 现如今，智能铁路已成为铁路行业的热门议题，预示着铁路系统未来的发展方向，而无人驾驶技术是智能铁路发展的关键组成部分，今天我们就来一起了解中国铁路的ATO自动驾驶技术。 目前，国内多数地铁系统已经实现了ATO自动驾驶功能，然而，国际上对于250km/h以上的高速铁路，仍然主要依赖于ATP（列车自动防护系统）下的人工驾驶。这是为啥呢？ No.1 什么是自动驾驶 铁路自动化的发展水平根据GoA（Grade Of Automation）0至4的五个等级来划分。  GoA 0：司机依靠目视驾驶，与有轨电车相似。 GoA 1：在ATP系统的保护下进行全人工驾驶，司机负责列车的启动、停止、车门控制和紧急情况处理。 GoA 2：在司机监督下的自动驾驶，列车的启动和制动自动化，但司机负责车门操作和紧急情况驾驶。 GoA 3：在服务人员监督下的无人驾驶，列车的启动和停止自动化，服务人员负责车门控制和紧急情况处理。 GoA 4：完全无人驾驶，列车的所有操作，包括紧急情况处理，均自动化完成，无需工作人员参与。 地铁线路由于信号系统专用、行车路径相对简单，因此更容易实现无人驾驶。相比之下，铁路线路由于大量跨线列车运行，人工驾驶与自动驾驶混杂，实现无人驾驶的难度更大。 中国的CTCS（Chinese Train Control System）根据功能需求和技术配置，也分为0至4级。  CTCS 0：基于通用机车信号和列车运行监控装置的既有系统。 CTCS 1：结合主体机车信号和安全型运行监控记录装置，实现点连式超速防护。 CTCS 2：基于轨道电路传输信息的列车运行控制系统。 CTCS 3：基于无线传输信息，使用轨道电路检查列车占用的控制系统。 CTCS 4：完全基于无线传输信息，取消轨道电路，由车载系统和地面设备共同完成列车定位和完整性检查。 No.2 什么是CTCS+ATO CTCS-2列控系统结合了法国TVM-430系统和ETCS-1系统的特点，包括ZPW-2000A轨道电路、应答器、车载设备和列控中心等部分。 ZPW-2000A无绝缘轨道电路的功能包括列车区间占用和完整性检查，能够提供列车前方的空闲闭塞分区数量以及连续的行驶许可信息。应答器方面，有源应答器负责提供临时限速和进路状态，而无源应答器则提供线路允许速度及闭塞分区长度等信息。车载设备基于轨道电路和应答器提供的数据，结合列车自身的参数，自动生成连续速度控制模式曲线，并对列车的安全运行进行实时监控。列控中心主要实现轨道电路编码、应答器的实时报文生成与发送，以及列车运行方向的控制。  在2007年，中国铁路进行了第六次大提速，开始运营CRH动车组，并安装了CTCS-2列控系统，支持时速200至250公里。然而，当年安装的CTCS-2系统与后来新建的客运专线和客货共线铁路的CTCS-2系统存在一些差异。前者未配备GSM-R网络，而后者则利用GSM-R进行通信，并通过GPRS向铁路局及生产厂家上传列车状态监控数据，但这与列控的实时数据传输无关，现今大多数动车组普遍装备了GPRS天线。 除既有线提速和新建高速铁路外，各城市群还规划了一系列城际铁路。城际铁路的特点是站间距离短，列车停靠频繁，运行速度超过传统地铁，最高可达160至200km/h。基于WiFi的CBTC城市轨道交通系统因WiFi性能限制，无法应用于时速超过120公里的铁路线，难以满足城际铁路的需求。因此，在CTCS-2基础上增加ATO单元是一种可行的解决方案。  虽然从字面上来说，CTCS-2+ATO是基于CTCS-2列控系统，但在设备层面更接近CTCS-3。与CTCS-2相比，CTCS-2+ATO车载设备新增了AM自动驾驶模式和CTCS-3中的CS机车信号模式。