摘要：高速铁路作为我国自主研发的一种交通运输形式，在近几年中得到了迅速的发展，不仅促进了社会运转效率的提升，还进一步优化了人民的实际生活水平。为了进一步提升高速铁路的智能化水平，相关人员研发并推出了高速铁路自动驾驶系统高速铁路ATO 系统。在该系统的支持下，不仅能够实现高铁列车的自动驾驶，还能够与站台门展开联动。而对于该系统而言，需要车载端的协同完成，因此，探究高速铁路ATO 系统车载无线通信有着较高的显示价值。
关键词：高速铁路；ATO；车地无线通信
目前我国高铁运营里程已接近3万km，极大提高了社会运转效率，改善了人民生活水平。为了进一步提高我国高速铁路的智能化水平，降低司机工作强度和运营能耗，推出高速铁路自动驾驶（ATO）系统，该系统是在CTCS-2/CTCS-3级列控系统基础上增加ATO功能，实现列车自动驾驶、站台门联控等功能。该系统需要车地协同完成：车载端，在列车自动防护系统（ATP）基础上增设ATO单元，实现自动驾驶的核心逻辑；地面端，ATO相关功能主要由临时限速服务器（TSRS）完成。为实现自动驾驶功能，车载ATO单元从地面获取站间数据和运行计划等信息，地面设备从车载获取列车数据、列车状态、位置报告、站台门联动控制命令等信息，作为核心逻辑的数据源，必须保证信息的实时性和可靠性。需要研究可用于ATO的车地无线通信技术，该技术应提供实时和可靠的车地无线传输，保证ATO各子系统数据源的有效性，保障整个ATO系统正常运转。
一、高速铁路ATO 系统
高速铁路ATO 系统在CTCS-2/CTCS-3 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，地面设备通过通用分组无线服务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。ATO 系统车载设备由原ATP 相关功能模块和新增ATO 相关功能模块2 部分组成。原ATP 相关功能模块包括ATP、GSM-R 无线通信单元、轨道电路信息接收单元、应答器信息接收单元、测速测距单元、司法记录单元、列车接口单元和人机界面。新增ATO 相关功能模块包括ATO、GPRS 无线通信单元和列车接口单元。GPRS 无线通信单元通过GPRS 天线与临时限速服务器TSRS建立无线连接，互相发送数据。ATO 通过列车接口单元与车辆建立连接，向车辆发送开/ 关门、加/ 减速等控制命令，从车辆接收车门状态、牵引制动状态等反馈信息。ATO与ATP 建立连接，互相传递信息，分工协作，ATO 负责自动驾驶，ATP 负责安全防护。ATO 将工作状态发送给ATP，ATP 再将ATO 相关工作状态转发给DMI，通过DMI 向司机显示ATO 的实时工作状态。司机也可以通过DMI 输入无线呼叫命令，ATP 将无线呼叫命令转发给ATO，ATO 执行命令与TSRS 建立通信连接。在CTCS-2 级和CTCS-3 级列控车载设备中，司机通过观察和操作DMI 完成监控和调整列车运行状态[1]，DMI 是司机与列控车载设备之间的桥梁，也是掌握列车运行状态的关键设备，熟练使用DMI 是司机保证列车行车安全、提高运行效率的必要技能和手段。高速铁路车载设备增加ATO 功能后，DMI 界面显示信息更加丰富，也增加了新的司机操作。
二、高速铁路ATO车地无线通信技术
1、无线会话管理。其主要实现了对关键信息的交换，包含着通道管理与会话流程两个环节。其中，对于通道管理来说，在GPRS 分组域电台的支持下，能够完成多个会话通道的建立；对于会话流程来说，主要实现了TSRS 与ATO 车载设备的信息交互。
2、无线通信协议。其主要为无线会话管理的实现提供高安全性、高可靠性的支持。同时，由于ATO 使用了GPRS 分组交换网络，所以其也能够应用于分组域的协议栈。
3、车载产品的适配性。为了确保车载产品能够在系统中发挥出作用，必须要实现ATP 设备与GPRS 电台的接口适配设计。
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三、高速铁路ATO系统车载无线通信单元的软件设计
