適應高速鐵路自動駕駛系統(tǒng)的列車運行計劃調(diào)整策略研究

李寶旭，李建明

（1.中國鐵路沈陽局集團有限公司 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督所，遼寧 沈陽 110001；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司 長春站，吉林 長春 130051)

高速鐵路動車組列車自動駕駛系統(tǒng)(以下簡稱“ATO 系統(tǒng)”)實現(xiàn)了列車在車站自動發(fā)車、區(qū)間自動運行、車站自動停車、車門開關(guān)控制、車門/站臺門聯(lián)動控制等功能，對于保證安全、提高效率、節(jié)約能源等方面都有較大提升[1]。列車運行由列車運行計劃直接控制，由于受到線路條件、設備故障、突發(fā)事件等諸多影響，給列車運行計劃的及時性、準確性帶來極大挑戰(zhàn)。為此，研究與ATO 相匹配的列車運行計劃調(diào)整策略，是保障高速鐵路運輸安全的必要手段。

1 ATO 系統(tǒng)與運行計劃關(guān)系分析

1.1 ATO系統(tǒng)工作原理

ATO 系統(tǒng)是一個具有重復性、多場景運行特征的復雜非線性受控系統(tǒng)，在CTCS-3 級列控系統(tǒng)基礎上，通過車載設置ATO 單元實現(xiàn)自動駕駛功能，通過地面設置專用的精確定位應答器實現(xiàn)精確定位[2]，通過優(yōu)化既有地面設備實現(xiàn)站臺門控制、站間數(shù)據(jù)發(fā)送和列車運行計劃處理。ATO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ATO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 High speed railway ATO system structure

ATO 系統(tǒng)由地面設備提供系統(tǒng)自動運行所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，車載ATO 設備根據(jù)地面設備提供的列車運行計劃、站間數(shù)據(jù)自動調(diào)整駕駛策略，控制列車自動加速、巡航、惰行、減速和停車，實現(xiàn)自動按圖行車。

行車調(diào)度指揮系統(tǒng)根據(jù)實際運營情況，以日班計劃為依據(jù)，結(jié)合動車組性能，對列車運行信息進行調(diào)整，形成列車運行計劃。列車運行計劃發(fā)生調(diào)整時，地面設備實時向車載ATO 設備發(fā)送調(diào)整后的列車運行計劃。

經(jīng)過實驗室測試和京沈高速鐵路綜合試驗段現(xiàn)場測試，驗證了CTCS-3+ATO 列控系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性。相較于傳統(tǒng)的人工駕駛，基于運行計劃與ATP 移動授權(quán)的ATO 系統(tǒng)有效提升了列車運行安全，消除了人工駕駛以經(jīng)驗操作為主帶來的運行效果差異性，降低了司機勞動強度，提高了旅客舒適度。

1.2 適應ATO系統(tǒng)的運行計劃調(diào)整需求

由ATO 工作原理可以看出，應用ATO 系統(tǒng)后，司機崗位職能已經(jīng)由操縱列車轉(zhuǎn)變?yōu)閼敝凳兀到y(tǒng)根據(jù)列車調(diào)度員下達的列車運行計劃控制列車自動發(fā)車、加速、巡航、惰行、減速、停車及開關(guān)車門，因此列車運行計劃是ATO 自動駕駛的根本保障。

（1）適應我國鐵路復雜運用場景。高速鐵路成網(wǎng)運行條件下，線路交叉、站臺復用等情況對ATO 系統(tǒng)的處理能力提出了更高的要求，對列車運行計劃影響也較大。

（2）應急處理復雜多變外部環(huán)境。高速鐵路運行計劃易受到外部環(huán)境的影響，如風、雨、雪、霧、霜等環(huán)境下線路黏著條件變化時，列車不能按照正常速度運行，需要及時對列車運行計劃作出調(diào)整。

（3）滿足多類型列車最優(yōu)運行曲線。不同種類列車牽引制動性能存在差異性，其最優(yōu)運行曲線不同，需要對列車運行計劃作出調(diào)整。

1.3 ATO系統(tǒng)與運行計劃相關(guān)接口

ATO 系統(tǒng)通過列車運行計劃實現(xiàn)自動駕駛，行車調(diào)度指揮系統(tǒng)以日班計劃為基本依據(jù)，結(jié)合列車實際運行情況，對列車運行計劃進行實時調(diào)整，地面設備通過GPRS向車載ATO 設備發(fā)送調(diào)整后的列車運行計劃，ATO 車載設備在ATP 的行車許可下，通過GPRS 無線通信收到的列車運行計劃、站間數(shù)據(jù)(含線路基礎數(shù)據(jù)和臨時限速)等信息實現(xiàn)列車速度自動控制、自動開車門和車門/站臺門聯(lián)控控制等功能。ATO 系統(tǒng)接口示意圖如圖2 所示。