同时，地面设备也新增CCS，并沿线铺设GSM-R专用网络，以向列车发送ATO行车计划。 随着2016年莞城际铁路惠和广佛肇城际铁路的开通，CTCS-2+ATO列控系统也正式在运营线路上使用。但投入使用的初期遇到了不少问题，比如列车停站对标不准、列车与站台门传感器的距离超过最大限值、无法正常开关屏蔽门等问题。后来调整了车站轨道上的定位应答器，同时调整列车测速测距的补偿算法以减少误差，调整站台安全门传感器允许最大的误差范围，算是解决了列车对标开门的问题。  城际铁路仍然采用与国铁相同的车上分相技术，分相区通常设置在车站前后。列车通过分相时，会暂时进入无电区，然后在进站道岔限速45km/h的情况下停车。在ATP人工控制下，司机会根据行车规范操作，平稳减速至45km/h以下进站；而在ATO控制下，列车会在分相区前减速至45km/h，以防超速。经过分相区后，列车速度明显低于45km/h，ATO系统将重新控制加速，但在接近进站道岔时又会迅速减速，这导致列车有时出现突然加速或减速现象。这一问题目前没有彻底解决方案，只能通过调整控制算法来缓解。  虽然CTCS-2+ATO使用了与CTCS-3相同的GSM-R无线通信技术，但为了控制成本，它并未实现CTCS-3所需的冗余覆盖，仅提供单网覆盖。最初的设计每20秒从CCS向列车发送一次ATO行车计划，但由于GSM-R网络覆盖不良，导致列车无法接收计划，从而引发降级运行或紧急制动，后续优化的策略是仅在行车计划变化时发送数据，以降低信道和带宽的占用。 CTCS-2+ATO的开发背景在于当时CBTC信号系统无法满足城际铁路200km/h的需求，且各厂商之间缺乏互通标准。不过，近年来的发展使重庆轨道交通实现了CBTC的基本互联功能。同时，LTE-M广泛应用于城市轨道交通，能够满足200km/h的通信需求。CBTC系统在全自动无人驾驶方面也有显著进展，新开通的城市轨道线路几乎都按GoA 4级全自动标准建设。CBTC系统由车-地双向通信发展到车-车通信，进一步降低了轨旁设备的成本。  由于CTCS-2车载设备设计的局限性，CTCS-2+ATO两端的驾驶室无法连通，因此在折返时需要重新唤醒另一端的驾驶台并输入行车参数，这种换端速度无法与CBTC系统快速启动车辆的效率相提并论。换言之，如果不需要与国铁直通，城际铁路完全可以选择最新的CBTC信号系统。 然而，CBTC信号系统也不是完美的。城市轨道线路的运行交路通常是固定的，CBTC的车载系统会存储固定信息，而临时限速信息则通过无线通信从地面设备发送给列车。在未实现CBTC互通时代，跨线调车需要更新车载软件和线路数据库。在新时代的CBTC信号系统中，可以利用大带宽的LTE-M进行车地通信，因此也许不再需要提前准备线路数据库。相比之下，国铁CTCS的线路固定信息存储在地面应答器中，只要确保车地通信正常且没有兼容性问题，即可实现直接跨线运行。  CTCS-3列控系统是在CTCS-2的基础上，为了支持350km/h的运营速度而设计的信号系统。与CTCS-2相比，CTCS-3增加了以下设备： RBC无线闭塞中心：RBC负责根据轨道电路和联锁进路等信息生成行车许可，通过GSM-R无线通信系统将行车许可、线路参数和临时限速信息传输给CTCS-3级车载设备，同时接收车载设备发送的位置和列车数据。 RTU车载GSM-R无线通信单元：RTU成为CTCS-3列控系统中必不可少的设备，用于向RBC发送列车的速度和定位信息，并接收行车许可和临时限速通知。 CTCS-3+ATO在CTCS-3的基础上增加了ATO控制单元以实现自动驾驶功能。