城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)靈活編組關(guān)鍵技術(shù)研究

李兆齡，嚴(yán)業(yè)智

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 概述

城市軌道交通線路的客流在不同階段、不同時(shí)段、不同空間上存在較大差異。

傳統(tǒng)固定編組的運(yùn)營(yíng)模式，通常根據(jù)客流分布情況，采用大小交路套跑，以及平峰、早高峰、晚高峰不同間隔的方式組織運(yùn)營(yíng)，大交路運(yùn)行區(qū)域及平峰運(yùn)行時(shí)段列車運(yùn)行間隔大，乘客等候時(shí)間較長(zhǎng)，等待體驗(yàn)欠佳。在固定編組的運(yùn)營(yíng)模式下，若以減少乘客等待時(shí)間為目標(biāo)，全線采用相同間隔單交路運(yùn)行，將造成運(yùn)能的浪費(fèi)和運(yùn)營(yíng)成本的增加，因此，采用固定編組的運(yùn)營(yíng)模式無(wú)法很好的解決運(yùn)力、客流、能耗匹配問(wèn)題。

靈活編組是指根據(jù)不同時(shí)段、不同空間的客流特征，在保證較高列車運(yùn)行間隔的條件下，通過(guò)列車編組快速變化來(lái)實(shí)現(xiàn)需求和運(yùn)力最佳協(xié)同的運(yùn)輸組織技術(shù)，基于靈活編組的運(yùn)輸組織技術(shù)是用于解決其時(shí)空分布不均衡性的重要運(yùn)輸組織模式之一。

2 靈活編組技術(shù)概述

列車編組的快速變化，即自動(dòng)實(shí)施聯(lián)掛/解編及編組狀態(tài)自動(dòng)確認(rèn)是靈活編組的主要特征。高速鐵路采用人工參與的聯(lián)掛/解編方式，聯(lián)掛/解編耗時(shí)長(zhǎng)，不適宜于城市軌道交通公交化的應(yīng)用需求，隨著城市軌道交通信號(hào)及車輛網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，可快速實(shí)施的靈活編組技術(shù)成為可能。

靈活編組技術(shù)根據(jù)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)特征，分為物理聯(lián)掛/解編技術(shù)及虛擬聯(lián)掛/解編技術(shù)。

采用物理聯(lián)掛/解編技術(shù)，2列短編組列車可以在車輛段或正線指定位置，聯(lián)掛成1列長(zhǎng)編組列車，短編組列車之間通過(guò)全自動(dòng)車鉤實(shí)現(xiàn)物理和電氣連接。在車輛段或正線指定位置也可以將1列聯(lián)掛的長(zhǎng)編組列車解編為2列短編組列車。

采用虛擬聯(lián)掛/解編技術(shù)，2列短編組列車可以在車輛段或正線任意位置，通過(guò)緊密追蹤的方式虛擬聯(lián)掛成1列長(zhǎng)編組列車，短編組列車之間無(wú)物理連接。

信號(hào)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)靈活編組的關(guān)鍵系統(tǒng)，物理聯(lián)掛/解編技術(shù)目前已進(jìn)入工程應(yīng)用階段，本文主要以物理聯(lián)掛/解編為前提，介紹信號(hào)系統(tǒng)靈活編組的相關(guān)方案及關(guān)鍵技術(shù)。

3 靈活編組的目標(biāo)及過(guò)程

靈活編組要求信號(hào)系統(tǒng)具備靈活調(diào)整列車編組以及不同編組列車混合運(yùn)行的能力，信號(hào)系統(tǒng)在目前互聯(lián)互通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加靈活編組的功能要求，總體目標(biāo)如下。

1）實(shí)現(xiàn)兩列裝備不同廠家信號(hào)車載設(shè)備列車的自動(dòng)及聯(lián)掛/解編，聯(lián)掛/解編后保持聯(lián)掛前的模式；

2）聯(lián)掛列車滿足全自動(dòng)運(yùn)行相關(guān)場(chǎng)景下的全功能運(yùn)行要求，并具備與單編組列車的混合運(yùn)行的能力及互聯(lián)互通跨線運(yùn)營(yíng)能力。

