高速铁路ATO系统增加自动折返功能的方案研究及实验验证.pdf

1技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION高速铁路ATO系统增加自动折返功能的方案研究及实验验证吴培栋1，2，王 硕1，2，张友兵1，2（1北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）摘要：为进一步扩展高速铁路 ATO 系统的自动化范围，简要分析高速铁路自动折返运营场景，基于高速铁路 ATO 系统，提出一种增加自动折返功能的方案，并对地面设备、首端车载设备、尾端车载设备的接口及功能进行定义和分配，针对自动折返过程中的不同状态转换进行描述。基于半实物仿真平台，对方案进行实验验证，结果证明其有效性。关键词：高速铁路 ATO 系统；自动折返；首尾通信；状态转换；方案研究中图分类号：U284.48 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)08-0001-07Research on Scheme and Experimental Verification of Adding Automatic Turn-back Function Based on High-speed Railway ATOWu Peidong1,2,Wang Shuo1,2,Zhang Youbing1,2(1.CRSC Research&Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)(2.Beijing Engineering Technology Research Center of Operation Control Systems for High Speed Railways,Beijing 100070,China)Abstract:To further extend the automation scope of the high-speed railway ATO system,a brief analysis of the high-speed railway automatic turn-back operation scenario is presented.Based on the high-speed railway ATO system,a scheme is proposed to add the automatic turn-back function,and the interfaces and functions of the ground equipment,the head on-board equipment and the tail on-board equipment are defined and assigned.The different state transitions during the automatic turn-back process are described.Based on the semi-physical simulation platform,the scheme is experimentally verifi ed and the results prove its eff ectiveness.Keywords:high speed railway ATO system;automatic turn-back;head and tail communications;state transition;research on the schemeDOI:10.3969/j.issn.1673-4440.2023.08.001收稿日期：2023-04-07；修回日期：2023-08-06基金项目：国家自然科学基金项目(U1934221)第一作者：吴培栋（1982），男，高级工程师，硕士，主要研究方向：列控车载设备关键技术与方法，邮箱：。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月，第20卷第8期2T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION 年 月 日，京张高铁顺利开通，首次实现了列车自动驾驶技术在时速 km 高速铁路上的应用，使国内高铁自动驾驶技术处于全球领先水平，为国内未来自感知、自学习、自适应、自操纵的列车无人自动驾驶、全自动无人驾驶智能铁路奠定了技术基础。根 据 IEC.规 定 的 自 动 化 等 级，京张高铁使用的高速铁路列车自动驾驶系统（Automatic Train Operation，ATO）属于 GoA级，实现了列车在正线运行时司机辅助下的自动驾驶，列车到达终点站后的折返换端、调车回库等作业仍使用传统的人工驾驶模式。根据实际运营统计，以复兴号为例，短编组折返继乘约 min，重联编组约 min，效率较低。特别是对于一些繁忙的客运专线、城际线路、市域（郊）铁路，传统的换端和折返方式成为限制高速铁路进一步提升运营效率的瓶颈。