城市軌道交通列車自動(dòng)靈活編組技術(shù)應(yīng)用研究

胡榮華

(1. 上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 200070， 上海；2. 卡斯柯信號(hào)有限公司， 200070， 上海∥高級(jí)工程師)

1 列車靈活編組的必要性分析

城市軌道交通線路客流隨時(shí)空變化是不平衡的，最為突出的特點(diǎn)是由于上下班出行帶來(lái)的潮汐客流現(xiàn)象，這在連接市區(qū)與郊區(qū)的通勤線路上尤為明顯。目前解決潮汐客流最直接的措施是在客流高峰時(shí)段投入更多的運(yùn)營(yíng)列車，以縮短行車間隔、提高運(yùn)力。而在客流非高峰時(shí)段，為了提高運(yùn)營(yíng)列車的利用率，一般通過(guò)增加行車間隔來(lái)減少運(yùn)營(yíng)列車數(shù)，這在一定程度上降低了服務(wù)質(zhì)量。另一個(gè)有效的舉措是實(shí)行列車靈活編組運(yùn)營(yíng)，針對(duì)全天不同時(shí)段或不同區(qū)段的客流差異，在保證各時(shí)段/區(qū)段均能提供較優(yōu)服務(wù)質(zhì)量的前提下，通過(guò)改變運(yùn)營(yíng)列車的編組數(shù)，在運(yùn)輸組織上實(shí)現(xiàn)運(yùn)量與運(yùn)力的最佳協(xié)同。這樣，可以合理優(yōu)化各時(shí)段的列車滿載率，解決因客流在時(shí)段分布不均衡造成的運(yùn)力浪費(fèi)問(wèn)題，提高城市軌道交通的運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性。

在傳統(tǒng)的列車靈活編組運(yùn)營(yíng)中，一般是由檢修人員或司機(jī)在車輛段特定的聯(lián)掛/解編區(qū)域內(nèi)人工實(shí)施列車聯(lián)掛/解編作業(yè)。通過(guò)人工重啟配置新編組列車的車載數(shù)據(jù)和車輛數(shù)據(jù)，在確認(rèn)新編組列車電氣連接和性能正常后重啟列車，讓新編組列車駛?cè)胝€投入運(yùn)營(yíng)。目前國(guó)內(nèi)大部分城市軌道交通線路(如廣州地鐵3號(hào)線、深圳地鐵9號(hào)線等)的靈活編組運(yùn)營(yíng)主要采用上述方式，其作業(yè)的自動(dòng)化程度不高、作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)、靈活度較低。

列車自動(dòng)靈活編組是指在正線/車輛段的特殊區(qū)域，信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃自動(dòng)控制運(yùn)營(yíng)列車改變其編組數(shù)，以適應(yīng)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段/區(qū)段的運(yùn)力差異需求。隨著FAO(全自動(dòng)運(yùn)行)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，基于FAO的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于城市軌道交通的新建項(xiàng)目，在FAO的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)靈活編組(即在運(yùn)營(yíng)期間可自動(dòng)管理列車的聯(lián)掛和解編)已成為當(dāng)前軌道交通業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)確保列車自動(dòng)聯(lián)掛/解編作業(yè)全過(guò)程快捷、安全，并對(duì)聯(lián)掛/解編后的列車進(jìn)行安全、可靠的識(shí)別和控制，以適應(yīng)城市軌道交通線路的高密度運(yùn)營(yíng)需求。此項(xiàng)技術(shù)在國(guó)外已有成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，如在沙特阿拉伯首都利雅得的地鐵4號(hào)線、5號(hào)線及6號(hào)線上，信號(hào)系統(tǒng)已支持列車自動(dòng)聯(lián)掛/解編和列車自動(dòng)救援。

2 列車編組的定義

在列車靈活編組中，信號(hào)系統(tǒng)將列車分為列車編組和列車單元，其定義如下：

1) 列車單元:列車靈活編組中的最小列車組成，列車單元不能再進(jìn)行解編。

2) 列車編組: 由1個(gè)或多個(gè)列車單元組成列車編組；由1個(gè)列車單元組成的列車稱為小編組列車；由多個(gè)列車單元組成的列車稱為大編組列車或聯(lián)掛列車，本文稱之為聯(lián)掛列車。

