基于虛擬編組技術(shù)的列車運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案研究

肖李蔚寧，柏 赟，付昌友，沈曉鵬，楊麗娟

(1.北京交通大學(xué)綜合交通運(yùn)輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100044; 2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

引言

近年來,歐洲“Shift2Rail(構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃)”項(xiàng)目將虛擬編組技術(shù)(Virtual Coupling Technology)作為歐洲客運(yùn)鐵路的未來發(fā)展方向之一[1]。其思想起源于道路交通中的車輛追蹤,當(dāng)后行車輛追蹤前方車輛運(yùn)行時(shí),后車駕駛員可以根據(jù)前車的剎車燈提示做出制動(dòng)操作,此時(shí)前后車輛間處于一種相對(duì)制動(dòng)模式,車輛間隔距離極小[2]。虛擬編組場(chǎng)景下,處于同一虛擬耦合編隊(duì)中的各相鄰列車將基于車車通信建立邏輯連接,相互傳遞各自的速度、位置等信息,保持同步的加速減速。這項(xiàng)技術(shù)與傳統(tǒng)的列車控制方式相比,突破了閉塞制式的限制,可以極大地縮短列車間的追蹤間隔,提高線路運(yùn)輸能力,并且車底運(yùn)用更加靈活,對(duì)客流的適應(yīng)性更強(qiáng)[3]。

現(xiàn)階段對(duì)于虛擬編組技術(shù)的研究尚處于初步探索階段[4]。GOIKOETXEA[5]提出基于無線通信的虛擬編組技術(shù)可使多列車間建立邏輯聯(lián)系,到達(dá)類似物理車鉤連接的效果,從而解決因車輛型號(hào)不同列車間無法編組的問題,并對(duì)實(shí)現(xiàn)虛擬編組的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行論述。SCHUMANN[6]基于虛擬編組技術(shù)利用仿真工具DFSimu對(duì)東京—大阪區(qū)段進(jìn)行模擬,結(jié)果顯示,區(qū)段輸送能力將從15000人次/h增加到23000人次/h。荀徑[7]構(gòu)建了面向虛擬編組技術(shù)的列車車站追蹤模型,并將該模型與傳統(tǒng)追蹤模式進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,虛擬編組車站追蹤模型能夠有效提高車站的通過能力。WANG[8]對(duì)固定編組和虛擬編組下的列車運(yùn)輸組織和技術(shù)特征進(jìn)行分析,以城市軌道交通、市郊鐵路為研究對(duì)象,面向虛擬編組技術(shù)提出了一種平行運(yùn)行圖的線路通過能力計(jì)算方法。白佳薇[9]提出了基于虛擬編組技術(shù)的快慢車運(yùn)輸組織策略,并與站站停、傳統(tǒng)快慢車模式下的列車開行方案進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了虛擬編組的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

本文首先對(duì)虛擬編組相關(guān)概念進(jìn)行總結(jié),對(duì)比該技術(shù)與傳統(tǒng)列控和編組方式的不同。其次,基于虛擬編組場(chǎng)景下列車耦合和解耦過程,設(shè)計(jì)了一種虛擬編組列車運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案。最后,通過仿真驗(yàn)證了虛擬編組技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)閉塞方式可顯著縮短列車間隔,提升線路能力。

1 虛擬編組技術(shù)介紹

1.1 虛擬編組的基本概念

虛擬編組是通過協(xié)同控制使多個(gè)列車形成一個(gè)協(xié)同邏輯整體,并以編隊(duì)方式在軌道上追蹤運(yùn)行的列控技術(shù)[10]。處于虛擬編組控車下的列車編隊(duì),稱為虛擬耦合編隊(duì)。同一虛擬耦合編隊(duì)中由多個(gè)單元列車組成。其中,頭車對(duì)編隊(duì)進(jìn)行管理,發(fā)送控車指令給編隊(duì)內(nèi)其他后行列車,將編隊(duì)中的頭車定義為領(lǐng)航列車,一般情況下同一虛擬耦合編隊(duì)僅包含一個(gè)領(lǐng)航列車;編隊(duì)內(nèi)除領(lǐng)航列車外的其他后行列車定義為跟隨列車,跟隨列車收到領(lǐng)航列車的控車命令,按控車命令進(jìn)行控車,跟隨領(lǐng)航列車運(yùn)行[11],如圖1所示。

