陈永明，崔佳诺，张友兵

(1.国能新朔铁路有限责任公司大准铁路分公司,内蒙古鄂尔多斯 010300;2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司安全控制技术研究院,北京 100070)

引言

近年来,随着中国城镇化进程加快,市域铁路建设也在迅速推进。市域铁路又称为通勤铁路、市郊铁路,是大都市市域范围内的客运轨道交通系统,服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇间等,提供公交化、大运量、快速便捷的轨道交通系统,是城市综合交通系统的重要组成部分。

2016年3月,珠三角城际铁路莞惠和广佛肇开通运行,城际CTCS2+ATO系统在国内首次投入运营。2018年6月至9月,在京沈高铁完成了高速动车组自动驾驶系统(CTCS3+ATO列控系统)现场试验,并成功应用于京张高铁[1-3]。

高速铁路CTCS2+ATO系统是在CTCS-2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计划调整。高速铁路CTCS2+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[4-6]。

市域铁路可以采用高速铁路CTCS2+ATO列控系统,但需要增加自动折返功能。本文以高速铁路CTCS2+ATO系统为基础,进行适应性设计,满足市域铁路公交化、大运量、快速便捷的基本要求。

1 市域铁路需求

市域铁路按照公交化理念运营,市域铁路与城市轨道交通实现互联互通,目标是引导城市功能、人口向轨道站点周边聚集,切实发挥轨道建设引领城市发展的作用,促进铁路与城市深度融合,实现“轨道上的职住平衡”[7-9]。

从市域铁路的功能定位来看,其具有公交化、高密度的运营需求,通常要求满足3 min追踪间隔。在相同的站场规模、相同列车加减速能力的情况下,CTCS2+ATO信号系统满足列车区间和车站的间隔需求,但该系统目前不具备自动折返能力,难以满足市域铁路小于3 min的折返间隔要求[10-12]。

国铁领域中,采用CTCS制式的线路均未实现自动折返功能。在现场实际运用中,仅人工换端就需要约120s(考虑双司机,不含司机走行时间),站后折返的折返时间需约10 min,有两条折返线的情况下,折返间隔接近5 min。

为了满足市域铁路列车3 min追踪间隔要求,CTCS2+ATO列控系统必须增加自动折返功能,由列控系统实现无人自动折返,提高自动折返效率。C2+ATO列控系统实现自动折返功能后,将明显缩短市域动车组在折返站的折返间隔,提高列车开行密度,实现公交化运营目标,吸引更多客流,获得更多的客票收入,能够获得良好的经济效益及社会效益[13-16]。

自动折返又细分为原地自动折返和站后自动折返。原地自动折返是指列车在股道停稳后,由司机发起换端操作,车载设备自动完成两端的信息交互并交接控制权,司机激活驾驶台启动另一端车载设备,由于该过程中列车并未移动,原地自动折返也可称为原地自动换端。站后自动折返是指在整个折返过程中,包括驶入折返线、换端和折出过程都不需要司机在驾驶台控制操作。A端的列控车载设备在站台股道接收到司机下发的自动折返发车指令后,由ATO车载设备自动驾驶列车从到达站台股道驶入折返线停稳后,两端车载设备及车辆驾驶端完成控制权的交接,再由B端(原休眠端)ATO车载设备驾驶列车折出折返线,到站台股道停准停稳[17-19]。

以更为复杂的站后自动折返为研究对象,研究站后自动折返过程,分析各子系统的功能需求分配,探讨关键技术,给出解决方案。

2 站后自动折返过程分析

2.1 站后自动折返过程

站后自动折返过程包括驶入折返线、换端、驶出折出线,整个过程都不需要司机在驾驶台控制操作。假设列车两端分别为A端和B端,两端分别装有列控车载设备,且列车两端的车载设备具有首尾通信能力。第1阶段,列车进站,侧线停车(位置1),A端为首端,B端为尾端。列车进站前,A端车载设备从地面收到自动折返命令,列车在站台股道停稳停准后,车载设备提示司机进行自动折返作业,司机启动自动折返发车指令后,由A端车载设备ATO单元自动驾驶列车从到达站台股道驶入折返线停稳(位置2);第2阶段,两端车载设备及车辆驾驶端完成控制权的交接,A端变为尾端,B端变为首端;第3阶段,满足发车条件后,由B端车载设备ATO单元驾驶列车折出折返线,到达站台股道停稳停准(位置3)。

