無人駕駛模式下地鐵列車在線聯(lián)掛解編技術(shù)研究

衛(wèi) 亮，嚴(yán)業(yè)智，王洪智

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100000）

在線聯(lián)掛解編是指根據(jù)不同區(qū)間、時(shí)段的客流特征，在保證較高列車服務(wù)頻率的條件下，在正線區(qū)域通過靈活改變列車編組來實(shí)現(xiàn)客流需求和實(shí)際運(yùn)力協(xié)同的運(yùn)輸組織技術(shù)[1]。從城市軌道交通形式出現(xiàn)到現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)外就城市軌道交通運(yùn)輸組織進(jìn)行了大量研究，靈活編組技術(shù)也在實(shí)際的運(yùn)輸組織中得到了應(yīng)用。上海16號(hào)線在高峰時(shí)期采用大小編組混跑的運(yùn)輸組織方式；維也納地鐵2號(hào)線列車采用6節(jié)編組，但可根據(jù)需要進(jìn)行變化，通過改變列車編組，加上調(diào)節(jié)行車密度，可以適應(yīng)不同時(shí)段和不同客流變化的需要。而全自動(dòng)運(yùn)行模式（Fully-Automatic Train Operating Mode，F(xiàn)AM）下的列車聯(lián)掛解編技術(shù)還處于工程試驗(yàn)階段，本文根據(jù)地鐵信號(hào)系統(tǒng)基本原理就無人駕駛模式下地鐵列車在線聯(lián)掛解編實(shí)現(xiàn)過程和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 各專業(yè)基礎(chǔ)條件

（1）土建條件：在前期建設(shè)可實(shí)現(xiàn)靈活編組的線路時(shí)，要對(duì)聯(lián)掛解編區(qū)域（站臺(tái)、列檢庫(kù)、折返線、存車線）做相應(yīng)的加長(zhǎng)，聯(lián)掛解編區(qū)域的線路坡度和曲線半徑都需根據(jù)車輛條件進(jìn)行評(píng)估。

（2）車輛條件：由于在無人駕駛狀況下進(jìn)行聯(lián)掛解編作業(yè)，車輛需采用全自動(dòng)車鉤裝置，自動(dòng)車鉤能夠在列車產(chǎn)生碰撞之后完成機(jī)械聯(lián)掛和電氣聯(lián)掛，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(tái)[2]。

（3）信號(hào)條件：能夠控制列車保證安全的情況下完成低速碰撞，整個(gè)聯(lián)掛解編過程保持FAM模式不變。

2 聯(lián)掛基本過程

聯(lián)掛基本分為2類：

（1）列車根據(jù)提前編制好的聯(lián)掛計(jì)劃，兩聯(lián)掛列車分別自動(dòng)運(yùn)行至聯(lián)掛區(qū)域完成全自動(dòng)聯(lián)掛，再根據(jù)后續(xù)運(yùn)行計(jì)劃自動(dòng)運(yùn)行。

（2）中心調(diào)度人員根據(jù)臨時(shí)需要通過調(diào)度員工作站手動(dòng)控制兩列車實(shí)現(xiàn)在線聯(lián)掛作業(yè)。

2.1 計(jì)劃聯(lián)掛

第一步：被聯(lián)掛列車在聯(lián)掛區(qū)域前一定區(qū)段范圍內(nèi)匹配聯(lián)掛計(jì)劃，如圖1所示。

圖1 被聯(lián)掛車匹配計(jì)劃

此時(shí)，被聯(lián)掛列車車次窗上會(huì)有相應(yīng)提示顯示列車已匹配到了聯(lián)掛計(jì)劃。

第二步：被聯(lián)掛列車自動(dòng)運(yùn)行至被聯(lián)掛停車點(diǎn)，進(jìn)入被聯(lián)掛工況。

被聯(lián)掛列車根據(jù)“被聯(lián)掛命令”運(yùn)行至聯(lián)掛解編區(qū)域被聯(lián)掛停車點(diǎn)停車，如圖2所示。

圖2 被聯(lián)掛車準(zhǔn)備階段

被聯(lián)掛列車車載控制器（Vehicle On-Board Controller，VOBC）判斷已在被聯(lián)掛停車點(diǎn)停準(zhǔn)停穩(wěn)，車鉤處于對(duì)中狀態(tài)后釋放激活端并施加緊急制動(dòng)，車輛對(duì)列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)（Train Control and Monitor System，TCMS）、車門系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車載火警系統(tǒng)和障礙物脫軌檢測(cè)系統(tǒng)等進(jìn)行檢查，無影響聯(lián)掛的危險(xiǎn)項(xiàng)時(shí)通過TCMS向被聯(lián)掛列車VOBC下達(dá)“被聯(lián)掛允許”命令[3]。

