城市軌道交通車輛運行控制技術研究進展

摘要：為了更好地滿足乘客對出行安全性和便捷性的需求，實現(xiàn)城市軌道交通車輛安全、快速、有序地行駛，對高效精準的城市軌道交通車輛運行控制技術的研究顯得尤為重要。本文以時間軸為主線，對城軌車輛運行控制技術的研究進展進行了綜述，詳細介紹了不同行車組織方法及運行控制技術的特點，闡述了當前城市軌道交通列控系統(tǒng)的基本原理，并對其研究內容和方向進行了展望。

關鍵詞：城市軌道交通;運行控制;行車組織;城軌車輛;列控系統(tǒng)

中圖分類號：U231.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0208-02

0 ?引言

隨著我國經濟的高速發(fā)展、城市化進程的持續(xù)推進，大量的農村居民轉移到城市發(fā)展，從而導致城市人口數(shù)量急劇增加，城市建設規(guī)模逐漸擴大，許多城市的地面交通已經無法滿足如此龐大的客運需求。城市軌道交通產業(yè)由于其快速便捷的特點迅速發(fā)展，越來越多的城市將軌道交通納入到城市規(guī)劃中。城市軌道交通作為一種現(xiàn)代化交通工具，具有載客量高、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)勢，是低碳環(huán)保的綠色交通方式，在緩解城市軌道交通矛盾中起到了重要作用，是解決城市交通問題的主要手段，現(xiàn)在已經成為了各大城市居民優(yōu)先考慮的交通出行方式。隨著城市生活節(jié)奏的加快，廣大居民對軌道交通出行效率、舒適度、準點率的要求越來越高。目前減小列車行車間距、提高行車效率、改善列車通過能力、低能耗、高度智能是城市軌道交通車輛運行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。安全、高效、可靠的城市軌道交通車輛運行控制系統(tǒng)對實現(xiàn)列車高速度、高密度、有秩序地運行有著非常重要的意義。

1 ?行車組織方法

為了確保列車在區(qū)間內的行車安全，列車在區(qū)間運行時，必須確認同一區(qū)間內沒有對向運行的列車，同向運行的多列列車之間進行系統(tǒng)控制使其保持一定的間隔距離，防止發(fā)生正面沖突或追尾事故。為了使多列電客車之間保持一定的間隔距離安全行駛，在列車運行時，有兩種區(qū)間行車組織方法，一種是時間隔離法，一種是空間隔離法。

時間隔離法是指車站每隔一段時間向區(qū)間發(fā)一列車，使前行列車和追蹤列車之間保持一定的時間間隔的行車方法。列車按照規(guī)定的時間表通過車站，區(qū)間內部沒有信號設備。1842年美國的Willian Fothergiel Cooke指出這種隔離方法存在安全隱患，若列車沒有按時間表運行或區(qū)間列車發(fā)生故障停車，都有可能出現(xiàn)列車追尾或其他事故[6]。

空間隔離法是指由車站每隔一段空間間隔向區(qū)間發(fā)一列車，使前行列車和追蹤列車之間保持一定的空間間隔的行車方法。這種方法能夠保證列車之間有一定的行車距離，從而有效地確保了行車的安全。1851年鐵路行車開始使用電報憑證，這是第一次實現(xiàn)空間隔離行車方法，采用路簽或路牌作為列車占用區(qū)間的憑證，通過接車站值班員檢查區(qū)間是否空閑，是早期使用的一種人工閉塞方法。1855年Messrs.George Dugmore和George Millward兩人第一次提出了軌道電路的概念，為空間隔離法的發(fā)展奠定了基礎。

2 ?基本行車閉塞技術

1911年Sedwick N .Wight第一次提出了閉塞的概念。閉塞是為了保證軌道車輛的運行安全，通過閉塞分區(qū)，車站，線路所的設備，使相鄰列車之間保持一定的時空間隔，防止發(fā)生沖突或追尾事故發(fā)生的行車方法?；拘熊囬]塞法主要有以下幾種制式：

①人工閉塞：通過人工設置閉塞機，列車司機從發(fā)車站取出路簽，到達接車站后交出路簽，才能解除閉塞。這種閉塞制式效率太低，現(xiàn)已基本淘汰;

②半自動閉塞：通過人工進行聯(lián)絡手續(xù)辦理，在車站進站處和出站處分別安裝一段不少于25m的專用軌道電路，將專用軌道電路和信號機聯(lián)系起來，通過信號機顏色的變化來判斷區(qū)間是否空閑，從而實現(xiàn)半自動閉塞;