1.4 ATO系統(tǒng)與運行計劃的相互約束

（1）ATO 系統(tǒng)執(zhí)行列車運行計劃存在限制條件。ATO 駕駛策略嚴格執(zhí)行列車運行計劃要求，ATO 車載設備根據(jù)列車運行計劃中前方站列車到發(fā)股道、列車到發(fā)時刻、列車通過等信息，結(jié)合當前運行位置和速度計算區(qū)間運行時分，從而控制列車運行速度[4]，但由于受設備條件限制，在頂棚速度區(qū)運行時，列車速度不低于80 km/h，即如果按照列車運行計劃計算的運行速度低于80 km/h時，系統(tǒng)只能默認按照80 km/h 的速度運行，ATO無法執(zhí)行更低的運行速度值，發(fā)生這種情況，列車運行計劃將無法實現(xiàn)。

（2）列車運行計劃不準確影響ATO 自動駕駛。列車調(diào)度員下達的列車運行計劃不及時、不準確，或ATO 系統(tǒng)接收的列車運行計劃不可用時，ATO將自動選擇預選駕駛策略控制列車運行，選擇策略1 時低于ATP 曲線5 km/h，為默認策略；選擇策略2 時低于ATP 曲線2 km/h；選擇策略3 時低于ATP 曲線8 km/h。ATO 預選駕駛策略示意圖如圖3 所示。

作者簡介：張喜玲，女，黑龍江密山人，蘇州國際外國語學校，初中英語教師，二級教師，碩士研究生，研究方向：英語教育。

圖2 ATO 系統(tǒng)接口示意圖Fig.2 Diagram of ATO system interface

由圖3 可知，如按照列車運行計劃計算的運行時分小于列車按頂棚速度運行所需時分時，運行計劃無法實現(xiàn)；如按照列車運行計劃計算的運行時分大于列車按頂棚速度運行時分，則列車不能達到規(guī)定的運行速度，將導致列車晚點。

圖3 ATO 預選駕駛策略示意圖Fig.3 Diagram of ATO pre-selected driving strategy

2 列車運行計劃與ATO 系統(tǒng)適應性分析

通過分析2019 年1—10 月京沈高速鐵路ATO運行試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，存在列車運行計劃不及時、不準確的問題，結(jié)合對相關(guān)的信息系統(tǒng)進行分析，主要原因是影響行車的信息不能自動集成、系統(tǒng)不能自動調(diào)整列車運行計劃、人工判斷運行時分不準等問題。

2.1 行車限制信息不能自動集成處理

當前高速鐵路自然災害和異物侵限監(jiān)控系統(tǒng)提供的風、雨、雪限速或禁行信息[5]，供電系統(tǒng)提供的接觸網(wǎng)跳閘限速或禁行信息，車輛系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)的異常限速或禁行信息等，均不能直接與ATO 系統(tǒng)和列車運行計劃系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，無法實現(xiàn)自動控制，而是將所有行車限制報警信息分別發(fā)送到調(diào)度臺，由調(diào)度員人工集成、人工判斷，再布置相關(guān)列車司機采取停車或限速措施；多項行車限制信息同時發(fā)生時，人工處置的及時性、準確性很難保證，而且這種處置方式也不適用于ATO 自動駕駛需要，造成退出ATO 自動駕駛的場景過多。

2.2 列車附加運行時分無法準確判斷

當高速鐵路動車組列車在區(qū)間產(chǎn)生停車、限速等運行限制條件，或者發(fā)生大面積晚點不能按正常速度運行時，對已經(jīng)在區(qū)間內(nèi)運行的列車，調(diào)度集中控制系統(tǒng)(Centralized Traffic Control，CTC)不能準確采集或接收列車當前的運行速度和運行位置[6]，無法自動計算列車降速、提速附加時分和限速影響時分[7]，只能由列車調(diào)度員人工預估列車運行影響時分，并據(jù)此調(diào)整CTC 系統(tǒng)的列車運行計劃，存在一定判斷誤差。

2.3 列車運行計劃缺少執(zhí)行前檢驗環(huán)節(jié)

列車運行計劃調(diào)整的時效性要求很高，需在極短時間內(nèi)完成，而目前CTC 系統(tǒng)的列車運行計劃完全依靠人工計算和人工調(diào)整，必然存在一定的不合理性。同時，列車運行計劃下達后，ATO 系統(tǒng)不能根據(jù)頂棚速度和最低限速不能低于80 km/h的運行條件[8]，對列車運行計劃的可執(zhí)行性給出檢驗，及時向CTC 系統(tǒng)反饋；ATO 系統(tǒng)與CTC 系統(tǒng)無法相互檢驗列車運行計劃的科學性、合理性，就不能在列車運行計劃執(zhí)行前發(fā)現(xiàn)問題，不能提前給出報警提示并做出合理調(diào)整。

