基于虛擬編組的信號(hào)技術(shù)研究

杜建新，陳麗君，丁建莉，劉禹彤

0 引言

列車虛擬編組的概念最早在歐洲被提出和研究。2019年，CAF公司、龐巴迪公司、西門子公司在Shift2Rail項(xiàng)目中通過(guò)合作的方式，首次在有軌電車上測(cè)試和驗(yàn)證了虛擬聯(lián)掛方案[1]。近些年虛擬編組逐漸成為國(guó)內(nèi)行車控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，筆者認(rèn)為其被討論研究主要有兩點(diǎn)原因：一方面道路交通的駕駛體驗(yàn)和汽車無(wú)人駕駛技術(shù)的進(jìn)步使虛擬編組的概念在感性上容易被接受；另一方面其技術(shù)愿景可以顯著縮短行車追蹤間隔并帶來(lái)行車效率的提升。

在此背景下，本文從信號(hào)專業(yè)的角度研究虛擬編組的技術(shù)特點(diǎn)，分析當(dāng)前信號(hào)控制特點(diǎn)與虛擬編組的關(guān)系，列舉技術(shù)應(yīng)用時(shí)可能的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)，并進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 虛擬編組技術(shù)特點(diǎn)

虛擬編組技術(shù)主要應(yīng)用于前后列車追蹤、協(xié)同運(yùn)行的場(chǎng)景中，借助先進(jìn)的無(wú)線通信、傳感和控制等技術(shù)，基于車與車通信從相鄰列車獲得列車位置、速度、加速度等關(guān)鍵信息，協(xié)同控制相鄰列車間的運(yùn)行速度和間隔距離，形成穩(wěn)定車隊(duì)整體在統(tǒng)一的授權(quán)防護(hù)下運(yùn)行，共同完成列車控制與調(diào)度組織。列車編組運(yùn)行時(shí)的核心功能原理歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）車隊(duì)中的車載OBC（車載控制器）設(shè)備之間通過(guò)交互共享軌道資源；直至車隊(duì)通過(guò)并不再使用軌道資源后，軌道資源才被釋放給其他所需列車/車隊(duì)。

（2）軌旁O(shè)C（地面目標(biāo)控制器）為車隊(duì)預(yù)留道岔、站臺(tái)門等軌旁設(shè)備的控制權(quán)并提供實(shí)時(shí)狀態(tài)。

（3）車隊(duì)中的前后列車形成虛擬編組，列車之間未通過(guò)物理車鉤進(jìn)行電氣連接，但前后兩列車通過(guò)速度、距離控制，對(duì)牽引制動(dòng)的控制形成協(xié)作平衡的動(dòng)態(tài)追蹤關(guān)系。

（4）符合“軟撞墻”安全制動(dòng)模型原則下，車載OBC結(jié)合前車速度、距離及制動(dòng)性能關(guān)系，為當(dāng)前列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并控制牽引制動(dòng)。通過(guò)行車資源的共享，虛擬編組的前后列車移動(dòng)授權(quán)是可以重疊的。

2 虛擬編組技術(shù)實(shí)現(xiàn)探究

從上述虛擬編組技術(shù)的內(nèi)涵分析，該相關(guān)信號(hào)控制技術(shù)實(shí)際并未脫離信號(hào)控制防護(hù)的基本原理，而是在現(xiàn)有技術(shù)上進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。結(jié)合虛擬編組的技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分解，該技術(shù)的優(yōu)化調(diào)整內(nèi)涵主要體現(xiàn)在更進(jìn)一步的間隔防護(hù)、行車協(xié)同控制、統(tǒng)一地面防護(hù)、編隊(duì)調(diào)度組織4個(gè)方面。

2.1 間隔防護(hù)

信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了電話閉塞、固定閉塞、準(zhǔn)移動(dòng)閉塞及移動(dòng)閉塞[2]等不同發(fā)展時(shí)期和階段，其基本原理均是結(jié)合時(shí)間、空間特性保護(hù)軌道上的列車以避免沖撞風(fēng)險(xiǎn)。