3) 激活列車單元: 指被激活端駕駛室的列車單元，由ATU(激活列車單元)負(fù)責(zé)控制聯(lián)掛列車的運(yùn)行。

4) 非激活列車單元：指未被激活端駕駛室的列車單元，不參與列車運(yùn)行控制，其輸出被車輛旁路。

小編組列車和聯(lián)掛列車示意如圖1所示。

a) 小編組列車

b) 聯(lián)掛列車

3 列車自動(dòng)靈活編組技術(shù)方案

列車自動(dòng)靈活編組運(yùn)營(yíng)下，信號(hào)系統(tǒng)需具備在線調(diào)整列車編組數(shù)及滿足不同編組列車在線混跑要求的功能。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃自動(dòng)控制列車在車輛段或正線的特定位置改變其編組數(shù)，自動(dòng)控制2列n節(jié)小編組列車聯(lián)掛，形成1列n+n節(jié)的聯(lián)掛列車，以替代2列n節(jié)小編組列車在線路上運(yùn)行。反之，也可將1列n+n節(jié)編組的聯(lián)掛列車解編為2列n節(jié)小編組列車。解編后的2列小編組列車分開(kāi)運(yùn)營(yíng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)量和運(yùn)力的最佳協(xié)同。

3.1 列車自動(dòng)聯(lián)掛的作業(yè)步驟

ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)將聯(lián)掛任務(wù)(包括被聯(lián)掛、去聯(lián)掛)編入當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)控制列車運(yùn)行至正線特定區(qū)域(如折返軌、存車線)執(zhí)行聯(lián)掛作業(yè)。聯(lián)掛作業(yè)完成后，聯(lián)掛列車將作為1列新的列車，自動(dòng)投入正線運(yùn)營(yíng)。圖2為列車自動(dòng)聯(lián)掛作業(yè)流程。

a) 步驟1

c) 步驟3

d) 步驟4

f) 步驟6

如圖2所示，列車自動(dòng)聯(lián)掛作業(yè)分為6個(gè)步驟：

1) 步驟1：ATS為被聯(lián)掛列車T1辦理運(yùn)行至聯(lián)掛區(qū)域的進(jìn)路;

2) 步驟2：T1自動(dòng)運(yùn)行至聯(lián)掛區(qū)域末端后停車；ATS根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃自動(dòng)下發(fā)被聯(lián)掛指令，待T1被聯(lián)掛準(zhǔn)備就緒后，VOBC(車載控制器)通知軌旁系統(tǒng);

3) 步驟3：根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，ATS自動(dòng)為去聯(lián)掛列車T2辦理去聯(lián)掛進(jìn)路，并下發(fā)去聯(lián)掛指令;

4) 步驟4：軌旁ZC(區(qū)域控制器)根據(jù)T1的被聯(lián)掛狀態(tài)，自動(dòng)控制T2接近T1;

5) 步驟5：T2在停車或不停車情況下與T1碰撞聯(lián)掛后形成聯(lián)掛列車(T1+T2)，車輛系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)配置聯(lián)掛列車的編組數(shù)據(jù)，形成聯(lián)掛列車的數(shù)據(jù)信息;

6) 步驟6：ATS根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃自動(dòng)控制聯(lián)掛列車投入正線運(yùn)營(yíng)。

3.2 列車自動(dòng)解編的作業(yè)步驟

ATS將解編任務(wù)編入當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，聯(lián)掛列車(T3+T4)運(yùn)行至正線特定區(qū)域后自動(dòng)解編為2列小編組列車。解編后的2列小編組列車按當(dāng)日運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，分別投入正線運(yùn)營(yíng)。圖3為列車自動(dòng)解編作業(yè)流程。

a) 步驟1

b) 步驟2

c) 步驟3

d) 步驟4

如圖3所示，列車自動(dòng)解編分為4個(gè)步驟：

1) 步驟1：聯(lián)掛列車(T3+T4)自動(dòng)運(yùn)行至解編區(qū)域停車；

2) 步驟2：ATS根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃下發(fā)解編指令；

3) 步驟3：車輛系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)配置新列車編組數(shù)據(jù), 聯(lián)掛列車解編為2列小編組列車T3、T4；

4) 步驟4：ATS根據(jù)當(dāng)天運(yùn)營(yíng)計(jì)劃自動(dòng)控制列車T3、T4分別投入正線運(yùn)營(yíng)。

3.3 聯(lián)掛列車的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)聯(lián)掛列車的安全可靠控制，VOBC通過(guò)貫通網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)交互各列車單元中的車載設(shè)備識(shí)別號(hào)、端部聯(lián)掛狀態(tài)、列車運(yùn)行信息、運(yùn)營(yíng)任務(wù)信息及控制指令(如車載設(shè)備狀態(tài)、駕駛模式、開(kāi)關(guān)門(mén)指令等)，以識(shí)別列車編組信息，監(jiān)督編組狀態(tài)，控制列車安全運(yùn)行。

