城市軌道交通信號(hào)與車輛融合控制技術(shù)研究

劉小龍,朱今朝,龍 飛

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和一系列城市化進(jìn)程，城市軌道交通因其運(yùn)量大、速度快等特點(diǎn)，成為解決城市交通問(wèn)題的主要手段[1]。截至2020 年底，中國(guó)大陸共45 個(gè)城市開(kāi)通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)里程7 969.7 km，投運(yùn)車站4 681 座，2020 年客運(yùn)量175.9 億人次，運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平、運(yùn)營(yíng)安全、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性面臨突出挑戰(zhàn)[2]。2020 年9 月習(xí)近平主席在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上發(fā)表重要講話，表明應(yīng)對(duì)氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉(zhuǎn)型的大方向，中國(guó)將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和[3]。2020 年3 月中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，部署以智能技術(shù)裝備體系下的課題研究，全面提升列車控制自動(dòng)化、智能化和運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平。

軌道交通行業(yè)建設(shè)轉(zhuǎn)向了新階段：涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)全流程，綜合考慮降低全生命周期成本、提高服務(wù)水平和低碳綠色環(huán)保的精細(xì)化建設(shè)和管理階段[4]。因此，本文提出一種信號(hào)和車輛的融合技術(shù)，設(shè)計(jì)了融合系統(tǒng)的控制架構(gòu)，將信號(hào)控制和車輛控制融合成一個(gè)控制程序，即融合控制器，該融合技術(shù)消除了車輛和信號(hào)控制的邊界，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和數(shù)據(jù)交互性能，改善了乘客體驗(yàn)，提升了設(shè)備和運(yùn)營(yíng)管理水平，提高了系統(tǒng)智能化水平，使融合系統(tǒng)更加低碳、節(jié)能。

1 融合系統(tǒng)方案

1.1 融合系統(tǒng)架構(gòu)

融合系統(tǒng)是基于集約型網(wǎng)絡(luò)、一體化平臺(tái)的地鐵融合控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護(hù)工具等。融合系統(tǒng)在國(guó)家發(fā)改委示范工程“列車自主運(yùn)行系統(tǒng)”現(xiàn)有成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化研究和拓展應(yīng)用，以“安全可靠、高效便捷、綠色環(huán)保”為目標(biāo)，重點(diǎn)對(duì)軌道車輛以及車載核心系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)，構(gòu)建列車智能控制一體化解決方案。信號(hào)與車輛融合的架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 融合系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Fusion system architecture diagram

融合系統(tǒng)中，融合OCU 代替了傳統(tǒng)系統(tǒng)中ATO 和CCU 的控制功能，減少了系統(tǒng)接口，縮短了數(shù)據(jù)鏈路，硬件設(shè)備也實(shí)現(xiàn)了融合[5]。本地控制單元用于處理車輛硬線I/O 控制、牽引和制動(dòng)輸入/輸出控制，當(dāng)中央控制中心由于故障等原因降級(jí)時(shí)[6]，本地控制單元在降級(jí)模式下承擔(dān)牽引制動(dòng)的本地控制功能。

融合OCU 采用冗余以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，使用TRDP協(xié)議，各個(gè)控制單元和車輛子系統(tǒng)之間通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互[7]。融合OCU 為雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)，當(dāng)一系出現(xiàn)故障時(shí)，另外一系自動(dòng)升級(jí)為主系[8]。

融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Fusion system structure diagram

1.2 融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基于大帶寬、高實(shí)時(shí)的以太網(wǎng)，融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將所有列車控制相關(guān)設(shè)備均作為節(jié)點(diǎn)納入統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理。融合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信遵循IEC 61375 標(biāo)準(zhǔn)，基于融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控車具有高帶寬、低延時(shí)、綜合優(yōu)化控制的優(yōu)點(diǎn)。融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用多網(wǎng)融合設(shè)計(jì)，車載、牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)多系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度控制[9]。融合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)為安全架構(gòu)，使用冗余網(wǎng)絡(luò)配置，車輛級(jí)和列車級(jí)均為故障導(dǎo)向，系統(tǒng)安全可靠。

2 融合系統(tǒng)功能及優(yōu)化

2.1 單車及多車節(jié)能運(yùn)行控制功能

傳統(tǒng)的信號(hào)與車輛的控車時(shí)效性較差，沖擊率較高，乘客的舒適性較差[10]。融合系統(tǒng)通過(guò)對(duì)惰行的智能控制，合理地調(diào)節(jié)惰行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

單列車整車控制節(jié)能技術(shù)根據(jù)惰行節(jié)能控制原理，在巡航階段根據(jù)線路信息及運(yùn)行情況，智能調(diào)節(jié)列車惰行時(shí)間，提高了乘客舒適性、停站精度。

