宋志丹,徐效寧,李 輝,萬(wàn) 林

(1.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； 2.國(guó)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(chē)追蹤間隔需要越來(lái)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(chē)的行車(chē)許可終點(diǎn)由前方列車(chē)占用的閉塞分區(qū)入口延伸到前車(chē)的安全車(chē)尾，因此可以在一定程度上縮短行車(chē)間隔[1]。但是，隨著列車(chē)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(wèn)題。

近年來(lái)，歐洲鐵路部門(mén)開(kāi)始研究虛擬編組技術(shù)，它使用無(wú)線通信代替機(jī)械上的聯(lián)掛，實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)列車(chē)的虛擬編組。列車(chē)虛擬編組后，如果看作一列整車(chē)，其行車(chē)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(chē)，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(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)去完成，這都是需要研究的問(wèn)題。

目前，歐洲在虛擬編組技術(shù)上主要集中于機(jī)車(chē)車(chē)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(guò)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(wú)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(chē)編組[2-4]。隨著近年來(lái)機(jī)車(chē)車(chē)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(mén)子、阿爾斯通、龐巴迪公司在內(nèi)的機(jī)車(chē)車(chē)輛制造商、鐵路運(yùn)營(yíng)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(kāi)發(fā)新的、可靠的機(jī)車(chē)車(chē)輛”，它包含8個(gè)工作組，覆蓋了機(jī)車(chē)車(chē)輛的各個(gè)領(lǐng)域，其中工作組2即是研究下一代列車(chē)通信系統(tǒng)，重點(diǎn)開(kāi)發(fā)用于列車(chē)控制的無(wú)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(lái)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(zhuān)業(yè)，分為5個(gè)課題(IP)：IP1高效可靠的機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)車(chē)輛和列控系統(tǒng)兩個(gè)方面，分別對(duì)應(yīng)IP1.2車(chē)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(chē)-車(chē)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(guò)車(chē)-車(chē)之間的直接無(wú)線通信，使后車(chē)獲取前車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，從而控制后車(chē)的運(yùn)行[11-13]。如圖1所示，通過(guò)這種方式，前后車(chē)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(wú)線通信。

圖1 虛擬編組示意

運(yùn)營(yíng)中，不同車(chē)次的列車(chē)從車(chē)站出發(fā)后，在區(qū)間通過(guò)虛擬編組技術(shù)在不停車(chē)的狀態(tài)下進(jìn)行聯(lián)掛，列車(chē)運(yùn)行間隔變??；當(dāng)列車(chē)需要在前方車(chē)站的不同股道作業(yè)時(shí)，在進(jìn)站前列車(chē)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(chē)的車(chē)載設(shè)備均按照ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車(chē)許可控車(chē)。虛擬編組后，頭車(chē)的車(chē)載設(shè)備應(yīng)仍以ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車(chē)許可進(jìn)行控車(chē)，而后車(chē)應(yīng)通過(guò)某種方式來(lái)縮小運(yùn)行間隔。需要解編時(shí)，后車(chē)與前車(chē)的運(yùn)行間隔變大，解編后，后車(chē)的車(chē)載設(shè)備恢復(fù)為以ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的行車(chē)許可控車(chē)。

2 既有系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

2.1 車(chē)載工作模式

對(duì)于機(jī)械編組的后車(chē)，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(chē)有電氣連接的列車(chē)，NL模式用于與頭車(chē)無(wú)電氣連接的列車(chē)[14]。因?yàn)闊o(wú)電氣連接的編組頭車(chē)無(wú)法對(duì)后車(chē)輸出電氣命令，所以NL模式較SL模式增加了過(guò)分相等功能。

虛擬編組列車(chē)解編后，后車(chē)的車(chē)載設(shè)備應(yīng)馬上投入工作，所以斷電和隔離模式是無(wú)法滿(mǎn)足要求的。而后車(chē)的車(chē)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(wèn)題：

