基于車車通信的空軌全自動運行控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

雷成健

（湖南中車時代通信信號有限公司， 湖南 長沙 410001）

引言

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，為滿足人們快速、環(huán)保、安全的出行需求，軌道交通開始蓬勃發(fā)展。為解決城市交通擁堵問題，地鐵作為城市軌道交通的首選方式，在經(jīng)濟發(fā)達的一、二線城市遍地開花。在中小規(guī)模城市中，由于受經(jīng)濟體量、客流量限制，地鐵建設(shè)并非最優(yōu)選擇?？罩熊壍懒熊嚕ê喎Q空軌），由于其投入小、拆遷少、建設(shè)快，可作為中小規(guī)模城市發(fā)展軌道交通的首選方案[1]。目前國四川、山西、武漢都有空軌運輸系統(tǒng)在建設(shè)及運行，鑒于空軌運輸系統(tǒng)的巨大發(fā)展?jié)摿?，研究一種空軌全自動運行控制系統(tǒng)具有很大的現(xiàn)實意義。

1 空軌運輸系統(tǒng)原理

空軌運輸系統(tǒng)一般由供電、軌道、車輛和運行控制系統(tǒng)等組成?？罩熊壍罏榍惑w結(jié)構(gòu)，為行車的物理支撐，由位于路面的梁柱懸掛式固定在空中。車輛轉(zhuǎn)向架位于空中軌道內(nèi)部，車輛通過承重軸與轉(zhuǎn)向架相連，懸掛于軌道下方。列車牽引/制動控制部單元位于車廂內(nèi)部，牽引驅(qū)動、制動盤等設(shè)備位于轉(zhuǎn)向架上。牽引控制單元發(fā)送命令至牽引/制動驅(qū)動部件，牽引/制動驅(qū)動單元通過牽引電機/制動盤實現(xiàn)列車的走/停運動。列車運行控制系統(tǒng)分室內(nèi)設(shè)備、軌旁設(shè)備和車載設(shè)備。室內(nèi)設(shè)備一般實現(xiàn)列車的監(jiān)督、調(diào)度和應(yīng)急處理等功能，軌旁設(shè)備一般實現(xiàn)車地通信、列車定位和道岔信號機控制等功能，車載設(shè)備一般實現(xiàn)列車自動防護及自動駕駛功能?？哲夁\輸各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)空軌運輸?shù)陌踩咝н\營[2]。

2 基于車車通信的全自動運行控制系統(tǒng)

基于車車通信的空軌全自動運行控制系統(tǒng)由：全自動車載控制系統(tǒng)（FAVOC）、全自動列車監(jiān)督系統(tǒng)（FATS）、軌旁設(shè)備控制單元（WSCU）和DCS等組成，如圖1示。FATS包含中心與車站設(shè)備，提供了一個對全線列車和現(xiàn)場信號設(shè)備的監(jiān)控平臺。WSCU實現(xiàn)對包括道岔轉(zhuǎn)轍機、緊急停車按鈕和屏蔽門（安全門）等的狀態(tài)采集和控制。

圖1 車車通信運行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

車載控制器FAVOC通過與前車的實時通信獲得前車的位置以及駕駛模式等信息，通過車地通信接收軌旁道岔、屏蔽門和緊急停車按鈕等狀態(tài)信息，計算列車的自身移動授權(quán)/允許運行速度和制動干預(yù)曲線，輸出牽引和制動控制列車運行，實現(xiàn)移動閉塞運行控制，保證列車安全運行。列車自動駕駛及輔助駕駛系統(tǒng)，基于閉塞控制實現(xiàn)全自動駕駛[3]。

3 車車通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于車車通信的全自動運行控制系統(tǒng)功能包含：行車安全保證功能，乘客保護和輔助功能，輔助列車運行，輔助駕駛，全自動駕駛功能，行車路徑規(guī)劃功能，車載路徑鎖定功能，車載移動閉塞功能。行車安全保證功能，乘客保護和輔助功能，輔助列車運行，輔助駕駛，全自動駕駛功能為傳統(tǒng)CBTC功能的擴展與深化，文中不做重點討論。文中主要對行車路徑規(guī)劃功能，車載路徑鎖定功能，車載移動閉塞功能和軌旁控制單元功能等關(guān)鍵技術(shù)進行研究分析。

