面向虛擬編組的列控技術(shù)研究

宋志丹,徐效寧,李 輝,萬 林

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081)

隨著鐵路運(yùn)輸能力的要求不斷提高，列車追蹤間隔需要越來越小，列控系統(tǒng)的安全防護(hù)距離成為一個(gè)重要的制約因素?，F(xiàn)代高速鐵路一般采用固定閉塞或準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式，城市軌道交通CBTC系統(tǒng)大多采用移動(dòng)閉塞。移動(dòng)閉塞使列車的行車許可終點(diǎn)由前方列車占用的閉塞分區(qū)入口延伸到前車的安全車尾，因此可以在一定程度上縮短行車間隔[1]。但是，隨著列車運(yùn)行速度的提高，列控系統(tǒng)的安全防護(hù)距離不斷增大，目前的移動(dòng)閉塞方式仍不能從根本上解決問題。

近年來，歐洲鐵路部門開始研究虛擬編組技術(shù)，它使用無線通信代替機(jī)械上的聯(lián)掛，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)列車的虛擬編組。列車虛擬編組后，如果看作一列整車，其行車間隔可以極大地縮短。這打破了列控系統(tǒng)傳統(tǒng)意義上的安全防護(hù)距離的概念，對(duì)列控系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。對(duì)于虛擬編組后的非頭車，列控系統(tǒng)如何防護(hù)和控制，甚至是否由信號(hào)還是由機(jī)車車輛專業(yè)去完成，這都是需要研究的問題。

目前，歐洲在虛擬編組技術(shù)上主要集中于機(jī)車車輛方面的研究，列控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式處于起步階段，尚未有明確的技術(shù)方案。通過分析虛擬編組的理念，結(jié)合既有歐洲列控系統(tǒng)(ETCS)的特點(diǎn)，旨在提出適用于虛擬編組的列控技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1 虛擬編組理念

1.1 發(fā)展背景

2000年前后，歐洲不同學(xué)者提出采用無線通信代替機(jī)械聯(lián)掛技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)和軟件版本的列車編組[2-4]。隨著近年來機(jī)車車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬編組的實(shí)現(xiàn)成為一種可能。2015年5月，歐洲鐵路行業(yè)協(xié)會(huì)(UNIFE)與西班牙CAF公司共同牽頭，組成包括西門子、阿爾斯通、龐巴迪公司在內(nèi)的機(jī)車車輛制造商、鐵路運(yùn)營公司以及科研院校等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，啟動(dòng)了Roll2Rail項(xiàng)目[5-6]。該項(xiàng)目旨在“為歐洲更可持續(xù)、更智能、更舒適的鐵路運(yùn)輸開發(fā)新的、可靠的機(jī)車車輛”，它包含8個(gè)工作組，覆蓋了機(jī)車車輛的各個(gè)領(lǐng)域，其中工作組2即是研究下一代列車通信系統(tǒng)，重點(diǎn)開發(fā)用于列車控制的無線通信技術(shù)[7-9]。該項(xiàng)目于2017年10月結(jié)題，相關(guān)研究?jī)?nèi)容在轉(zhuǎn)移至鐵路(Shift2Rail)項(xiàng)目中得到延續(xù)。

Shift2Rail是歐盟有史以來最大的研究和創(chuàng)新計(jì)劃“地平線2020”(Horizon 2020)的規(guī)劃項(xiàng)目，其研究?jī)?nèi)容覆蓋了整個(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的各個(gè)專業(yè)，分為5個(gè)課題(IP)：IP1高效可靠的機(jī)車車輛、IP2先進(jìn)的運(yùn)輸管理/控制系統(tǒng)、IP3高效可靠的基礎(chǔ)設(shè)施、IP4優(yōu)秀的鐵路服務(wù)信息系統(tǒng)和IP5節(jié)能便利的鐵路貨運(yùn)技術(shù)。虛擬編組包含機(jī)車車輛和列控系統(tǒng)兩個(gè)方面，分別對(duì)應(yīng)IP1.2車輛控制監(jiān)控系統(tǒng)(TCMS)和IP2.8虛擬編組列控技術(shù)。根據(jù)項(xiàng)目計(jì)劃，IP1.2中車-車通信技術(shù)已在之前的Roll2Rail項(xiàng)目完成，IP2.8的研究時(shí)間則為2018年至2020年[10]。