3.1 聯(lián)掛過(guò)程

兩列相同編組列車在指定區(qū)域可進(jìn)行人工聯(lián)掛或自動(dòng)聯(lián)掛。

自動(dòng)聯(lián)掛是指在VOBC根據(jù)聯(lián)掛/解編計(jì)劃或控制中心調(diào)度員遠(yuǎn)程發(fā)送聯(lián)掛相關(guān)指令，完成自動(dòng)聯(lián)掛，自動(dòng)聯(lián)掛共分為4個(gè)步驟。

步驟1被聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段：FAM/CBTC模式被聯(lián)掛列車停至聯(lián)掛解編區(qū)域指定位置，信號(hào)及車輛完成準(zhǔn)備工作，被聯(lián)掛列車保持模式但釋放激活端（防止聯(lián)掛后出現(xiàn)雙端激活），被聯(lián)掛列車車輛自動(dòng)施加緊急制動(dòng)。

步驟2去聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段：FAM/CBTC模式去聯(lián)掛列車停至聯(lián)掛解編區(qū)域，距離被聯(lián)掛列車一定距離停車（一度停車），信號(hào)及車輛完成準(zhǔn)備工作，如圖1所示。

圖1 去聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段示意Fig.1 Schematic diagram of the preparation phase for the second train to be coupled to the first train

步驟3聯(lián)掛階段：車輛根據(jù)信號(hào)的指令，啟動(dòng)聯(lián)掛作業(yè)。去聯(lián)掛列車以低于車鉤允許碰撞速度與被聯(lián)掛列車低速碰撞（速度不超過(guò)5 km/h），先后完成機(jī)械車鉤聯(lián)掛及確認(rèn)、電氣車鉤聯(lián)掛。聯(lián)掛均完成后，車輛及信號(hào)完成聯(lián)掛后的數(shù)據(jù)裝載以及測(cè)試工作，信號(hào)系統(tǒng)地面設(shè)備將兩列車標(biāo)記為一列車，聯(lián)掛列車首尾建立通信。如圖2所示。

圖2 聯(lián)掛階段示意Fig.2 Schematic diagram of the coupling phase

步驟4發(fā)車階段：ATS融合兩列車車次號(hào)，形成新的車次號(hào)，并根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃為聯(lián)掛列車排列相應(yīng)進(jìn)路，聯(lián)掛列車根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃發(fā)車，投入運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于EUM及RM列車，可根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)定，司機(jī)人工駕駛列車低速碰撞實(shí)現(xiàn)聯(lián)掛作業(yè)，作業(yè)完成后，需重啟車載設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)掛狀態(tài)自動(dòng)識(shí)別列車編組信息，列車定位后，可升級(jí)模式。

3.2 解編過(guò)程

聯(lián)掛列車在指定區(qū)域可進(jìn)行人工解編及自動(dòng)解編。

自動(dòng)解編是指VOBC根據(jù)聯(lián)掛/解編計(jì)劃或控制中心調(diào)度員遠(yuǎn)程發(fā)送解編相關(guān)指令，完成自動(dòng)解編，自動(dòng)解編共分為3個(gè)步驟，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)解編過(guò)程示意Fig.3 Schematic diagram of the process of automatic decoupling

步驟1聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段：FAM/CBTC模式聯(lián)掛列車停至聯(lián)掛解編區(qū)域指定位置，信號(hào)及車輛完成準(zhǔn)備工作。

步驟2解編階段：車輛根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)指令先后斷開兩列車電氣車鉤及機(jī)械車鉤，聯(lián)掛列車分離為兩列車，并分別裝載單列車的數(shù)據(jù)。

步驟3發(fā)車階段：ATS為兩列車分別賦予新的車次號(hào)，并根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃排列相應(yīng)進(jìn)路，列車根據(jù)運(yùn)行計(jì)劃依次發(fā)車，投入運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于EUM及RM列車，根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)定，司機(jī)通過(guò)操作駕駛臺(tái)上的解編按鈕，可實(shí)現(xiàn)列車解編作業(yè)，解編作業(yè)完成后，需重啟兩列單編組列車的車載VOBC，列車重新定位后，可升級(jí)為ATP防護(hù)模式。

4 靈活編組關(guān)鍵技術(shù)

在聯(lián)掛和解編過(guò)程中，涉及到一系列的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決，包括如何確保聯(lián)掛列車低速碰撞速度，確保碰撞速度既能可靠聯(lián)掛，也不會(huì)對(duì)車載造成傷害；2列車聯(lián)掛后如何實(shí)現(xiàn)4套車載VOBC之間的接口及協(xié)同控制；聯(lián)掛后，2列車分別向軌旁ATP發(fā)送位置報(bào)告還是發(fā)送一個(gè)整合后的位置報(bào)告；聯(lián)掛列車如何實(shí)現(xiàn)2列車之間的換端等。