一般說(shuō)來(lái)，既有信號(hào)系統(tǒng)均采用絕對(duì)制動(dòng)距離（ABD）[3]原則進(jìn)行安全防護(hù)，而虛擬編組的兩車之間采用“軟撞墻”（或稱為相對(duì)制動(dòng)距離RBD）的安全制動(dòng)模型。ABD原則認(rèn)為前車車尾是零速限制點(diǎn)，即需要后車根據(jù)自身的緊急制動(dòng)保障率減速停車后可確保不會(huì)越過(guò)該點(diǎn)；而RBD原則認(rèn)為，如果前車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)不會(huì)立即變?yōu)殪o止，因此可以對(duì)前車按照其最大制動(dòng)減速度估算運(yùn)行軌跡，對(duì)后車按照自身的緊急制動(dòng)保障率估算軌跡，兩條軌跡在同一時(shí)間點(diǎn)不相交即不會(huì)發(fā)生碰撞，從而保證安全。因此只要前車處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并采用相對(duì)制動(dòng)距離原則后，后車允許移動(dòng)的范圍更遠(yuǎn)（越過(guò)前車的靜態(tài)位置包絡(luò)），列車之間將比絕對(duì)制動(dòng)距離原則追蹤得更緊密。

ABD原則下，同一時(shí)刻不同列車的動(dòng)態(tài)包絡(luò)不應(yīng)重疊；RBD原則下突破了這一限制，但在當(dāng)前及后續(xù)時(shí)刻不同列車的靜態(tài)包絡(luò)不會(huì)重疊，列車之間也就不會(huì)沖撞。相關(guān)追蹤效果可參見(jiàn)圖1，設(shè)后車采取緊急制動(dòng)的最大制動(dòng)距離為D后max，前車突然制動(dòng)停車的最小制動(dòng)距離為D前min，追蹤距離為D。根據(jù)ABD原則，兩車追蹤時(shí)一般需滿足：

圖1 RBD追蹤效果

RBD原則是虛擬編組行車間隔防護(hù)的核心，也是虛擬編組縮短行車間隔的基礎(chǔ)，其功能實(shí)現(xiàn)依賴于通信技術(shù)、傳感感知技術(shù)、“車-車通信”[4]等技術(shù)基礎(chǔ)，特別是需要行車控制系統(tǒng)對(duì)測(cè)速測(cè)距、制動(dòng)邊界、安全場(chǎng)景進(jìn)行精確計(jì)算和有效識(shí)別。

2.2 行車協(xié)同控制

不同于道路交通公共開(kāi)放的道路環(huán)境，軌道交通具有線路相對(duì)固定、裝備相對(duì)統(tǒng)一、信息交互更為充分的特點(diǎn)，在此條件下軌道交通應(yīng)用協(xié)同控制的自動(dòng)駕駛技術(shù)才能或更能體現(xiàn)虛擬編組技術(shù)的性能優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮運(yùn)營(yíng)操作習(xí)慣等因素，軌道交通不宜在采用虛擬編組時(shí)使用人工駕駛。

基于RBD間隔防護(hù)原則，形成虛擬編組的列車之間存在實(shí)時(shí)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)交換，包括上文提及的RBD間隔防護(hù)基礎(chǔ)所述相關(guān)的列車位置、速度、緊急制動(dòng)狀態(tài)、緊急制動(dòng)率邊界等狀態(tài)；為了在安全行車防護(hù)范圍內(nèi)使追蹤時(shí)的運(yùn)行表現(xiàn)更優(yōu)，也包括精確速度、ATO級(jí)位、牽引制動(dòng)控制等運(yùn)行信息。在此數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)上，車隊(duì)根據(jù)頭車行車狀態(tài)數(shù)據(jù)控制后車的運(yùn)行，后車在RBD原則下自行計(jì)算運(yùn)行包絡(luò)線，結(jié)合運(yùn)行圖自主決定加入/脫離編隊(duì)。

以傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)ATO控制的思路來(lái)看，后車可以以RBD原則下的授權(quán)距離為參照，將速度貼近并控制在EB觸發(fā)速度下。因?yàn)榍败囌谝苿?dòng)，后車的授權(quán)終點(diǎn)在下一周期也隨之移動(dòng)，后車的運(yùn)行控制表現(xiàn)為將速度控制在前車移動(dòng)幅度（也就是前車速度）的相對(duì)穩(wěn)態(tài)。此外，該控制思路還應(yīng)考慮前車加減速、安全工況變化帶來(lái)的擾動(dòng)，以及避免車隊(duì)對(duì)擾動(dòng)層層傳遞的放大。

