以列車為中心自主控制系統(tǒng)研究

馮浩楠

（中國(guó)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）

0 引言

為了不斷提升運(yùn)營(yíng)效率，軌道交通的列控系統(tǒng)經(jīng)歷了4 個(gè)發(fā)展階段：第一代列控系統(tǒng)是基于時(shí)間維度的列車間隔；第二代列控系統(tǒng)是依靠軌旁的(電子)機(jī)械信號(hào)，實(shí)現(xiàn)空間維度的列車間隔，即固定閉塞；第三代列控系統(tǒng)是基于移動(dòng)通信技術(shù)，打破固定閉塞限制，車地協(xié)同控制列車前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)列車邏輯區(qū)間間隔，以城軌領(lǐng)域的基于通信的列車控制系統(tǒng)(CBTC)和國(guó)家鐵路干線的CTCS3 系統(tǒng)為應(yīng)用代表；第四代列控系統(tǒng)是基于車車通信技術(shù)和環(huán)境感知技術(shù)，進(jìn)一步提高列車自主性，縮短列車運(yùn)行間隔。

在第三代列控系統(tǒng)中，以城市軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的CBTC系統(tǒng)為例，其具備精準(zhǔn)列車控制、連續(xù)列車間隔控制和超速防護(hù)等特點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外城市軌道交通系統(tǒng)的首選[1-2]。但是作為以地面為中心的控制系統(tǒng)，CBTC 系統(tǒng)存在系統(tǒng)復(fù)雜、信息鏈過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，列車運(yùn)行的效率和規(guī)模受限[3-5]。CBTC系統(tǒng)中的聯(lián)鎖系統(tǒng)(CI)、區(qū)域控制系統(tǒng)(ZC)、車載控制系統(tǒng)(VOBC)等子系統(tǒng)各自有一套復(fù)雜的控制邏輯，協(xié)同控制列車的安全運(yùn)行，碎片化的控制方式存在重復(fù)計(jì)算、協(xié)調(diào)費(fèi)時(shí)等缺陷[6-7]。

為了克服上述缺陷，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)通過(guò)列車之間的直接通信和協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)以列車為中心和車地功能一體化，進(jìn)而減少軌旁控制系統(tǒng)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)降低信號(hào)系統(tǒng)投資成本和便利后期維護(hù)的目的[8-9]。以城市軌道交通領(lǐng)域的CBTC為比較對(duì)象，在介紹以列車為中心自主控制系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，為其應(yīng)用推廣提供借鑒。

1 以列車為中心自主控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

以列車為中心自主控制系統(tǒng)包括車載系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。車載系統(tǒng)包括支持T2T 的車載通信設(shè)備、自動(dòng)列車運(yùn)行(ATO)、自動(dòng)列車防護(hù)(ATP)、用于位置校準(zhǔn)的應(yīng)答器天線；地面系統(tǒng)由列車自動(dòng)監(jiān)督(ATS)、資源管理器(RM)和對(duì)象控制器(OC)組成。以列車為中心自主控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 以列車為中心自主控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Architecture diagram of train centric autonomous control system

與CBTC 中ZC 計(jì)算移動(dòng)授權(quán)(MA)，CI 控制道岔并建立進(jìn)路核心控制邏輯不同，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的車載系統(tǒng)ATP生成移動(dòng)權(quán)限，通過(guò)與前列列車直接通信接收位置和速度信息，同時(shí)結(jié)合來(lái)自RM的資源占用情況，計(jì)算出速度曲線，確定列車的運(yùn)行權(quán)限，并控制與前車的安全距離。ATO實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)駕駛、精準(zhǔn)停車、無(wú)人折返等功能。ATS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控路線上所有列車的狀態(tài)，提供列車運(yùn)行時(shí)刻表。RM 管理共享資源，即軌旁設(shè)備：軌道、道岔和屏蔽門，OC接收車載或ATS的指令，控制軌旁設(shè)備。

1.2 差異分析

與CBTC系統(tǒng)相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)系統(tǒng)架構(gòu)的改變引起了控制邏輯、功能、設(shè)備、接口的轉(zhuǎn)變，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。

表1 CBTC系統(tǒng)控制信息含義Tab.1 Control meaning of CBTC system

表1 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)對(duì)比Tab.1 Comparison of train-centric autonomous control system and CBTC system