4.1 聯(lián)掛速度控制

列車車鉤的允許最高碰撞速度為5 km/h，為精確控制聯(lián)掛速度，2列車需要在較近距離一度停車，完成聯(lián)掛的準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)列車低于5 km/h進(jìn)行聯(lián)掛。

為實(shí)現(xiàn)列車在ATP防護(hù)下的近距離停車，對(duì)安全制動(dòng)模型進(jìn)行了優(yōu)化，采用可碰撞MA和特殊的安全制動(dòng)模型，通過(guò)提前切除牽引并轉(zhuǎn)換列車防護(hù)曲線方式，控制去聯(lián)掛列車停至距離被聯(lián)掛列車車鉤4 m處。在具備聯(lián)掛條件后，信號(hào)向車輛輸出聯(lián)掛命令，列車進(jìn)入聯(lián)掛狀態(tài)后，由車輛控制去聯(lián)掛列車以3～5 km/h速度接近前方被聯(lián)掛列車進(jìn)行碰撞聯(lián)掛，VOBC對(duì)列車運(yùn)行速度進(jìn)行防護(hù)。

4.2 聯(lián)掛列車接口

對(duì)于每列車首尾各安裝1套冗余的車載設(shè)備，考慮到列車聯(lián)掛需求，短編組VOBC在既有電氣接口基礎(chǔ)上，需新增部分接口，包括機(jī)械聯(lián)掛狀態(tài)、電氣聯(lián)掛狀態(tài)、解編命令，機(jī)械聯(lián)掛狀態(tài)、電氣聯(lián)掛狀態(tài)用于判斷列車在哪端實(shí)施了聯(lián)掛以及的正確性，分別代表本端機(jī)械車鉤、電氣車鉤處于聯(lián)掛狀態(tài)，列車聯(lián)掛時(shí)為低電平，列車非聯(lián)掛為高電平。

聯(lián)掛后的兩列短編組列需交互相關(guān)狀態(tài)及控制信息，如緊急制動(dòng)狀態(tài)、站停時(shí)間、折返模式、鑰匙狀態(tài)、列車位置、駕駛模式等，考慮到電氣車鉤可提供的電氣連接線纜數(shù)量有限，短編組列車之間的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，可采用的通信方式包括：

1）與車輛以太網(wǎng)融合，通過(guò)車輛以太網(wǎng)建立兩列車VOBC間通信；

2）通過(guò)LTE建立兩列車間的通信。

考慮到通信的實(shí)時(shí)性，采用信號(hào)與車輛以太網(wǎng)融合方式，通過(guò)車輛以太網(wǎng)建立兩列車VOBC間通信。

聯(lián)掛后，信號(hào)系統(tǒng)將根據(jù)運(yùn)行方向，自動(dòng)激活相應(yīng)端的車載VOBC，由激活端車載VOBC控制列車運(yùn)行，激活端車載VOBC向車輛發(fā)送控制命令。將聯(lián)掛列車按照一列車進(jìn)行控制，尾車車載VOBC正常運(yùn)行時(shí)不參與控制，車輛將兩列單編組列車整合為統(tǒng)一的車輛平臺(tái)進(jìn)行控制，車輛向VOBC提供長(zhǎng)編組列車的緊急制動(dòng)反饋、列車完整性、車門關(guān)閉及鎖閉狀態(tài)、牽引切除、保持制動(dòng)已施加、制動(dòng)重故障、障礙物及脫軌等全局性狀態(tài)；VOBC向車輛提供長(zhǎng)編組列車的緊急制動(dòng)、開門使能、牽引/制動(dòng)、牽引切除、保持制動(dòng)、跳躍、開關(guān)門指令等全局性指令，如圖4所示。

圖4 聯(lián)掛后的列車網(wǎng)絡(luò)示意Fig.4 Schematic diagram of train network after coupling

4.3 聯(lián)掛列車位置報(bào)告的發(fā)送

對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)而言，靈活編組與傳統(tǒng)固定編組的信號(hào)系統(tǒng)的控制技術(shù)存在較大差異，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)為固定編組，VOBC通過(guò)測(cè)速測(cè)距設(shè)備和應(yīng)答器建立定位，并根據(jù)列車固定的長(zhǎng)度向ZC發(fā)送位置報(bào)告。靈活編組運(yùn)營(yíng)后，列車的長(zhǎng)度將動(dòng)態(tài)的改變，需考慮列車位置報(bào)告的發(fā)送方式，有以下2個(gè)方案。