1、无线通信单元的总体设计。结合高速铁路ATO 车地无线通信技术的分析，完成高速铁路ATO 系统车载无线通信单元的软件设计。设计的ATO 无线传输单元系统中，主要包含着安全板、通信板、记录板、电源板、ATP、GPRS 电台等。其中，安全板、通信板、记录板、电源板与背板连接，共同构成了ATO 无线传输单元；安全板与ATP 连接；通信板与GPRS 电台连接。在这一系统中，车载无线传输功能的实现主要由通信板以及安全板发挥作用。
2、无线通信单元设计
（1）通信板软件。对于通信板来说，其主要通过与背板的连接完成与安全板的通信与数据传输。同时，在背板、前面板串口的支持下，实现了与GPRS电台的通信与数据传输。对于通信板来说，其主要为系统提供了PPP、TCP、IP、ALE 各层协议的实现、控制电台、配置参数、管理密钥等功能。在通信板软件中，主要包含着本地文件管理模块、数据收集与分发模块、协调功能模块、RCS 通信协议模块、电台管理模块、PPP 层、TCP 层、IP 层、ALE 层。在通信板软件中，与工程有关的可配置项有密钥文件以及配置参数文件，这些文件均在通信板中包含的本地文件管理模块中得以保存。其中，通信板中保存的密钥文件包括密钥Ktrans、基于ATO 的NID_ENGING、以及经过加密处理的KMAC。通信板中保存的配置参数文件主要包括数据传输波特率、默认波特率、电台串口号、TCP 连接端口号、会话密钥有效期、AT 指令序列、安全特征值、密钥文件测试周期等等，同时，这些参数均能够依照工程的实际需求完成配置。
（2）安全板软件。对于该ATO 无线传输单元系统中的安全板来说，其主要利用了RS422 接口完成与ATP 的连接，实现了通信与信息传输。对于安全板来说，其主要为系统提供了无线会话管理、ATP 通信协议、安全层协议、安全算法、无线消息处理等功能。在安全板软件中，主要包含着ATP 通信协议、会话管理模块、安全层、消息接受与报文解析模块、消息发送模块、安全功能模块接口、数据收集与分发、RCS 通信协议、安全算法接口模块、安全算法库模块。
（3）关键技术指标。为了进一步控制该ATO 无线传输单元系统的质量，笔者在试验段展开了仿真运行试验。得出的具体指标数值如下：对于发起连接到物理层建链延时指标来说，ATP 无线通信系统为10、ATO 无线通信系统为11；对于发起连接到链路层建链延时指标来说，ATP 无线通信系统为11、ATO 无线通信系统为12；对于发起连接到传输层建链延时指标来说，ATP 无线通信系统为12、ATO 无线通信系统为13；对于发起连接到安全层建链延时指标来说，ATP 无线通信系统为14、ATO 无线通信系统为16；对于发起断开到物理层与链路层拆链延时指标来说，ATP 无线通信系统为1、ATO 无线通信系统为1；对于发起断开到传输层拆链延时指标来说，ATP 无线通信系统为2、ATO 无线通信系统为2；对于发起断开到安全层拆链延时指标来说，ATP 无线通信系统为4、ATO 无线通信系统为4。得出结果显示，ATO 无线传输单元系统的关键指标与CTCS-3 级车控系统的车地无线传输关键指标十分接近，且该系统的关键延时指标优于ATP 无线通信系统。
总之，高速铁路ATO 系统车载无线通信有着较高的显示价值，设计了一种包含安全板、通信板的ATO 无线传输单元系统，并展开了基于试验段的仿真运行试验，结果显示，该系统的关键延时指标优于ATP无线通信系统，证实了该系统有着较高的应用价值。
参考文献：
[1]徐效宁，宋志丹，易海旺.ETCS 系统应用ATO 技术发展综述[J].铁道标准设计，2017，62（8）.
[2]崔超，张伟.既有高速铁路装备ATO 系统研究[J].铁道通信信号，2016，54（12）：1-6.
[3]朱少彤.CTCS3+ATO 高速列车自动驾驶系统关键设备研究[J].中国铁路，2017（10）：1-6.
[4]张友兵，崔俊锋.人机界面运营过程复现系统的应用研究[J].铁路计算机应用，2016，24（9）：47-53.
论文作者:马宝玉
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/21
标签：系统论文; 单元论文; 高速铁路论文; 通信论文; 通信系统论文; 无线通信论文; 列车论文; 《基层建设》2019年第18期论文;