城市軌道交通全自動運行場景下聯(lián)掛/解編技術(shù)方案研究

童 超

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043）

1 研究背景

隨著全國各地軌道交通線網(wǎng)的逐漸完善，新建線路均面臨著初期客流不足、高峰客流較大、平峰客流較小的問題，客流量通常在時間上分布不均，每日有明顯的客流高峰和平峰。高峰時段需投入更多的列車以提高運營能力，平峰時段需減少運營列車，減少空車運行[1-4]。這就需要一種既能解決客流時間上空間上分布不均勻，又能縮短平峰期運營間隔的方式，即采用不同編組列車進(jìn)行混合運營。在高峰時段采用8 節(jié)或6 節(jié)長編組列車，在平峰時段將長編組列車解編為2 列4 節(jié)或3 節(jié)的短編組列車運營，這樣可在保證運營間隔，不過多延長乘客等待時間的情況下提高載客率，減少空車運行。

然而，目前的城市軌道交通列車控制系統(tǒng)，普遍要求運營列車必須是固定編組，基本不支持列車的動態(tài)聯(lián)掛和解編功能。隨著城市軌道交通新技術(shù)的提升應(yīng)用，在全自動運行系統(tǒng)上實現(xiàn)列車在線聯(lián)掛/解編，已經(jīng)成為軌道交通全自動運行的趨勢[5-9]。以廈門市地鐵9 號線客流特征和運營需求為模型，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計方案研究。

2 全自動運行聯(lián)掛/解編場景分析

全自動聯(lián)掛/解編和人工聯(lián)掛/解編在聯(lián)掛環(huán)節(jié)主要區(qū)別在于，人工聯(lián)掛/解編時聯(lián)掛由司機(jī)駕駛車輛進(jìn)行目視作業(yè)，司機(jī)人工控車，操控相對容易，自動聯(lián)掛/解編時聯(lián)掛在指定區(qū)域?qū)嵤?，無需司機(jī)干預(yù)，支持有人值守的全自動運行(DTO)和無人值守的全自動運行(UTO)場景。相對于有司機(jī)駕駛模式，全自動無人駕駛運行場景下的聯(lián)掛/解編系統(tǒng)要復(fù)雜的多[10-12]。

2.1 自動聯(lián)掛/解編的前提條件

全自動系統(tǒng)的列車在線聯(lián)掛/解編作業(yè)，需要預(yù)先定義自動聯(lián)掛/解編作業(yè)的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)列車運行自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、區(qū)域控制器(ZC)、車載終端(VOBC)彼此通信，確定列車處于無人駕駛模式下，區(qū)域內(nèi)無障礙物影響，所有車門關(guān)閉并鎖閉，列車沒有移動授權(quán)，列車有完整性。聯(lián)掛過程中，一列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)自動控制另一列車在速度允許范圍內(nèi)移動，向靜止的列車靠近并聯(lián)掛。

2.2 列車自動聯(lián)掛前準(zhǔn)備工作

列車1 以全自動駕駛模式(FAM)駛向被聯(lián)掛停車點停穩(wěn)，列車2以FAM模式駛向聯(lián)掛目標(biāo)列車1，距離列車1 車尾4 m 時停穩(wěn)。兩列車處于靜止?fàn)顟B(tài)，ATS 系統(tǒng)設(shè)置列車1、列車2，兩列車為聯(lián)掛發(fā)起方和目標(biāo)方，兩列車向ATS發(fā)送報告，表示可以準(zhǔn)備成為聯(lián)掛的發(fā)起方(假設(shè)列車1)和目標(biāo)方(假設(shè)列車2)。ATS 操作員可以設(shè)置發(fā)送自動聯(lián)掛命令，系統(tǒng)收到命令，自動排列一條從列車2到列車1的進(jìn)路。進(jìn)路排出后，ZC 給ATS 報告，列車2 的移動授權(quán)延伸到的障礙物是列車1。ATS 系統(tǒng)收到ZC 的報告后，允許操作員發(fā)送自動聯(lián)掛命令給列車1和列車2，啟動自動聯(lián)掛作業(yè)。列車2成為聯(lián)掛發(fā)起方，列車1 處于自動聯(lián)掛區(qū)域內(nèi)，且施加了緊急制動(EB)，成為聯(lián)掛目標(biāo)方。全自動場景列車聯(lián)掛準(zhǔn)備過程示意圖如圖1所示。

圖1 全自動場景列車聯(lián)掛準(zhǔn)備過程示意圖Fig.1 Train coupling preparation in fully automatic scene

2.3 列車自動聯(lián)掛過程

當(dāng)列車2 距離列車1 最小距離4 m 時且系統(tǒng)聯(lián)掛準(zhǔn)備工作就緒，列車2 自動啟動慢速前行模式進(jìn)一步靠近列車1，當(dāng)列車2 靠近距其限制授權(quán)(LMA)一段短距離時，列車2 以更低限速與列車1實現(xiàn)聯(lián)掛，列車1 將被允許在不超過LMA 外的一段安全距離范圍移動，以便列車1 的車鉤可以聯(lián)掛到列車2 車鉤。全自動場景列車聯(lián)掛過程示意圖如圖2所示。

