以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的列車工作模式*

馮浩楠 鄭澤熙 白廣爭(zhēng)** 杜 萌 李永康

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，100081，北京；2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京；3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司，100081，北京；4.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所, 100081，北京∥第一作者，副研究員)

在采用車-地協(xié)同控制方式的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)為“列控系統(tǒng)”)中，最新推出的全自動(dòng)運(yùn)行(FAO)系統(tǒng)存在以下問題[1-2]：

1)地面控制系統(tǒng)安裝成本較高，維護(hù)和管理程序繁瑣，給運(yùn)營(yíng)帶來了負(fù)擔(dān)。

2)列控系統(tǒng)的安全運(yùn)行很大程度上依賴地面控制系統(tǒng)。列控系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)形成的車-地-車三角形循環(huán)控制鏈路較長(zhǎng)，使得列車的運(yùn)行間隔難以縮短。

為克服現(xiàn)有基于地面無線通信列控系統(tǒng)的局限性，進(jìn)一步提高列車運(yùn)行控制效率、縮短列車運(yùn)行間隔，列控系統(tǒng)控制方式正在由車-地協(xié)同控制向以列車為中心的控制轉(zhuǎn)變[3]。

2014年，阿爾斯通公司基于車-車通信理念研發(fā)了下一代CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的解決方案——Urbalis Fluence系統(tǒng)。其可將列車運(yùn)行間隔縮短到60 s，已在法國(guó)的里爾地鐵使用。該系統(tǒng)應(yīng)用的虛擬連掛功能可在列車靜止?fàn)顟B(tài)或運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)列車的連接或斷開，反映了下一代列控系統(tǒng)以列車為中心的自主控制之重要特點(diǎn)。具有該功能的列車不需要物理連接器，就能縮短列車運(yùn)行間隔、實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸量最大化[4]。在我國(guó)，TACS(以列車為中心的自主控制系統(tǒng))正在成為城市軌道交通領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)之一[5-6]。

本文重點(diǎn)研究了TACS中的列車工作模式，并與FAO系統(tǒng)的列車工作模式進(jìn)行比較。詳細(xì)介紹新增虛擬連掛場(chǎng)景的系統(tǒng)控制需求及轉(zhuǎn)換過程，為以TACS的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考借鑒。

1 TACS架構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

TACS分為地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)兩部分，其架構(gòu)如圖1所示。地面子系統(tǒng)主要包括RM(資源管理器)和OC(對(duì)象控制器)。其中：OC負(fù)責(zé)控制軌旁資源；RM負(fù)責(zé)管理區(qū)段、道岔和PSD(屏蔽門)等共享資源，不決定軌旁資源是否被擁有和控制。車載子系統(tǒng)包括ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)子系統(tǒng)和ATP(列車自動(dòng)防護(hù))子系統(tǒng)。在列控系統(tǒng)中，ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行安全功能，ATO子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行非安全功能。

圖1 TACS架構(gòu)

1.2 與FAO系統(tǒng)比較

FAO系統(tǒng)以“地面控制和硬件設(shè)備”為中心，其中地面控制系統(tǒng)在FAO系統(tǒng)中起到關(guān)鍵控制作用，硬件設(shè)備冗雜龐大。與之不同的是，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)以“車載控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件”為中心，其中車載控制系統(tǒng)在TACS中起到自主控制作用，更依賴軟件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能。TACS技術(shù)特點(diǎn)見表1。

表1 TACS技術(shù)特點(diǎn)

2 列車工作模式

根據(jù)工作模式和運(yùn)行需求，TACS的工作模式有ADM(自主駕駛模式)、APM(自主防護(hù)模式)、FMM(全手動(dòng)模式)、OFF(關(guān)閉)模式、DM(車輛段模式)、SM(被動(dòng)模式)、MDM(主控模式)、SBM(待機(jī)模式)。

2.1 ADM

自主駕駛模式是在沒有總控制室或乘務(wù)員(司機(jī)和操作人員)等人為干預(yù)的情況下，由列控系統(tǒng)執(zhí)行ATO功能和ATP功能的運(yùn)行模式。自主駕駛模式是運(yùn)營(yíng)中最常見的列車運(yùn)行模式。此模式下，列控系統(tǒng)進(jìn)行如下識(shí)別、判斷和控制：

1)列車識(shí)別出自己的位置和前方的情況。

2)列車根據(jù)識(shí)別的信息來判斷是否在識(shí)別的進(jìn)路行駛。

3)列車控制的功能包括控制行駛路線和方向，以及控制列車的牽引和制動(dòng)等。

4)列車到站臺(tái)時(shí)，自動(dòng)開門和關(guān)門。

5)列車在指定位置自動(dòng)折返。

在正常運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中，列車從ATS系統(tǒng)接收運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃的路線及時(shí)間表運(yùn)行。在異常運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中，列車需識(shí)別運(yùn)行過程中發(fā)生的各種事故或故障等異常情況，盡量實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃。