多車協(xié)同節(jié)能控制技術(shù)基于單列車整車控制節(jié)能技術(shù)，通過(guò)線路級(jí)整體的控制，多車聯(lián)動(dòng)，自動(dòng)生成并優(yōu)化列車運(yùn)行圖，得到列車總凈能耗的全局最優(yōu)解，提升運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)降低能耗[11]。

2.2 融合智能控車優(yōu)化

融合系統(tǒng)中，融合OCU 包含ATO 和TCMS的功能，直接與牽引制動(dòng)系統(tǒng)交互，參與整車牽引力制動(dòng)力計(jì)算和分配。融合后通信鏈路短，時(shí)效性更高。

隨著車輛使用年限的增加，車輛性能不同程度地降低，傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)會(huì)使用保守的減速度值，直接影響停站精度。融合系統(tǒng)使用智能調(diào)節(jié)的站停曲線計(jì)算方法，能夠根據(jù)歷史曲線、實(shí)時(shí)載荷（AW0～AW3）以及實(shí)時(shí)牽引制動(dòng)性能，智能調(diào)整GEBR，根據(jù)不同的線路條件和實(shí)際控車效果，對(duì)站停曲線進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)精確停車的計(jì)算，提高列車精確停車的準(zhǔn)確率，減少站停過(guò)程中的能耗，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能[12]，如圖3 所示。

圖3 融合智能控車流程Fig.3 Integrated intelligent vehicle control flow chart

2.3 融合全自動(dòng)聯(lián)掛解編功能

融合系統(tǒng)直接和車輛子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互通信鏈路短，時(shí)效性更高，基于融合系統(tǒng)架構(gòu)，融合OCU 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)聯(lián)掛解編功能，提高運(yùn)營(yíng)效率，提升乘客體驗(yàn)，如圖4 所示。

圖4 融合全自動(dòng)聯(lián)掛解編功能流程Fig.4 Integrated full-automatic coupling and uncoupling functional flow chart

融合系統(tǒng)的全自動(dòng)聯(lián)掛解編功能流程如下。

中央調(diào)度中心遠(yuǎn)程下發(fā)“聯(lián)掛/解編”指令，由ATP 轉(zhuǎn)發(fā)“聯(lián)掛/解編”指令至融合OCU；

融合OCU 基于“聯(lián)掛/解編”指令，進(jìn)入“聯(lián)掛/解編”工況；

車輛獲取“聯(lián)掛/解編”工況和指令，自動(dòng)執(zhí)行聯(lián)掛或解編；

待聯(lián)掛或解編后，車輛由新的編組組成，通過(guò)車輛硬線輸出“列車完整性”和“駕駛室激活”狀態(tài)；

車輛反饋“聯(lián)掛/解編成功”和編組信息；

ATP 通過(guò)“聯(lián)掛/解編成功”信息以及車輛硬線“列車完整性”，若判定列車完整性丟失，ATP施加緊急制動(dòng)。

2.4 車廂載客量實(shí)時(shí)追蹤引導(dǎo)功能

傳統(tǒng)軌道交通時(shí)常會(huì)出現(xiàn)列車某些車廂非常擁擠而另外一些車廂人數(shù)不多的情況。有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)乘客大量擁擠，導(dǎo)致無(wú)法上車甚至造成列車延誤[13]。

為解決這些問(wèn)題，融合系統(tǒng)采用對(duì)每節(jié)車廂載客量實(shí)時(shí)追蹤技術(shù)。利用車廂攝像頭圖像智能分析每節(jié)車廂的人數(shù)，引導(dǎo)乘客乘車，從而提升運(yùn)營(yíng)效率[14]。

在車廂載客量實(shí)時(shí)追蹤引導(dǎo)功能的流程中，首先在列車車門關(guān)閉鎖緊后，牽引制動(dòng)單元實(shí)時(shí)更新每節(jié)車廂的當(dāng)前載重?cái)?shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給融合OCU，每節(jié)車廂的攝像頭通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)得出每節(jié)車廂的乘客人數(shù)并將數(shù)據(jù)傳送給融合OCU。融合OCU 獲取車廂載重信息和人數(shù)信息，對(duì)比兩者數(shù)據(jù)，而后將載客信息和站臺(tái)號(hào)等信息推送至下一站站臺(tái)PIS/PA，站臺(tái)PIS/PA 獲取消息后，提前在站臺(tái)顯示每節(jié)車廂對(duì)應(yīng)的載客率，向乘客標(biāo)識(shí)出較為空曠的車廂，引導(dǎo)乘客乘車。