第三步：去聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段，如圖3所示。

圖3 去聯(lián)掛車準(zhǔn)備階段

去聯(lián)掛列車在聯(lián)掛區(qū)域前一定區(qū)段范圍內(nèi)匹配到去聯(lián)掛計(jì)劃，同時(shí)行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（Train Integration Automatic System，TIAS）為去聯(lián)掛列車下達(dá)被聯(lián)掛列車的列車識(shí)別號(hào)（Vehicle Identification Number，VID）。區(qū)域控制器（Zone Controller，ZC）判斷收到聯(lián)掛列車及被聯(lián)掛列車車載VOBC發(fā)送的兩列車對(duì)中狀態(tài)，為去聯(lián)掛列車計(jì)算用于聯(lián)掛的可碰撞移動(dòng)授權(quán)（Movement Authority，MA）（障礙點(diǎn)位于被聯(lián)掛列車包絡(luò)內(nèi)方一定距離），此時(shí)去聯(lián)掛列車進(jìn)入去聯(lián)掛工況。

第四步：完成機(jī)械碰撞和電氣聯(lián)掛，如圖4所示。

圖4 完成聯(lián)掛示意圖

TIAS判斷兩列車均進(jìn)入聯(lián)掛工況后，向去聯(lián)掛列車VOBC發(fā)送“開始聯(lián)掛”命令，VOBC自動(dòng)通過TCMS向車輛發(fā)送“聯(lián)掛限速指令”車輛進(jìn)行限速控制。兩列車機(jī)械車鉤聯(lián)掛成功后，去聯(lián)掛列車及被聯(lián)掛列車車輛分別通過硬線接口向各端VOBC輸出“機(jī)械聯(lián)掛”安全信號(hào)。隨后，VOBC向TCMS發(fā)送對(duì)應(yīng)端“電氣聯(lián)掛”指令，TCMS控制被聯(lián)掛列車伸出對(duì)應(yīng)端電鉤，從而完成兩列車的數(shù)據(jù)裝載并被標(biāo)記為一列車。

第五步：發(fā)車階段，如圖5所示。

圖5 匹配后續(xù)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃

聯(lián)掛后的列車根據(jù)計(jì)劃生成新的車次號(hào)，ATS根據(jù)聯(lián)掛列車后續(xù)運(yùn)行計(jì)劃排列相應(yīng)進(jìn)路，司機(jī)駕駛列車根據(jù)后續(xù)發(fā)車，投入運(yùn)營(yíng)。

2.2 非計(jì)劃聯(lián)掛

對(duì)于非計(jì)劃聯(lián)掛的系統(tǒng)原理與計(jì)劃聯(lián)掛一致，調(diào)度人員可根據(jù)運(yùn)營(yíng)的臨時(shí)要求操作列車的聯(lián)掛作業(yè)。

第一步：調(diào)度人員通過調(diào)度員工作站給被聯(lián)掛列車下達(dá)“被聯(lián)掛命令”，同時(shí)為該列車設(shè)置去往聯(lián)掛區(qū)域的頭碼或人工辦理進(jìn)路，列車自動(dòng)運(yùn)行至被聯(lián)掛停車點(diǎn)，信號(hào)及車輛完成準(zhǔn)備工作，并施加緊急制動(dòng)。

第二步：調(diào)度人員為列車2下達(dá)去聯(lián)掛命令，同時(shí)為該列車設(shè)置去往聯(lián)掛區(qū)域的頭碼或人工辦理進(jìn)路，列車以FAM模式運(yùn)行到聯(lián)掛列車停至聯(lián)掛解編區(qū)域。

第三步：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，完成兩列車機(jī)械聯(lián)掛。車輛與信號(hào)配合，依次完成交直流減載、電氣車鉤聯(lián)掛、初運(yùn)行（網(wǎng)絡(luò)貫通）及車輛自檢。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VOBC間建立通信。

第四步：聯(lián)掛后的4+4編組列車為人工車，調(diào)度人員根據(jù)實(shí)際情況安排后續(xù)運(yùn)營(yíng)工作。

3 解編基本過程

解編過程也基本分為2類：

（1）計(jì)劃解編。

（2）非計(jì)劃解編（調(diào)度人員手動(dòng)下達(dá)解編命令）。

步驟一（聯(lián)掛列車準(zhǔn)備階段），如圖6所示。

圖6 解編前準(zhǔn)備階段

①（計(jì)劃解編）多編組FAM模式列車在解編區(qū)域前匹配到解編計(jì)劃，自動(dòng)運(yùn)行至聯(lián)掛解編區(qū)域指定位置，信號(hào)及車輛完成準(zhǔn)備工作。

②（非計(jì)劃解編）調(diào)度人員向4+4編組列車下達(dá)“解編指令”，同時(shí)為該列車設(shè)置去往聯(lián)掛區(qū)域的頭碼或人工辦理進(jìn)路。若列車已停于聯(lián)掛解編區(qū)域指定位置，則直接進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

步驟二（解編階段）：車輛根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)指令斷開兩列車電氣及機(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)，如圖7所示。