2 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的新增功能

目前，以CBTC為代表的以地面為中心的鐵路信號(hào)系統(tǒng)中列車智能化水平不高，智能化主要集中在地面控制系統(tǒng)中，列車由地面系統(tǒng)指揮控制，不能自主決策，自動(dòng)化水平受限。為了克服上述缺陷，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)在架構(gòu)上進(jìn)行了以下改變。①列車自主計(jì)算和控制運(yùn)行過(guò)程所需的資源，實(shí)現(xiàn)列車自主安全運(yùn)行。②列車之間根據(jù)列車間協(xié)議和軌道資源的優(yōu)先級(jí)約定，解決列車沖突資源鎖死的情況；實(shí)時(shí)交換列車狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)自組織虛擬編隊(duì)。③列車具有預(yù)測(cè)資源競(jìng)爭(zhēng)、處理事故/故障情況的能力。④在以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，操作員從干預(yù)者轉(zhuǎn)換為監(jiān)督者，更有效地響應(yīng)系統(tǒng)事故或者故障情況，提高安全性。系統(tǒng)新增功能具體包括車車通信和控制、列車對(duì)資源管理、環(huán)境狀態(tài)感知等。

2.1 車車通信和控制

車車通信作為以列車為中心自主控制系統(tǒng)中列車間通信的主要方式，須滿足相鄰范圍內(nèi)列車協(xié)作控制的安全通信需求，完成列車識(shí)別、通信管理和移動(dòng)授權(quán)計(jì)算等功能。①識(shí)別前車。每列車載自身有軌道數(shù)據(jù)庫(kù)。列車根據(jù)計(jì)劃進(jìn)路中軌道資源狀態(tài)和自身位置確定須通信的前方列車。在通信距離允許的情況下，可通過(guò)設(shè)備到設(shè)備(D2D)通信技術(shù)直接通信，在距離較遠(yuǎn)或者信道質(zhì)量不好情況下，可通過(guò)基站中轉(zhuǎn)方式間接車車通信[10-11]。②通信管理。在接收前方列車的運(yùn)動(dòng)信息后，相鄰列車建立追蹤關(guān)系，列車之間保持定期通信，對(duì)追蹤狀態(tài)進(jìn)行周期檢測(cè)，當(dāng)不滿足追蹤關(guān)系時(shí)，斷開通信連接。③列車自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。在以列車為中心自主控制系統(tǒng)中，列車通過(guò)應(yīng)答器進(jìn)行定位，結(jié)合軌道數(shù)據(jù)庫(kù)和相鄰列車運(yùn)動(dòng)信息，自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)列車的安全運(yùn)行。與CBTC系統(tǒng)或者CTCS相比的“硬撞墻”控制方式不同，以列車為中心的列控系統(tǒng)采用“軟撞墻”控制算法，考慮前車速度、加速度信息，不斷縮短列車運(yùn)行間隔。

2.2 資源管理

以列車為中心的自主列控系統(tǒng)的資源包括軌道區(qū)段、道岔和屏蔽門(PSD)。所有共享資源都由RM進(jìn)行管理。列車通過(guò)RM對(duì)資源進(jìn)行預(yù)留、釋放和控制操作。能夠占用和控制資源的對(duì)象包括ATS和列車。ATS 有權(quán)控制和恢復(fù)列車占用的共享資源。但是，列控系統(tǒng)只有在安全釋放共享資源狀態(tài)時(shí)，才可將其共享資源轉(zhuǎn)移給ATS。列控系統(tǒng)只有在安全占用資源后才可進(jìn)行控制。在臨時(shí)限速的特殊情況下，列控系統(tǒng)可立即對(duì)共享資源進(jìn)行控制。

2.3 環(huán)境狀態(tài)感知

列車環(huán)境狀態(tài)感知包括列車對(duì)內(nèi)部和周圍環(huán)境狀態(tài)的感知，處理運(yùn)行過(guò)程中的緊急狀況。