2.2 DM

當(dāng)受控列車進(jìn)入車輛段時(shí)，工作模式為DM。除了在車輛端內(nèi)收到特定的速度限制外，其余與ADM相同。DM不是鑰匙開關(guān)切換，而是由TACS軟件自動(dòng)判斷實(shí)現(xiàn)。

2.3 SBM

它是自動(dòng)工作模式的一個(gè)子模式。為降低列車的電力消耗，列車在任何位置待機(jī)都能切換至待機(jī)模式。在SBM下，列控系統(tǒng)保持活躍狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)控列車狀態(tài)和故障情況。

2.4 APM

在APM下，列車失去自動(dòng)駕駛功能，僅保留列車自動(dòng)防護(hù)功能。列控系統(tǒng)被激活。首先，識(shí)別列車前方的情況；然后，根據(jù)識(shí)別結(jié)果來確定列車的限速和目標(biāo)停車點(diǎn)，并顯示在司機(jī)室的MMI(人機(jī)界面)中，由司機(jī)負(fù)責(zé)駕駛列車。當(dāng)列車運(yùn)行速度超過限速時(shí)，列控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出制動(dòng)指令，保證列車運(yùn)行不超速。當(dāng)列車進(jìn)站停車后，由司機(jī)手動(dòng)發(fā)出開關(guān)門指令。

2.5 SM

MDM也是自動(dòng)工作模式的1個(gè)子模式。當(dāng)目標(biāo)列車的列控系統(tǒng)與其前車建立虛擬連掛場(chǎng)景時(shí)，目標(biāo)列車的工作模式切換為SM。在該模式下，列控系統(tǒng)雖仍基于自身車速、加速度和位置等信息對(duì)其列車運(yùn)行速度曲線進(jìn)行連續(xù)計(jì)算，但并不按列車運(yùn)行速度計(jì)算值來給牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，而是基于與前車的列車間隔及前車加速度進(jìn)行自主補(bǔ)償控制，以保持與前車的安全距離。

2.6 MDM

MDM也是自動(dòng)工作模式的1個(gè)子模式。當(dāng)目標(biāo)列車與后車建立虛擬連掛場(chǎng)景時(shí)，列車的工作模式切換為MDM。在此模式下，目標(biāo)列車與RM通信，以保留區(qū)段、道岔和PSD(屏蔽門)等共享資源。虛擬連掛編隊(duì)中的頭車需考慮其編隊(duì)中后續(xù)SM列車的長(zhǎng)度。

2.7 FMM

當(dāng)目標(biāo)列車列控設(shè)備同其他列車的通信，以及同ATS的通信都中斷時(shí)，列車工作模式切換為FMM模式。此時(shí)，沒有列控系統(tǒng)的保護(hù)功能。ATS控制室調(diào)度員負(fù)責(zé)確保FMM模式的列車按照操作程序安全運(yùn)行，調(diào)度員人工為故障列車排列進(jìn)路。司機(jī)須遵循嚴(yán)格的程序并獲得調(diào)度的許可，遵循人工引導(dǎo)列車駛出自主列控系統(tǒng)運(yùn)行的區(qū)間。FMM模式下的列車將從RM獲得的所有軌旁資源都將釋放。以ADM模式運(yùn)行的列車無法進(jìn)入FMM模式列車所在區(qū)域。

2.8 OFF模式

當(dāng)列控系統(tǒng)防護(hù)功能終止運(yùn)行時(shí)，列車進(jìn)入OFF模式。在此模式下，列車從RM中刪除了除列車占用位置的信息外包括移動(dòng)權(quán)限在內(nèi)的所有資源。列控系統(tǒng)仍監(jiān)控自身的狀態(tài)，保持同RM、其他列車及ATS子系統(tǒng)的通信。

3 列車工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則

在TACS的8種列車工作模式中，ADM、APM、FMM、OFF 4種模式可通過鑰匙開關(guān)來控制轉(zhuǎn)換，其余4模式則由TACS的軟件來實(shí)現(xiàn)。

在轉(zhuǎn)換條件C的作用下，列車工作模式由Ms轉(zhuǎn)換為Mf。相應(yīng)的工作模式轉(zhuǎn)換表示為：

Mf=C(K,A,L,S,Ms)

(1)