圖1 虛擬編組列車運(yùn)行示意

1.2 虛擬編組技術(shù)與傳統(tǒng)行車組織方式的區(qū)別

虛擬編組需要建立在高級(jí)別的自動(dòng)駕駛技術(shù)之上[12],列車間基于車車通信,使后車以高精度的測(cè)速定位手段獲取前車的運(yùn)行狀態(tài)[13],從而控制后車運(yùn)行實(shí)現(xiàn)更加靈活高效的列車耦合和解耦。本節(jié)將從列車控制和編組計(jì)劃兩個(gè)層面,對(duì)比虛擬編組技術(shù)與傳統(tǒng)方式的不同。

(1)列車運(yùn)行控制方面

不同閉塞制式下的列車追蹤間隔,如圖2所示。固定閉塞制式下,后車移動(dòng)授權(quán)(MA)終點(diǎn)為前車所占閉塞分區(qū)的起點(diǎn),這使得列車間追蹤間隔較大,影響了線路的運(yùn)輸效率;移動(dòng)閉塞制式下,通過車地間的不間斷通信,控制中心根據(jù)列車實(shí)際的速度和位置、線路狀態(tài)等信息進(jìn)行安全制動(dòng)計(jì)算,并發(fā)送MA至車載設(shè)備。車載設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督,當(dāng)列車運(yùn)行速度超過緊急制動(dòng)觸發(fā)速度時(shí)立即采取緊急制動(dòng),從而保證列車在MA范圍內(nèi)安全停車[14]。此時(shí)MA終點(diǎn)在最不利的情況下不能越過前車尾部,這是一種絕對(duì)制動(dòng),列車B的目標(biāo)速度vB=0;與只考慮前行列車的位置,不考慮其速度信息的絕對(duì)制動(dòng)模式不同。虛擬編組場(chǎng)景下,相鄰列車間基于車車通信可以不斷交換各自的速度、位置、線路狀況等信息。這使后車能夠以相對(duì)制動(dòng)的控車策略和前車保持在一定距離范圍內(nèi)協(xié)同運(yùn)行,列車間隔不再是基于前車靜止而是基于兩車相對(duì)速度和位置,此時(shí)列車B目標(biāo)速度vB=vA。顯然虛擬編組下列車間的追蹤間隔可以得到明顯減小[15]。

圖2 三種列車控制方式追蹤間隔對(duì)比

(2)列車編組計(jì)劃方面

從列車編組方案角度來看,虛擬編組可以實(shí)現(xiàn)靈活高效的列車耦合和解耦,其作為一種前沿的列車動(dòng)態(tài)編組技術(shù),將對(duì)未來地鐵列車運(yùn)行計(jì)劃編制產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

傳統(tǒng)的列車編組方案包括多編組和可變編組,如圖3所示。多編組是指針對(duì)線路在不同時(shí)段具有的不同客流特征,按照大編組、小編組或是大小編組混跑方式組織運(yùn)營(yíng)的一種列車開行方案?？勺兙幗M可實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)營(yíng)途中調(diào)整編組,使行車密度視客流量需求變化。雖然可變編組技術(shù)靈活,但列車仍需通過物理連接來實(shí)現(xiàn),這種技術(shù)的缺點(diǎn)是作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng),且對(duì)車站條件、設(shè)備要求較高[16]。虛擬耦合編隊(duì)中各單元列車間通過虛擬車鉤的方式連接,又稱邏輯連接。在列車編隊(duì)運(yùn)行過程中,根據(jù)線路在不同時(shí)段、不同區(qū)段的客流差異,靈活地改變編隊(duì)中列車數(shù)量,更好地匹配不同區(qū)段、不同時(shí)間的客流需求,表1為不同列車編組方案組織特點(diǎn)和適用范圍[17]。

表1 不同列車編組方案的組織特點(diǎn)和適用范圍

圖3 不同列車編組方案概況

2 列車耦合和解耦過程分析

列車耦合和解耦是實(shí)現(xiàn)虛擬編組的關(guān)鍵技術(shù)問題,以兩列車的區(qū)間耦合和解耦為研究對(duì)象,展開描述列車耦合和解耦過程。為方便表述,將領(lǐng)航列車簡(jiǎn)稱為“前車”,跟隨列車簡(jiǎn)稱為“后車”。

2.1 列車耦合過程

滿足虛擬編組功能的CBTC系統(tǒng)中,列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)負(fù)責(zé)監(jiān)督管理列車耦合功能,具體功能包括列車耦合計(jì)劃的制定、虛擬耦合編隊(duì)的管理、耦合區(qū)域的選擇,實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 列車耦合過程