因此，在高速铁路 ATO 列控系统中实现自动折返功能是目前亟待解决的技术问题。为了提高高速铁路的列车折返能力，本文基于高速铁路 ATO 系统提出了一种列车自动折返的方案。该方案在满足既有运输场景的前提下，拓展了高速铁路 ATO 系统的自动控制范围，并有效缩短了折返间隔时间，提高了运营效率。本文基于半实物仿真平台，对方案进行了实验验证，结果证明了该方案的有效性。1高速铁路ATO系统高速铁路 ATO 系统是在 CTCS-/CTCS-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 GPRS 通信实现站台门控制、站间数据发送和列车运行调整计划（简称运行计划）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-。高速铁路 ATO 系统结构示意如图 所示。铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月图高速铁路ATO系统结构示意Fig.1 Schematic diagram of high speed railway ATO system structureCTC车站自律分机车载设备调度集中数据通信以太网TRAUGSM-R系统移动交换中心BTSOTE信号系统安全数据网BTSOTEBTSOTE车站设备车站联锁ZPW-轨道电路列控中心BTSOTEBTSOTEOTECSM中心CTC中心信号集中监测数据通信以太网RBC应答器接收天线轨道电路接收天线GSM-R电台 测速测距单元ATO单元ATP单元车地通信单元列车控制接口DMIATO启动按钮驾驶台车辆 测速测距处理器临时限速服务器主机TSRS维护终端通信接口服务器SGSNGGSNBSC/PCU无线通信单元通信接口单元通用加密单元GPRS电台车载设备防火墙轨旁设备中心设备信号集中监测图例：无源应答器有源应答器停车点CSDGPRS仅CTCS-级系统使用仅CTCS级系统使用仅CTCS-级系统使用站台门3技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION2自动折返场景自动折返包括站后自动折返和原地自动折返两种运营场景，由于原地自动折返场景与站后自动折返的原地自动折返的部分场景基本相同，因此本文仅对站后自动折返场景进行研究。按照时序，站后自动折返分为折入折返线、自动换端、折出折返线 个阶段。以下以典型的站形对站后自动折返场景进行简单分析。如图 所示，自动折返前，列车在站内下行方向侧线股道停车。条件具备后，自动折返流程启动，列控系统控制列车启动，驶入折返线后停车，停车位置如图 所示。图列车折入折返线前示意Fig.2 Schematic diagram before the train arrives at the turn-back lineAXSSISIISXIXIIXBXXF列车运行方向折返线GGGG折返线图列车折入折返线后示意Fig.3 Schematic diagram after the train arrives at the turn-back lineAXSSISIISXIXIIXBXXF列车运行方向折返线GGGG折返线列车在折返轨停车后，列控系统完成自动换端，列车运行方向改变，如图 所示。图列车在折返线换端后示意Fig.4 Schematic diagram after switching train ends on the turn-back lineAXSSISIISXIXIIXBXXF列车运行方向折返线GGGG折返线条件具备后，列控系统控制列车启动，列车驶出折返线，在站内上行方向侧线股道停车，自动折返结束，如图 所示。图列车折出折返线后示意Fig.5 Schematic diagram after the train leaves the turn-back lineAXSSISIISXIXIIXBXXF列车运行方向折返线GGGG折返线3自动折返实现方案基于如图 所示的高速铁路 ATO 系统，为增加自动折返功能，需变更调度集中监测（Centralized Traffi c Control System，CTC）、临时限速服务器（Temporary Speed Restriction Sever，TSRS）、列控中心（Train Control Center，TCC）、车载设备含列车自动保护系统（Automatic Train Protection，ATP）和 ATO 软件，即图 中虚线框的设备。同时，列车两端的车载设备需增加通信接口，实现首尾通信。车载设备与列车增加折返相关接口，支持列车在无司机操作的自动折返过程中，响应车载设备输出的牵引制动指令。其中，CTC 实现自动折返计划的下发和折返进路的办理，TSRS负责将自动折返计划转发至对应的车载设备，车载设备负责自动折返计划的响应和执行。3.1车地交互信息为实现以上总体方案中自动折返计划的下发，车载设备和地面设备需通过车地无线通信交互以下自动折返相关信息。CTC 经过 TSRS 发送至车载设备的自动折返命令信息如表 所示。