面向虚拟编组的列控技术研究

宋志丹,徐效宁,李 辉,万 林

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081； 2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081)

随着铁路运输能力的要求不断提高，列车追踪间隔需要越来越小，列控系统的安全防护距离成为一个重要的制约因素。现代高速铁路一般采用固定闭塞或准移动闭塞方式，城市轨道交通CBTC系统大多采用移动闭塞。移动闭塞使列车的行车许可终点由前方列车占用的闭塞分区入口延伸到前车的安全车尾，因此可以在一定程度上缩短行车间隔[1]。但是，随着列车运行速度的提高，列控系统的安全防护距离不断增大，目前的移动闭塞方式仍不能从根本上解决问题。

近年来，欧洲铁路部门开始研究虚拟编组技术，它使用无线通信代替机械上的联挂，实现不同型号列车的虚拟编组。列车虚拟编组后，如果看作一列整车，其行车间隔可以极大地缩短。这打破了列控系统传统意义上的安全防护距离的概念，对列控系统提出了新的挑战。对于虚拟编组后的非头车，列控系统如何防护和控制，甚至是否由信号还是由机车车辆专业去完成，这都是需要研究的问题。

目前，欧洲在虚拟编组技术上主要集中于机车车辆方面的研究，列控系统的实现方式处于起步阶段，尚未有明确的技术方案。通过分析虚拟编组的理念，结合既有欧洲列控系统(ETCS)的特点，旨在提出适用于虚拟编组的列控技术实现。

1 虚拟编组理念

1.1 发展背景

2000年前后，欧洲不同学者提出采用无线通信代替机械联挂技术，以实现不同型号和软件版本的列车编组[2-4]。随着近年来机车车辆技术的不断发展，虚拟编组的实现成为一种可能。2015年5月，欧洲铁路行业协会(UNIFE)与西班牙CAF公司共同牵头，组成包括西门子、阿尔斯通、庞巴迪公司在内的机车车辆制造商、铁路运营公司以及科研院校等机构的研究团队，启动了Roll2Rail项目[5-6]。该项目旨在“为欧洲更可持续、更智能、更舒适的铁路运输开发新的、可靠的机车车辆”，它包含8个工作组，覆盖了机车车辆的各个领域，其中工作组2即是研究下一代列车通信系统，重点开发用于列车控制的无线通信技术[7-9]。该项目于2017年10月结题，相关研究内容在转移至铁路(Shift2Rail)项目中得到延续。

Shift2Rail是欧盟有史以来最大的研究和创新计划“地平线2020”(Horizon 2020)的规划项目，其研究内容覆盖了整个铁路运输系统的各个专业，分为5个课题(IP)：IP1高效可靠的机车车辆、IP2先进的运输管理/控制系统、IP3高效可靠的基础设施、IP4优秀的铁路服务信息系统和IP5节能便利的铁路货运技术。虚拟编组包含机车车辆和列控系统两个方面，分别对应IP1.2车辆控制监控系统(TCMS)和IP2.8虚拟编组列控技术。根据项目计划，IP1.2中车-车通信技术已在之前的Roll2Rail项目完成，IP2.8的研究时间则为2018年至2020年[10]。

1.2 基本理念

虚拟编组，是通过车-车之间的直接无线通信，使后车获取前车的运行状态，从而控制后车的运行[11-13]。如图1所示，通过这种方式，前后车可以看作进行了联挂，只是联挂的物理方式由机械变为无线通信。

图1 虚拟编组示意

运营中，不同车次的列车从车站出发后，在区间通过虚拟编组技术在不停车的状态下进行联挂，列车运行间隔变小；当列车需要在前方车站的不同股道作业时，在进站前列车控制运行间隔变大，进行动态解编。

虚拟编组技术基于移动闭塞方式，以下将以支持移动闭塞的ETCS-3级列控系统为例进行分析。从信号系统的角度讲，在虚拟编组前，各列车的车载设备均按照ETCS-3级列控系统的行车许可控车。虚拟编组后，头车的车载设备应仍以ETCS-3级列控系统的行车许可进行控车，而后车应通过某种方式来缩小运行间隔。需要解编时，后车与前车的运行间隔变大，解编后，后车的车载设备恢复为以ETCS-3级列控系统的行车许可控车。

2 既有系统面临的问题

2.1 车载工作模式

对于机械编组的后车，ETCS规范除了断电(NP)和隔离(IS)模式外，主要定义了两种工作模式：休眠模式(SL)和非本务模式(NL)。SL模式用于与头车有电气连接的列车，NL模式用于与头车无电气连接的列车[14]。因为无电气连接的编组头车无法对后车输出电气命令，所以NL模式较SL模式增加了过分相等功能。

虚拟编组列车解编后，后车的车载设备应马上投入工作，所以断电和隔离模式是无法满足要求的。而后车的车载设备如果在虚拟编组时采用SL或NL模式，也会存在以下问题：

(1)虚拟编组通常在列车运行中进行操作，而既有ETCS规范中SL或NL模式进入的条件要求列车处于停车状态，所以需要修改对应的模式转换条件；

(2)当虚拟编组列车解编时后车需要正常运行，既有ETCS规范中车载设备在退出SL或NL模式后只能进入待机、断电或隔离模式，如果车载设备要进入完全监控模式，规范不但要修改模式转换条件，还要修改SL或NL模式下对各种信息的处理原则。