Step1:ATS設(shè)備向區(qū)域控制器(ZC)發(fā)送列車耦合計(jì)劃,具體包括耦合區(qū)域的起止點(diǎn)、待耦合列車的前后關(guān)系、列車ID等信息。ZC為前車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)(MA),并發(fā)送預(yù)告信號(hào)給前車的ATP車載設(shè)備,當(dāng)車載設(shè)備給出確認(rèn)回應(yīng),ZC再將耦合計(jì)劃信息發(fā)送到車載設(shè)備。

Step2:當(dāng)收到耦合信息時(shí),前車車載ATP持續(xù)監(jiān)測(cè)耦合編隊(duì)的完整性,確定是否完成列車耦合,編隊(duì)完整性檢查基于車車通信實(shí)現(xiàn)。若完成耦合,后車將發(fā)送耦合完成的標(biāo)志信息。

Step3:當(dāng)后車接近前車時(shí),ZC給后車發(fā)送耦合區(qū)域的起止點(diǎn)、前車ID等信息,后車車載ATP也時(shí)刻檢查與前車是否完成列車耦合。

Step4:后車通過車車通信向前車注冊(cè)信息,前車收到信息后返回注冊(cè)請(qǐng)求,之后兩列車向ZC返回注冊(cè)成功結(jié)果。完成注冊(cè)后,列車的車車通信設(shè)備完成連接。至此,兩列車可將各自的速度、位置和速度曲線數(shù)據(jù)通過車車通信發(fā)送給對(duì)方。

Step5:在車車通信建立完成后,ZC將不再為后車提供移動(dòng)授權(quán)。后車的車載虛擬編組控制模塊根據(jù)前車數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)為本車計(jì)算控制策略,控制列車完成耦合任務(wù)。

Step6:當(dāng)前車運(yùn)行到耦合區(qū)域終點(diǎn)時(shí),后車檢查其與前車的速度差和間隔,只有列車速度差、追蹤間隔在規(guī)定閾值范圍時(shí)才認(rèn)定為完成耦合。

綜上可以發(fā)現(xiàn),列車耦合的關(guān)鍵在于車車通信建立后,后車對(duì)于前車的追蹤。由于在列車耦合過程中前車按照既定的行車曲線運(yùn)行,因此列車耦合本質(zhì)上為一個(gè)已知前車速度曲線的列車追蹤問題。從運(yùn)營(yíng)的角度來看,由于區(qū)間距離和最高限速的約束,耦合過程中后車的運(yùn)行速度不能超過區(qū)間限速,且理論上耦合所需的最小區(qū)間距離不能超過區(qū)間的站間距。理想情況下,推薦后車采用“最大牽引-巡航-最大制動(dòng)”節(jié)時(shí)操縱策略進(jìn)行追蹤耦合。

2.2 列車解耦過程

列車完成耦合后處于虛擬耦合編隊(duì)狀態(tài),列車共享同一段運(yùn)行區(qū)間協(xié)同運(yùn)行。當(dāng)耦合編隊(duì)接近收到解耦指令時(shí)需進(jìn)行列車解耦作業(yè)。列車解耦的具體實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 列車解耦過程

Step1:當(dāng)前車的移動(dòng)授權(quán)與解耦區(qū)域重疊時(shí),ZC發(fā)送預(yù)告信息給前車車載設(shè)備,前車回應(yīng)后,ZC會(huì)將解耦信息再次發(fā)送至車載設(shè)備。

Step2:ZC提供移動(dòng)授權(quán)和既定的速度曲線信息給前車車載ATP,前車在解耦區(qū)域內(nèi)按照曲線行車,后車的虛擬編組控制模塊生成速度曲線,保證后車運(yùn)行速度小于前車。

Step3:前后列車根據(jù)各自的速度運(yùn)行曲線運(yùn)行,運(yùn)行過程中后車車載ATP實(shí)時(shí)監(jiān)控兩車相對(duì)速度和追蹤間距。

Step4:當(dāng)前車將要駛出解耦區(qū)域時(shí),檢查前后列車是否滿足斷開通信的條件。若滿足,前車注銷后車的信息,車車通信鏈接斷開,ZC給后車更新MA。若不滿足,則前車向ZC申請(qǐng)延長(zhǎng)解耦區(qū)域,繼續(xù)執(zhí)行解耦。

