基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)車地無線消息研究

何鐳強

歐洲列車運行控制系統(tǒng)（ETCS）是為了解決歐洲各個國家鐵路信號系統(tǒng)的互聯和兼容問題，由歐洲鐵路部門（ERA）組織制定的統(tǒng)一的、開放性的信號系統(tǒng)。ETCS 在兼容既有信號系統(tǒng)的同時，實現了各國列車在歐洲鐵路網內的互通運營［1］。

近年來，為提高線路的運輸能力和效率，歐洲鐵路部門開始組織研究在ETCS 的基礎上疊加自動駕駛技術（ATO）［2］。基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)采用了獨立于ETCS 的無線通道進行車地信息傳輸，并且無線消息報文定義也和ETCS 有較大的區(qū)別。本文對車地無線消息的定義及其應用原則進行研究。

1 基 于ETCS 的ATO 系 統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構

2011 年開始，歐洲通過“泛歐交通運輸網（TEN-T） ”“ 下 一 代 列 車 運 行 控 制 系 統(tǒng)（NGTC）”和“轉移至鐵路（Shift2Rail）”一系列項目，對鐵路實現自動駕駛進行了研究。根據自動化等級的不同，研究分為GOA2 級（半自動化）和GOA3/4 級（無人駕駛/無人干預） 2 個階段進行［3-5］。目前，GOA2 級的主要技術規(guī)范已經制訂，基于這些規(guī)范，歐洲信號廠商完成了設備研發(fā)和試驗室互聯互通測試，即將進行現場驗證［6］。

如圖1 所示，GOA2 級的ATO 系統(tǒng)在ETCS、運輸管理系統(tǒng)（TMS）的基礎上，增加了ATO 車載設備和ATO 地面設備。ATO 車載設備和地面設備通過無線通信的方式，獨立于ETCS 的既有通道，進行車地信息的傳輸［7］。整個系統(tǒng)由ETCS 實現安全防護，ATO 實現自動駕駛功能。

1.2 規(guī)范文件

為滿足GOA2 級的功能需求，ETCS 在基線3版本的基礎上，擬對下列規(guī)范進行修訂［8］。

1） ETCS 人 機 接 口 規(guī) 范（ERA_ERTMS_015560），增加ATO 相關信息的顯示。

圖1 ATO 系統(tǒng)參考架構

2）ETCS 系統(tǒng)需求規(guī)范（Subset-026），增加自動駕駛模式及相關處理。

3） ETCS 司法記錄接口規(guī)范（Subset-027），增加ATO 的數據記錄。

4）ETCS 列車接口規(guī)范（Subset-034），增加ETCS 與列車的接口內容，實現對ATO 的防護功能。

同時，ATO 系統(tǒng)本身也增加了許多新的規(guī)范子集，定義了ATO 系統(tǒng)需求和一系列的接口規(guī)范。如表1 所示，ATO 車載與地面設備、ATO 車載設備與ATP 之間均為形式規(guī)格化的功能接口（FFFIS），其他則為功能接口（FIS）。

表1 ATO 系統(tǒng)新增規(guī)范

對于車地無線通信，表1 中僅Subset-126 在應用層進行了定義，作為FFFIS 重要組成的底層協(xié)議尚無相關規(guī)范發(fā)布。歐洲信號廠商在試驗室互聯互通測試時，使用了GSM-R 網絡的分組數據業(yè)務（GPRS）。

2 車地無線消息組織處理方式

2.1 數據組織方式

基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)參考城市軌道交通CBTC 的架構，故其數據組織方式與ETCS 有一定的區(qū)別。如圖2 所示，ETCS 地面設備按列車的實際進路向車載設備發(fā)送線路數據，不管列車所經過的進路多么復雜，線路數據總是按進路縱向延伸［9］，即ETCS 車載設備收到的是列車所要走行的線路數據。

圖2 列車實際進路和車載設備認為的進路

ATO 系統(tǒng)則采用不同的方式，將車載所需的控車數據分為2 層，分別為靜態(tài)數據層和運行計劃層。靜態(tài)數據層描述了線路的限速、坡度、曲線半徑，以及應答器、停車點、隧道、分相區(qū)等位置信息；運行計劃層描述了列車的走行徑路以及運行時刻、停車點、站臺側等信息。

在實現時，ATO 系統(tǒng)將線路劃分為若干個區(qū)段，每個區(qū)段除了靜態(tài)數據描述外，還具備版本和唯一的標識ID。正常情況下，ATO 車載設備應預存線路的所有區(qū)段數據。運行計劃通過列車所要走行區(qū)段的標識組合，實現對走行徑路的描述。2 種數據通過不同的無線消息提供。