（1）列車上的緊急情況。在列車發(fā)生故障的情況下，列車將以降級(jí)模式減速運(yùn)行或停止運(yùn)行。在必須停止操作的情況下，嘗試進(jìn)入最近的站臺(tái)讓乘客下車。列車故障因素包括：車廂故障、列車低速運(yùn)行的條件(如列車推進(jìn)裝置的故障等)、列車停止條件(行駛到最近的站臺(tái)并打開車門)以及必要時(shí)的緊急停止條件(列車無(wú)線電設(shè)備故障等)。在識(shí)別列車故障后，采取措施包括：列車臨時(shí)限速、列車運(yùn)行路線修改、列車緊急制動(dòng)。當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，根據(jù)火災(zāi)的嚴(yán)重程度，列車直接停在軌道上或進(jìn)入最近的站臺(tái)讓乘客下車。如果車內(nèi)發(fā)生緊急的事故，列車會(huì)通知ATS控制并停在最近的站臺(tái)。

（2）軌道上的緊急情況。軌道上的緊急情況包括人或障礙物在軌道上的存在或碰撞、軌道缺陷、道岔故障、PSD故障、隧道或站臺(tái)起火等。當(dāng)發(fā)現(xiàn)區(qū)域有人或障礙物出現(xiàn)在軌道上時(shí)，則封鎖該區(qū)間禁止列車進(jìn)入。RM 實(shí)時(shí)監(jiān)控軌旁設(shè)備狀態(tài)，列控系統(tǒng)通過(guò)RM獲得軌旁狀態(tài)，根據(jù)其判斷檢測(cè)區(qū)間是否需要設(shè)置為臨時(shí)限速或禁止進(jìn)入的保護(hù)區(qū)間。如果需要，列控系統(tǒng)通過(guò)RM將區(qū)段設(shè)置為臨時(shí)限速區(qū)段或保護(hù)區(qū)段。

3 以列車為中心自主控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 車車通信和控制

以列車為中心自主控制系統(tǒng)的列車車車通信和控制步驟如下。

（1）運(yùn)行區(qū)間的物體識(shí)別。列車移動(dòng)授權(quán)的最大距離為r。在以列車為中心自主控制系統(tǒng)中，列車與半徑為2r的固定區(qū)域內(nèi)所有物體(列車、道岔和PSD)進(jìn)行通信。

（2）選擇前車。列車的車載系統(tǒng)具有全局基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)自己位置和運(yùn)行方向選擇前車，在接收區(qū)域內(nèi)列車位置后，選擇前車并定期交互列車的運(yùn)動(dòng)信息、狀態(tài)和移動(dòng)授權(quán)等信息。

（3）自主計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，列車運(yùn)行基準(zhǔn)都由應(yīng)答器標(biāo)簽(TAG)標(biāo)定。列車根據(jù)安裝在軌道上的TAG搜索前方列車，移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算與現(xiàn)有CBTC 系統(tǒng)中的ZC 的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算方法類似。如果前車不存在，列車的移動(dòng)權(quán)限為最大移動(dòng)權(quán)限距離r，如果前車位于本車的最大移動(dòng)權(quán)限距離內(nèi)，則列車的移動(dòng)授權(quán)確定到前車的最小安全車頭處。在CBTC 系統(tǒng)中，列車的移動(dòng)授權(quán)由地面ZC計(jì)算并發(fā)送給列車，而在以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，移動(dòng)授權(quán)由列車根據(jù)周邊環(huán)境和自身狀態(tài)自主動(dòng)態(tài)計(jì)算。

（4）共享資源初始值的安全設(shè)置。與CBTC 系統(tǒng)中進(jìn)路理念的聯(lián)鎖邏輯不同，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的車載系統(tǒng)基于全局基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)與RM信息交互，接收前方線路的道岔的狀態(tài)并通過(guò)OC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)列車的運(yùn)行。

3.2 資源管理

在以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，軌道資源包括軌道區(qū)段、道岔和PSD。資源控制實(shí)體是列車和ATS。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)將資源的所有權(quán)和控制權(quán)進(jìn)行區(qū)分。

