城市軌道虛擬編組列車控制技術(shù)實現(xiàn)方法

武強

（中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司，北京，100036）

1 虛擬編組理念

虛擬編組技術(shù)成為重要的突破口，其不再采取傳統(tǒng)的機械連掛方式，取而代之的是無線通信方式，針對列車做虛擬編組操作，有效縮短行車間隔，此時列車通行效率隨之提高[1]。當(dāng)然，虛擬編組技術(shù)有其突出的專業(yè)性特征，對技術(shù)的應(yīng)用水平提出較高的要求，以非頭車為例，以何種方式加強防護極為關(guān)鍵，值得在此方面“深度耕耘”。

無線通信代替機械連掛的理念在2000年前后于歐洲提出，隨著技術(shù)的發(fā)展，理論更加扎實、技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗逐步豐富，技術(shù)環(huán)境更為良好，給虛擬編組的實現(xiàn)創(chuàng)設(shè)了更多的可能。2015年5月，Roll2Rail項目得以啟動，其包含8個工作組，集行業(yè)技術(shù)人才于一體，覆蓋至機車車輛的各領(lǐng)域，其中下一代列車通信系統(tǒng)的研發(fā)成為重點工作方向，以期探尋適用于列車控制的無線通信技術(shù)。

2 既有系統(tǒng)存在的主要問題

2.1 車載工作模式層面的問題

在常規(guī)機械編組方式下，ETCS（Europe Train Control System，歐洲列車控制系統(tǒng)）主要定義休眠模式（SL）和非本務(wù)模式（NL）。從適用范圍的角度看，前者用于與頭車有電氣連接的列車，后者恰好與之相反，即應(yīng)用于與頭車無電氣連接的列車。此外，與SL模式相比，NL模式的功能更加豐富。例如新增過分相等功能。而在虛擬編組中，無論選用何種模式，后車的車載設(shè)備均存在相應(yīng)的問題，具體有2個：

（1）列車運行中執(zhí)行操作，但對于既有的SL或NL模式，對于列車的要求是處于停車的狀態(tài)，因此需要根據(jù)模式轉(zhuǎn)換條件的實際特點做合理優(yōu)化。

（2）解編后，后車需保持正常運行狀態(tài)，但對于既有的SL或NL模式，退出相應(yīng)模式后的運行狀態(tài)卻不盡相同，即只能保持待機、斷電的狀態(tài)，或是啟用隔離模式。此時，一方面需要修改模式轉(zhuǎn)換條件，另一方面則要考慮既有模式對各類信息的處理原則，有必要對其做合理的修改，以確保車載設(shè)備進入完全監(jiān)控模式。

2.2 列車間隔控制層面的問題

以何種方式控制列車間隔是重點內(nèi)容，但在此方面尚未形成定論，從實際發(fā)展?fàn)顩r看，設(shè)備自動執(zhí)行的方法更受到技術(shù)人員的青睞，此時無需采取手動操作的模式。在此處，則著重考慮列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）設(shè)備，以期在其支持下完成相應(yīng)的列車間隔控制動作。

ATO的安全完整性為SIL2級，若實施的是單獨控制的模式，雖然操作可行，但實際應(yīng)用效果較差，難以滿足鐵路信號系統(tǒng)對安全層面所提出的要求。對此局限性，需要優(yōu)化安全防護方式，由SIIA級系統(tǒng)參與。若后車車載設(shè)備采用完全監(jiān)控模式，則需要密切關(guān)注減小行車間隔的計算方式。對限速曲線計算而言，在此方面缺乏可行性，在此矛盾下，需探尋其他可行的方法，全面保證對ATO控車的防護效果。

2.3 列車位置和完整性信息層面的問題

列車位置報告及其完整性信息是重點資料，能夠給列車控制系統(tǒng)的占用檢查提供重要的參考，從車載設(shè)備的角度看，首先要生成列車位置報告和列車完整性信息，再進一步向RBC（Radio Block Center，無線閉塞中心）實時傳輸。

若虛擬編組的列車視為整體，此時較為常規(guī)的方法是由頭車報告位置信息，隨著列車的運行，后車的位置信息應(yīng)基于“車-車通信”的方式傳輸至前車，此方法從操作層面來看可行，但應(yīng)用效果有限，即明顯增加系統(tǒng)的復(fù)雜度。為了滿足列車位置和完整性信息的準(zhǔn)確性和傳輸便捷性要求，需要優(yōu)化列車車載設(shè)備的運行方式，由各自負(fù)責(zé)報告具體的信息。