③自動閉塞：將站間劃分為若干個裝設軌道電路的閉塞分區(qū)，在每個閉塞分區(qū)入口處設置信號機，借助軌道電路將列車和信號機聯(lián)系起來，信號機的顯示隨列車位置的變化而變換。

基本行車閉塞法采用的是固定閉塞制式。這種制式的控制采用模擬信號進行軌道信息的處理，根據列車的特點、線路情況、速度等級等來確定閉塞區(qū)間的長度，最小的行車間隔距離就是列車的閉塞分區(qū)。

基本行車閉塞方法從安全方面講至少包涵三個方面：可靠的列車定位監(jiān)測系統(tǒng);可靠的信息傳輸系統(tǒng);可靠的列車間隔控制系統(tǒng)。這三個方面任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導致行車事故的發(fā)生。

目前各國廣泛采用固定自動閉塞系統(tǒng)，通過軌道電路、信號機等組成信息傳輸系統(tǒng)，將列車位置傳輸給列車自動控制系統(tǒng)及司機，控制列車運行速度，保證各列車保持一定的間隔距離，防止列車進入前方占用閉塞區(qū)間。

自動閉塞系統(tǒng)在過去的八十年間，無論是保證行車安全，還是提高運輸能力都起到了非常重要的作用。隨著城市軌道交通系統(tǒng)信息化技術的發(fā)展，自動閉塞系統(tǒng)以下幾個缺點逐漸凸顯：

①隨著列車速度的提高或采用新型車輛，閉塞分區(qū)的長度與實際運行狀況不符。當列車實際運行與計劃稍有偏差，容易造成大面積延誤;

②無法掌握列車精確的位置和速度信息，追蹤駕駛困難，調度人員無法獲得最佳的調度方案;

③閉塞區(qū)間的劃分取決于制動性能最差的列車，系統(tǒng)只適應于制動性能較為一致的車輛，對于性能較好的列車則會降低其區(qū)間通過能力。

3 ?移動閉塞技術

移動閉塞不需要將區(qū)間分割為若干個固定的閉塞區(qū)間，而是根據連續(xù)檢測先行列車的位置和速度，使列車之間自動調整間距，并保持一定距離安全運行的行車制式。移動閉塞是相對固定閉塞而言的，固定閉塞有相應的防護信號和閉塞區(qū)間，而移動閉塞沒有固定的的閉塞區(qū)間，閉塞區(qū)間的長度隨外部條件的變化而變化，列車制動的起點和終點都是動態(tài)的。后行列車開始制動的計算點是由目標速度、目標距離及自身列車性能所決定的;目標點是前行列車的尾部，與前行列車的位置、性能、速度及狀態(tài)信息有關;閉塞區(qū)間的起點和終點都是隨時變化的，所以叫移動閉塞（Moving Block）。移動閉塞的閉塞分區(qū)是邏輯間隔，與實際軌道線路沒有對應關系。

移動閉塞使兩列車之間的間隔距離最小，最大限度地縮短了列車之間的運行間隔，從而提高了區(qū)間內列車的行車密度，極大地提高了線路區(qū)段的通過能力。八十年代后期，軌道交通移動閉塞系統(tǒng)基于通信技術和計算機技術得以實現(xiàn)。移動閉塞必須要求列車和地面設備能夠完成雙向通信，所以一般采用軌道感應環(huán)線、裂縫波導、無線通信等技術實現(xiàn)。目前已經有多個國家研制出了不同形式的移動閉塞系統(tǒng)，并廣泛使用。

移動閉塞系統(tǒng)相對于固定閉塞系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢：

①移動閉塞系統(tǒng)沒有固定的閉塞區(qū)間，隨著前行列車的移動，行車閉塞區(qū)間會隨機形成，這樣極大地縮短了行車間隔，提高了線路通過能力;

②移動閉塞系統(tǒng)是一個閉環(huán)的列車控制系統(tǒng)，能夠根據列車的速度和行車間隔進行列車反饋控制，從而使列車運行更加安全;

③根據前行列車的狀態(tài)信息，后續(xù)列車依據自身速度、狀態(tài)及位置信息計算出本列車的速度，可以最優(yōu)化地縮短列車運行時間、節(jié)省資源、提高乘坐列車的舒適性，為列車自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定的便利條件;移動閉塞系統(tǒng)能夠實現(xiàn)調度指揮、行車組織管理的自動化，又能實時地采集所有閉塞區(qū)間的行車信息，實現(xiàn)城市軌道交通列車運輸管理的自動化。同時，移動閉塞系統(tǒng)還省去了信號電纜、區(qū)間信號點等設備，將全部信息傳輸設備安裝在機車和車站，便于后續(xù)的設備管理和維護;