1.2 基本理念

虛擬編組，是通過車-車之間的直接無線通信，使后車獲取前車的運(yùn)行狀態(tài)，從而控制后車的運(yùn)行[11-13]。如圖1所示，通過這種方式，前后車可以看作進(jìn)行了聯(lián)掛，只是聯(lián)掛的物理方式由機(jī)械變?yōu)闊o線通信。

圖1 虛擬編組示意

運(yùn)營中，不同車次的列車從車站出發(fā)后，在區(qū)間通過虛擬編組技術(shù)在不停車的狀態(tài)下進(jìn)行聯(lián)掛，列車運(yùn)行間隔變小；當(dāng)列車需要在前方車站的不同股道作業(yè)時(shí)，在進(jìn)站前列車控制運(yùn)行間隔變大，進(jìn)行動(dòng)態(tài)解編。

虛擬編組技術(shù)基于移動(dòng)閉塞方式，以下將以支持移動(dòng)閉塞的ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。從信號(hào)系統(tǒng)的角度講，在虛擬編組前，各列車的車載設(shè)備均按照ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車許可控車。虛擬編組后，頭車的車載設(shè)備應(yīng)仍以ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車許可進(jìn)行控車，而后車應(yīng)通過某種方式來縮小運(yùn)行間隔。需要解編時(shí)，后車與前車的運(yùn)行間隔變大，解編后，后車的車載設(shè)備恢復(fù)為以ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車許可控車。

2 既有系統(tǒng)面臨的問題

2.1 車載工作模式

對(duì)于機(jī)械編組的后車，ETCS規(guī)范除了斷電(NP)和隔離(IS)模式外，主要定義了兩種工作模式：休眠模式(SL)和非本務(wù)模式(NL)。SL模式用于與頭車有電氣連接的列車，NL模式用于與頭車無電氣連接的列車[14]。因?yàn)闊o電氣連接的編組頭車無法對(duì)后車輸出電氣命令，所以NL模式較SL模式增加了過分相等功能。

虛擬編組列車解編后，后車的車載設(shè)備應(yīng)馬上投入工作，所以斷電和隔離模式是無法滿足要求的。而后車的車載設(shè)備如果在虛擬編組時(shí)采用SL或NL模式，也會(huì)存在以下問題：

(1)虛擬編組通常在列車運(yùn)行中進(jìn)行操作，而既有ETCS規(guī)范中SL或NL模式進(jìn)入的條件要求列車處于停車狀態(tài)，所以需要修改對(duì)應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換條件；

(2)當(dāng)虛擬編組列車解編時(shí)后車需要正常運(yùn)行，既有ETCS規(guī)范中車載設(shè)備在退出SL或NL模式后只能進(jìn)入待機(jī)、斷電或隔離模式，如果車載設(shè)備要進(jìn)入完全監(jiān)控模式，規(guī)范不但要修改模式轉(zhuǎn)換條件，還要修改SL或NL模式下對(duì)各種信息的處理原則。

2.2 列車間隔控制

虛擬編組后的列車間隔控制由機(jī)車車輛還是信號(hào)系統(tǒng)去完成，尚未確定，但普遍接受的觀點(diǎn)是該功能應(yīng)由設(shè)備自動(dòng)執(zhí)行，而不需要司機(jī)手動(dòng)操作。本文主要探討由信號(hào)系統(tǒng)的列車自動(dòng)駕駛(ATO)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