下面以图1为例详细阐述自动折返3个阶段的具体过程。

图1 站后自动折返过程

2.2 驶入折返线流程

调度集中(Centralized Traffic Control,CTC)提前一个车站通过临时限速服务器(Temporary Speed Restriction Server,TSRS)向车载设备发送运行计划(包含自动、非自动折返计划)。列车位于折返站站台股道,CTC收到TSRS发送的停稳信息后延时一段时间,CTC根据折返计划通过联锁办理自动折返发车进路,并通过TSRS周期向车载设备发送运行计划。车载设备收到折返计划,通过人机接口设备(Driver Machine Interface,DMI)向司机给出自动折返提示。车载设备判断必要条件满足后,控制A端驾驶台的“折返按钮”指示灯闪烁绿色灯光。

关闭车门并联动关闭站台门后,司机按压A端驾驶台上的“折返按钮”,车载设备进入自动折返状态。车载设备控制A端驾驶台的“折返按钮”指示灯亮绿色稳定灯光,并在DMI上提示司机可关闭驾驶台。

司机关闭驾驶台并拔出钥匙。车载设备输出“折返激活”信号有效,车辆将“折返激活”信号作为等效钥匙输出驾驶室激活、方向手柄前向,同时给出“折返激活反馈”信号,继续保持A端驾驶室占用状态。

车载设备检测到驾驶室钥匙拔出,判断为自动折返。车载设备检查满足条件后,ATO自动启动列车运行,ATO启动按钮亮绿色稳定灯光。ATO车载设备自动驾驶列车驶入折返线。待列车占用折返线列车运行前方的轨道区段后,后方轨道区段立即转换发码方向。

2.3 自动换端流程

列车运行至折返线停稳后,A端车载设备输出制动。车载ATO设备向TSRS发送列车停稳状态信息,TSRS将列车停稳状态信息发送给CTC后,CTC按计划通过计算机联锁(Computer Based Interlocking,CBI)办理折返接车进路。

A端车载设备检查条件满足时,开始进行自动换端。A端通过车辆贯通线给B端发送换端请求及相关数据。B端车载设备给A端回复换端请求确认,更新DMI相关信息及状态信息。A端撤销给车辆发送“折返激活”信号,进入待机模式(Standby,SB)。B端由SL模式进入SB模式,输出制动。B端给车辆发送“折返激活”信号,激活驾驶台,点亮驾驶台“折返指示灯”。车辆给A端发送休眠信号,A端进入休眠模式(同时取消输出制动)。B端在SB模式下自动完成开机注册,并向TSRS发送换端结束信息,进入部分模式(Partial Surpervision,PS)。

2.4 驶出折返线流程

车载通过TSRS将换端状态信息(包含换端成功或换端失败)发送给CTC。当发车条件具备后,B端车载设备自动进入PS模式下的ATO自动驾驶模式,并限速45 km/h运行,ATO输出牵引制动控制命令,列车运行一定距离(可配置)收到折返进路信号机处的应答组报文,转为正常ATO模式,控制列车运行至站台。列车驶出折返线并在站台股道停稳停准后,ATO自动打开车门。当B端驾驶台钥匙激活后,车载设备熄灭驾驶台“折返指示灯”,取消输出“折返激活”信号,完成自动折返流程。

司机人工关闭车门,并联动关闭站台门。随后进行后续发车操作,列车以自动驾驶模式(Automatic Mode,AM)从车站发车。

3 车辆功能优化

3.1 支持首尾ATP通信

从自动折返流程可知,首端列车自动防护设备(Automatic Train Protection,ATP)与尾端ATP需要进行信息交互,才能完成自动折返过程。可以采用车辆的MVB总线(Multifunction Vehicle Bus,多功能车辆总线)进行首尾通信,车辆在MVB网络中扮演主设备,两端ATP均扮演从设备,基于车辆总线的首尾ATP通信原理如图2所示。

图2 基于车辆总线的首尾ATP通信

3.2 列车接口设计

为了支持自动折返功能,列车接口设计见表1。

表1 支持自动折返的列车接口设计

在驾驶台上,设置自动折返按钮(自复式,带灯按钮)。当车载设备判断具备自动折返条件时,激活端的自动折返按钮指示灯闪烁绿灯;司机按下自动折返按钮后,列车两端的自动折返按钮常亮绿灯;自动折返流程结束后,自动折返按钮指示灯熄灭。