RM 管理資源的完整性和所有權(quán)狀態(tài)。資源的完整性意味著其處于可以將軌道資源分配給所有者的安全狀態(tài)。如果軌道區(qū)段、道岔或PSD故障，或者被設(shè)置了保護(hù)段，則不會(huì)將資源分配給列車。軌道資源的所有權(quán)指RM提供計(jì)算列車運(yùn)行所需距離限制所需的資源信息和資源權(quán)限(RA)。列車除了通過(guò)列車間通信接收前車的運(yùn)行狀態(tài)信息外，還需通過(guò)RM獲取所需的RA。RM 根據(jù)每個(gè)請(qǐng)求授予一個(gè)新的RA。授予資源所有者的RA須為唯一不重復(fù)使用的數(shù)值，具有足夠長(zhǎng)的碼位。RM 在收到資源釋放請(qǐng)求時(shí)，應(yīng)檢查與賦予資源的RA 值是否匹配，只有匹配時(shí)才將資源轉(zhuǎn)為未占用狀態(tài)。

3.3 環(huán)境狀態(tài)感知

列車的緊急情況運(yùn)行場(chǎng)景可分為3 類：列車狀態(tài)異?；蛎撥墶⒕€路或車站狀態(tài)異常及自然災(zāi)害等緊急情況。

在軌道交通系統(tǒng)地面和車上安裝傳感器來(lái)收集周圍環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括降雪/降雨、線路洪水、障礙物/墜落物體、風(fēng)速、入侵和軌道溫度。地面?zhèn)鞲衅鲗⒉杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行處理后調(diào)整采集周期存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)處理模塊中，并傳輸?shù)杰囕d感知模塊。地面環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)具體包括線路缺陷、電源故障、平臺(tái)火災(zāi)、PSD故障等數(shù)據(jù)。車載環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)包括車載牽引制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)、車門是否異常、煙感狀態(tài)、火災(zāi)情況、脫軌等數(shù)據(jù)。車載感知模塊通過(guò)接收地面環(huán)境數(shù)據(jù)、車載傳感器獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)和車載地圖的路線數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)路線的限速，輸出包括各路段的限速、可否行駛、可否停車等信息。

4 以列車為中心自主控制系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)控制信息流

4.1.1 CBTC系統(tǒng)控制信息流

一條線路通常由多個(gè)控區(qū)組成，每個(gè)控區(qū)內(nèi)包括一個(gè)ZC和一個(gè)CI，構(gòu)成地面安全控制系統(tǒng)核心，為列車安全運(yùn)行提供所需的區(qū)段信息，防止2 列或多列列車同時(shí)占用同一區(qū)段[12]。CBTC 系統(tǒng)控制信息流程如圖2所示，CBTC系統(tǒng)控制信息含義如表1所示。

4.1.2 以列車為中心自主控制系統(tǒng)控制信息流

在以列車為中心自主控制系統(tǒng)中，將CI 和ZC的功能集成到車載系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)靈活的列車運(yùn)行。列車無(wú)需與地面控制系統(tǒng)同步信息，直接控制列車行駛所需的安全距離和進(jìn)路中的道岔方向。在列車運(yùn)營(yíng)計(jì)劃改變時(shí)，只需更改控制ATS 的任務(wù)信息，即可更改列車運(yùn)行計(jì)劃。列車可根據(jù)運(yùn)行情況靈活地控制道岔方向，保持與前車安全距離任意?？空九_(tái)，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的控制流程如圖3所示，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的控制信息含義如表2所示。

表2 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的控制信息含義Tab.2 Control meaning of train-centric autonomous control system

圖3 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的控制流程Fig.3 Control flow of train-centric autonomous control system

4.2 道岔區(qū)間控制邏輯

4.2.1 CBTC系統(tǒng)道岔區(qū)間控制邏輯

CBTC 系統(tǒng)中，列車2 將移動(dòng)授權(quán)到從X 延伸到Y(jié)，須經(jīng)過(guò)區(qū)段A，C和道岔區(qū)段B，CBTC道岔區(qū)段控制如圖4所示，控制流程步驟如下。

圖4 CBTC道岔區(qū)段控制Fig.4 Switch section control of CBTC system

（1）列車將位置傳送到ZC。

（2）ZC向CI提供包括列車位置在內(nèi)的信息。

（3）CI在確認(rèn)道岔區(qū)段B無(wú)列車后，發(fā)送道岔轉(zhuǎn)換命令給道岔(P1，P2)，改變道岔方向。

（4）CI確認(rèn)進(jìn)路內(nèi)的道岔轉(zhuǎn)換到位。

（5）CI向ZC提供列車進(jìn)路信息。

（6）列車從ZC收到新的移動(dòng)授權(quán)(Y)。

CBTC中的CI仍采取固定閉塞的聯(lián)鎖邏輯，即如果列車1 占用道岔區(qū)段B，CI 無(wú)法為列車2 創(chuàng)建進(jìn)路，只有當(dāng)列車1 的后部完全出清道岔區(qū)段B時(shí)，CI才能創(chuàng)建進(jìn)路和更新移動(dòng)權(quán)限。鎖閉范圍較大，降低了道岔區(qū)段的通過(guò)效率。