(1)虛擬編組通常在列車(chē)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(chē)處于停車(chē)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(chē)解編時(shí)后車(chē)需要正常運(yùn)行，既有ETCS規(guī)范中車(chē)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(chē)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(chē)間隔控制

虛擬編組后的列車(chē)間隔控制由機(jī)車(chē)車(chē)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(chē)自動(dòng)駕駛(ATO)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

列車(chē)自動(dòng)駕駛在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，近年來(lái)干線鐵路也開(kāi)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(chē)時(shí)不能滿(mǎn)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(chē)車(chē)載設(shè)備如果采用SL或NL模式，ATP不執(zhí)行列車(chē)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(wú)法縮小行車(chē)間隔。因此，必須考慮其他方式對(duì)ATO控車(chē)進(jìn)行防護(hù)。

2.3 列車(chē)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(chē)位置報(bào)告和列車(chē)完整性信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)占用檢查，所以車(chē)載設(shè)備要向RBC實(shí)時(shí)發(fā)送列車(chē)位置報(bào)告和列車(chē)完整性信息。

虛擬編組的列車(chē)如果看作一列整車(chē)，只由頭車(chē)報(bào)告位置信息，那么所有后車(chē)的位置信息和列車(chē)完整性都應(yīng)通過(guò)車(chē)-車(chē)通信依次發(fā)送給前車(chē)，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(chē)不再報(bào)告位置，頭車(chē)報(bào)告的列車(chē)長(zhǎng)度會(huì)隨著列車(chē)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(chē)位置和完整性信息角度，虛擬編組列車(chē)的車(chē)載設(shè)備應(yīng)各自報(bào)告位置和列車(chē)完整性。

2.4 自動(dòng)過(guò)分相

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

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

因此，從自動(dòng)過(guò)分相角度，虛擬編組列車(chē)的車(chē)載設(shè)備應(yīng)各自執(zhí)行過(guò)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(chē)由ATO控車(chē)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(chē)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(méi)有符合SIL4級(jí)的系統(tǒng)投入運(yùn)用[20]。

在該方案下，列車(chē)虛擬編組后，前車(chē)車(chē)載設(shè)備的工作原理與ETCS-3級(jí)列控系統(tǒng)相同，而后車(chē)車(chē)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(wú)線會(huì)話和自動(dòng)過(guò)分相，不具備列車(chē)超速防護(hù)功能。因?yàn)樘摂M編組的列車(chē)仍是各自控制電氣接口，所以后車(chē)車(chē)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(chē)虛擬編組完成或解編時(shí)，車(chē)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(chē)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(chē)載設(shè)備應(yīng)接受控車(chē)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(chē)載設(shè)備應(yīng)處于完全監(jiān)控模式。移動(dòng)閉塞模式下，車(chē)載設(shè)備將列車(chē)位置發(fā)送給RBC，在列車(chē)之間無(wú)其他障礙物時(shí)，RBC將前車(chē)安全車(chē)尾作為行車(chē)許可終點(diǎn)發(fā)送給后車(chē)?？紤]列車(chē)位置報(bào)告周期和RBC處理時(shí)間等因素，后車(chē)能夠通過(guò)車(chē)-車(chē)通信得到比行車(chē)許可更新的前車(chē)位置。所以，列車(chē)虛擬編組后，當(dāng)后車(chē)判斷行車(chē)許可終點(diǎn)為前車(chē)時(shí)，可將車(chē)-車(chē)通信得到的列車(chē)位置作為行車(chē)許可終點(diǎn)，從而縮短行車(chē)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(chē)-車(chē)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(chē)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(chē)計(jì)算控車(chē)曲線時(shí)默認(rèn)前方列車(chē)速度為零。實(shí)際上，如果前車(chē)速度不為零，在后車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，前車(chē)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(chē)位置的變化。