2.4 調(diào)度系統(tǒng)智能化程度有待提高

當前鐵路各系統(tǒng)智能化快速發(fā)展，列車駕駛運行、接發(fā)車進路辦理、客運閘機檢票、信息廣播上屏等實現(xiàn)了自動化辦理，且均依托于列車運行計劃辦理。但調(diào)度系統(tǒng)的列車運行計劃自動化程度與高質(zhì)量需求不匹配，目前高速鐵路調(diào)度主要使用CTC 系統(tǒng)指揮行車，CTC 系統(tǒng)與外部信息沒有實現(xiàn)有效兼容，完全靠人工整合各種行車信息，還需要調(diào)度員人工查看鄰臺列車、人工計算影響時分、人工判斷調(diào)整方案[9]、人工挪動列車運行線，加之高速鐵路列車密度大、臨時限速多、交叉影響大等諸多因素影響，列車運行計劃的及時性、準確性很難適應ATO 系統(tǒng)自動駕駛的需要。

3 適應ATO 系統(tǒng)的列車運行計劃調(diào)整策略

針對ATO 系統(tǒng)應用后對調(diào)度行車指揮需求的變化，科研單位、設備廠家進行了相關(guān)系統(tǒng)研發(fā)，部分系統(tǒng)已經(jīng)在京沈高速鐵路進行初期試驗。結(jié)合已經(jīng)開展的研究和現(xiàn)場實際需求，根據(jù)列車運行、調(diào)度指揮相關(guān)信息系統(tǒng)條件，研究適應ATO 系統(tǒng)的列車運行計劃調(diào)整策略建議。

3.1 研發(fā)集中化行車控制平臺

針對當前高速鐵路各信息系統(tǒng)未實現(xiàn)信息完全共享，造成信息不對稱、計劃調(diào)整不及時的問題，提高信息采集、處理的準確性和及時性，研發(fā)能夠集成防災、供電、車輛、CTC、列控等相關(guān)系統(tǒng)信息的集中化行車控制平臺，在各專業(yè)系統(tǒng)自主獨立運行的同時，實現(xiàn)各種行車信息互通共享[10]，實時采集設備狀態(tài)和外部環(huán)境信息，據(jù)實形成行車限制信息，即時形成行車指令發(fā)送至ATO 系統(tǒng)，ATO 系統(tǒng)根據(jù)行車限制要求自動采取降速、停車等控制措施，從而減少人工判斷、傳遞、執(zhí)行等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)“機控”保安全。集中化行車控制平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

將行車限制信息反饋至CTC 的列車運行計劃系統(tǒng)，根據(jù)設備條件和現(xiàn)場實際對列車運行計劃進行自動調(diào)整，下達至ATO 系統(tǒng)控制列車運行。列車運行計劃自動調(diào)整示意圖如圖5 所示。

由圖5 可知，通過各信息系統(tǒng)行車限制信息和列車晚點信息的實時共享，系統(tǒng)智能判斷、精準計算，自動壓縮G399次列車預留附加時分，有效解決人工計算滯后和存在誤差的問題，提升了列車運行計劃的精準性和及時性。

圖4 集中化行車控制平臺結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of centralized operation control platform

圖5 列車運行計劃自動調(diào)整示意圖Fig.5 Automatic adjustment of train operation plan

3.2 設計設備信息與運行圖表一體化管控模式

列車運行計劃調(diào)整需建立在掌握設備狀態(tài)和列車運行實況的基礎上，但當前運行圖界面除下達計劃和采點功能外，沒有與設備狀態(tài)進行關(guān)聯(lián)，制約了列車運行計劃自動調(diào)整。重點研究行車設備與運行圖相結(jié)合的指揮模式，將列車運行線、車輛、線路、信號、接觸網(wǎng)設備等集成在同一個界面操作形成一一對應關(guān)系，通過讀取設備的行車限制信息或人工設定的行車限制條件，自動形成應急處置流程命令和列車運行調(diào)整計劃，實現(xiàn)設備狀態(tài)與運行計劃一體化管理。

列車運行圖系統(tǒng)應建立線路、接觸網(wǎng)、車輛等設備狀態(tài)智能感知體系，通過接收設備變化信息，準確掌握行車限制條件，實現(xiàn)設備狀態(tài)自動采集分析。對人工匯報的外部侵害等影響行車信息，通過人工設置行車限制條件，匹配到列車運行圖系統(tǒng)，使列車運行圖系統(tǒng)及時準確匯總各類對行車產(chǎn)生影響的信息。

