以列車為中心的自主控制系統(tǒng)功能及運營場景研究*

馮浩楠 白廣爭 于健潔** 劉海祥 黃蘇蘇

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所， 100081， 北京；2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術研究中心， 100081， 北京∥第一作者， 副研究員)

城市軌道交通的快速發(fā)展使得列車運輸性能得到極大提升。以列車為中心的列車自主控制系統(tǒng)在精簡原系統(tǒng)架構的同時，實現(xiàn)了多業(yè)態(tài)運輸方式，同時提升了運力，成為下一代城市軌道交通列車控制系統(tǒng)發(fā)展的方向[1-3]。

本文主要敘述了以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的架構、功能和運行場景等3部分內(nèi)容。通過對比以列車為中心的自主控制系統(tǒng)和CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)在功能上的差異來突出以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的核心功能，如基于列車通信的安全間隔控制、虛擬連掛、態(tài)勢感知與判斷、動態(tài)路線控制等。

1 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構

與文獻[4-6]車車通信的CBTC系統(tǒng)架構類似，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)由地面系統(tǒng)和車載系統(tǒng)組成。地面系統(tǒng)包括ATS(列車自動監(jiān)控)系統(tǒng)、RM(資源管理器)和OC(目標控制器)。其中，RM負責管理共享資源，包括軌道、道岔和PSD(站臺門)的資源，其不能決定共享資源是否被擁有和控制，只通過信號量的互斥功能，完成共享資源的記錄和管理；OC實現(xiàn)對軌旁設備的操作。車載系統(tǒng)包括無線通信設備、ATO(列車自動運行)系統(tǒng)和ATP(列車自動防護)系統(tǒng)。與CBTC中的ZC(區(qū)域控制器)計算移動授權、聯(lián)鎖建立進路和控制道岔功能的設計不同，自主控制系統(tǒng)的車載ATP通過與前車直接通信，接收前車的位置和速度信息，同時接收來自RM提供的資源占用情況，并計算出列車運行速度曲線，自主確定列車運行的移動權限，控制與前車的安全行車距離；ATO則能實現(xiàn)自動駕駛等的非安全功能。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)架構如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)，通過識別和判斷列車周邊狀況以實現(xiàn)自動控制的功能。與CBTC系統(tǒng)相比，自主控制系統(tǒng)具有如下特點。

1) 基于T2X(Train-to-Everyting)的自主列車控制。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)基于列車之間直接通信、列車和軌旁設施通信的通信方式，在無地面控制系統(tǒng)的情況下，可實現(xiàn)列車間隔控制。列車間隔控制本質(zhì)上是對本區(qū)段共享資源的劃分控制，使兩列或多列列車在時間和空間上不同時占用相同的區(qū)段?；诹熊囍g直接通信完成前后兩列列車之間的安全間隔控制。車-車通信示意圖如圖2所示。對于有道岔的進路，需要進行道岔進路控制。列車控制系統(tǒng)對共享資源——道岔進行控制，使兩列或多列列車不同時占用。對于車載系統(tǒng)而言，所有的道岔都是獨立操作的。通過與軌旁設備的通信，列車可自主動控制道岔位置和行進路線。車-地通信控制道岔示意圖如圖3所示。

2) 基于T2X的列車虛擬編隊控制。車虛擬編隊是指在沒有物理連接器的情況下，通過減小列車間距來操作兩列或更多列車編隊運行。自主控制系統(tǒng)通過識別虛擬連接列車的完整性防止編隊內(nèi)列車碰撞，編組列車像一列列車一樣運行，如圖4所示。虛擬編隊的列車控制系統(tǒng)須包括7大管理功能：列車位置管理，列車速度管理，列車移動權限管理，編隊內(nèi)虛擬連接管理，整體虛擬編隊管理，列車安全防護和列車制動控制管理。

3) 基于T2X的環(huán)境感知和決策/控制。在發(fā)生故障和延誤的情況下，自主控制系統(tǒng)的列車根據(jù)自身和周圍列車狀態(tài)，評估與原列車計劃時刻的差異：當差異在系統(tǒng)閾值范圍內(nèi)，則列車基于智能化策略按照原列車的子時刻表進行并通知ATS系統(tǒng)，在得到ATS系統(tǒng)授權后可調(diào)整自己的速度、路線和時刻表等。靈活的自組織方式減少了故障引起的延誤，提高了運營效率。