Step5:當(dāng)前車駛出解耦區(qū)域時(shí),后車向ZC報(bào)告解耦完成,完成解耦過程。

列車的解耦是耦合的逆過程,與列車耦合類似,前車在既定的速度曲線下行車,后車通過車載控制模塊,根據(jù)前車速度及位置等信息生成行車曲線,不斷增加與前車的追蹤間隔,直至滿足解耦條件。從運(yùn)營(yíng)的角度來看,后車在解耦過程中需降速,這會(huì)導(dǎo)致一定的運(yùn)輸能力損失,因此,為保障線路行車效率,后車在解耦過程中,可采用“最大制動(dòng)-巡航-最大牽引”節(jié)時(shí)操縱策略運(yùn)行。

3 虛擬編組列車運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案

虛擬編組場(chǎng)景下列車的耦合和解耦需要經(jīng)歷不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,參考相關(guān)研究[18-22],設(shè)計(jì)了一種虛擬編組列車運(yùn)行方案框架,將虛擬編組下的列車運(yùn)行狀態(tài)分為五類:移動(dòng)閉塞運(yùn)行狀態(tài)、列車耦合狀態(tài)、虛擬耦合編隊(duì)狀態(tài)、意外解耦狀態(tài)、列車計(jì)劃解耦狀態(tài),如圖6所示。

圖6 虛擬編組場(chǎng)景下列車運(yùn)行狀態(tài)

狀態(tài)1:初始狀態(tài)列車在移動(dòng)閉塞下運(yùn)行,列車間的追蹤間隔需滿足絕對(duì)制動(dòng)距離Lm。其中,EoA為移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn),Sm為安全防護(hù)距離,其長(zhǎng)度是EoA至列車尾的距離。

狀態(tài)2:當(dāng)前后列車需要進(jìn)行耦合時(shí),后車將從移動(dòng)閉塞狀態(tài)過渡到列車耦合運(yùn)行狀態(tài)。列車耦合狀態(tài)下后車需要追蹤前車與其協(xié)調(diào)速度接近vA(|vB-vA|≤thv),thv為速度閾值。追蹤過程中前車通過的距離稱為協(xié)調(diào)距離Lc,完成虛擬編隊(duì)所經(jīng)歷的時(shí)間稱為協(xié)調(diào)時(shí)間tcoord(Lc=tcoord·vA)。根據(jù)前后列車的速度關(guān)系列車耦合可分為兩種情況,vBvA。

(1)當(dāng)vB

(2)當(dāng)vB>vA時(shí),后車需減速至與前車相同速度,并調(diào)整兩列車間距以滿足虛擬編隊(duì)目標(biāo)距離。

狀態(tài)3:前后列車耦合完成后,此時(shí)兩列車進(jìn)入虛擬耦合編隊(duì)狀態(tài),兩列車將以相同的速度加速、減速和制動(dòng),耦合編隊(duì)中列車追蹤過程如圖7所示。

圖7 虛擬耦合編隊(duì)列車安全追蹤示意

處于虛擬耦合編隊(duì)中列車的速度vk、位置sk可表示為

(2)

式中,vk-1、sk-1、ak-1分別為列車前一步長(zhǎng)的速度、位置和加速度;Δt為單步長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)度。其中,后車前一步長(zhǎng)的加速度取值與前車加速度相關(guān),表示為式中,T(vk-1)為后車牽引力取值;M為列車質(zhì)量;ρ為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;bmax為列車最大制動(dòng)率;R為運(yùn)行阻力,與坡度φ和曲線半徑r相關(guān)。

(3)

狀態(tài)4:虛擬耦合編隊(duì)運(yùn)行狀態(tài)下,后車以前車速度曲線作為參考行車,但是由于外界干擾的存在(如坡度變化),列車實(shí)際運(yùn)行曲線可能與參考曲線產(chǎn)生偏差,列車間距會(huì)逐漸拉大或縮小。當(dāng)間距超過閾值ths時(shí),列車進(jìn)入意外解耦狀態(tài),此時(shí)列車需要向ZC請(qǐng)求,重新進(jìn)入狀態(tài)2開始列車耦合。此外,在耦合編隊(duì)運(yùn)行過程中也可能出現(xiàn)因車車通信中斷導(dǎo)致的不可控狀態(tài)場(chǎng)景。該場(chǎng)景下,后車無法獲取準(zhǔn)確的列車間隔,從而不能計(jì)算控制策略。前車應(yīng)立即向ZC報(bào)告本車運(yùn)行狀態(tài),ZC命令后車切換至狀態(tài)1,并且嘗試重新連接。若重新連接成功,后車立即切換至狀態(tài)2。若重連失敗,則立即緊急制動(dòng),等待ZC指示。車車通信中斷場(chǎng)景下,如何保證列車安全運(yùn)行也是虛擬編組技術(shù)研究的重點(diǎn)問題,未來可作為進(jìn)一步深化研究的方向。