4.2.2 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的道岔區(qū)間控制邏輯

以列車為中心自主控制系統(tǒng)取消地面CI 和ZC系統(tǒng)，將CI 進(jìn)路排列、區(qū)間控制和軌旁設(shè)備控制的邏輯與ZC 的行車授權(quán)計(jì)算功能和列車車載的保護(hù)功能融合，車載系統(tǒng)將現(xiàn)有軌道區(qū)段轉(zhuǎn)換為最小信號(hào)量區(qū)域，在最小信號(hào)量區(qū)域內(nèi)必須只有一列列車，進(jìn)路的控制轉(zhuǎn)換為最小信號(hào)量區(qū)域的資源分配。與CBTC系統(tǒng)相比，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的檢查道岔區(qū)段范圍縮減，新的移動(dòng)授權(quán)可延伸至Y，列車快速通過(guò)。以列車為中心自主控制系統(tǒng)的道岔控制如圖5所示。

圖5 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的道岔控制Fig.5 Switch control of train-centric autonomous control system

4.3 運(yùn)行性能

4.3.1 CBTC運(yùn)行性能

在CBTC系統(tǒng)中，前車報(bào)告自身位置狀態(tài)給地面控制系統(tǒng)(ZC和CI)，后車再?gòu)牡孛嫦到y(tǒng)(ZC)接收移動(dòng)授權(quán)信息，在制動(dòng)速度曲線實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行，CBTC 的列車間隔控制流程如圖6 所示。列車區(qū)間運(yùn)行中控制引入了時(shí)延Ti(i=1，2，…，7)和列車運(yùn)行間隔Lj(j=1，2，…，5)。CBTC 控制流程中的時(shí)延和安全距離如表3 所示。列車間隔分為2 部分：前車信息到達(dá)后車時(shí)延產(chǎn)生的前車運(yùn)行距離的列車運(yùn)行間隔I 段、后車識(shí)別前車制動(dòng)停車的距離和安全裕度組成的列車運(yùn)行間隔II段。

表3 CBTC控制流程中的時(shí)延和安全距離Tab.3 Time delay and safety distance in the control flow of CBTC system

4.3.2 以列車為中心自主控制系統(tǒng)運(yùn)行性能

以列車為中心自主控制系統(tǒng)通過(guò)車車直接通信和系統(tǒng)處理流程優(yōu)化，縮減了系統(tǒng)信息時(shí)延和列車運(yùn)行間隔，提升運(yùn)行效能。

針對(duì)列車運(yùn)行間隔I段，在CBTC系統(tǒng)中，車地控制流程的時(shí)間鏈為T1→T2→T3→T4→T5→T6→T3→T7→T8；在以列車為中心自主控制系統(tǒng)中，通過(guò)T2T直接通信縮短系統(tǒng)處理周期，縮短為T1→T2T→T3，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的I 段列車間隔壓縮如圖7所示。第I段的列車間距提升效率rI計(jì)算如公式⑴所示。

圖7 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的I段列車間隔壓縮Fig.7 Decrease in gap I by train-centric autonomous control system

針對(duì)列車運(yùn)行間隔II段，以列車為中心自主控制系統(tǒng)采用相對(duì)制動(dòng)模式，通過(guò)前車和后車交換列車的位置、速度、加速度等運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)列車間隔進(jìn)行縮短。車1將計(jì)算的ATO速度曲線制動(dòng)距離D7和緊急制動(dòng)減速曲線的制動(dòng)距離(D6+D7)傳輸?shù)杰?。車2所需的制動(dòng)距離(D1+D2)和安全裕量D3可減去ATO 速度曲線制動(dòng)距離(D6)，以列車為中心自主控制系統(tǒng)的II 段列車間隔壓縮如圖8 所示，第II段的列車間距提升效率rII計(jì)算如公式⑵所示。

