，FPGA主要完成RS422/RS485的扩展以及数据的透传功能，通信单元的核心模块由MCU组成，通信单元的逻辑如下。

MCU-1和MCU-2通过RS422、RS485和CAN总线接口分别接收RTM、ATO和FIMIO设备发送的信息。MCU-1和MCU-2进行数据处理后按照区别于实际应用的CRC多项式进行CRC计算得到CRC1，同时MCU-2按照实际应用的CRC多项式进行CRC计算得到CRC2。然后MCU-1将CRC1发送至MCU-2，同时MCU-2将CRC1和CRC2发送至MCU-1。MCU-1和MCU-2分别校验对方发送的CRC1是否正确，若CRC1校验一致，则MCU-1将数据和CRC2组包后进行发送，否则不发送该数据。

通信单元与FIMIO板卡使用冗余CAN总线进行通信。MCU组包发送数据原理与上述相同，主要区别是CAN总线数据不经过FPGA，而是由MCU直接发送，其中MCU1使用CAN1总线向FIMIO板卡发送正码数据，MCU2使用CAN2总线向FIMIO板卡发送反码数据。

3.2 安全IO输出

FIMIO模块是故障—安全智能输出模块，包括FIMO模块和FIMI模块，实现扩展单元对车辆进行安全输出和采集的功能，其结构如图6所示。

图6 FIMIO模块在扩展单元中的位置示意

FIMIO模块采用二取二结构，向上，通过现场总线(CAN总线)通信与通信单元接口，接收通信单元下达的输出命令，上传模块的状态信息；向下，通过信号电缆与继电器接口，完成对继电器的驱动和采集。

(1)FIMO输出设计

FIMO模块采用结构化设计方法，采用计算机辅助工具的模块化设计。FIMO模块包括工作电源部分、ACAN通信控制器、BCAN通信控制器部分、正码机(ACPU)部分、反码机(BCPU)部分、输出通道部分、安全电源部分、LED指示部分和复位电路部分，如图7所示。

图7 FIMO输出结构

(2)FIMI输入设计

FIMI模块采用结构化设计方法，采用计算机辅助工具的模块化设计。FIMI模块包括工作电源部分、ACAN通信控制器、BCAN通信控制器部分、正码机(ACPU)部分、反码机(BCPU)部分、输入通道部分、LED指示部分和复位电路部分，如图8所示。

图8 FIMI输入结构

3.3 无线通信功能

高速铁路地面修改临时限速服务器TSRS，实现站台门控制和运行计划处理。车载设备增加移动终端MT，实现车地信息的双向通信。由于城际铁路采用GSM-R公开网络交换数据，车载和地面设备必须进行加密，以保证数据安全。高速铁路车载无线功能结构如图9所示。

图9 高速铁路车载无线功能结构

4 系统测试

基于该方案设计的高速铁路系统车载ATP/ATO设备主要进行以下仿真测试。

(1)利用 300H测试平台和仿真扩展单元软件搭建测试环境，对ATP/ATO车载设备进行测试，基于测试平台搭建的测试环境如图 10所示。

图10 基于测试平台搭建的测试环境

测试平台是实验室用于ATP/ATO设备的系统集成和测试系统，通过执行根据业务场景编制的测试脚本实现对列车运行地面环境的模拟仿真，利用在线监测软件记录并分析车载设备的运行状态。在该测试环境中，测试平台负责模拟发送BTM报文、控制转速平台模拟列车速度以及控制发码器发送轨道电路信息、接收地面CTC、临时限速服务器的ATO信息并给系统提供各种测试数据。

(2)利用京沈高铁试验段中三站两区间的数据搭建仿真测试环境，对 ATP 设备、ATO 设备(含扩展单元)、TSRS设备、无线通信系统等设备进行系统功能测试。

结果表明：基于该方案设计的高速铁路列控车载ATP/ATO设备，能够满足高速铁路自动驾驶的需要。该方案对既有ATP设备的改动较小，在确保列车行车安全性的条件下，实现高速铁路列控系统车载设备的功能需求。

5 结语

目前，基于本文提出的技术方案和300H扩展单元设计，进而研制的高速铁路列控车载ATP/ATO设备，通过了实验室集成和互联互通测试，并已在京沈高铁综合试验线顺利完成综合测试且通过了铁路总公司的上道试用评审，上道试运行近1年，设备运行稳定可靠，运行准点率100%，精确定位停车准确率100%，得到铁路总公司和沈阳铁路局的一致好评。