圖7 解編階段

步驟三（發(fā)車階段）：ATS根據(jù)解編后的列車后續(xù)分別運(yùn)行計(jì)劃排列相應(yīng)進(jìn)路，列車根據(jù)后續(xù)運(yùn)行計(jì)劃依次發(fā)車，投入運(yùn)營(yíng)，如圖8所示。

圖8 解編后的發(fā)車階段

4 各接口專業(yè)配合

4.1 信號(hào)與車輛接口需求

聯(lián)掛過程中需要車輛向信號(hào)輸入機(jī)械鉤及電氣鉤狀態(tài)。本端機(jī)械鉤、電氣聯(lián)掛且與之聯(lián)掛車完整性正常時(shí)，車輛向本端VOBC輸出車輛本端電氣聯(lián)掛狀態(tài)。對(duì)端機(jī)械鉤、電氣聯(lián)掛且與之聯(lián)掛車完整性正常時(shí)，車輛向本端VOBC輸出車輛對(duì)端電氣聯(lián)掛狀態(tài)。

原本車輛與信號(hào)的接口信息中車門狀態(tài)、駕駛室激活狀態(tài)等接口信息都會(huì)根據(jù)聯(lián)掛列車的特點(diǎn)做相應(yīng)的修改和適配[4]。

4.2 信號(hào)-站臺(tái)門接口需求

站臺(tái)門對(duì)于不同編組列車的到達(dá)需要聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的站臺(tái)門，需針對(duì)不同編組列車實(shí)現(xiàn)站臺(tái)門或部分站臺(tái)門的開關(guān)。信號(hào)系統(tǒng)可通過繼電接口的方式實(shí)現(xiàn)該功能，接口電路中需設(shè)置不同編組對(duì)應(yīng)的開關(guān)門繼電器，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)不同的編組信息驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器。

4.3 信號(hào)-PIS接口需求

信號(hào)系統(tǒng)與PIS的通信協(xié)議中增加列車編組信息，PIS通過編組信息向乘客顯示乘降區(qū)域提示。

5 運(yùn)輸組織策略

（1）運(yùn)行圖編制。不同編組長(zhǎng)度的列車混跑情況下列車旅行速度，正線列車間追蹤能力和折返站折返能力會(huì)發(fā)生變化，運(yùn)營(yíng)人員在進(jìn)行編制開行方案和繪制運(yùn)行圖時(shí)要考慮到靈活編組混跑情況下導(dǎo)致的系統(tǒng)能力降低[5]。

（2）乘客引導(dǎo)。靈活編制的實(shí)現(xiàn)使得同一列車不同車廂可能開往不同的目的地，傳統(tǒng)的站臺(tái)廣播和PIS屏可能無法對(duì)乘客進(jìn)行正確引導(dǎo)，可以通過全息投影或者屏蔽門上方增設(shè)電子屏的方式，對(duì)每節(jié)車廂乘客進(jìn)行提示。

（3）靈活編組列車交路方案。靈活編制的主要目的是解決客流時(shí)間和空間上的不平衡，在實(shí)際的運(yùn)營(yíng)組織過程中與多交路方案組合應(yīng)用才能更大幅度解決運(yùn)力、客流和能耗匹配的問題。由于多交路運(yùn)營(yíng)會(huì)導(dǎo)致部分列車在運(yùn)行過程中直達(dá)困難，旅客的換乘時(shí)間較長(zhǎng)[6]。實(shí)現(xiàn)多交路組織方式的關(guān)鍵是對(duì)列車進(jìn)行折返作業(yè)，實(shí)現(xiàn)靈活編組運(yùn)營(yíng)模式的關(guān)鍵是對(duì)列車進(jìn)行解編作業(yè)，這兩個(gè)作業(yè)的自身特點(diǎn)能夠相互接續(xù)，為兩種運(yùn)營(yíng)組織方式提供了組合的機(jī)會(huì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

無人駕駛下的聯(lián)掛解編技術(shù)已經(jīng)逐漸從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段進(jìn)入了工程實(shí)踐階段，一項(xiàng)項(xiàng)新技術(shù)的突破也不斷推動(dòng)著我國(guó)城市軌道交通自動(dòng)化的發(fā)展。本文對(duì)工程實(shí)踐中的聯(lián)掛解編過程，各專業(yè)接口配合及運(yùn)輸組織等進(jìn)行了探討。值得注意的是，無人駕駛下的聯(lián)掛解編是一項(xiàng)多專業(yè)配合的系統(tǒng)工程，全自動(dòng)車鉤技術(shù)，信號(hào)與車輛對(duì)于速度的精準(zhǔn)控制、聯(lián)掛解編時(shí)間控制等都需要在實(shí)踐過程中不斷完善。運(yùn)營(yíng)企業(yè)也需要進(jìn)一步研究相應(yīng)的客流組織方法，在編制列車運(yùn)行計(jì)劃時(shí)作出適應(yīng)性調(diào)整。