车载设备结合自身工作状态，检查接收到的自动折返命令合法后，经过 TSRS 发送至 CTC 的自动折返状态信息如表 所示。3.2首尾交互信息为实现以上总体方案中自动折返计划的响应和执行，列车首尾两端的车载设备通过首尾通信交互No.8吴培栋，王硕，张友兵：高速铁路ATO系统增加自动折返功能的方案研究及实验验证4T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION以下自动折返相关信息，如表 所示。3.3车载设备与列车接口为实现以上总体方案中自动折返计划的响应和执行，车载设备与列车增加以下自动折返相关接口，如表 所示。3.4自动折返准备控制车载设备检测到列车进站停稳停准后，满足自动折返条件，则控制折返指示灯闪烁，以此提示司机按压折返按钮。车载设备检测到折返按钮被按下后，控制折返指示灯常亮，通过人机界面单元（Driver-Machine Interface，DMI）显示黄色的自动折返图标，并输出折返激活信号。车载设备检测到折返激活反馈信号后，通过DMI 提示“关闭驾驶台”，进入自动折返准备状态。车载设备进入自动折返的条件主要包括：）驾驶室激活；）车载设备工作状态正常且处于 AM 模式；）车载设备收到有效的站后自动折返计划；）车载设备与 TSRS 连接状态正常；）对端车载设备工作状态正常。非自动折返状态和自动折返准备状态之间的状表1自动折返命令Tab.1 Automatic turn-back command序号信息信息说明1折返计划站后自动折返或原地自动折返2发车股道编号自动折返发车时所在的股道编号3换端后车次号自动折返换端后的运营车次号4终到股道编号自动折返终到后所在的股道编号5是否办客自动折返终到后是否办客表2自动折返状态Tab.2 Automatic turn-back state序号信息信息说明1折返计划对 TSRS 发送的自动折返计划是否响应2发车股道编号自动折返发车时所在的股道编号3终到股道编号自动折返终到后所在的股道编号4换端后车次号自动折返换端后的运营车次号5是否办客自动折返终到后是否办客6自动折返状态非自动折返状态站后自动折返准备状态、站后自动折返折入状态、站后自动折返折出状态原地自动折返预备状态、原地自动折返状态表3车载设备首尾交互信息Tab.3 On-board device head and tail interaction information序号信息信息说明1首尾标识首尾或尾端2车次号3司机号4列车编组类型单编或重联5驾驶台钥匙状态插入或未插入6折返激活状态激活或未激活7停稳停准状态未停稳、停稳未停准或停稳停准8轨道电路载频上行或下行9轨道电路低频10TSRS IPTSRS 设备的 IP 地址11TSRS 连接状态正在注册、已连接、正在注销、已断开12ATP 工作状态正常或异常13预选 ATO预选或未预选14ATP 工作模式待机、部分、完全、引导、目视、调车、机车信号、休眠、隔离15ATO 工作状态正常或异常16ATO 工作模式未建立、预备、自动驾驶、故障17自动折返状态非自动折返状态站后自动折返准备状态、站后自动折返折入状态、站后自动折返折出状态原地自动折返预备状态、原地自动折返状态18折返/换端请求自折请求或自动换端请求19折返/换端确认自折确认或自动换端确认20退出折返/换端命令退出21是否具备折返/换端具备或不具备表4车载设备与列车接口Tab.4 The interface between on-board device and train序号信息信息说明1折返激活车载设备向列车输出，表示当前处于自动折返状态，请求列车响应车载设备输出的牵引、制动等控制命令2折返激活反馈列车向车载设备输出，表示列车检测到车载设备输出的折返激活，并可以响应车载设备输出的牵引、制动等控制命令铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月5技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION态转换如图 所示。图自动折返准备状态转换Fig.6 State transition diagram ofthe train preparing for the automatic turn-back非自动折返状态自动折返准备状态.满足站后自动折返条件.检测到折返按钮被按下.输出折返激活信号且检测到折返激活反馈信号.不满足站后自动折返条件.ATO发车按钮被按下.车辆接口信号异常3.5折入控制车载设备在自动折返准备状态下，当检测到驾驶室钥匙被拔出后，认为司机启动自动折返流程。车载设备通过首尾通信，检测到尾端车载设备也满足站后自动折返条件后，控制 DMI 显示绿色自动折返图标，表示进入自动折返状态。车载设备检测到地面轨道电路发送允许码后，认为折入进路开放，控制列车驶入折返轨。在折入过程中，车载设备检测到工作状态异常、与 TSRS 的连接状态异常或车辆接口信号异常时，退出自动折返折入状态，进入非自动折返状态。非自动折返状态、自动折返准备状态和自动折返折入状态之间的状态转换如图 所示。