2.4 自動過分相層面的問題

線路前方有分相區(qū)時，確定其起點和長度，由RBC將具體的信息發(fā)送給車載設(shè)備。車頭越過分相區(qū)終點并且達(dá)到特定的距離后，即可撤銷過分相信號。在此機制下，有效提高過分相的自動化水平。

在過分相信息的處理中，若將虛擬編組列車視為整體，對于后車而言，其輸出過分相的時機提前，且在列車數(shù)量偏多的條件下，易明顯延長斷電時間，其產(chǎn)生的不良影響則是迫使列車停在分相區(qū)。從另一角度看，頭車以列車的位置為準(zhǔn)，確定各自相對應(yīng)的合適的分相時機，在此基礎(chǔ)之上，實施“車-車通信”的模式，此時則存在車載設(shè)備處理復(fù)雜度異常提高的問題。由此來看，車載設(shè)備的功能應(yīng)得到升級，需要各自負(fù)責(zé)過分相功能。

3 面向虛擬編組的列車控制技術(shù)

在ATO控車方式下，防護目標(biāo)的實現(xiàn)需要采用到SIL4級系統(tǒng)，此處提出以下2種方案。

3.1 基于非列車控制系統(tǒng)防護的方案

3.1.1 基本原理

信號以外的系統(tǒng)提供防護功能，但此類方案仍處于理論研究階段。在該方案下，前車車載設(shè)備與ETCS-3級列車控制系統(tǒng)在編組后的運行原理方面具有一致性，不同的是后車車載設(shè)備，其特殊之處在于采用的是NL模式，能夠?qū)⒘熊囘\行時的速度信息呈現(xiàn)給司機，自動過分相，但也有局限之處，例如缺乏超速防護功能。

3.1.2 ETCS規(guī)范變動

以既有ETCS規(guī)范為原型，結(jié)合理論研究成果，對NL模式做針對性的優(yōu)化，具體體現(xiàn)在以下2個幾方面。

（1）增加轉(zhuǎn)換條件?？紤]的是列車虛擬編組完成、解編2種條件。此時，車載設(shè)備需要自動完成操作，即基于實際情況選擇進入或退出NL模式。

（2）修改信息使用原則。為了確保在退出后可盡快地啟用完全監(jiān)控模式，要求車載設(shè)備接受控車信息包。

3.2 基于列車控制系統(tǒng)防護的方案

3.2.1 基本原理

車載設(shè)備啟用完全監(jiān)控模式具有必要性，以便列車控制系統(tǒng)有效防護。從移動閉塞模式看，基本工作機制在于由車載設(shè)備向RBC發(fā)送列車位置，在“車-車通信”的方式下，后車可獲得更新的前車位置，“車-車通信”的列車位置可視為行車許可終點，其突出優(yōu)勢在于縮短行車間隔。當(dāng)然，雖然該方式可行，但實際應(yīng)用效果有限，仍需進一步探討，以便更為有效地縮短行車間隔。

現(xiàn)階段，移動閉塞普遍應(yīng)用的是絕對制動距離，但實際應(yīng)用效果尚有進步的空間，因此在本方案中考慮到相對制動距離的概念。具體而言，在既有觀念的控車曲線中，對前方列車速度做出特定的默許，將其視為零，但從實際情況來看，該值并非為零。因此，此處認(rèn)為引入相對制動距離的概念更符合實際情況，若在完全監(jiān)控模式下，ATP（ Automatic Train Protection，列車超速防護）可給出更小的行車間隔，以達(dá)到最大限度減小行車間隔的效果。除此之外，在虛擬編組的方式下，可生成基于相對制動距離的限速曲線，此時的應(yīng)用效果，還體現(xiàn)在顯著提高對ATO安全防護水平的層面。

3.2.2 基于相對制動距離的限速曲線計算

在部分觀念中，對前車速度和后車速度的關(guān)系做出過理想的假定，即在后者不超過前者的條件下便無相撞問題，此時的控車曲線以前車速度為目標(biāo)而生成，但從實際情況看，各列車的制動性能不盡相同，盡管后車速度低于前車，但在前車制動性能明顯優(yōu)越的情況下，仍有可能由于前車的短時間制動而導(dǎo)致2車相撞。根據(jù)圖1所示的示例分析，列車不同速度等級的制動力存在差異，即便后車速度小于前車，也仍有前后車相撞的可能。因此，在有關(guān)相對制動距離的計算中，不可過度關(guān)注當(dāng)前運行狀態(tài)，也不可局限于前車的停車位置，更為合理的是充分關(guān)注前車以最大制動力停車的各狀態(tài)，對其采取針對性的防護措施。

