基于车车通信的空轨全自动运行控制系统关键技术研究

雷成健

（湖南中车时代通信信号有限公司， 湖南 长沙 410001）

引言

随着社会经济快速发展，为满足人们快速、环保、安全的出行需求，轨道交通开始蓬勃发展。为解决城市交通拥堵问题，地铁作为城市轨道交通的首选方式，在经济发达的一、二线城市遍地开花。在中小规模城市中，由于受经济体量、客流量限制，地铁建设并非最优选择。空中轨道列车（简称空轨），由于其投入小、拆迁少、建设快，可作为中小规模城市发展轨道交通的首选方案[1]。目前国四川、山西、武汉都有空轨运输系统在建设及运行，鉴于空轨运输系统的巨大发展潜力，研究一种空轨全自动运行控制系统具有很大的现实意义。

1 空轨运输系统原理

空轨运输系统一般由供电、轨道、车辆和运行控制系统等组成。空中轨道为腔体结构，为行车的物理支撑，由位于路面的梁柱悬挂式固定在空中。车辆转向架位于空中轨道内部，车辆通过承重轴与转向架相连，悬挂于轨道下方。列车牵引/制动控制部单元位于车厢内部，牵引驱动、制动盘等设备位于转向架上。牵引控制单元发送命令至牵引/制动驱动部件，牵引/制动驱动单元通过牵引电机/制动盘实现列车的走/停运动。列车运行控制系统分室内设备、轨旁设备和车载设备。室内设备一般实现列车的监督、调度和应急处理等功能，轨旁设备一般实现车地通信、列车定位和道岔信号机控制等功能，车载设备一般实现列车自动防护及自动驾驶功能。空轨运输各子系统协调工作，实现空轨运输的安全高效运营[2]。

2 基于车车通信的全自动运行控制系统

基于车车通信的空轨全自动运行控制系统由：全自动车载控制系统（FAVOC）、全自动列车监督系统（FATS）、轨旁设备控制单元（WSCU）和DCS等组成，如图1示。FATS包含中心与车站设备，提供了一个对全线列车和现场信号设备的监控平台。WSCU实现对包括道岔转辙机、紧急停车按钮和屏蔽门（安全门）等的状态采集和控制。

图1 车车通信运行控制系统结构图

车载控制器FAVOC通过与前车的实时通信获得前车的位置以及驾驶模式等信息，通过车地通信接收轨旁道岔、屏蔽门和紧急停车按钮等状态信息，计算列车的自身移动授权/允许运行速度和制动干预曲线，输出牵引和制动控制列车运行，实现移动闭塞运行控制，保证列车安全运行。列车自动驾驶及辅助驾驶系统，基于闭塞控制实现全自动驾驶[3]。

3 车车通信系统关键技术

基于车车通信的全自动运行控制系统功能包含：行车安全保证功能，乘客保护和辅助功能，辅助列车运行，辅助驾驶，全自动驾驶功能，行车路径规划功能，车载路径锁定功能，车载移动闭塞功能。行车安全保证功能，乘客保护和辅助功能，辅助列车运行，辅助驾驶，全自动驾驶功能为传统CBTC功能的扩展与深化，文中不做重点讨论。文中主要对行车路径规划功能，车载路径锁定功能，车载移动闭塞功能和轨旁控制单元功能等关键技术进行研究分析。

3.1 轨旁设备控制单元功能

车车通信系统的路径规划、路径锁定、移动授权由车载设备实现，轨旁只需设轨旁设备控制单元。轨旁设备控制单元通过DCS骨干网或无线通信与列车、FATS实时双向通信，向列车和FATS提供采集到的轨旁设备状态。轨旁控制单元接收并响应列车、FATS的命令，对管辖对象（道岔区段）进行权限分配，并根据命令和权限的分配情况对道岔、屏蔽门等设备进行操控。轨旁控制单元功能包含：列车注册管理、轨旁资源分配、轨旁设备控制、轨旁设备封锁与解封和轨旁设备工作状态采集等[4]。

3.2 车载控制系统的关键技术

3.2.1 行车路径规划功能

基于车车通信的运行控制系统，由于地面不设联锁与区域控制器，因而车载设备需直接接收来自地面FATS的信息，以规划列车运行路径。为满足列车路径规划要求，来自FATS的信息包含：列车本次运行的终点，当前停车区域的停站时间，途经的停车点，站站之间的运行等级，需要执行跳停的停车点，需要扣车的停车点等。车载设备根据列车位置来实时判断可否按照运行计划运行，若列车当前位置不能实现运行计划，判定运行计划无效，放弃该计划。若列车当前位置满足运行计划，则根据规划列车路径。车车通信车载设备需根据运行计划、线路拓扑，一次性规划完列车整个运行过程中的路径。车载系统采用动态计算的方式，优先保证在线路正方向运行，少经过道岔的方式规划行车路径[5]。

列车收到新的运行计划以后，重新规划路径。列车运行的每个周期都需根据运行计划来规划运行路径。

3.2.2 车载路径锁定功能

当车载设备规划好路径之后，需锁定行车路径，实现列车运行路径的安全防护。列车路径锁定分三个步骤，第一步是路径资源查询，第二步是资源占用请求，第三是步锁定路径。资源查询的目的是确定安全路径延伸需要的资源。列车在规划路径范围内，以安全车尾为起点，安全路径延伸的最大距离为终点，计算此范围内包含的资源及状态。完成路径资源查询后根据实际线路条件为列车完成“铺路”的过程，“铺路”结果根据实际情况可能铺设到安全路径终点或中间点。所谓“铺路”是对道岔资源、侵限区段、保护区段的占用请求。占用请求完成意味着该路径上线路资源（道岔、线路、保护区段）都已经被成功申请。资源占用请求过程中，系统根据设备状态与当前期望状态是否一致，还需要对资源进行控制。当资源占用请求成功后，路径被锁定。列车行车过程中，根据规划路径中安全资源的状态实时动态延时并锁定路径。

3.2.3 车载移动闭塞

移动授权是车载设备进行列车安全防护及控制列车移动的依据。车车通信控制系统，在规划及锁定列车路径后，需要进行列车移动授权计算。车载系统根据轨旁设备信息、线路上其他列车信息进行列车筛选、前车识别、计算安全位置，生成移动授权。

4 结语

车车通信系统架构精简，且车车通信的机制对于空轨系统实现全自动驾驶有一定优势，但车车通信目前处于探索实验阶段，系统的应用推广仍需要一定时间。