此系统同样通过GSM-R下发ATO行车计划，不同之处在于CTCS-3+ATO采用了GSM-R的分组域，而非电路域。电路域用于列车速度、定位反馈以及RBC的行车授权，其信道和带宽有限。如果仍像CTCS-2+ATO那样使用电路域下发ATO计划，将会影响正常的CTCS-3列控信息传输。因此，借鉴CTCS-2+ATO的经验，ATO行车计划对实时性要求并没有那么高。  CTCS-3+ATO在CTCS-3的基础上变动不大，取消了CTCS-2+ATO的CCS通信控制器，改为TSRS限速服务器直接与车载设备交互。车载系统新增了GPRS电台和ATO控制单元，后者通过列车MVB总线接口控制牵引和制动。地面设备RBC也需要支持GPRS分组域来传输ATO行车计划。 新增的ATO车载设备实现了列车的自动驾驶控制，并可以与车载无线设备和地面ATO设备进行接口交互。ATP设备在原有功能上增加了车门防护、停车窗防护以及ATO模式的控制与切换功能。 TSRS设备的功能也得到了扩展，包括管理站台门的控制信息、命令转发、运行计划处理和站间数据存储等。 CTC调度集中设备新增了发送运行计划、实时管理在线列车和智能化运作调整等功能。 TCC列控中心也增加了车门与站台门的联动控制和监督功能。 在相关应答器组中，新增了停车标、门侧和隧道信息的应答器报文。 借助GSM-R分组域实现了车地双向通信，并采用了安全通信协议，车载系统增加了独立的GPRS电台及配套设备。 No.3 下一步的发展方向 讨论到这里，我们会发现一个有趣的问题。CTCS-2+ATO使用GSM-R电路域下发ATO行车计划，而CTCS-3+ATO则使用GSM-R分组域。这意味着，由于信号基站的覆盖范围不可能完美契合，当列车在不同的ATO线路上跨线运行时，可能会出现信号冲突或盲区。 针对这种情况，可以有两种解决方案：一种是在不同信号等级之间设置CTCS-2的过渡带，使列车在运行时无需停车地从CTCS-3+ATO切换到CTCS-2，然后再切换到CTCS-2+ATO；另一种则是升级到LTE-R，以承载CTCS信号系统，这样便不存在CTCS-2+ATO与CTCS-3+ATO的冲突。  目前，下一代列控系统的研发正在进行中。CTCS-4的目标是实现移动闭塞，显著减少轨旁设备，计划取消轨道电路，同时结合卫星定位和惯性导航。 说起来CTCS-4，不得不提一句青藏铁路的ITCS信号系统，其架构与CTCS-4的构想相似。由于青藏高原恶劣的自然条件，无法长期派人维护轨道电路和应答器，因此该铁路只在车站安装轨道电路和应答器以矫正列车里程信息，正线区间则依赖GPS和惯性导航。为了降低卫星定位的误差，青藏高原还建有卫星差分站，列车尾部配备GPS接收机进行完整性检测。后来，有专家提出基于ITCS原理研发CTCS-LC列控系统，以适用于西部低密度铁路。  青藏铁路ITCS系统构成  ATO设备作为独立系统，与车载LKJ装置分开，像是一个计算机内的“火车司机”。尽管LKJ-2000使用IC卡存在安全隐患，但在考虑成本等因素的情况下，依然具有选择价值。新一代LKJ-15已进行优化，增加了读取CTCS地面应答器的能力，实现了线路固定数据的远程更换，同时预留了与CTC数据交换的GPRS天线，逐步向CTCS-1级列控靠近。 过去，大家普遍认为自动驾驶和无人驾驶只能应用于交路简单的城轨，但实际上，铁路的进展也令人惊喜，毕竟铁路和城轨一样，都是在两条铁轨上运行列车。 (部分内容来源：铁道知识局、铁路通信信号、中国铁路 等) |
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