運行過程中，ATO 車載設備根據收到的運行計劃，從存儲的區(qū)段數據中選取出所要走行的前方線路信息，并結合ATP 限速、列車運行時刻、能耗等因素，計算出一條最優(yōu)速度曲線進行控車。當未找到運行計劃對應的區(qū)段或版本不匹配時，ATO 車載設備應向地面設備請求更新對應的區(qū)段數據。

2.2 無線消息定義

基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)共定義了9 條無線消息，用于車地信息傳輸，如表2 所示。其中，消息編號為3 的“計劃曲線”（JP） 和消息編號為6 的“區(qū)段曲線”（SP）即對應上文所述的運行計劃和區(qū)段數據。

表2 基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)無線消息定義

與國內城際CTCS2+ATO、高速鐵路ATO 系統(tǒng)相比，歐洲鐵路未將車門/站臺門的聯動控制納入ATO 功能需求，因此規(guī)范中沒有相關的消息定義。

2.3 數據一致性檢查

為確?？剀嚨恼_性，ATO 車載設備應對地面設備發(fā)送的無線消息進行檢查，主要包括以下兩方面。

1）進路一致性檢查。ATO 車載設備根據“計劃曲線”和“區(qū)段曲線”，計算得到列車所要走行的應答器鏈表。當ATP 預告的下一組應答器編號不在鏈表范圍內時，ATO 車載設備應判斷出發(fā)生進路一致性錯誤，退出控車。如果ATP 預告的是重定位應答器組，ATO 車載設備則不應進行檢查。

2）“區(qū)段曲線”與“運行曲線”一致性檢查。當運行計劃預告的停車點不在區(qū)段數據中、運行計劃預告的到發(fā)時刻亂序或者運行計劃要求的某一區(qū)段與當前存儲的數據版本不兼容等情況發(fā)生時，ATO 車載設備應認為存在一致性錯誤。如果該錯誤會影響列車到當前停車點的運行，ATO 車載設備將退出控車。

3 車地無線消息應用原則

3.1 通信會話建立

ATO 車載設備從ATP 獲取機車號和車次號后，根據司機輸入與地面設備建立無線連接。當連接建立后，ATO 車載設備向地面設備發(fā)送“握手請求”消息，當收到地面設備的“握手確認”消息后，即認為通信會話建立，如圖3 所示。

圖3 通信會話建立

“握手請求”消息包含了車載設備支持的ATO系統(tǒng)版本列表。地面設備應在“握手確認”消息中告知本次通信會話所使用的ATO 系統(tǒng)版本。同時，“握手確認”消息還包含了消息超時重發(fā)時間和狀態(tài)報告發(fā)送周期。

3.2 運行計劃發(fā)送

如圖4 所示，地面設備發(fā)送運行計劃分為2 種情況。

1）當車載設備無運行計劃可用或當前剩余計劃不足時，主動向地面設備發(fā)送“計劃曲線請求”，地面設備根據機車號和車次號回復對應的“計劃曲線”。

2）當運行計劃調整時，地面設備主動向車載設備發(fā)送“計劃曲線”，車載設備回復“計劃曲線確認”。

圖4 運行計劃交互流程

3.3 區(qū)段曲線發(fā)送

ATO 車載設備在收到“計劃曲線”后，將檢查車載數據庫中是否已存儲對應的區(qū)段。如果對應的區(qū)段不存在或者數據版本不兼容，車載設備將向地面發(fā)送“區(qū)段曲線請求”消息，如圖5 所示。

“區(qū)段曲線請求”消息包含了車載設備未存儲的或版本不兼容區(qū)段的ID，地面設備將根據該請求回復車載設備所需區(qū)段的數據。

圖5 區(qū)段曲線交互流程

圖6 狀態(tài)報告交互流程

3.4 狀態(tài)報告發(fā)送

如圖6 所示，ATO 車載設備定期向地面設備發(fā)送“狀態(tài)報告”，地面設備回復“狀態(tài)報告確認”。“狀態(tài)報告”消息中包含了車載設備的工作模式、列車速度、位置、停車精度以及實際的到發(fā)時刻，這些信息將由ATO 地面設備轉發(fā)給運輸管理系統(tǒng)TMS。

4 總結

近年來，自動駕駛已逐漸成為鐵路發(fā)展的一個主要方向，歐洲計劃2022 年將其納入歐盟鐵路信號 系 統(tǒng) 互 聯 互 通 技 術 規(guī) 范（CCS TSI）［10］。與ETCS 相比，ATO 系統(tǒng)的車地無線消息雖然較為簡單，但作為互聯互通的組成部分，其重要性不言而喻。本文基于ETCS 的ATO 系統(tǒng)車地無線消息研究可為國內自動駕駛技術的發(fā)展提供一定的參考。