式中：

Mf——轉(zhuǎn)換后列車工作模式；

Ms——轉(zhuǎn)換前的列車工作模式。

C——轉(zhuǎn)換條件，與鑰匙狀態(tài)K、移動(dòng)授權(quán)狀態(tài)A、列車位置L、與RM的連接狀態(tài)S，以及Ms等有關(guān)。具體如表2所示。

表2 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)列車工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則

4 列車虛擬連掛和解掛

與FAO系統(tǒng)功能相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)新增了列車虛擬連掛場(chǎng)景功能，且工作模式相應(yīng)增加了MDM和SM。在虛擬連掛場(chǎng)景中，列車通過列控系統(tǒng)進(jìn)行虛擬連掛，形成虛擬編隊(duì)；在提出虛擬解掛請(qǐng)求后，解散虛擬編隊(duì)。

4.1 虛擬連掛和虛擬解掛的關(guān)鍵技術(shù)

1)確定列車長(zhǎng)度。虛擬連掛車隊(duì)的頭車接收后面列車長(zhǎng)度，確定整個(gè)虛擬編隊(duì)的列車長(zhǎng)度。

2)確定列車加速度。①后車的列控系統(tǒng)接收前車的位置和速度變化信息，并據(jù)此計(jì)算與前車的最小安全距離(MSD)；②后車的列控系統(tǒng)須實(shí)時(shí)監(jiān)控自身列車狀態(tài)，以控制后車與前車的間隔距離不小于MSD，并在必要時(shí)向后車發(fā)出減速命令；③如果后車與前車的距離大于MSD，則后車列控系統(tǒng)須發(fā)出加速命令，以補(bǔ)償前后車距離。④當(dāng)列車出現(xiàn)邏輯連接丟失、前后車距離意外縮小到小于MSD或虛擬連接意外解除三種情況之一時(shí)，列控系統(tǒng)須立即實(shí)施緊急制動(dòng)；⑤虛擬編隊(duì)中所有列車的列控系統(tǒng)均共享制動(dòng)輸入結(jié)果，并提供給其ATS子系統(tǒng)。

3)虛連接請(qǐng)求響應(yīng)。①后車列控系統(tǒng)須根據(jù)ATS子系統(tǒng)的列車時(shí)刻表，與前車進(jìn)行虛擬連接；②后車MA(移動(dòng)授權(quán))范圍的終點(diǎn)為前車的最小安全后端；③虛擬編隊(duì)中，后車的列控系統(tǒng)將自身列車最大運(yùn)行速度、最大加速度及最大制動(dòng)加速度等性能參數(shù)邊界值調(diào)整為與前車同步統(tǒng)一;④虛擬編隊(duì)長(zhǎng)度是指從頭車最大安全前端到尾車的最小安全后端的整個(gè)編隊(duì)長(zhǎng)度。需在列車長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，考慮運(yùn)動(dòng)條件下所有列車的安全距離來確定;⑤虛擬編隊(duì)中，如后車切換至SM，則其加速度控制須根據(jù)前車的加速度來確定;⑥虛擬編隊(duì)中，后車須連續(xù)計(jì)算本車的安全速度控制曲線，準(zhǔn)備隨時(shí)斷開虛擬連接;⑦虛擬編隊(duì)中，后車在計(jì)算與前車的MSD時(shí)，須補(bǔ)償允許加速度。

4)響應(yīng)虛擬解掛請(qǐng)求。①后車列控系統(tǒng)須根據(jù)ATS列車時(shí)間表與前車進(jìn)行虛擬解掛；②虛擬編隊(duì)中的后車與前隊(duì)的距離須增加到允許的安全距離時(shí)，才可請(qǐng)求虛擬解掛；③已虛擬解掛的虛擬編隊(duì)，頭車須重新計(jì)算虛擬編隊(duì)的列車長(zhǎng)度；④已釋放虛擬連接的列車，須解除虛擬連接時(shí)受限的列車性能限制。

4.2 虛擬編隊(duì)的業(yè)務(wù)過程

虛擬編隊(duì)的業(yè)務(wù)過程包括虛擬連掛觸發(fā)、虛擬連掛和虛擬解掛。

1)虛擬連掛觸發(fā)的過程。列車之間的虛擬編隊(duì)預(yù)先存儲(chǔ)在ATS子系統(tǒng)的列車時(shí)刻表中。列車按照運(yùn)營(yíng)時(shí)間表，在需進(jìn)行虛擬編隊(duì)的時(shí)刻觸發(fā)虛擬連掛。具體過程為：①檢查列車的牽引和制動(dòng)性能是否正常。②檢查參與虛擬編隊(duì)的各車通信設(shè)備和通信狀況是否正常。③后列車向前列車發(fā)送虛擬連掛請(qǐng)求消息，前列車發(fā)送確認(rèn)消息回應(yīng)。對(duì)于前列車，列車的性能參數(shù)統(tǒng)一為1個(gè)較低的值，以便前列車在虛擬編隊(duì)行進(jìn)時(shí)以相同的性能運(yùn)行。④后列車接近前列車后，向前列車發(fā)送虛擬連掛鎖定請(qǐng)求消息，前列車向后列車回復(fù)虛擬連掛鎖定確認(rèn)消息。