列車自動(dòng)駕駛在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，近年來干線鐵路也開始ATO的應(yīng)用研究[15-17]。但ATO的安全完整性為SIL2級(jí)，其單獨(dú)控車時(shí)不能滿足鐵路信號(hào)系統(tǒng)安全性要求，所以必須由SIL4級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)[18-19]。虛擬編組的后車車載設(shè)備如果采用SL或NL模式，ATP不執(zhí)行列車超速防護(hù)功能；如果采用完全監(jiān)控模式，既有的限速曲線計(jì)算方式無法縮小行車間隔。因此，必須考慮其他方式對(duì)ATO控車進(jìn)行防護(hù)。

2.3 列車位置和完整性信息

由于虛擬編組基于移動(dòng)閉塞方式，列控系統(tǒng)需要根據(jù)列車位置報(bào)告和列車完整性信息實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，所以車載設(shè)備要向RBC實(shí)時(shí)發(fā)送列車位置報(bào)告和列車完整性信息。

虛擬編組的列車如果看作一列整車，只由頭車報(bào)告位置信息，那么所有后車的位置信息和列車完整性都應(yīng)通過車-車通信依次發(fā)送給前車，這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。而且，從地面設(shè)備的角度看，后車不再報(bào)告位置，頭車報(bào)告的列車長度會(huì)隨著列車運(yùn)行間隔不斷變化，這使得RBC處理邏輯變得復(fù)雜。因此，從列車位置和完整性信息角度，虛擬編組列車的車載設(shè)備應(yīng)各自報(bào)告位置和列車完整性。

2.4 自動(dòng)過分相

當(dāng)線路前方存在分相區(qū)時(shí)，RBC向車載設(shè)備發(fā)送分相區(qū)的起點(diǎn)和長度。車載設(shè)備在車頭距分相區(qū)起點(diǎn)一定時(shí)間時(shí)輸出過分相控制信號(hào)，當(dāng)車頭越過分相區(qū)終點(diǎn)一定距離時(shí)撤銷過分相信號(hào)，從而完成自動(dòng)過分相功能。

如果虛擬編組列車作為一列整車處理過分相信息，那么后車輸出過分相的時(shí)機(jī)提前，前車撤銷過分相信號(hào)的時(shí)機(jī)滯后。當(dāng)列車數(shù)量過多時(shí)，可能因?yàn)閿嚯姇r(shí)間過長，導(dǎo)致虛擬編組列車停在分相區(qū)。而如果頭車根據(jù)各列車的位置分別計(jì)算各列車的過分相時(shí)機(jī)，再通過車-車通信發(fā)送給對(duì)應(yīng)的后車，將使車載設(shè)備的處理變得過于復(fù)雜。

因此，從自動(dòng)過分相角度，虛擬編組列車的車載設(shè)備應(yīng)各自執(zhí)行過分相功能。

3 面向虛擬編組的列控技術(shù)

由2.2節(jié)分析，虛擬編組列車由ATO控車時(shí)，必須由SIL4級(jí)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)。根據(jù)防護(hù)系統(tǒng)的不同，本文提出兩種方案。

3.1 基于非列控系統(tǒng)防護(hù)的方案

3.1.1 基本原理

本方案虛擬編組列車的間隔控制由信號(hào)以外的系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，目前它們大多處于理論研究階段，并沒有符合SIL4級(jí)的系統(tǒng)投入運(yùn)用[20]。

在該方案下，列車虛擬編組后，前車車載設(shè)備的工作原理與ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)相同，而后車車載設(shè)備則以NL模式工作，該模式可以向司機(jī)顯示速度信息，管理無線會(huì)話和自動(dòng)過分相，不具備列車超速防護(hù)功能。因?yàn)樘摂M編組的列車仍是各自控制電氣接口，所以后車車載設(shè)備采用NL模式而不是SL模式。

3.1.2 ETCS規(guī)范變動(dòng)

在既有ETCS規(guī)范的基礎(chǔ)上，需要修改NL模式的相關(guān)內(nèi)容，具體如下：

(1)增加NL模式的轉(zhuǎn)換條件。除了既有的機(jī)械編組/解編外，當(dāng)列車虛擬編組完成或解編時(shí)，車載設(shè)備都應(yīng)自動(dòng)進(jìn)入或退出NL模式，而不再考慮列車是否在運(yùn)行狀態(tài)；