④移動閉塞系統(tǒng)的閉塞分區(qū)隨外部環(huán)境的改變進行相應的改變，可以適應不同速度，不同類型的地鐵車輛，其適應性更強。

近幾十年，移動閉塞技術廣泛應用到地鐵系統(tǒng)中，各種基于移動閉塞的列車自動控制系統(tǒng)被各大公司相繼開發(fā)并投入不同的地鐵公司廣泛使用，列車的線路通過能力提高顯著。

4 ?基于通信的列車自動控制技術

隨著科學技術的進步，計算機技術的發(fā)展，無線通信技術的可靠性有了飛躍的提升，無線通信控制和城市軌道交通的結合成為必然，在移動閉塞技術的原理上逐步實現(xiàn)了基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（Communication-Based Train Control， CBTC）。CBTC系統(tǒng)現(xiàn)在已經成為新時期城市軌道交通車輛運行控制的首選。CBTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)之間存在本質性的區(qū)別，傳統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)大多依靠軌道電路實現(xiàn)列車定位，CBTC系統(tǒng)已徹底不再依賴軌道電路，而是通過車-地通信設備實現(xiàn)列車自身的定位，從而有效控制行車間隔和列車的行駛速度。國內外許多學者為了提高基于CBTC的城市軌道交通線路的通過能力，對折返區(qū)間的追蹤間隔展開了大量研究，考慮信號系統(tǒng)特點，復雜線路條件以及運行變化等因素的影響，對通過能力進行準確估計，從而實現(xiàn)效率更高的城軌列控系統(tǒng)。

基于通信的列車自動控制技術是未來城軌車輛技術發(fā)展的方向，代表了國際最先進的水平。CBTC系統(tǒng)進一步縮短了行車間隔，提高了載客量，最大限度地減少了不必要的制動，可靠性高，同時節(jié)省了基建投資。

CBTC系統(tǒng)使用高精度列車定位和高容量雙向通信技術，具有高靈活性、高自動化和可擴展的優(yōu)點。CBTC系統(tǒng)利用多列列車的協(xié)調控制方法，通過車載傳感器實現(xiàn)列車-列車、列車-地面的雙向信息傳輸，從而保證列車在線路上全局部署，安全運行?，F(xiàn)代的CBTC系統(tǒng)已經能夠實現(xiàn)列車自動檢測（ATS）、列車自動防護（ATP）、列車自動駕駛（ATO）的所有功能，在列車行駛過程中能夠實現(xiàn)精確定位停車，車站自動折返并節(jié)能運行。CBTC系統(tǒng)物理結構主要由軌旁設備和車載單元組成，軌旁設備和車載單元之間通過數(shù)據通訊系統(tǒng)（DCS）相互聯(lián)系。數(shù)據通訊系統(tǒng)（DCS）將CBTC系統(tǒng)各單元、子系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，實現(xiàn)了CBTC系統(tǒng)的高效運行。高效的列車自動控制系統(tǒng)對降低列車之間的行車間隔、優(yōu)化成本、提高軌道交通的運能及其安全性具有十分重大的意義。

5 ?結語

城市軌道交通車輛的運行調整是一個非常復雜的問題，隨著CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的普及，城市軌道交通車輛運行控制技術基本圍繞智能處理方法的主線開展。智能化列車自動調整算法是未來城市軌道交通車輛運行控制技術研究的方向，對于提高列車的運行效率具有非常重要的意義。采用人工智能和傳統(tǒng)算法向結合，將實現(xiàn)更加先進的城市軌道交通車輛運行控制系統(tǒng)，相鄰列車之間的行車間隔將進一步縮短，這對軌道交通車輛運行調整方案將會提出更高的要求，因此對軌道交通車輛運行調整的研究也同樣非常重要。考慮各種不確定因素，將城市軌道交通各子系統(tǒng)進行智能聯(lián)動，利用計算機鋪畫列車運行圖，提高列車運行效率和乘客的舒適度，將列車運行作為一個完整的大系統(tǒng)，進行全局部署、智能控制將是未來我們努力的方向。

參考文獻：

[1]李想，徐霄.CBTC系統(tǒng)移動閉塞制式研究[J].城市軌道交通研究，2015（2）：24-27.

[2]閆麗霞，高云波，李云驄.城市軌道交通移動閉塞列控系統(tǒng)列車追蹤間隔研究[J].城市軌道交通研究，2020（3）：34-37.

[3]李偉，唐濤，王呈，等.無線通信延遲對城市軌道交通CBTC列車追蹤間隔影響研究[J].鐵道學報，2017（7）：73-78.

作者簡介：王二虎（1993-），男，天津人，助教，碩士研究生，主要研究方向為城市軌道交通車輛技術教學與研究。