2)虛擬連掛的過程：①當(dāng)前列車的虛擬連掛被鎖定時(shí)，前列車切換為MDM模式，后列車切換為SM模式。②前列車更新列車長(zhǎng)度，虛擬編隊(duì)長(zhǎng)度應(yīng)包括本列車長(zhǎng)度和后列車長(zhǎng)度。③前列車通過被授權(quán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)后列車的所需資源的控制。前列車對(duì)RM進(jìn)行資源預(yù)留和釋放，后列車不再與RM獨(dú)立通信，跟隨前列車。④后列車使用從前列車接收到的位置和速度信息，來計(jì)算本列車與前列車之間的MSD和控制余量，并周期性的更新MSD和控制余量。

3)虛擬解掛的過程。①列車的虛擬解掛在ATS系統(tǒng)的命令中預(yù)先存儲(chǔ)確定。在預(yù)定的列車時(shí)刻，后列車擴(kuò)大與前列車的距離后，向前列車發(fā)送虛擬解掛的請(qǐng)求消息。②前列車收到虛擬解掛請(qǐng)求消息，釋放前列車對(duì)后列車的控制權(quán)限。③前列車向后列車回復(fù)虛擬解掛請(qǐng)求確認(rèn)消息，虛擬解掛后，前列車從MDM切換到ADM。④后列車在收到確認(rèn)消息后，虛擬解掛，從SM切換到ADM。

4.3 虛擬編隊(duì)的距離參數(shù)

虛擬編隊(duì)的列車距離參數(shù)包括相對(duì)間距、MSD和自由余量。三者關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛擬編隊(duì)中前后列車的相對(duì)間距、MSD和自由余量示意圖

其中，相對(duì)間距是根據(jù)位置信息計(jì)算的前列車與后列車間距。MSD的變量值dM為：

dM=d1+d2+d3+d4+d5

(2)

式中：

d1——由測(cè)距誤差導(dǎo)致的安全距離；

d2——由應(yīng)答器定位誤差導(dǎo)致的安全距離；

d3——由車-車通信延時(shí)導(dǎo)致的安全距離；

d4——列車因ATO子系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)延遲而導(dǎo)致的安全距離；

d5——在故障場(chǎng)景下，當(dāng)前列車緊急制動(dòng)時(shí)，確保后列車緊急制動(dòng)能安全停止的距離。

在虛擬編隊(duì)中，所有列車的相對(duì)間距不能大于MSD。相對(duì)間距減去MSD即可得自由余量，其表示后列車可以靠近前列車的允許距離。

在虛擬編隊(duì)中，前列車和后列車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)交互信息。應(yīng)使虛擬編隊(duì)中的每列列車都能及時(shí)掌握其前列車的行駛狀態(tài)，并通過基于估計(jì)的MSD來計(jì)算自由余量，進(jìn)而控制車速，實(shí)現(xiàn)既緊跟前列車又滿足安全距離要求。

在虛擬編隊(duì)中，車-車交互信息分為兩類：①列車運(yùn)行信息，具體包括列車速度信息、列車位置信息、列車方向、虛擬列車編隊(duì)狀態(tài)信息、物理連接器的狀態(tài)信息等；②列車控制信息，具體包括：制動(dòng)狀態(tài)、制動(dòng)力和制動(dòng)指令、電機(jī)狀態(tài)、目標(biāo)速度。

當(dāng)車車相對(duì)間距大于MSD時(shí)，后列車根據(jù)前列車的行駛信息識(shí)別前列車的速度變化情況。這可以保障后列車在前列車突然剎車的情況下不會(huì)與前列車發(fā)生碰撞，以實(shí)現(xiàn)安全停車。

5 結(jié)語

TACS將相關(guān)控制功能轉(zhuǎn)移到車載控制子系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化了地面設(shè)施，可減少硬件設(shè)施投資，并能提高可維護(hù)性。通過列車虛擬連掛和虛擬解掛，能實(shí)現(xiàn)對(duì)靈活運(yùn)輸需求的響應(yīng)。通過對(duì)各列車工作模式的闡述，以及針對(duì)虛擬編隊(duì)列控系統(tǒng)控制流程的詳細(xì)分析，為TACS設(shè)計(jì)及工程化提供了參考。