ATO over ETCS 技术在德国的首次应用 —— 汉堡数字化轻轨

关键情况

欧盟Shift2Rail联合体即将出台的ATO over ETCS欧洲标准是列车高度自动化和全自动化运行相关领域需遵循的技术标准。DB和Siemens Mobility并未对列车自动化运行系统架构进行新的开发和概念重构，而是采用即将推出的ATO over ETCS欧洲标准作为技术系统架构（包括所有相关的功能描述和接口规范），其原因在于，该标准不仅能够实现跨欧洲铁路运输系统的互操作性，而且还支持基于标准化接口的组件生产，从而增强产业竞争优势。

2.1 ATO over ETCS技术

ATO over ETCS技术的基本理念是在传统ETCS设备的基础上补充用于列车自动控制的组件（即ATO系统设备）。其将列车控制系统功能划分为“ATO系统控制”和“ETCS监控”2部分。这一方面使监控建立在技术成熟、值得信赖并在欧洲具有统一标准的ETCS基础上，可保障列车安全运行；另一方面得益于ETCS的监控，ATO系统可以作为非安全相关组件发挥其作用，这在系统实施和调试方面具有巨大的优势。在这种技术条件下，列车控制任务主要由ATO系统车载设备完成，其根据当前列车运行时刻表数据和前方闭塞区段信号计算出列车的最佳速度曲线，然后使用适当的牵引和制动命令引导列车沿着计算出的速度曲线行驶。ATO系统轨旁设备负责存储列车运行时刻表及基础设施等的相关数据，并将其分发给区域内的所有ATO车辆。ATO车载设备通过无线电接口接收上述信息。

ETCS负责根据动态计算出的且不断更新的制动曲线对列车运行进行不间断监控。ETCS的这个功能是ATO over ETCS技术的基本安全保障：只要ATO系统的速度控制与ETCS计算出的制动曲线不相违背，则可保证列车的安全运行。

除接管速度控制外，ATO系统还可为提高线路运输效率及服务水平提供进一步的支持：将列车当前位置和速度（精确到米和秒）传输给运营控制中心（OCC），使其更准确地了解线路交通状况，并据此进行更科学的管理和调度；对列车运行时刻表的动态变化做出反应，例如，在晚点时，跳过某个站点，在时间盈余时，降低车速，从而使车辆性能和线路资源得到充分、合理的利用，并使铁路运营总体上更加稳定、可靠。

尽管采用ATO over ETCS技术的列车具有高度自动化运行功能，但仍需要驾驶员的参与，包括监控列车运行情况，并在出现列车或轨道侧故障、事故时进行干预，接管列车运行控制。驾驶员对列车的这种控制可以通过多种方式轻松完成，例如，通过将牵引制动杆移动到制动位置的方式即可停用ATO系统，开启手动驾驶模式。

在本项目中，ATO over ETCS技术的应用是通过由Siemens Mobility开发并经过验证的ATO 平台（目前已应用于全球100多条城市轨道交通线路）及Trainguard ETCS设备实现的（图2）。

2.2 AVVO系统

为实现列车全自动化无人折返，必须利用系统化的技术使诸多的驾驶员操作实现自动化。因此，需要将一个与安全相关的新组件集成到车辆中，该组件可以独立执行某些关键性的控制操作，如解锁驾驶台、释放弹簧储能制动器、循环操作自动停车装置等。该组件的安装允许ETCS和ATO两大系统根据标准化流程自动控制列车运行。该组件被称为车辆运营关键（AVVO）系统，是基于Siemens Mobility的Trainguard平台开发而成。

AVVO系统的引入可实现列车监控（由ETCS实现）、列车运行自动化（由ATO系统实现）和车辆操控自动化（由AVVO系统实现）三大功能的分离。引入AVVO系统后，ETCS和ATO系统的原有功能不受影响，并且无需重新开发列车自动折返这一基本功能，而是将其集成到ETCS和ATO系统现有的高度自动化运行功能中。与ETCS和ATO系统类似，AVVO系统也由车载和轨旁设备组成。AVVO系统轨旁设备（即操作台）在由远程驾驶员（即AVVO系统操作台的操作员）启动后，会请求相应的车辆自行激活其 AVVO 系统车载设备并在所有先决条件均满足的情况下执行折返操作；其用户图形界面会显示无人驾驶列车当前的运行状态（如位置、速度）。AVVO系统车载设备负责对ETCS和ATO系统车载设备执行必要的控制操作。AVVO系统的车载和轨旁设备通过第五代移动通信技术（5G）进行通信，5G技术的应用也是该项目的一大创新点。

在上述过程中，远程驾驶员负责对列车全自动化折返过程进行远程监控，并在必要时实施干预，其可以启动或结束全自动化折返进程，以及触发紧急制动等。AVVO系统操作台位于Bergedorf OCC的调度控制室中。

实施进展

汉堡数字化轻轨项目实现了ATO over ETCS技术在德国铁路领域的首次应用，也是德国“数字化铁路”战略实现道路上的一个里程碑。

DB和Siemens Mobility密切合作，在相当短的时间内完成了相关规范的制定，截至2019年12月，所需的所有规范均已出台。

2020年6月，所需全部轨旁设备在Bergedorf OCC投入使用。2020年8 月，Siemens Desiro ETCS测试车在试验线路上成功完成ETCS验收运行（图3），试验线路于2021年2月正式投入使用。2021年3月底，现场验证测试顺利完成。截至 2021年9月，所有4辆汉堡轻轨列车都已装配ETCS、ATO和AVVO系统车载设备并投入运营（图4）；相关系统的联调联试及列车的试运行也已完成（图5）。在2021年10月的ITS大会上，ATO over ETCS技术完成了在试验线路上的首秀。

结 语

汉堡数字化轻轨项目的实施使ATO over ETCS技术首次应用于德国铁路领域。该技术可通过缩短列车的运行间隔，提高铁路线网的运输效率；可利用无线电通信向列车连续传输有关当前交通状况的信息，并根据这些信息对列车运行状态进行调节，从而使列车运行时刻表更加稳定、列车更准时；可通过更少的制动操作获得最佳速度曲线，从而降低铁路运输的能源消耗，显著提高乘客的旅行舒适度。目前，DB和Siemens Mobility正计划将这项技术的应用扩展到汉堡试点轻轨线路之外。

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