图自动折返折入状态转换Fig.7 State transition diagram of the train entering the turn-back line自动折返准备状态自动折返折入状态非自动折返状态.检测到驾驶室主控钥匙被拔出.检测到尾端车载设备满足站后自动折返条件.检测到地面轨道电路发送允许码.车载设备工作状态异常.车载设备与TSRS连接状态异常.车辆接口信号异常.不满足站后自动折返条件.ATO发车按钮被按下.车辆接口信号异常3.6自动换端控制车载设备检测到列车在折返轨停稳后，控制列车输出最大常用制动，并通过首尾通信与尾端车载设备完成原地自动折返的交权。此时，首端车载设备认为完成首端的自动折返控制，取消输出折返激活信号，断开与 TSRS 的连接，控制折返指示灯熄灭，控制 DMI 删除绿色自动折返图标。尾端车载设备与首端完成交权后，升级为新的首端车载设备，检测到原首端车载设备取消输出折返激活信号后，控制输出折返激活信号，建立与TSRS 的连接，控制折返指示灯常亮，控制 DMI 显示绿色自动折返图标，进入原地自动折返状态。新首端车载设备在原地自动折返状态下，自动完成启动流程及自检，等待发车条件具备后控制列车驶出折返轨。非自动折返状态、自动折返折入状态、原地自动折返预备状态、原地自动折返状态之间的状态转换如图 所示。3.7折出控制车载设备处于原地自动折返状态，检测到地面轨道电路发送允许码后，进入自动折返折出状态，控制列车驶出折返轨。车载设备检测到列车在站台停稳停准且驾驶台主控钥匙插入后，控制折返指示灯熄灭，控制 DMI删除绿色自动折返图标，退出自动折返折出状态，进入非自动折返状态。非自动折返状态、原地自动折返状态、自动折返折出状态之间的状态转换如图 所示。4实验室测试为验证本文提出的自动折返方案及应用该方案后对折返效率的提升效果，搭建了实验室半实物仿真环境。其中，车载设备、TSRS、TCC 使用真实设备，CTC、计算机联锁（Computer Based Interlocking，CBI）、轨道电路、应答器使用仿真设备，仿真列车使用 CRBF 型复兴号动车组，地面线路使用基于高铁客专车站典型进路精简后的线路数据。折返时间起始时刻为折返前列车从站台发车的时刻，折返时间结束时刻为折返后列车到达站台停稳的时刻。与自动折返实验相关的列车关键No.8吴培栋，王硕，张友兵：高速铁路ATO系统增加自动折返功能的方案研究及实验验证6T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATION参数如表 所示。与自动折返实验相关的线路关键参数如图 所示，其中道岔限速 km/h。列车行驶路径为上行 股折返 I 轨下行 I 股。实验过程中，自动折返开始时刻与结束时刻的DMI 显示分别如图 和 所示。实验结果表明，本文提出的列车自动折返方案可满足折返场景和需求，多次测试的平均折返时间为 s，相对于传统的人工控制折返，可大大提高折返效率。5结论本文基于高速铁路 ATO 系统提出的列车自动折返方案，可实现列车自动折返，满足既有运输场景和需求，可提高运输效率。该方案的实现拓展了图原地自动折返状态转换Fig.8 State transition diagram of switching train ends自动折返折入状态原地自动折返预备状态非自动折返状态原地自动折返状态.检测到列车在折返轨停稳.检测到尾端车载设备满足原地自动折返条件.车载设备工作状态异常.车载设备与TSRS连接状态异常.车辆接口信号异常尾端：.检测到首端取消折返激活信号.输出折返激活信号.与TSRS建立连接.控制折返指示灯常亮.控制DMI显示绿色折返图标首端：.取消输出折返激活信号.断开与TSRS的连接.控制折返指示灯熄灭.控制DMI删除绿色自动折返图标.车载设备工作状态异常.车载设备与TSRS连接状态异常.车辆接口信号异常图自动折返折出状态转换Fig.9 State transition diagram of the train leaving the turn-back line原地自动折返状态自动折返折出状态非自动折返状态检测到地面轨道电路发送允许码异常：.车载设备工作状态异常.车载设备与TSRS连接状态异常.车辆接口信号异常正常：.检测到列车在站台停稳停准.检测到驾驶台主控钥匙插入.控制折返指示灯熄灭.控制DMI删除绿色自动折返图标异常：.车载设备工作状态异常.车载设备与TSRS连接状态异常.