圖2 全自動場景列車聯(lián)掛過程示意圖Fig.2 Train coupling in fully automatic scene

2.4 列車自動聯(lián)掛后檢測

ATS系統(tǒng)收到自動聯(lián)掛命令后，列車完整性在一段時間內(nèi)暫時丟失，并且必須在限定的時間內(nèi)恢復(fù)，否則系統(tǒng)認(rèn)為聯(lián)掛操作失敗，一旦列車完整性重新建立，信號系統(tǒng)將自動計算聯(lián)掛后全新列車的編組長度，自動重新建立列車網(wǎng)絡(luò)，重新建立列車圖標(biāo)，重新建立無人駕駛模式，緩解EB。中央ATS調(diào)度員收到自動聯(lián)掛作業(yè)命令后，系統(tǒng)全程監(jiān)督自動聯(lián)掛作業(yè)過程，如果列車1不具備自動聯(lián)掛條件或?qū)?yīng)的移動授權(quán)沒有到達(dá)聯(lián)掛目標(biāo)點，ATS 系統(tǒng)命令自動停車并取消自動聯(lián)掛。全自動場景聯(lián)掛后檢測示意圖如圖3所示。

圖3 全自動場景聯(lián)掛后檢測示意圖Fig.3 Detection after coupling in fully automatic scene

2.5 聯(lián)掛列車自動解編過程

一列長編組列車停在聯(lián)掛/解編區(qū)域，ATS發(fā)送解編命令給所有可用的VOBC。當(dāng)所有可用的VOBC 在經(jīng)過一段時間內(nèi)收到解編命令，激活的VOBC 輸出解編命令給列車1 和列車2，車輛電氣車鉤鉤頭自動縮回，機(jī)械車鉤鉤頭自動脫離。當(dāng)解編命令輸出后，列車完整性在一段時間內(nèi)暫時丟失，車輛完整性檢測重新建立后，車載信號系統(tǒng)自動重新計算列車編組長度。列車1、列車2 的圖標(biāo)建立，無人駕駛模式重新建立，緩解EB，系統(tǒng)判定列車自動解編作業(yè)成功。列車收到ZC 的移動授權(quán)，系統(tǒng)將自動建立全新編組列車的車次號，ATS排出一條進(jìn)路讓列車2 遠(yuǎn)離列車1。自動解編后的全新編組列車?yán)^續(xù)按照無人駕駛模式運行。聯(lián)掛列車自動解編過程示意圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)掛列車自動解編過程示意圖Fig. 4 Automatic uncoupling of train

3 全自動運行場景下聯(lián)掛/解編方案設(shè)計

3.1 聯(lián)掛/解編區(qū)域的選擇

列車聯(lián)掛過程中會產(chǎn)生低速碰撞，需要在清客狀態(tài)下進(jìn)行，聯(lián)掛/解編功能建議選擇在正線存車線、終端折返線、車輛段牽出線和車輛段庫線。

聯(lián)掛/解編區(qū)域配線長度應(yīng)至少考慮2列車(含包絡(luò))+安全防護(hù)距離+2列車一度停車間距，聯(lián)掛/解編區(qū)域坡度≤2‰，聯(lián)掛/解編區(qū)域曲線半徑R≥600 m，通常選在起終點站、大小交路折返站、有配線車站。廈門市地鐵9號線聯(lián)掛/解編區(qū)域選擇示意圖如圖5所示。

圖5 聯(lián)掛/解編區(qū)域選擇示意圖Fig.5 Selection of coupling/ uncoupling areas

3.2 聯(lián)掛/解編能力計算

（1）聯(lián)掛能力。全自動運行場景下，2組(3+3)列車連續(xù)聯(lián)掛作業(yè)時間初步理論估算約327 s (約5.5 min)。1 h 最大可滿足11 組(3+3)列車的聯(lián)掛。全自動場景列車聯(lián)掛用時如圖6所示。

圖6 全自動場景列車聯(lián)掛用時Fig.6 Time of train coupling in fully automatic scene

（2）解編能力。2 組(3+3)列車連續(xù)解編作業(yè)時間初步理論估算約300 s (約5 min)。1 h最大可滿足12 組(3+3)列車的解編。全自動場景列車解編用時如圖7所示。

圖7 全自動場景列車解編用時Fig.7 Time of train uncoupling in fully automatic scene

3.3 車輛及接口設(shè)計

6 編組列車長度約118.6 m (含車鉤)，3+3編組列車長度約119.8 m (含車鉤)，車長增加1.2 m。車輛車鉤包含機(jī)械掛鉤和電氣掛鉤，聯(lián)掛車輛需采用全自動車鉤，實現(xiàn)低速碰撞后2 列車的硬連接，車鉤強(qiáng)度需滿足5 km/h 及以下速度反復(fù)碰撞聯(lián)掛的要求[13]。列車聯(lián)掛后貫通電氣及網(wǎng)絡(luò)，形成統(tǒng)一的控制平臺。車輛性能參數(shù)滿足聯(lián)掛/解編作業(yè)需求，車輛車鉤需新增電氣接口、機(jī)械接口、通信接口等硬線接口。