圖8 以列車為中心自主控制系統(tǒng)的II段列車間隔壓縮Fig.8 Decrease in gap II by train-centric autonomous control system

式中：D1=L1；D2=L2；D3為安全裕量；D6為ATO速度曲線制動(dòng)距離。

4.4 系統(tǒng)控制規(guī)模

在CBTC 中，ZC，CI 等地面控制系統(tǒng)為控區(qū)內(nèi)的所有列車提供安全進(jìn)路。在IEEE 1474-1 標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中，ZC 的處理能力為10～40 個(gè)編隊(duì)，如果超過(guò)40列車編隊(duì)上限，需增加地面ATP控制系統(tǒng)。

在以列車為中心自主控制中，去掉地面控制系統(tǒng)，克服了系統(tǒng)處理能力的限制。地面取消ZC 和CI系統(tǒng)，列車執(zhí)行ZC和CI功能，與周邊列車進(jìn)行通信協(xié)同，在保障進(jìn)路所需必要軌道資源條件下，根據(jù)其他列車的信息自主提供進(jìn)路和移動(dòng)授權(quán)。當(dāng)線路需擴(kuò)展或變更時(shí)，無(wú)需改變地面控制系統(tǒng)，僅通過(guò)ATS系統(tǒng)改變給列車的任務(wù)即可，突破系統(tǒng)列車編隊(duì)限制。

4.5 操作靈活性

在CBTC系統(tǒng)中，列車間的物理連掛可能被信號(hào)系統(tǒng)識(shí)別為碰撞，需提前封鎖列車的進(jìn)出進(jìn)路防護(hù)。列車的物理連掛和解掛須通過(guò)操作人員的語(yǔ)音和手勢(shì)人工指揮進(jìn)行，沒(méi)有信號(hào)系統(tǒng)保護(hù)。物理連掛和解掛場(chǎng)景只能在直向線路，前方列車停穩(wěn)后才可進(jìn)行操作。

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)提出虛擬連掛和解掛，利用先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)和列車運(yùn)行時(shí)的控制技術(shù)，在行車過(guò)程中，通過(guò)虛擬連接器實(shí)現(xiàn)列車的自由連掛和解掛，增強(qiáng)了列車操作的靈活性。信號(hào)系統(tǒng)全程監(jiān)控和執(zhí)行虛擬連掛編隊(duì)，突破CBTC系統(tǒng)物理連掛和解掛的時(shí)間和空間的限制，同時(shí)預(yù)防意外情況出現(xiàn)，快速安全實(shí)現(xiàn)列車的虛擬連掛和解掛。

4.6 可靠性

系統(tǒng)的可靠性由系統(tǒng)失效率確定。與CBTC系統(tǒng)中每個(gè)控區(qū)有地面控制系統(tǒng)(ZC，CI)情況不同，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)取消了地面控制系統(tǒng)。定義CBTC 的故障平均時(shí)間MTTFCBTC和以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的故障平均時(shí)間MTTFTCACS比例rMTTF評(píng)估可靠性提升效率[13]，如公式⑶所示。

式中：λ為系統(tǒng)故障率，假設(shè)每個(gè)設(shè)備的故障率相同；系統(tǒng)的控區(qū)數(shù)為n；列車數(shù)量為k。由于n≥1，k≥1，與CBTC 系統(tǒng)相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)可靠性提高倍，CBTC系統(tǒng)和以列車中心自主控制系統(tǒng)MTTF提升比例如圖9所示。

圖9 CBTC系統(tǒng)和以列車中心自主控制系統(tǒng)MTTF提升比例Fig.9 MTTF increased ratio between CBTC system and train-centric autonomous control system

4.7 拓展性

以地面為中心的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)復(fù)雜，列控系統(tǒng)自動(dòng)化等級(jí)升級(jí)或者變更時(shí)，特別是在城市軌道交通、城際鐵路、市域鐵路、國(guó)鐵干線鐵路四網(wǎng)融合場(chǎng)景應(yīng)用時(shí)，地面和車載系統(tǒng)須進(jìn)行同時(shí)修改和大量測(cè)試，系統(tǒng)間互聯(lián)互通工作會(huì)遇到眾多瓶頸[14-15]。