(2)修改NL模式的信息使用原則。NL模式下車載設(shè)備應(yīng)接受控車相關(guān)信息包，以保證退出時(shí)立即轉(zhuǎn)入完全監(jiān)控模式。

3.2 基于列控系統(tǒng)防護(hù)的方案

3.2.1 基本原理

為了使列控系統(tǒng)能夠進(jìn)行防護(hù)，車載設(shè)備應(yīng)處于完全監(jiān)控模式。移動(dòng)閉塞模式下，車載設(shè)備將列車位置發(fā)送給RBC，在列車之間無其他障礙物時(shí)，RBC將前車安全車尾作為行車許可終點(diǎn)發(fā)送給后車。考慮列車位置報(bào)告周期和RBC處理時(shí)間等因素，后車能夠通過車-車通信得到比行車許可更新的前車位置。所以，列車虛擬編組后，當(dāng)后車判斷行車許可終點(diǎn)為前車時(shí)，可將車-車通信得到的列車位置作為行車許可終點(diǎn)，從而縮短行車間隔。這種方式仍然基于既有安全防護(hù)距離的理念，只是利用車-車通信減小了系統(tǒng)的處理延時(shí)，便于實(shí)施，但效果有限。

為了進(jìn)一步縮短行車間隔，本方案引入相對(duì)制動(dòng)距離的概念[21]。目前實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)閉塞均是基于絕對(duì)制動(dòng)距離，即后車計(jì)算控車曲線時(shí)默認(rèn)前方列車速度為零。實(shí)際上，如果前車速度不為零，在后車制動(dòng)過程中，前車的位置也在不斷變化，相對(duì)制動(dòng)距離的概念就是提前考慮前車位置的變化。

通過相對(duì)制動(dòng)距離的概念，ATP在完全監(jiān)控模式下可以給出更小的行車間隔。虛擬編組后，后車在完全監(jiān)控模式下計(jì)算基于相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線，從而對(duì)ATO進(jìn)行安全防護(hù)。

3.2.2 基于相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線計(jì)算

一些文獻(xiàn)在研究相對(duì)制動(dòng)距離時(shí)，認(rèn)為只要后車速度不超過前車就不會(huì)相撞，由此建立以前車速度為目標(biāo)速度的控車曲線。這實(shí)際上是錯(cuò)誤的，因?yàn)椴煌熊囍苿?dòng)性能并不相同，只要前車制動(dòng)性能足夠優(yōu)于后車，即使后車速度低于前車，兩車在制動(dòng)過程中也可能發(fā)生相撞。圖2給出了這種情況下的一個(gè)示例，即使后車當(dāng)前速度小于前車并且后車最終停車位置也不超過前車，但列車不同速度等級(jí)下的制動(dòng)力不同，會(huì)導(dǎo)致前后車在運(yùn)行過程中發(fā)生相撞。所以，相對(duì)制動(dòng)距離的計(jì)算僅考慮前車的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)或前車的估計(jì)停車位置都是錯(cuò)誤的，它應(yīng)當(dāng)把前車以最大制動(dòng)力停車過程中的每一個(gè)狀態(tài)都作為防護(hù)目標(biāo)。

圖2 前后車制動(dòng)力不同造成的相撞示例

本文給出一種相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線計(jì)算方法。如圖3所示，限速曲線包括兩部分，限速曲線1以前車當(dāng)前位置和速度為限制性行車許可(LOA)，限速曲線2以最大制動(dòng)力停車的前車位置為行車許可終點(diǎn)(EOA)，最終的輸出為兩者的最小值。其中，限速曲線2計(jì)算前車的停車位置時(shí)制動(dòng)力取前后兩車的最大值，避免了圖2相撞情況的發(fā)生。由于列車在不同速度等級(jí)的制動(dòng)力不同，取值可能為前后兩車的組合值。