4 列車編組管理功能

4.1 聯(lián)掛列車的多AP(防護(hù)包絡(luò))管理

聯(lián)掛列車各列車單元的VOBC同時(shí)工作，并和軌旁系統(tǒng)保持通信。其對(duì)應(yīng)的AP相互獨(dú)立，即聯(lián)掛前后各列車單元的VOBC與軌旁系統(tǒng)的通信方式?jīng)]有發(fā)生變化，且在聯(lián)掛/解編過(guò)程及后續(xù)投入正線運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，各列車單元VOBC識(shí)別號(hào)均保持不變。通過(guò)該方式，可確保ZC和VOBC能快速適應(yīng)列車編組數(shù)目的變化，減少列車聯(lián)掛/解編的作業(yè)時(shí)間，如圖4所示。

注：T頭——聯(lián)掛列車的頭車；T尾——聯(lián)掛列車的尾車；T小——小編組列車。

軌旁子系統(tǒng)與聯(lián)掛列車VOBC的通信方式為：

1) ZC：將聯(lián)掛列車視為多個(gè)獨(dú)立的列車單元；各列車單元的VOBC同時(shí)和ZC保持通信，VOBC給ZC提供位置報(bào)文、速度及狀態(tài)信息；ZC為各列車單元分別建立AP，并反饋移動(dòng)授權(quán)；聯(lián)掛列車的頭車為激活列車單元，可響應(yīng)軌旁信息并控制列車運(yùn)行；聯(lián)掛列車的尾車為非激活列車單元，也接收軌旁信息，但不控制聯(lián)掛列車運(yùn)行。

2) ATS：將聯(lián)掛列車視為1列車，聯(lián)掛列車各列車單元的VOBC同時(shí)和ATS保持通信，分別給ATS提供列車識(shí)別號(hào)、駕駛模式、列車聯(lián)掛狀態(tài)及任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)等信息；ATS將多個(gè)列車單元合并為1個(gè)新的聯(lián)掛列車(如列車201、列車202合并為聯(lián)掛列車201202)進(jìn)行管理，同時(shí)給各列車單元反饋運(yùn)行任務(wù)；作為激活列車單元的頭車的VOBC根據(jù)ATS任務(wù)控制聯(lián)掛列車運(yùn)行。

3) CI(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖):將聯(lián)掛列車視為1列車；列車進(jìn)站時(shí)，僅激活列車單元的頭車的VOBC向CI請(qǐng)求建立通信；VOBC根據(jù)列車編組類別給CI匹配發(fā)送不同的開(kāi)門(mén)指令，控制站臺(tái)門(mén)開(kāi)啟/閉合；非激活列車單元的尾車與CI間不通信。

4.2 聯(lián)掛狀態(tài)檢測(cè)

為安全實(shí)施列車聯(lián)掛/解編作業(yè)，確保列車聯(lián)掛后的運(yùn)行安全，VOBC需對(duì)聯(lián)掛列車進(jìn)行安全、可靠識(shí)別和實(shí)時(shí)監(jiān)督。信號(hào)-車輛接口信息中，在每個(gè)列車單元的兩端均增加了安全信息，用以采集每個(gè)駕駛端的聯(lián)掛狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 列車聯(lián)掛狀態(tài)采集示意圖

如圖5所示，ACS1表示本端單側(cè)是否為聯(lián)掛狀態(tài)，其值取“0”時(shí)表示本端聯(lián)掛，取“1”時(shí)表示本端非聯(lián)掛；ANCS表示本端單側(cè)是否為非聯(lián)掛狀態(tài)，取“0”時(shí)表示本端非聯(lián)掛，取“1”時(shí)表示本端聯(lián)掛；ACS2表示與本端聯(lián)掛的另一個(gè)列車單元的遠(yuǎn)端是否為聯(lián)掛狀態(tài)，其值取“0”時(shí)表示另一個(gè)列車單元的遠(yuǎn)端已聯(lián)掛，取“1”時(shí)表示另一個(gè)列車單元的遠(yuǎn)端未聯(lián)掛。VOBC根據(jù)每個(gè)駕駛端的ACS1、ANCS及ACS2取值，來(lái)識(shí)別列車為小編組列車或聯(lián)掛列車：