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)主要集中在列控系統(tǒng)，在城市軌道交通、普通鐵路和高速鐵路多個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行列控系統(tǒng)的GoA4 級(jí)無(wú)人駕駛適應(yīng)擴(kuò)展，系統(tǒng)修改量相對(duì)較小，擴(kuò)展性適應(yīng)性強(qiáng)。

5 以列車為中心自主控制系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景

CBTC 系統(tǒng)在列車運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)，需要人工介入，列車自身無(wú)法恢復(fù)，而以列車為中心的自主控制系統(tǒng)智能化水平不斷提升。以列車為中心的自主列控系統(tǒng)的運(yùn)行場(chǎng)景可分為以下3 種情況。

5.1 列車自主運(yùn)行場(chǎng)景

在正常運(yùn)行模式下，根據(jù)列車時(shí)刻表在站臺(tái)到達(dá)、停止和離開。運(yùn)營(yíng)開始前在列車段進(jìn)行準(zhǔn)備工作，運(yùn)營(yíng)結(jié)束后進(jìn)行清理工作。列車運(yùn)行期間在檢查站進(jìn)行檢查，維修人員以人工操作方式對(duì)列車進(jìn)行檢查。正常運(yùn)行場(chǎng)景如下。

（1）開始運(yùn)營(yíng)：從系統(tǒng)啟動(dòng)到開始運(yùn)營(yíng)所有任務(wù)。

（2）運(yùn)營(yíng)結(jié)束：從運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)結(jié)束到系統(tǒng)關(guān)閉的任務(wù)。

（3）正常情況：按計(jì)劃在正線正常運(yùn)行。

（4）特殊情況：超出正常情況的情況，如輕微延誤、限速等情況。

5.2 列車降級(jí)運(yùn)行場(chǎng)景

降級(jí)的運(yùn)行場(chǎng)景通常是由于系統(tǒng)故障引起，此外還和操作優(yōu)化、系統(tǒng)故障管理和維護(hù)等活動(dòng)相關(guān)。在降級(jí)運(yùn)行場(chǎng)景中，列車不遵循ATS的列車時(shí)間表。列車按照自己的子時(shí)刻表自行運(yùn)行，但需在ATS的監(jiān)督和控制下運(yùn)行。列車子時(shí)刻表基于各種策略，盡量減少因列車故障和地面設(shè)施故障造成的停運(yùn)時(shí)間。

5.3 列車應(yīng)急運(yùn)行場(chǎng)景

在火災(zāi)、停電等緊急事故的應(yīng)急運(yùn)行場(chǎng)景下，列車選擇相應(yīng)的運(yùn)行策略。如果系統(tǒng)出現(xiàn)臨時(shí)故障，列車在判斷自身狀態(tài)和周邊感知的基礎(chǔ)上，在滿足安全條件情況下，無(wú)需人工干預(yù)，可自行安全地初始化其位置和行駛方向，返回之前的行駛狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重系統(tǒng)故障，操作人員在遙控檢查列車前方安全的基礎(chǔ)上，可遠(yuǎn)程系統(tǒng)重啟或遠(yuǎn)程控制操作列車，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)人自動(dòng)化。當(dāng)緊急狀態(tài)的列車無(wú)法自動(dòng)運(yùn)行，必須使用救援車將其拖至疏散線。為確保拖曳空間，須將相關(guān)區(qū)間與運(yùn)行區(qū)間分開，禁止列車進(jìn)入拖曳作業(yè)區(qū)間，將故障列車先牽引至疏散線，在運(yùn)營(yíng)結(jié)束后移至停車場(chǎng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

與現(xiàn)有的以地面為中心的列車控制系統(tǒng)相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)增強(qiáng)列車運(yùn)行和控制的靈活性、克服以地面為中心控制系統(tǒng)架構(gòu)的運(yùn)輸能力限制、增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性、提升了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，便于線路拓展和升級(jí)、增加系統(tǒng)的故障處理能力，減少人工維護(hù)操作、提升系統(tǒng)自主化和智能化，通過(guò)簡(jiǎn)化軌旁控制設(shè)備，確立以列車為中心的控制范式，帶來(lái)系統(tǒng)效率的總體提升，成為下一代軌道交通列車控制系統(tǒng)重要發(fā)展方向。