1）單包絡(luò)方案：兩列固定編組列車聯(lián)掛后，兩列車VOBC間建立通信，并將兩列車的包絡(luò)進(jìn)行融合，VOBC向ZC發(fā)送聯(lián)掛后整列車的位置報(bào)告，ZC將聯(lián)掛列車按照一列車進(jìn)行控制及防護(hù)。

2）雙包絡(luò)方案：兩列固定編組列車聯(lián)掛后，兩列車維持各自的包絡(luò)，兩列車VOBC同時(shí)與ZC保持通信，分別向ZC發(fā)送原固定編組列車的位置報(bào)告，ZC將聯(lián)掛列車按照兩列車進(jìn)行控制及防護(hù)。同時(shí)考慮雙包絡(luò)方案在折返、喚醒等場(chǎng)景下，兩車VOBC需交互信息，以保證和原CBTC系統(tǒng)基本一致的功能分配和功能要求，雙包絡(luò)方案兩列車VOBC間可通過(guò)有線或無(wú)線建立通信。

雙包絡(luò)方案列車VOBC間邏輯耦合性較低，為虛擬聯(lián)掛/解編提供了技術(shù)保障，順應(yīng)后續(xù)技術(shù)發(fā)展的方向，因此采用雙包絡(luò)方案。如圖5所示，列 車1的TC2端VOBC作 為 激 活 端，與ZC、CI、TIAS/ATS通信，交互位置報(bào)告及移動(dòng)授權(quán)、站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)信息、列車運(yùn)行信息；列車2的TC2端VOBC作 為跟隨 端，與ZC、TIAS/ATS通信，交互位置報(bào)告、列車運(yùn)行信息；列車1及列車2的TC1端處于待機(jī)狀態(tài)。

圖5 聯(lián)掛后的車地通信示意Fig.5 Schematic diagram of vehicle-ground communication after coupling

非聯(lián)掛列車VOBC僅需對(duì)本列車進(jìn)行控制，聯(lián)掛列車由兩列固定編組列車組成，在列車喚醒、折返等運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景下，需要兩列車VOBC相互協(xié)同，完成相關(guān)功能。

4.4 聯(lián)掛列車換端

非聯(lián)掛列車折返換端時(shí)，列車頭端VOBC向尾端VOBC發(fā)送定位、駕駛模式等信息，實(shí)現(xiàn)列車的折返。聯(lián)掛列車換端時(shí)，TIAS/ATS向列車1的TC2端VOBC（激活端）及列車2的TC2端VOBC發(fā)送反方向運(yùn)行的指令，短編組列車的頭車及尾車分別進(jìn)行折返換端，頭車和尾車均換端完成后整列車換端完成，如圖6所示。

圖6 聯(lián)掛列車換端示意Fig.6 Schematic diagram of the switchover of the leading end of a coupled train

5 結(jié)束語(yǔ)

靈活編組為軌道交通綠色發(fā)展及服務(wù)質(zhì)量提升起到了重要的促進(jìn)作用，物理聯(lián)掛方案已進(jìn)入工程實(shí)施階段，在實(shí)施物理聯(lián)掛的同時(shí)，ZC及VOBC的設(shè)計(jì)方案為后續(xù)虛擬聯(lián)掛提供了技術(shù)基礎(chǔ)，待具備低延時(shí)特性的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在城市軌道交通領(lǐng)域具備成熟應(yīng)用條件時(shí)，逐步嘗試虛擬聯(lián)掛的工程化應(yīng)用。

靈活編組的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，除信號(hào)系統(tǒng)外，還需要車輛等專業(yè)的支撐。通過(guò)車鉤撞擊實(shí)現(xiàn)物理聯(lián)掛的方法，要求信號(hào)與車輛配合實(shí)現(xiàn)精確的列車控制，在頻繁撞擊場(chǎng)景下也對(duì)車鉤的耐用性提出了更高要求，載客聯(lián)掛也難以被運(yùn)營(yíng)接受。隨著可伸縮車鉤技術(shù)的成熟和應(yīng)用，物理聯(lián)掛的實(shí)施難度和應(yīng)用范圍將進(jìn)一步降低。