股道上停车时,司机按压折返按钮确认车载进入自动折返状态。

按压折返按钮后,车载设备输出折返激活信号有效,司机拔出钥匙。车辆收到折返激活信号且检测到车钥匙拔出后,将折返激活信号作为等效钥匙输出驾驶室激活(站后自动折返时还需输出“方向手柄前向”信号),同时给出折返激活反馈信号、组合零位信号,继续保持A端驾驶室占用状态。

车辆任意一端检测到驾驶台插入钥匙激活时,车辆不再使用折返激活信号等效驾驶室激活及方向手柄前向,而是开始根据实际钥匙激活情况,给出相应驾驶台激活/休眠和方向手柄位置信号,并撤销折返激活反馈信号。

当车载设备判断具备自动折返条件时,车载设备输出至车辆,由车辆控制A端(激活端)的自动折返按钮指示灯闪烁绿灯。司机按下自动折返按钮后,A端的自动折返按钮常亮绿灯。换端结束后,B端(另一端)的自动折返按钮常亮绿灯,A端(原激活端)的自动折返按钮指示灯熄灭。B端退出自动折返状态时,B端的自动折返按钮指示灯熄灭。

在表1中,ATO从车辆采集折返按钮状态,向车辆输出折返指示灯命令,ATP向车辆发送折返激活信号,从车辆采集折返激活反馈状态。

4 车载设备功能优化

4.1 增加虚拟激活功能

一般情况下,司机关闭驾驶台,车载设备将进入待机模式,在该模式下车载设备不允许列车移动,一旦移动,将触发紧急制动。

在自动折返过程中,司机在首端驾驶台按压折返按钮,并关闭驾驶台,启动自动折返流程。在这种情况下,关闭驾驶台后,需要向车载设备提供虚拟激活信号,车载设备保持现有模式,允许ATO设备自动驾驶列车移动,完成自动折返过程。

方案1,司机按压折返按钮后,折返模式继电器吸起,车辆向首端ATP给出激活信号和方向手柄前向信号,向尾端ATP给出休眠信号。为了区分真实激活和虚拟激活,需要增加钥匙状态,具体情况见表2。当钥匙处于插入状态且驾驶台激活,则为真实驾驶台激活;当钥匙处于拔出状态且驾驶台激活,则为虚拟驾驶台激活。如果真实驾驶台激活和虚拟驾驶台激活不能无缝衔接,中间存在缝隙,将导致车载设备退出ATO自动驾驶模式,ATP转入待机模式,自动折返过程失败。

表2 车辆实现虚拟激活的状态分析

方案2,司机按压折返按钮后,折返模式继电器吸起,首端ATP给出虚拟激活信号和虚拟方向手柄前向信号,车辆向尾端ATP给出休眠信号。不需要增加钥匙状态,车载设备能够区分真实激活和虚拟激活,具体情况见表3。当来自车辆的驾驶台激活为激活状态,认为当前处于真实激活状态;当来自车辆的驾驶台激活为非激活状态,且折返模式继电器吸起,认为当前处于虚拟激活状态。

表3 车载设备实现虚拟激活的状态分析

4.2 车载设备启机过程优化

在折返过程中,ATO驾驶列车进入折返轨,停稳停准后,首尾ATP完成换端,原首端变成尾端,原尾端变成首端。新首端进入待机模式,因为没有司机参与,需要自动完成启机流程,包括输入司机号和车次号、选择等级、输入列车数据、确认启动,进入部分模式,支持ATO驾驶列车执行折出流程,从折返轨移动到站台。

方案1,车载ATP不做修改,DMI判断处于自动折返过程中,DMI对ATP信息进行自动回复,配合ATP完成上电启动流程,正常的车载设备自动启机流程如图3所示。优点是改动小,缺点是需要执行完整的上电启动过程,需要耗时20 s以上,降低了自动换端效率,同样也降低了自动折返过程效率。