2 以列車為中心的自動控制系統(tǒng)功能

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)功能包括列車定位、信息共享、資源管理、列車間安全間隔控制、自主排路和移動授權、列車狀態(tài)監(jiān)控、列車速度控制等7大功能。

2.1 列車定位

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)需自主確定列車位置，將確定的列車位置報告給ATS系統(tǒng)和其他列車。列車定位包括：

1) 列車位置的計算：列車控制系統(tǒng)通過車輪的轉(zhuǎn)數(shù)來計算列車的位置，進而計算出行駛的距離。

2) 列車位置修正：列車控制系統(tǒng)利用地面標尺修正列車累計誤差。

3) 列車位置補償：列車控制系統(tǒng)在行駛過程中實時計算累積誤差，并反映在列車長度中。

2.2 信息共享

信息共享功能包括：在路線上運行的列車共享位置等的列車狀態(tài)信息；列車與ATS系統(tǒng)均可控制軌旁的共享資源并進行監(jiān)控；軌道的共享資源狀態(tài)信息通過RM傳送給路線上所有的列車。

2.3 資源管理

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的資源包括軌道區(qū)段、道岔和PSD(見表1)。所有共享資源都由RM管理。列車通過RM對資源進行預留、釋放和控制操作。能夠占用和控制資源的對象包括ATS和列車。ATS有權控制和恢復列車占用的共享資源。但是，列車控制系統(tǒng)只有在安全釋放共享資源狀態(tài)時，才可將其共享資源轉(zhuǎn)移給ATS。列車控制系統(tǒng)只有在安全占用資源后才可進行控制。在臨時限速的特殊情況下，列車控制系統(tǒng)可立即對共享資源進行控制。一個軌道區(qū)段中可建立多個臨時限速。

表1 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)控制的資源

在RM資源管理規(guī)則中，資源不能同時占用，因此設置成信號量進行互斥管理。RM管理資源的原則如下：①RM管理資源的占用狀態(tài)和常態(tài)，如區(qū)段是否占用、道岔是否故障、PSD是否故障等；②RM拒絕對占用資源的請求；③RM同意對未占用資源的請求；④當資源請求同時到來時，RM將RA(資源權限)授予一個請求，RM不決定資源請求的優(yōu)先級；⑤RM根據(jù)資源的請求授予，同時鎖定資源；⑥RM僅在資源所有者的請求下才解鎖資源；⑦RM收到資源擁有者的資源控制命令，對資源進行控制；⑧RM記錄資源所有者。

列車請求共享資源示意圖見圖5。自主控制系統(tǒng)的列車通過與相鄰列車及RM通信，獲知所需的資源占用狀態(tài)和限制情況，并向RM請求列車前進區(qū)域內(nèi)的可用資源；RM響應請求，通過RM鎖閉未占用的資源；列車再根據(jù)通過RM的資源狀態(tài)和與前車的位置，來確定自己的移動權限。如列車所需的資源已經(jīng)被另一列車占用，則列車可通過與另一列車直接協(xié)同處理，以確保使用必要的資源。

列車通過快速釋放通過路線中占用的資源，以提高資源的利用率。RM收到資源占用者的有效解鎖請求后，對占用資源進行解鎖；資源通過RM釋放，但解鎖的責任在于資源所有者；資源擁有者通過RM查詢共享資源是否成功解鎖。

2.4 列車間安全間隔控制

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)存在3種列車間隔控制策略:

1) 基于前車位置。列車控制系統(tǒng)根據(jù)前車報告的列車位置生成本車的移動授權，同時，列車控制系統(tǒng)補償和更正本車的位置誤差。

2) 基于前車速度。列車控制系統(tǒng)根據(jù)前車當前的速度進行間隔控制。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，列車的制動距離為列車在移動授權范圍內(nèi)，以當前速度制動時，其不與前車發(fā)生碰撞的距離。列車的制動距離是基于前車的最佳制動距離計算得出的，新的移動授權的計算還應考慮前車速度、位置誤差等因素。此外，還需實時對本車的速度誤差進行修正和補償。