狀態(tài)5:當(dāng)耦合編隊(duì)收到解耦指令時(shí),后車需要減速增距與前車解除耦合狀態(tài),解耦后的列車將繼續(xù)在移動(dòng)閉塞下運(yùn)行。為提高行車效率后車可采用“最大制動(dòng)-巡航-最大牽引”的操縱策略增加與前車的間隔距離,直至滿足移動(dòng)閉塞下的行車間隔要求。

虛擬編組場(chǎng)景下,各階段列車的運(yùn)行狀態(tài)可以通過牛頓運(yùn)動(dòng)公式與時(shí)間步長(zhǎng)積分獲取。當(dāng)列車處于移動(dòng)閉塞運(yùn)行狀態(tài)、列車耦合狀態(tài)、意外解耦狀態(tài)、列車計(jì)劃解耦狀態(tài)時(shí),當(dāng)前列車的速度vk、位置sk可表示為

(4)

F(vk-1)與列車運(yùn)行工況有關(guān),可表示為

(5)

4 實(shí)驗(yàn)分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下:前后列車最大加減速度均為1 m/s2;通信延遲時(shí)間tdelay=0.2 s;安全防護(hù)距離Sm=10 m。在不考慮坡道坡度、區(qū)間限速以及意外解耦的理想運(yùn)行條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同追蹤模式下列車運(yùn)行速度對(duì)安全間隔的影響,如圖8所示。相同運(yùn)行速度時(shí),虛擬耦合編隊(duì)中列車的最小安全間隔遠(yuǎn)小于移動(dòng)閉塞模式,且隨著列車運(yùn)行速度增加,二者之差會(huì)越來越大。當(dāng)列車運(yùn)行速度在60 km/h時(shí),耦合編隊(duì)中列車安全間隔相比傳統(tǒng)方式下,縮短了71.7%;當(dāng)列車運(yùn)行速度在160 km/h時(shí),安全間隔縮短了86.1%,這也說明虛擬編組技術(shù)更加適用列車高速運(yùn)行場(chǎng)景。

圖8 不同追蹤模式下運(yùn)行速度對(duì)列車安全間隔的影響

選取0.6～1.4 m/s2作為前后列車制動(dòng)率取值范圍,獲取不同列車制動(dòng)率組合下的耦合編隊(duì)列車最小安全間隔,如圖9所示。

圖9 不同制動(dòng)率組合下耦合編隊(duì)列車最小安全間隔

固定耦合編隊(duì)運(yùn)行速度下,編隊(duì)中后車相對(duì)前車制動(dòng)率越高,列車最小安全間隔越小。相應(yīng)地,后車相對(duì)前車制動(dòng)率越小,列車最小安全間隔距離越大。以耦合編隊(duì)運(yùn)行速度120 km/h為例,當(dāng)后車制動(dòng)率≮1 m/s2,前車制動(dòng)率≯0.8 m/s2時(shí),編隊(duì)最小安全間隔理論上可取到安全防護(hù)距離,在本研究中為10 m。

此外,在固定的耦合編隊(duì)運(yùn)行速度下,前車與后車制動(dòng)性能相同時(shí),編隊(duì)中列車最小安全間隔近似恒定。以編隊(duì)運(yùn)行速度80 km/h為例,相鄰列車無制動(dòng)性能差異時(shí),最小安全距離為50 m左右,如表2所示。

表2 80 km/h速度下不同列車制動(dòng)率組合的耦合編隊(duì)最小安全間隔 m

如若在列車型號(hào)相近的城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi),列車間基本沒有制動(dòng)性能差異,因此,恒定耦合編隊(duì)運(yùn)行速度下存在著唯一對(duì)應(yīng)的編隊(duì)列車最小間隔。

5 結(jié)語

虛擬編組技術(shù)基于車車通信協(xié)調(diào)列車運(yùn)行的各個(gè)階段,能夠有效縮短列車間隔,提升線路能力,實(shí)現(xiàn)“空間維度安全、時(shí)間維度更近”的高效運(yùn)營(yíng),當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于虛擬編組技術(shù)的研究尚處于起步階段。本文總結(jié)了虛擬編組相對(duì)傳統(tǒng)列控和編組技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在,并基于列車耦合和解耦過程,構(gòu)建了一套虛擬編組列車運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案,對(duì)不同列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行解析,并通過仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了虛擬編組技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)追蹤方式的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。