1) ACS1/ANCS信號(hào)來(lái)源于本駕駛端車鉤的內(nèi)部接點(diǎn)，通過(guò)識(shí)別ACS1/ANCS的狀態(tài)來(lái)判斷本駕駛端是否聯(lián)掛。這兩個(gè)信號(hào)互斥，當(dāng)本駕駛端若處于聯(lián)掛狀態(tài)時(shí)，ACS1=0，ANCS=1；當(dāng)本駕駛端處于非聯(lián)掛狀態(tài)時(shí)，ACS1=1，ANCS=0。

2) 通過(guò)識(shí)別ACS2的狀態(tài)來(lái)判斷本列車單元另一個(gè)駕駛端是否聯(lián)掛。此ACS2信號(hào)來(lái)源于與本端聯(lián)掛的另一個(gè)列車單元遠(yuǎn)端的ACS1狀態(tài)，可用于檢查本端的電氣連接狀態(tài)，以判斷另一個(gè)列車單元的遠(yuǎn)端是否還聯(lián)掛其它列車單元。

4.3 聯(lián)掛列車的編組信息識(shí)別

VOBC和ZC共同協(xié)作，以安全、可靠地識(shí)別列車的編組數(shù)，這是授權(quán)聯(lián)掛列車運(yùn)行的關(guān)鍵。VOBC和ZC都需要對(duì)聯(lián)掛列車的編組狀態(tài)和編組信息進(jìn)行計(jì)算：VOBC根據(jù)各列車單元對(duì)應(yīng)的VOBC識(shí)別號(hào)及Cab(列車的駕駛端)的聯(lián)掛狀態(tài)，計(jì)算聯(lián)掛列車的聯(lián)掛編組狀態(tài)；ZC根據(jù)各列車單元Cab的聯(lián)掛狀態(tài)和AP位置，計(jì)算聯(lián)掛列車的聯(lián)掛編組信息。

1) 正常情況下，頭車的VOBC采用其計(jì)算得到的聯(lián)掛編組狀態(tài)來(lái)識(shí)別聯(lián)掛列車。若頭車的VOBC對(duì)列車聯(lián)掛編組狀態(tài)的識(shí)別不成功，則采用ZC計(jì)算得到的聯(lián)掛編組信息識(shí)別來(lái)聯(lián)掛列車。

2) 正常情況下，ZC根據(jù)頭車的VOBC計(jì)算得到的聯(lián)掛編組狀態(tài)來(lái)識(shí)別聯(lián)掛列車，并計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。若ZC收到頭車的VOBC計(jì)算得到的聯(lián)掛編組狀態(tài)無(wú)效(如列車編組數(shù)為0)，ZC則根據(jù)自己計(jì)算得到的聯(lián)掛編組信息來(lái)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。

3) 若VOBC、ZC的計(jì)算結(jié)果都不可用時(shí)(如列車編組數(shù)為0)，VOBC將僅授權(quán)列車RM(限制人工駕駛模式)可用。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，當(dāng)聯(lián)掛編組狀態(tài)和聯(lián)掛編組信息中任一信息有效時(shí)，聯(lián)掛列車都可以保持CBTC運(yùn)行。

4.4 聯(lián)掛列車編組的控制

列車正常運(yùn)行時(shí)，所有VOBC均保持工作狀態(tài)。由激活列車單元的頭車控制聯(lián)掛列車運(yùn)行，并向列車發(fā)送控制指令。尾車的控制指令被列車旁路。如圖6所示，列車通過(guò)全自動(dòng)車鉤貫通VOBC和列車的輸出/輸入信息(如牽引/制動(dòng)、門(mén)狀態(tài)等)，將聯(lián)掛列車整合為一個(gè)統(tǒng)一的列車控制平臺(tái)進(jìn)行管理。

5 結(jié)語(yǔ)

列車自動(dòng)靈活編組技術(shù)對(duì)潮汐客流特征明顯的城市軌道交通線路具有重要意義，既可以很好地保障城市軌道交通線路的服務(wù)質(zhì)量，又可節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本，提高運(yùn)營(yíng)效率和運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性，具有較高的推廣價(jià)值。本文從列車自動(dòng)靈活編組的功能需求入手，將列車靈活編組技術(shù)和FAO相結(jié)合，分析了列車自動(dòng)聯(lián)掛/解編過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)方式。在未來(lái)，該技術(shù)有望在互聯(lián)互通軌道交通線路間的跨線靈活編組、列車聯(lián)掛救援等運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中得到更為廣泛的應(yīng)用。

圖6 聯(lián)掛列車系統(tǒng)架構(gòu)示意圖