2.5 融合智能自檢

融合系統(tǒng)中，融合OCU 直接與車輛各個(gè)子系統(tǒng)交互，融合系統(tǒng)可以逐條指令發(fā)送到車輛各子系統(tǒng)，使用并行處理的方式減少自檢時(shí)間，完成自檢。使用詳細(xì)的反饋結(jié)果替代傳統(tǒng)系統(tǒng)籠統(tǒng)的單一結(jié)果，提高列車的出車效率，減少人工上車喚醒列車的情況，自檢失敗的詳細(xì)子系統(tǒng)信息將上傳給ATS，幫助運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心快速定位自檢失敗的具體位置，有效地提高了自檢的效率和準(zhǔn)確性，提升運(yùn)營(yíng)效率，低碳節(jié)能。

3 融合仿真平臺(tái)測(cè)試與分析

基于融合系統(tǒng)，圍繞著車載控制設(shè)備，以覆蓋軌道交通全系統(tǒng)的思維，建設(shè)一體化仿真平臺(tái)，如圖5 所示。

圖5 融合一體化仿真平臺(tái)Fig.5 Integrated simulation platform

基于融合一體化仿真平臺(tái)測(cè)試，融合功能的性能指標(biāo)提升較大。正線列車設(shè)計(jì)最小追蹤間隔79 s，減少時(shí)間13%，無(wú)線通信延遲時(shí)間減少4.33%，牽引階段時(shí)間減少27.7%，制動(dòng)階段時(shí)間減少13.4%，停站時(shí)間減少16.7%，旅行時(shí)間減少5%，列車停車精度在±0.2 m 的兌現(xiàn)率為99.98%[15]，如表1 所示。

表1 單車運(yùn)行控制算法能耗對(duì)照Tab.1 Comparison of energy consumption of single vehicle operation control algorithm

基于當(dāng)前的融合平臺(tái)，對(duì)單車及多車節(jié)能運(yùn)行控制功能進(jìn)行仿真測(cè)試，和傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)比得出的性能和能耗數(shù)據(jù)如表2 所示，可以看出融合后的系統(tǒng)大大節(jié)省了系統(tǒng)能耗。

表2 多車協(xié)同節(jié)能優(yōu)化控制能耗對(duì)照Tab.2 Comparison of energy consumption of multi-vehicle collaborative energy-saving optimization control

通過(guò)融合一體化仿真平臺(tái)得到的智能自檢測(cè)試數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 智能自檢測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Intelligent self-test data

通過(guò)仿真分析與對(duì)比得出信號(hào)與車輛融合系統(tǒng)，對(duì)單車進(jìn)行的控制策略優(yōu)化，預(yù)計(jì)將減少14%的牽引能耗，對(duì)多車協(xié)同的節(jié)能控制技術(shù)的應(yīng)用，在小發(fā)車間隔和大發(fā)車間隔下，將分別減少17%和10%的牽引凈能耗。傳統(tǒng)系統(tǒng)中信號(hào)與車輛的聯(lián)合自檢，大約34 min，融合后理想情況下縮短為28 min，約提升20%。融合智能控車優(yōu)化，融合全自動(dòng)聯(lián)掛/解編功能以及車廂載客量實(shí)時(shí)追蹤引導(dǎo)功能，預(yù)計(jì)將帶來(lái)10%左右的效率提升，減少20%左右能耗。總體來(lái)看，信號(hào)與車輛融合系統(tǒng)的應(yīng)用可減少10%的車載設(shè)備、15%的設(shè)備面積、30%的現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試時(shí)間、30%的維護(hù)工作量，系統(tǒng)全壽命周期成本約降低20%，融合系統(tǒng)的使用將帶來(lái)“20%能耗降低，10%運(yùn)能提升，10%用車減少”。

4 結(jié)論

信號(hào)與車輛融合系統(tǒng)作為下一代技術(shù)的發(fā)展方向，其優(yōu)點(diǎn)在于重新界定了信號(hào)和車輛的邊界，由車載融合OCU 統(tǒng)一運(yùn)算和控制，精簡(jiǎn)了控制架構(gòu)，融合系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余架構(gòu)，能更好地協(xié)同控制和進(jìn)行故障導(dǎo)向，提高控車精度，縮小運(yùn)行間隔，抑制列車沖動(dòng)，減少閘瓦磨耗，并且提高了車載系統(tǒng)的可靠性，發(fā)生故障時(shí)縮小對(duì)系統(tǒng)的影響范圍，提高列車的可用性。融合控制系統(tǒng)還承擔(dān)對(duì)車輛自身狀態(tài)監(jiān)測(cè)和健康管理功能，降低了維護(hù)成本，減少了維護(hù)工作量以及維護(hù)難度。融合系統(tǒng)利用智能技術(shù)，提升融合系統(tǒng)整體安全和可靠水平，保障乘客和列車運(yùn)營(yíng)的安全，改善乘客出行體驗(yàn)，提升運(yùn)營(yíng)效率、低碳節(jié)能環(huán)保，具有高安全性、高可靠性、高可用性、高可維護(hù)性的特點(diǎn)。