列車運行圖系統(tǒng)接收匯總各類行車限制信息后，綜合分析設備狀態(tài)對列車運行時分和接發(fā)列車條件的影響，進而形成與列車運行計劃相匹配的影響信息，根據(jù)列車運行圖結(jié)構(gòu)、列車實際運行位置、車站接發(fā)車能力等條件，對列車運行計劃進行自動調(diào)整。

高速鐵路應急處置流程化、及時性的特點明顯，系統(tǒng)根據(jù)設備狀態(tài)變化信息，自動設定應急處置模型，根據(jù)行車限制條件和列車運行位置，即時自動生成、發(fā)送、執(zhí)行行車限制命令，實現(xiàn)應急反應科學、迅速，為高速鐵路列車運行安全提供保障。

3.3 探索即時位置線和限制位置線的運行圖結(jié)構(gòu)

針對當前列車運行圖只能按照站間劃分，對已經(jīng)在站間運行的列車不能區(qū)分具體限制區(qū)段，無法根據(jù)列車運行實際位置精準計算到達前方站時刻的問題，探索列車即時位置線和行車限制位置線在列車運行圖中的應用。即時位置線是指通過車載信息系統(tǒng)對列車運行位置的實時反饋，準確定位列車在運行圖站間所處的位置，形成即時列車運行位置線；行車限制位置線是指根據(jù)各信息系統(tǒng)提供的行車限制條件，在運行圖中準確定位行車限制的起止里程，形成列車運行限制線。

通過引入列車即時位置線和行車限制位置線，系統(tǒng)能夠在當前列車運行位置和行車限制點與前方站間形成虛擬區(qū)間，根據(jù)虛擬區(qū)間的行車限制條件和當前列車運行位置、狀態(tài)，準確計算列車在限制范圍內(nèi)的影響運行時分，精準判斷列車到達前方站的時刻，進而推算列車在站間不同位置采取的不同運行速度。

在列車運行圖中引入列車即時位置線和行車限制位置線，可解決以往列車運行圖按站間計算運行時分不夠精準的問題，將列車運行線的變化點精準到實際行車限制位置，據(jù)此精準調(diào)整列車運行計劃，發(fā)送至ATO 系統(tǒng)執(zhí)行自動駕駛，達到分段精準控制列車運行速度的目的，同時也提高車站的通過能力，避免了列車在行車限制點前緊追蹤的風險。列車運行限制線構(gòu)想如圖6 所示。

圖6 列車運行限制線構(gòu)想Fig.6 Concept of limit line for train operation

3.4 優(yōu)化ATO區(qū)段人工調(diào)整計劃方法

（1）研究適合ATO 的列車運行計劃調(diào)整原則。通過京沈高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試不斷摸索驗證，積累ATO 區(qū)段列車運行調(diào)整規(guī)律，在現(xiàn)有技術(shù)設備條件下，適應ATO 區(qū)段列車運行計劃直接控車的特點，人工調(diào)整階段計劃時應按照“由遠及近，先快后慢”的調(diào)整原則，以適應ATO 直接控制列車運行速度的要求[11]，充分考慮階段計劃能夠控制的列車最低降速值，防止調(diào)整無效計劃，造成列車緊追蹤運行。

（2）提升系統(tǒng)對人工決策的輔助決策水平。針對各類設備故障和風雨雪等自然災害影響情況，逐項查定常態(tài)運用的8 個檔位列車運行速度所需運行時分，并根據(jù)牽引計算原理查定不同檔位間提速、降速所需的運行附加時分，編制快速計算軟件，實現(xiàn)快速準確計算，據(jù)此調(diào)整列車運行計劃，并不斷地實踐驗證、校核影響時分的準確性。

（3）列車調(diào)整充分考慮旅客乘車舒適度。在發(fā)生較大非正常情況影響列車大面積晚點時，要適當采用多個列車運行計劃平移調(diào)整的方式，使列車處于平緩運行狀態(tài)，盡量避免逐列調(diào)整列車運行計劃產(chǎn)生時間差，充分考慮列車突然降速或提速對旅客乘車舒適度造成的影響。

4 結(jié)束語

隨著高速鐵路ATO 系統(tǒng)、CTC 系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)、自然災害和異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)等新技術(shù)、新設備不斷投入運用，高速鐵路智能化、自動化、集中化程度迅速提升，而CTC 系統(tǒng)與其他專業(yè)系統(tǒng)缺乏信息集成共享，需要進一步完善集中化行車控制平臺，自動匯集相關(guān)行車信息，自動生成列車運行計劃，優(yōu)化列車運行計劃調(diào)整策略，確保高速鐵路列車運行安全，提升高速鐵路列車運行質(zhì)量。