图3 正常的车载设备自动启机流程

方案2,车载ATP和DMI都做必要修改,当处于自动折返过程中,ATP执行简化的上电启动流程,DMI对ATP信息进行自动回复,配合ATP完成上电启动流程,简化后的车载设备自动启机流程如图4所示。例如,在车载设备第一次上电时,执行制动测试,如果车载设备不断电,之后的上电启动流程不再执行制动测试,节省制动测试的执行时间;在上电启动流程中,本端车载设备使用对端车载设备数据自动输入司机号、车次号、等级、列车数据、载频等信息,不需要和DMI进行信息交互,大大缩短上电启动流程。简化的上电启动流程可以将时间压缩到3 s以内,大大提高自动换端效率,进而提高自动折返过程效率。

图4 简化后的车载设备自动启机流程

4.3 部分模式下的ATO自动驾驶

无论是CTCS2+ATO系统还是CTCS3+ATO系统中,只有ATP处于FS模式下才允许ATO自动驾驶列车运行。但是在市域铁路中,车载设备在折返线完成换端后,自动执行启机流程并进入PS模式,此时并不满足进入FS模式的条件。因此,需要在折出状态的PS模式下,ATP向ATO给出允许,ATO依据ATP的PS模式下的允许速度自动驾驶列车运行。然而,在PS模式下ATO驾驶列车自动运行应设置一个距离条件,以保证行车安全。运行距离超过限制值之前,车载设备从地面应答器收到数据,转入FS模式,ATO可以驾驶列车继续运行,完成折返流程。如果运行距离超过限制值之后,车载设备依旧没有从地面应答器收到数据并转入FS模式,为了保证行车安全,车载设备应退出自动折返,折返模式继电器落下,车载设备进入SB模式,施加紧急制动并停车[20-22]。车载设备以PS模式自动驾驶列车驶出折返线的过程如图5所示。

图5 驶出折返线的自动驾驶过程

5 地面设备功能优化

5.1 临时限速服务器TSRS

TSRS应实时接收CTC发送的折返运行计划,并发送至相关车载设备。车载设备收到折返运行计划后,给TSRS发送回执。TSRS收到回执后,反馈给CTC。TSRS应实时接收车载设备发送的折返状态信息,并发送至CTC。TSRS应支持与休眠端车载保持连接的功能。

5.2 调度集中CTC

CTC系统应支持通过TSRS向车载设备发送折返计划(区分显示站后折返、原地折返)。站后自动折返时,列车出清发车股道后停止发送折返计划。原地自动折返时,接收到来自TSRS的列车自动换端成功信息后停止发送折返计划。

CTC系统应根据运行计划和列车停稳信息自动触发折返进路,并完成折返车次号的自动变更。CTC系统应能根据车辆编组的不同,办理不同的长短进路。

在车站具有两条折返线时,在运行图终端日班计划中按规则指定折返轨或在调整图中由调度员人工指定折返轨。

CTC系统应接收TSRS发送的折返状态信息,并在CTC终端上显示。

6 实验室仿真验证

搭建市域铁路半实物仿真平台上,进行站后无人自动折返的仿真验证实验。半实物仿真平台包括车载设备、地面设备、仿真设备3个部分,半实物仿真环境架构如图6所示。车载设备为增加了自动折返功能的CTCS-2+ATO车载设备,包括车载ATP设备和车载ATO模块;地面设备包括支持自动折返功能的列控中心TCC、计算机联锁CBI以及临时限速服务器TSRS;仿真设备包括信号设备仿真模型、CTC 仿真模型、车辆仿真模型、车载接口平台和仿真测试环境。

图6 半实物仿真环境架构

采用半实物仿真环境,进行站后无人自动折返的仿真验证实验,进行多次自动折返试验,其中3次自动折返试验的时间统计见表4。从试验结果可知,CTCS-2+ATO列控系统增加自动折返功能后,由车载设备自动驾驶列车实现自动折返,折返过程总时间可以压缩到160 s以内,能够满足3 min自动折返时间要求。

表4 自动折返时间统计

7 结语

本文以高速铁路CTCS2+ATO列控系统为基础,对系统整体进行适应性设计,实现无人自动折返功能。在实验室搭建半实物仿真环境,采用真实的车载设备和地面设备,基于真实的站场数据进行仿真试验,证明本文提出的设计方案合理、可行,支持CTCS2+ATO列控系统实现自动折返功能,且可以将站后自动折返时间压缩在160 s以内,能够满足市域铁路3 min自动折返的高要求。目前已经完成具备自动折返功能的CTCS2+ATO列控系统开发,具备开展现场试验条件,为在市域铁路推广应用做好准备。