另一種思路將虛擬編組后的車隊(duì)作為一個(gè)整體控制：雖然車隊(duì)中的不同個(gè)體具有各自獨(dú)立的ATO控制系統(tǒng)，但以分布式的方式統(tǒng)籌計(jì)算、協(xié)商車隊(duì)整體系統(tǒng)目標(biāo)和個(gè)體的任務(wù)分配。車路協(xié)同、模型預(yù)測(cè)控制、多智能體系統(tǒng)任務(wù)規(guī)劃[5]等控制算法在相關(guān)行業(yè)、相關(guān)技術(shù)已有大量應(yīng)用和研究成果，不再贅述，軌道交通行業(yè)通過(guò)吸收轉(zhuǎn)化可形成特有工程應(yīng)用特點(diǎn)。

此外，虛擬編組列車之間雖然不設(shè)置傳統(tǒng)意義的有線列車控制網(wǎng)絡(luò)用于牽引制動(dòng)分配，但因無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)高速穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)傳輸也能構(gòu)建出牽引制動(dòng)底層協(xié)作的通信網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)的信號(hào)系統(tǒng)也需要結(jié)合底層控制特點(diǎn)進(jìn)行適配性調(diào)整。

2.3 統(tǒng)一地面防護(hù)

行車過(guò)程中車地控制是同時(shí)存在的，統(tǒng)一的地面防護(hù)在虛擬編組系統(tǒng)運(yùn)行同樣必不可少?；讵?dú)立不重疊的動(dòng)態(tài)包絡(luò)，現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)中同一時(shí)刻的某個(gè)地面元素實(shí)際只被一列車使用，如鎖閉在行車方向的道岔；但在虛擬編組系統(tǒng)中，同一時(shí)刻某個(gè)地面元素需要能夠被不同列車重疊的動(dòng)態(tài)包絡(luò)占有，即被車隊(duì)共有。這種共享預(yù)留方式在“車-車通信”的分布式控制系統(tǒng)中已有體現(xiàn)[6]，如不同列車可同時(shí)分別向OC預(yù)留道岔，若命令不沖突，多個(gè)列車分別對(duì)道岔的鎖閉結(jié)果可同時(shí)存在。也即若編組列車均以同方向通過(guò)該道岔，則中間過(guò)程道岔不解鎖，此時(shí)道岔被車隊(duì)或車隊(duì)中的多個(gè)列車同時(shí)預(yù)留在同一位置。

以地面為主的CBTC控制系統(tǒng)中，相同路徑的不同列車不能共用同一授權(quán)；“車-車通信”系統(tǒng)雖然以列車為主進(jìn)行防護(hù)計(jì)算，但列車之間各自獨(dú)立防護(hù)下確保安全行車間隔[7]，也不需要共用行車路權(quán)；虛擬編組系統(tǒng)中完全可以將編組的物理列車之間視為“車鉤相連”，取決于列車之間的架構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流關(guān)系，同時(shí)需考慮行車組織是否將車隊(duì)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)后車隊(duì)允許共用一個(gè)進(jìn)路授權(quán)。

虛擬編組縮短了列車通過(guò)時(shí)的行車間隔，但在前車靜止（如站停）時(shí)不體現(xiàn)RBD原則的優(yōu)勢(shì)，因此線路上需要有對(duì)應(yīng)的站臺(tái)或側(cè)線設(shè)計(jì)和與之配合的地面防護(hù)，提供與通過(guò)間隔匹配的多車停站間隔。

RBD原則不能解決分歧道岔的共享問(wèn)題，畢竟前車“軟墻”越過(guò)了道岔而靜態(tài)包絡(luò)實(shí)際未通過(guò)道岔時(shí)，道岔位置不在后車所需通過(guò)路徑上，后車的移動(dòng)授權(quán)也無(wú)法越過(guò)道岔，也就是說(shuō)一段可被運(yùn)用虛擬編組的線路兩端道岔處可能會(huì)成為提升行車效率的瓶頸。提供分析這一問(wèn)題的兩個(gè)思路：一是在列車接近道岔前降速，可以縮短兩車分離聚合的間隔，并與追蹤間隔匹配；二是研制與虛擬編組技術(shù)匹配的新型道岔，道岔具有類似擠岔通過(guò)特性，或具備利用編組的前后兩車靜態(tài)包絡(luò)前后占用道岔的間隙確保道岔安全移動(dòng)到位的新型特性。