车辆接口信号异常表5实验相关列车关键参数Tab.5 Key experiment-related train parameters参数取值列车长度208 m定员载重5.2 tATP 牵引切除延时1 sATP 制动施加延时2.3 s牵引到制动转换的延时3 sATO 牵引切除延时0.2 sATO 牵引施加延时0.2 sATO 制动切除延时3.6 sATO 牵引施加延时3 s牵引力0 160 km/h：0.487 5 v+534（单位，kN）电制动力0 160 km/h：0.447 4 v+556（单位，kN）运行阻力3.99+0.012 7 v+0.001 043 v2(单位，N/t)铁路通信信号工程技术(RSCE)2023年8月7技术创新TECHNOLOGICAL INNOVATION图实验线路Fig.10 Experimental linesXFSIISXIIXZXSSIXIXZDDJDJDJDJDJDJDJDJDJDJD关键点距离（单位：m）图例：图自动折返开始时刻DMI显示Fig.11 The display of DMI at the start of the automatic turn-back process图自动折返结束时刻DMI显示Fig.12 The display of DMI at the end of the automatic turn-back process高速铁路 ATO 系统的自动控制范围，为高速铁路ATO 系统应用于一些繁忙的客运专线、城际线路、市域（郊）铁路提供了一种解决方案。不足之处在于，本文仅研究了自动折返方案的正常场景，对于折返过程中的所有异常场景，后续有必要逐一开展深入研究，保证自动折返的可用性和安全性。参考文献1 王同军.中国智能高速铁路体系架构研究及应用 J.铁道学报，2019，41（11）：1-9.Wang Tongjun.Research and Applications of China Intelligent High-Speed Railway ArchitectureJ.Journal of the China Railway Society,2019,41(11):1-9.2 International Electrotechnical Commission.Railway Applications-Urban Guided Transport Management and Command/control Systems-Part1:System Principles and Fundamental Concepts:IEC 62290.1-2014 S.International Electrotechnical Commission,2014.3 潘琢，崔衍渠，谭彬，等.CTCS-2 信号系统下城际铁路折返能力研究 J.铁道工程学报，2022，39（4）：59-66.Pan Zhuo,Cui Yanqu,Tan Bin,et al.Research on the Return Capacity of Intercity Railway under CTCS-2 Signal SystemJ.Journal of Railway Engineering Society,2022,39(4):59-66.（下转 22页）No.8吴培栋，王硕，张友兵：高速铁路ATO系统增加自动折返功能的方案研究及实验验证22T技术创新ECHNOLOGICAL INNOVATIONSignalling&Communication Engineering,2013,10(1):1-4,11.6 周永健，刘德超，李万生，等.联调联试中列控系统兼容性问题探讨 J.铁道通信信号，2020，56（5）：25-29.Zhou Yongjian,Liu Dechao,Li Wansheng,et al.Problem Discussion about Compatibility of Train Control System during Integration Test and CommissioningJ.Railway Signalling&Communication,2020,56(5):25-29.7 何春明，陈盈，石海丰，等.郑州-西安客运专线 CTCS-3 级列控系统联调联试 J.铁路通信信号工程技术，2011，8（4）：14-17.He Chunming,Chen Ying,Shi Haifeng,et al.Integrated Testing and Commissioning of CTCS-3 Train Control System for Zhengzhou-Xian DPLJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2011,8(4):14-17.8 中国铁路总公司.高速铁路联调联试及运行试验技术规范：Q/CR 472S.北京：中国铁路总公司，2015.9 中华人民共和国铁道部.高速铁路工程动态验收技术规范:TB 10761-2013S.北京:中国铁道出版社，2013.10 司静.高速铁路通信信号系统联调联试标准化管理 J.铁路通信信号工程技术，2021，18（1）：85-90.Si Jing.Standardization Management of Integrated Commissioning and Testing for High-Speed Railway Signaling and Communication SystemJ.Railway Signalling&Communication Engineering,2021,18(1):85-90.（上接 7页）4 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