3) 基于前車的加速度進行虛擬編隊。列車基于前車的加速度信息進行虛擬編隊的列車間隔控制；與前車進行虛擬編隊時，后車切換到被動工作模式，利用前車的減速度/加速度來控制與前車間隔。在虛擬連接過程中，前車和后車選擇最低的性能來匹配列車間的性能(最大速度、減速度/加速度)。虛擬編隊成功后，編隊中的引導列車計算的編隊列車長度包括尾隨的所有列車長度，列車需對本車的加速度誤差進行修正和補償。

傳統(tǒng)列車編隊通過物理耦合，后方列車靠近，前方列車必須停下來后，再通過連接器接觸建立物理連掛。此外，物理連接和分離需要相當長的時間，對列車整體運營會產(chǎn)生不利影響。虛擬編隊技術為提高運營效率提供了基礎。它無需物理連接器，通過車車通信將列車間距減少，確保靈活性。虛擬編隊新增了3種場景：

1) 站內(nèi)虛擬解掛。虛擬編隊列車運行至站臺后，頭車完成與后車的虛擬解掛繼續(xù)前進，后車停留在站臺。這種方式減少了物理解掛所需消耗，如時間、人力等因素。

2) 站內(nèi)虛擬連掛。站臺停留一列列車，后續(xù)進站列車緩慢靠近站臺，基于虛擬連掛技術，突破站外信號防護，實現(xiàn)與站內(nèi)列車虛擬連掛后組成虛擬編隊。

3) 站臺虛擬解編和連掛。虛擬編隊低速進站，在站前的道岔前解編，駛?cè)氩煌恼九_；兩列列車出發(fā)后，再次通過車-車通信進行編組，以作為一個虛擬編隊運行。

這樣的場景可以在不改變站臺長度的情況下，提高站臺利用率，增加運輸量。

2.5 自主排路和移動授權

列車的運行路線由ATS提供。當列車被分配一個列車編號時，會收到完整的時刻表和與該列車編號對應的運行路徑信息，其信息包括列車到達目的地所需的共享資源(區(qū)段、道岔和控制方向、PSD和狀態(tài)等)。

ATS下發(fā)給列車的運行路線不能與其他列車的運行路徑?jīng)_突；當列車改變路線時，能自主搜索到目的地的最佳路線。運行路線指定列車移動權限需要的資源，但并不執(zhí)行對資源的獲取和控制。運行路線是為了防止列車的移動權限在獲取資源的過程中出現(xiàn)死鎖，并不判斷該資源是否實際被其他列車占用。列車控制系統(tǒng)依據(jù)下發(fā)的運行路線自主計算列車的移動授權。

列車控制系統(tǒng)完成移動權限所需資源(區(qū)段、道岔、PSD)的獲取和控制。當運行路線發(fā)生變化時，列車向RM請求獲取最新運動路線所需資源。在某些情況下，如所需資源已被其他列車占用時，可直接與占用資源的列車協(xié)商獲取資源。

2.6 列車狀態(tài)監(jiān)控

列車運行過程中遇到情況分為以下3類。

2.6.1 列車上的緊急情況

列車內(nèi)緊急情況通常分為列車故障和列車事故2個部分。

在列車發(fā)生故障的情況下，列車將以降級模式減速運行或停止運行。在必須停止操作的情況下，嘗試進入最近的站臺讓乘客下車。列車故障因素包括：車廂故障、列車低速運行的條件(如列車牽引裝置的故障等)、停車條件(行駛到最近的站臺并打開車門)及必要時的緊停條件(列車無線通信設備故障等)。在識別列車故障后，其采取的措施包括列車臨時限速、列車運行路線修改、列車緊急制動等。

當列車發(fā)生火災事故時，根據(jù)火災的嚴重程度，列車直接停在軌道上或進入最近的站臺讓乘客下車。如果車內(nèi)發(fā)生緊急的事故，列車會通知ATS控制列車并停在最近的站臺。