圖3 基于相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線計(jì)算

圖3中前車當(dāng)前速度和最小安全車頭位置分別為V前和D前，L安為安全距離，L車為前車車長，L延為考慮車-車通信延時(shí)的走行距離，L制為前車的最短制動(dòng)距離。

曲線1目標(biāo)點(diǎn)的位置D1和速度V1為

D1=D前-L車-L安-L延

(1)

V1=V前

(2)

曲線2目標(biāo)點(diǎn)的位置D2和速度V2為

D2=D前+L制-L車-L安-L延

(3)

V2=0

(4)

需要指出的是，式(3)中L制為前車在最大制動(dòng)力下的最短制動(dòng)距離。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度講，以往不論信號(hào)專業(yè)還是機(jī)車車輛專業(yè)，考慮的都是不同速度等級(jí)下列車制動(dòng)距離的最大值。而在相對(duì)制動(dòng)距離的理念下，列車的最短制動(dòng)距離也成為了一個(gè)安全因素，這對(duì)于信號(hào)和機(jī)車車輛領(lǐng)域都是一個(gè)改變。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，建議最大制動(dòng)力取所有虛擬編組車型的最大值，建立不同速度和坡度下的最短制動(dòng)距離表，前車直接通過查表將當(dāng)前的最短制動(dòng)距離傳給后車。

這種算法保證了后車始終基于前車的安全狀態(tài)控車，即使前車以緊急制動(dòng)停車，其停車位置也不會(huì)小于之前的估計(jì)值。這樣，當(dāng)車-車通信故障中斷后，后車不必立即輸出緊急制動(dòng)停車，而是可以繼續(xù)按照通信中斷前的基于相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線行駛。同時(shí)，車載設(shè)備根據(jù)RBC行車許可計(jì)算基于絕對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線，當(dāng)列車速度低于該限速曲線后，恢復(fù)為絕對(duì)制動(dòng)距離的控車模式。這種處理方式可以實(shí)現(xiàn)兩種控車模式的平滑過渡，避免了車-車通信中斷造成緊急制動(dòng)停車。

3.2.3 ETCS規(guī)范變動(dòng)

與既有ETCS規(guī)范相比，本方案在完全模式時(shí)增加了相對(duì)制動(dòng)距離的控車模式，修改如下：

(1)列車虛擬編組后，后車在完全監(jiān)控模式下判斷行車許可終點(diǎn)為前車安全車尾時(shí)，改為計(jì)算基于相對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線；

(2)車-車通信中斷時(shí)，車載設(shè)備應(yīng)根據(jù)RBC行車許可重新計(jì)算基于絕對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線，當(dāng)列車速度低于該限速曲線后，恢復(fù)為絕對(duì)制動(dòng)距離的控車模式。

4 結(jié)語

虛擬編組技術(shù)作為一種新的理念，能夠在移動(dòng)閉塞的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小列車追蹤間隔，提高線路的運(yùn)輸能力。但是，如果虛擬編組的各列車不進(jìn)入同一股道，就需要在進(jìn)站前解編，那么該技術(shù)提高的只是區(qū)間追蹤能力。而根據(jù)列車追蹤間隔的相關(guān)研究[22]，高速鐵路即使按照既有的準(zhǔn)移動(dòng)閉塞方式，350 km/h列車區(qū)間追蹤間隔時(shí)間也能控制在3 min以內(nèi)，限制運(yùn)輸能力的主要是列車出發(fā)和到達(dá)追蹤間隔時(shí)間，這與咽喉區(qū)長度和限速、離去區(qū)段長度等因素相關(guān)；而城市軌道交通一般為無配線車站，前后列車進(jìn)入同一股道作業(yè)，因此虛擬編組更能發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。所以，隨著車-車通信技術(shù)的發(fā)展，虛擬編組可以在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞的城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用，進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率。