圖1 前后車制動力不同造成的相撞

為此，提出相對制動距離的限速曲線，見圖2。分析發(fā)現(xiàn)：對于限速曲線1，其限制性行車考慮的是前車當(dāng)前位置和速度；對于限速曲線2，行車許可終點考慮的是最大制動力工作狀態(tài)下對應(yīng)的前車位置，在確定該具體的位置時的考慮更為合理，關(guān)注的是前后2車的最大值，此時前后2車相撞的問題被有效規(guī)避，有利于安全行車。

圖2 相對制動距離的限速曲線

結(jié)合圖2分析，對于曲線1，目標(biāo)點的位置D1和速度V1，可按照式（1）和式（2）計算。

式中：D前為前車制動距離；L車為前車的長度；L安為兩車之間的安全距離；L延為安全延伸距離；V前為前車速度。

對于曲線1，D2和V2這2項參數(shù)可按照式（3）和式（4）計算。

在式（3）中，L制是前車最短制動距離，發(fā)生在最大制動力的條件下。在既有的設(shè)計方式下，充分關(guān)注的是列車制動距離最大值。對于相對制動距離，除了考慮該距離最大值外，還進一步延伸至最短制動距離的層面，以更加全面的方式分析。在具體設(shè)計工作中，建議將虛擬編組車型的制動力進行對比分析，取其中的最大值，作為設(shè)計中的最大制動力。在此基礎(chǔ)上，考慮多種速度和坡度，建立相應(yīng)的最短制動距離表，以便提供參考，可通過查表的方式確定前車當(dāng)前最短制動距離，并將該部分?jǐn)?shù)據(jù)及時傳輸給后車。

在該算法下，前車做出緊急制動停車動作后，實際所處的位置得到有效控制，不會小于之前的預(yù)估值。因此，若出現(xiàn)“車-車通信”中斷的故障，后車可繼續(xù)按正常的基于相對制動距離的限速曲線行駛，即與通信中斷前保持一致。對于車載設(shè)備，則可以計算絕對制動距離的限速曲線，在確定該結(jié)果后，做合理化調(diào)控。例如列車速度低于限速曲線時，啟用的是絕對制動距離的控車模式。在整個過程中，2種控車模式無明顯的“卡頓”問題，彼此可平滑過渡，可有效抵御“車-車通信”中斷所造成的不良影響，不會由于緊急制動而導(dǎo)，2車相撞。

3.2.3 ETCS規(guī)范變動

通過本方案與既有ETCS規(guī)范的對比分析可以發(fā)現(xiàn)，所提方案的突出特點在于考慮到相對制動距離，并增加相應(yīng)的控車模式，在既有基礎(chǔ)上做出修改，可總結(jié)為以下2部分。

（1）在列車虛擬編組方式下，可以啟用完全監(jiān)控模式，對于后車的高效運行和安全運行有重要的意義，若行車許可終點為前車安全車尾時，則密切關(guān)注的是相對制動距離，基于此項參數(shù)來確定相對應(yīng)的限速曲線。

（2）若遇到“車-車通信”中斷的問題，此時車載設(shè)備的響應(yīng)水平較高，可以基于RBC行車許可重新計算，此時可以得到的是絕對制動距離的限速曲線。以此為參照，若列車速度低于該值，將恢復(fù)既有狀態(tài)，即應(yīng)用的是絕對制動距離的控車模式。

4 結(jié)語

虛擬編組是城市軌道交通建設(shè)領(lǐng)域的重要技術(shù)發(fā)展方向，可縮短列車追蹤間隔，提高運輸效率，更有效地服務(wù)于乘客。根據(jù)城市軌道交通建設(shè)現(xiàn)狀可以得知，前后列車進入同一股道作業(yè)，此時若能夠合理地應(yīng)用虛擬編組技術(shù)，將更能夠發(fā)揮出其對列車追蹤間距進行高精度控制的優(yōu)勢。面對客流量日益增加的城市軌道交通發(fā)展環(huán)境，相關(guān)技術(shù)人員需持續(xù)加強對虛擬編組的探索，促進虛擬編組中列車控制技術(shù)方案的升級。