2.6.2 軌道上的緊急情況

軌道上的緊急情況包括人或障礙物在軌道上的存在或碰撞、軌道缺陷、道岔故障、PSD故障、隧道或站臺起火等。

當發(fā)現(xiàn)區(qū)域有人或障礙物出現(xiàn)在軌道上時，則封鎖該區(qū)間禁止列車進入。如果有軌道缺陷、道岔故障、隧道或站臺發(fā)生火災，則必須封鎖進入該區(qū)域的通道。如果站臺火勢較小，可考慮不停車通過。

RM實時監(jiān)控軌旁設備狀態(tài)。列車控制系統(tǒng)通過RM獲得軌旁狀態(tài)，根據(jù)軌旁狀態(tài)判斷檢測區(qū)間是否需要設置為臨時限速或禁止進入的保護區(qū)間。如果需要，列車控制系統(tǒng)可通過RM將區(qū)段設置為臨時限速區(qū)段或保護區(qū)段。

2.6.3 其他災害情況

其他災害情況包括暴雨、大雪、臺風等，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)需采用相應的應急方案。暴雨、大雪和臺風不僅發(fā)生在特定軌道區(qū)域，還會影響整條線路，因此路線上的所有列車在必要時全部減速或停車。軌旁的監(jiān)控設備向RM實時提供監(jiān)測到的異常情況，列車控制系統(tǒng)通過RM接收檢測設備的狀態(tài)和檢測結(jié)果，判斷是否設置為保護區(qū)段或臨時限速區(qū)段。

2.7 列車速度控制

軌道的永久限速和由ATS系統(tǒng)下發(fā)的臨時限速信息，是列車的移動授權計算的重要參數(shù)，并由此生成階梯狀的速度安全控制曲線。速度控制曲線包括了列車的制動信息。

3 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)運行場景

以列車為中心的自動控制系統(tǒng)具有3種工作場景：①正常運行場景；②性能下降運行場景；③應急運行場景。

3.1 正常運行場景

在正常運行模式下，根據(jù)列車時刻表到達、停車和離開站臺。

運營開始前，列車在車輛段進行準備工作，運營結(jié)束后進行清理工作。運行期間在車輛段進行檢查，維修人員對列車進行檢查。

正常運行場景包括：① 開始運營——從系統(tǒng)啟動到開始運營的所有任務；② 運營結(jié)束——從運營業(yè)務結(jié)束到系統(tǒng)關閉；③ 正常情況——按計劃在正線正常運行；④ 特殊情況——超出正常的情況，如輕微延誤、臨時限速等情況。

3.2 降級運行場景

降級的運行場景與操作優(yōu)化、系統(tǒng)故障管理和維護等活動相關。在此模式下，列車不遵循ATS的列車時間表。降級運行場景通常是由于系統(tǒng)故障引起。此時，列車按照自己的子時刻表自行運行，但需在ATS的監(jiān)督和控制下運行。列車子時刻表基于各種策略，應盡量減少因列車故障和地面設施故障造成的停運時間。

3.3 應急運行場景

在火災、停電等緊急事故的應急運行場景下，列車選擇相應的運行策略。

一般情況下，處于緊急狀態(tài)的列車無法自動運行，必須使用救援車將其拖至疏散線。為確保拖曳空間，須將相關區(qū)間與運行區(qū)間分開，禁止列車進入拖曳作業(yè)區(qū)間，將故障列車先牽引至疏散線，在運營結(jié)束后移至停車場。

4 結(jié)語

通過與CBTC系統(tǒng)相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)具有如下3個特點：

1) 通過列車間通信的直接控制，可提高運能，減少軌旁設施。

2) 通過虛擬連接控制使運能最大化，并改善乘客和運營服務質(zhì)量。

3) 根據(jù)列車事故和故障、運行前方的軌道事故和故障以及災害信息，通過態(tài)勢感知、判斷和識別周圍情況，自主確定運行策略和動態(tài)調(diào)度，能提高列車運行的安全性和運行效率。

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和場景分析為系統(tǒng)的應用和工程化應用奠定了基礎。同時，運行場景將隨著系統(tǒng)運營過程中也不斷豐富和完善，進而科學合理規(guī)范列車運行過程，更好地服務乘客。