通過(guò)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(chē)間隔。虛擬編組后，后車(chē)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(chē)速度不超過(guò)前車(chē)就不會(huì)相撞，由此建立以前車(chē)速度為目標(biāo)速度的控車(chē)曲線。這實(shí)際上是錯(cuò)誤的，因?yàn)椴煌熊?chē)制動(dòng)性能并不相同，只要前車(chē)制動(dòng)性能足夠優(yōu)于后車(chē)，即使后車(chē)速度低于前車(chē)，兩車(chē)在制動(dòng)過(guò)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(chē)當(dāng)前速度小于前車(chē)并且后車(chē)最終停車(chē)位置也不超過(guò)前車(chē)，但列車(chē)不同速度等級(jí)下的制動(dòng)力不同，會(huì)導(dǎo)致前后車(chē)在運(yùn)行過(guò)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(chē)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)或前車(chē)的估計(jì)停車(chē)位置都是錯(cuò)誤的，它應(yīng)當(dāng)把前車(chē)以最大制動(dòng)力停車(chē)過(guò)程中的每一個(gè)狀態(tài)都作為防護(hù)目標(biāo)。

圖2 前后車(chē)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(chē)當(dāng)前位置和速度為限制性行車(chē)許可(LOA)，限速曲線2以最大制動(dòng)力停車(chē)的前車(chē)位置為行車(chē)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(chē)的停車(chē)位置時(shí)制動(dòng)力取前后兩車(chē)的最大值，避免了圖2相撞情況的發(fā)生。由于列車(chē)在不同速度等級(jí)的制動(dòng)力不同，取值可能為前后兩車(chē)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(chē)當(dāng)前速度和最小安全車(chē)頭位置分別為V前和D前，L安為安全距離，L車(chē)為前車(chē)車(chē)長(zhǎng)，L延為考慮車(chē)-車(chē)通信延時(shí)的走行距離，L制為前車(chē)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(chē)-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(chē)-L安-L延

(3)

V2=0

(4)

需要指出的是，式(3)中L制為前車(chē)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(zhuān)業(yè)還是機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)，考慮的都是不同速度等級(jí)下列車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)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(chē)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(chē)直接通過(guò)查表將當(dāng)前的最短制動(dòng)距離傳給后車(chē)。

這種算法保證了后車(chē)始終基于前車(chē)的安全狀態(tài)控車(chē)，即使前車(chē)以緊急制動(dòng)停車(chē)，其停車(chē)位置也不會(huì)小于之前的估計(jì)值。這樣，當(dāng)車(chē)-車(chē)通信故障中斷后，后車(chē)不必立即輸出緊急制動(dòng)停車(chē)，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(chē)載設(shè)備根據(jù)RBC行車(chē)許可計(jì)算基于絕對(duì)制動(dòng)距離的限速曲線，當(dāng)列車(chē)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(chē)模式。這種處理方式可以實(shí)現(xiàn)兩種控車(chē)模式的平滑過(guò)渡，避免了車(chē)-車(chē)通信中斷造成緊急制動(dòng)停車(chē)。

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(chē)模式，修改如下：

(1)列車(chē)虛擬編組后，后車(chē)在完全監(jiān)控模式下判斷行車(chē)許可終點(diǎn)為前車(chē)安全車(chē)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(chē)-車(chē)通信中斷時(shí)，車(chē)載設(shè)備應(yīng)根據(jù)RBC行車(chē)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(chē)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(chē)模式。

4 結(jié)語(yǔ)

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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)區(qū)間追蹤間隔時(shí)間也能控制在3 min以?xún)?nèi)，限制運(yùn)輸能力的主要是列車(chē)出發(fā)和到達(dá)追蹤間隔時(shí)間，這與咽喉區(qū)長(zhǎng)度和限速、離去區(qū)段長(zhǎng)度等因素相關(guān)；而城市軌道交通一般為無(wú)配線車(chē)站，前后列車(chē)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(chē)-車(chē)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。