車輛掛鉤需新增電氣掛鉤聯(lián)掛狀態(tài)、機(jī)械掛鉤聯(lián)掛狀態(tài)、解編電氣鉤命令、解編機(jī)械鉤命令、對中狀態(tài)等繼電接口。聯(lián)掛車輛將2 列固定編組列車整合為統(tǒng)一的車輛平臺進(jìn)行控制，車輛牽引、制動、車門狀態(tài)、緊急手柄、障礙物檢測等狀態(tài)通過新增信息接口傳輸，車輛通過通信接口為信號系統(tǒng)提供重聯(lián)列車車組號，重聯(lián)車端以及聯(lián)掛命令信息指令聯(lián)掛。車輛網(wǎng)絡(luò)采用冗余的物理雙網(wǎng)，并為信號系統(tǒng)劃分獨立的邏輯通道，以實現(xiàn)信號與車輛的網(wǎng)絡(luò)融合。

3.4 站臺門布置設(shè)計

根據(jù)車輛長度、車門尺寸信息，調(diào)整滑動門間距、站臺門布置總長(約115.28 m)，適應(yīng)3+3 編組列車?？俊Ｕ九_門控制系統(tǒng)的軟件需進(jìn)行調(diào)整，增加與信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)等接口內(nèi)容，根據(jù)不同編組列車聯(lián)動不同站臺門及對位隔離功能。站臺門布置示意圖如圖8所示。

圖8 站臺門布置示意圖Fig.8 Layout of platform door

3.5 信號系統(tǒng)設(shè)計

信號系統(tǒng)設(shè)計聯(lián)掛/解編應(yīng)用，配置聯(lián)掛/解編區(qū)域，正線、列檢庫新增3 編組列車尾端停車點及對應(yīng)信標(biāo)。需要對信號系統(tǒng)列車控制系統(tǒng)(ATC)、列車自動防護(hù)系統(tǒng)(ATP)、列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)、運營維護(hù)系統(tǒng)(MSS)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)(CI)等子系統(tǒng)功能進(jìn)行調(diào)整。

ATC 子系統(tǒng)增加車載ATP 軟件聯(lián)掛/解編模式，軌旁ATP增加列車長度和編組信息。ATS子系統(tǒng)對聯(lián)掛/解編列車進(jìn)行識別、顯示及混合運營的調(diào)度管理，MSS子系統(tǒng)站臺門采集模塊用于3編組列車開關(guān)門采集及告警。聯(lián)鎖子系統(tǒng)需要設(shè)計新的進(jìn)路屬性，能排列進(jìn)路使后車進(jìn)入已有前車占用的聯(lián)掛解編區(qū)域，并在完成聯(lián)掛/解編過程后，能排列出站進(jìn)路以ATO/ATP 模式出站；CI-PSD 驅(qū)動板卡用于3 編組站臺門打開，車載設(shè)備增加聯(lián)掛檢測電路、通信設(shè)備。

信號系統(tǒng)為車輛提供安全聯(lián)掛狀態(tài)、列車編組信息、聯(lián)掛/解編控制信息、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)信息等，為廣播、乘客信息(PIS)等系統(tǒng)提供不同類型列車的到站、離站信息等，為站臺門系統(tǒng)提供不同編組列車的開門命令及對位隔離信息等。特殊地點計軸點布置考慮解編后小編組故障列車的識別，在正線定義區(qū)域及車輛段股道增設(shè)識別篩選計軸設(shè)備，在站臺區(qū)域、存車線折返線、停車列檢庫增設(shè)精確停車應(yīng)答器。

3.6 其他系統(tǒng)設(shè)計

3 編組或3+3 編組列車在線運營時，通信、PIS、綜合監(jiān)控等系統(tǒng)需要為乘客提供相關(guān)廣播及視頻顯示，車站廣播在現(xiàn)有通信站臺廣播接口的基礎(chǔ)上，增加對應(yīng)編組列車相關(guān)車站廣播信息的發(fā)送，車站PIS需要在現(xiàn)有PIS接口基礎(chǔ)上增加3編組或3+3 編組列車在線運營時的相關(guān)顯示及開門信息，綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要修改ATS、現(xiàn)地界面，實現(xiàn)3 編組、3+3 編組列車的標(biāo)識、顯示虛擬編組運行圖繪制等，根據(jù)編組列車的方式，綜合監(jiān)控與站臺門接口修改點表、故障報警等信息。其他洗車、站臺門接口、車輛段停車等根據(jù)全自動運行場景需求做對應(yīng)的設(shè)計。

4 結(jié)束語

軌道交通運營中全天采用固定編組列車，不適應(yīng)客流變化，也造成不同程度的能耗浪費。采用靈活編組的運營方式，高峰期開行大編組列車，平峰期開行小編組列車，可降低配屬列車數(shù)[14-15]，與客流適應(yīng)性好，能夠應(yīng)對客流風(fēng)險，降低運營能耗及運營成本，提高軌道交通服務(wù)水平。