3.1 軌旁設(shè)備控制單元功能

車車通信系統(tǒng)的路徑規(guī)劃、路徑鎖定、移動授權(quán)由車載設(shè)備實現(xiàn)，軌旁只需設(shè)軌旁設(shè)備控制單元。軌旁設(shè)備控制單元通過DCS骨干網(wǎng)或無線通信與列車、FATS實時雙向通信，向列車和FATS提供采集到的軌旁設(shè)備狀態(tài)。軌旁控制單元接收并響應(yīng)列車、FATS的命令，對管轄對象（道岔區(qū)段）進行權(quán)限分配，并根據(jù)命令和權(quán)限的分配情況對道岔、屏蔽門等設(shè)備進行操控。軌旁控制單元功能包含：列車注冊管理、軌旁資源分配、軌旁設(shè)備控制、軌旁設(shè)備封鎖與解封和軌旁設(shè)備工作狀態(tài)采集等[4]。

3.2 車載控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 行車路徑規(guī)劃功能

基于車車通信的運行控制系統(tǒng)，由于地面不設(shè)聯(lián)鎖與區(qū)域控制器，因而車載設(shè)備需直接接收來自地面FATS的信息，以規(guī)劃列車運行路徑。為滿足列車路徑規(guī)劃要求，來自FATS的信息包含：列車本次運行的終點，當前停車區(qū)域的停站時間，途經(jīng)的停車點，站站之間的運行等級，需要執(zhí)行跳停的停車點，需要扣車的停車點等。車載設(shè)備根據(jù)列車位置來實時判斷可否按照運行計劃運行，若列車當前位置不能實現(xiàn)運行計劃，判定運行計劃無效，放棄該計劃。若列車當前位置滿足運行計劃，則根據(jù)規(guī)劃列車路徑。車車通信車載設(shè)備需根據(jù)運行計劃、線路拓撲，一次性規(guī)劃完列車整個運行過程中的路徑。車載系統(tǒng)采用動態(tài)計算的方式，優(yōu)先保證在線路正方向運行，少經(jīng)過道岔的方式規(guī)劃行車路徑[5]。

列車收到新的運行計劃以后，重新規(guī)劃路徑。列車運行的每個周期都需根據(jù)運行計劃來規(guī)劃運行路徑。

3.2.2 車載路徑鎖定功能

當車載設(shè)備規(guī)劃好路徑之后，需鎖定行車路徑，實現(xiàn)列車運行路徑的安全防護。列車路徑鎖定分三個步驟，第一步是路徑資源查詢，第二步是資源占用請求，第三是步鎖定路徑。資源查詢的目的是確定安全路徑延伸需要的資源。列車在規(guī)劃路徑范圍內(nèi)，以安全車尾為起點，安全路徑延伸的最大距離為終點，計算此范圍內(nèi)包含的資源及狀態(tài)。完成路徑資源查詢后根據(jù)實際線路條件為列車完成“鋪路”的過程，“鋪路”結(jié)果根據(jù)實際情況可能鋪設(shè)到安全路徑終點或中間點。所謂“鋪路”是對道岔資源、侵限區(qū)段、保護區(qū)段的占用請求。占用請求完成意味著該路徑上線路資源（道岔、線路、保護區(qū)段）都已經(jīng)被成功申請。資源占用請求過程中，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)與當前期望狀態(tài)是否一致，還需要對資源進行控制。當資源占用請求成功后，路徑被鎖定。列車行車過程中，根據(jù)規(guī)劃路徑中安全資源的狀態(tài)實時動態(tài)延時并鎖定路徑。

3.2.3 車載移動閉塞

移動授權(quán)是車載設(shè)備進行列車安全防護及控制列車移動的依據(jù)。車車通信控制系統(tǒng)，在規(guī)劃及鎖定列車路徑后，需要進行列車移動授權(quán)計算。車載系統(tǒng)根據(jù)軌旁設(shè)備信息、線路上其他列車信息進行列車篩選、前車識別、計算安全位置，生成移動授權(quán)。

4 結(jié)語

車車通信系統(tǒng)架構(gòu)精簡，且車車通信的機制對于空軌系統(tǒng)實現(xiàn)全自動駕駛有一定優(yōu)勢，但車車通信目前處于探索實驗階段，系統(tǒng)的應(yīng)用推廣仍需要一定時間。