2.4 編隊(duì)調(diào)度組織

對(duì)比鐵路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的實(shí)體編組技術(shù)[8]，虛擬編組系統(tǒng)在調(diào)度組織方面具有編組配置更為靈活的特點(diǎn)，這提高了運(yùn)輸組織的自由度，也提高了線路的運(yùn)輸及通過(guò)能力[5]。例如，一個(gè)長(zhǎng)編組列車才能完成的任務(wù)，在虛擬編組系統(tǒng)中可以由一個(gè)虛擬車隊(duì)完成，系統(tǒng)可呈現(xiàn)為統(tǒng)一編號(hào)、統(tǒng)一控制操作的整體，方便行車組織和調(diào)度操作；又如，線網(wǎng)運(yùn)行業(yè)務(wù)繁忙的干線上，調(diào)度通過(guò)設(shè)置一段線路的間隔方式，允許不同列車以虛擬編組和不同車次的方式提高該段線路的運(yùn)行效率，系統(tǒng)相應(yīng)地生成與之匹配的行車計(jì)劃；再如，遇到突發(fā)客流、臨時(shí)任務(wù)時(shí)，調(diào)度員可以安排列車加入到現(xiàn)有列車之間，形成虛擬編組關(guān)系行車。在分歧處，除需要道岔的安全控制，虛擬編組的車隊(duì)也在此處根據(jù)計(jì)劃解編為多個(gè)車隊(duì)/列車個(gè)體。

因?yàn)樘摂M編組縮短了行車間隔，一些原本受限的運(yùn)行組織方式可能更易被實(shí)現(xiàn)，如小車快跑、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)[9]、定制化運(yùn)營(yíng)等行車組織方式，此時(shí)需要相應(yīng)的ATS、ATO等信號(hào)子系統(tǒng)功能與之匹配。

在城市軌道交通一些客流時(shí)空分布不均的具體應(yīng)用場(chǎng)景，虛擬編組技術(shù)可根據(jù)客流情況在線動(dòng)態(tài)調(diào)整列車編組，相較實(shí)體編組更為高效和經(jīng)濟(jì)，可實(shí)現(xiàn)車輛等資源的高效利用和客流-車流的精確匹配，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通節(jié)能降碳增效。

3 安全風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

對(duì)比采用絕對(duì)制動(dòng)距離原則進(jìn)行防護(hù)的傳統(tǒng)信號(hào)防護(hù)，應(yīng)用虛擬編組技術(shù)時(shí)系統(tǒng)邊界條件的限制更多，結(jié)合當(dāng)下應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)虛擬編組技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)思考：

（1）采用相對(duì)制動(dòng)距離RBD原則后，前后車間隔更小，對(duì)于異常情況的處理需要謹(jǐn)慎分析。例如雨雪天氣引起后車打滑，列車將很難維持足夠的減速能力，虛擬編組的追尾風(fēng)險(xiǎn)概率將增大。此外，按照相對(duì)制動(dòng)距離原則，常規(guī)工況下前車不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)的最大減速度，若前車發(fā)生碰撞、脫軌等危害極大的事故時(shí)（小概率但可能發(fā)生），前車減速度可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)范疇，后車可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有足夠制動(dòng)距離而產(chǎn)生沖撞，加重?fù)p失。

（2）若為防護(hù)站臺(tái)的靜止列車設(shè)計(jì)了虛擬編組的兩車之間存在吸能裝置（如自動(dòng)車鉤），還需考慮可能撞擊下發(fā)生列車位移對(duì)乘客乘降帶來(lái)的次生風(fēng)險(xiǎn)。

（3）虛擬編組列車在道岔處分離聚合時(shí)，若將道岔危險(xiǎn)區(qū)域也進(jìn)行“軟撞墻”防護(hù)，則對(duì)道岔設(shè)計(jì)提出更高的要求。

（4）虛擬編組在聯(lián)掛、摘解[3]過(guò)程中全部由系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)，過(guò)程中的控制安全需進(jìn)行額外的安全防護(hù)設(shè)計(jì)。

（5）根據(jù)虛擬編組列控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，安全設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各子系統(tǒng)之間信息傳輸延遲、錯(cuò)誤指令、設(shè)備故障或性能降低等方面帶來(lái)的危害。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從信號(hào)技術(shù)角度研究了虛擬編組技術(shù)，進(jìn)行了一些思考，也列舉了部分未形成共識(shí)的問(wèn)題。信號(hào)技術(shù)需要發(fā)展、正在發(fā)展，一項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)地研究才能助力行業(yè)穩(wěn)定健康發(fā)展。隨著行業(yè)對(duì)新技術(shù)的研究突破，我國(guó)軌道交通的運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)輸效率將得到大幅提升。