2.2 列车间隔控制

虚拟编组后的列车间隔控制由机车车辆还是信号系统去完成，尚未确定，但普遍接受的观点是该功能应由设备自动执行，而不需要司机手动操作。本文主要探讨由信号系统的列车自动驾驶(ATO)设备实现。

列车自动驾驶在城市轨道交通中广泛应用，近年来干线铁路也开始ATO的应用研究[15-17]。但ATO的安全完整性为SIL2级，其单独控车时不能满足铁路信号系统安全性要求，所以必须由SIL4级系统进行安全防护[18-19]。虚拟编组的后车车载设备如果采用SL或NL模式，ATP不执行列车超速防护功能；如果采用完全监控模式，既有的限速曲线计算方式无法缩小行车间隔。因此，必须考虑其他方式对ATO控车进行防护。

2.3 列车位置和完整性信息

由于虚拟编组基于移动闭塞方式，列控系统需要根据列车位置报告和列车完整性信息实现列车占用检查，所以车载设备要向RBC实时发送列车位置报告和列车完整性信息。

虚拟编组的列车如果看作一列整车，只由头车报告位置信息，那么所有后车的位置信息和列车完整性都应通过车-车通信依次发送给前车，这增加了系统的复杂性。而且，从地面设备的角度看，后车不再报告位置，头车报告的列车长度会随着列车运行间隔不断变化，这使得RBC处理逻辑变得复杂。因此，从列车位置和完整性信息角度，虚拟编组列车的车载设备应各自报告位置和列车完整性。

2.4 自动过分相

当线路前方存在分相区时，RBC向车载设备发送分相区的起点和长度。车载设备在车头距分相区起点一定时间时输出过分相控制信号，当车头越过分相区终点一定距离时撤销过分相信号，从而完成自动过分相功能。

如果虚拟编组列车作为一列整车处理过分相信息，那么后车输出过分相的时机提前，前车撤销过分相信号的时机滞后。当列车数量过多时，可能因为断电时间过长，导致虚拟编组列车停在分相区。而如果头车根据各列车的位置分别计算各列车的过分相时机，再通过车-车通信发送给对应的后车，将使车载设备的处理变得过于复杂。

因此，从自动过分相角度，虚拟编组列车的车载设备应各自执行过分相功能。

3 面向虚拟编组的列控技术

由2.2节分析，虚拟编组列车由ATO控车时，必须由SIL4级系统进行防护。根据防护系统的不同，本文提出两种方案。

3.1 基于非列控系统防护的方案

3.1.1 基本原理

本方案虚拟编组列车的间隔控制由信号以外的系统进行防护，目前它们大多处于理论研究阶段，并没有符合SIL4级的系统投入运用[20]。

在该方案下，列车虚拟编组后，前车车载设备的工作原理与ETCS-3级列控系统相同，而后车车载设备则以NL模式工作，该模式可以向司机显示速度信息，管理无线会话和自动过分相，不具备列车超速防护功能。因为虚拟编组的列车仍是各自控制电气接口，所以后车车载设备采用NL模式而不是SL模式。

3.1.2 ETCS规范变动

在既有ETCS规范的基础上，需要修改NL模式的相关内容，具体如下：

(1)增加NL模式的转换条件。除了既有的机械编组/解编外，当列车虚拟编组完成或解编时，车载设备都应自动进入或退出NL模式，而不再考虑列车是否在运行状态；

(2)修改NL模式的信息使用原则。NL模式下车载设备应接受控车相关信息包，以保证退出时立即转入完全监控模式。

3.2 基于列控系统防护的方案

3.2.1 基本原理

为了使列控系统能够进行防护，车载设备应处于完全监控模式。移动闭塞模式下，车载设备将列车位置发送给RBC，在列车之间无其他障碍物时，RBC将前车安全车尾作为行车许可终点发送给后车。考虑列车位置报告周期和RBC处理时间等因素，后车能够通过车-车通信得到比行车许可更新的前车位置。所以，列车虚拟编组后，当后车判断行车许可终点为前车时，可将车-车通信得到的列车位置作为行车许可终点，从而缩短行车间隔。这种方式仍然基于既有安全防护距离的理念，只是利用车-车通信减小了系统的处理延时，便于实施，但效果有限。

为了进一步缩短行车间隔，本方案引入相对制动距离的概念[21]。目前实现的移动闭塞均是基于绝对制动距离，即后车计算控车曲线时默认前方列车速度为零。实际上，如果前车速度不为零，在后车制动过程中，前车的位置也在不断变化，相对制动距离的概念就是提前考虑前车位置的变化。

通过相对制动距离的概念，ATP在完全监控模式下可以给出更小的行车间隔。虚拟编组后，后车在完全监控模式下计算基于相对制动距离的限速曲线，从而对ATO进行安全防护。

3.2.2 基于相对制动距离的限速曲线计算

一些文献在研究相对制动距离时，认为只要后车速度不超过前车就不会相撞，由此建立以前车速度为目标速度的控车曲线。这实际上是错误的，因为不同列车制动性能并不相同，只要前车制动性能足够优于后车，即使后车速度低于前车，两车在制动过程中也可能发生相撞。图2给出了这种情况下的一个示例，即使后车当前速度小于前车并且后车最终停车位置也不超过前车，但列车不同速度等级下的制动力不同，会导致前后车在运行过程中发生相撞。所以，相对制动距离的计算仅考虑前车的当前运行状态或前车的估计停车位置都是错误的，它应当把前车以最大制动力停车过程中的每一个状态都作为防护目标。

图2 前后车制动力不同造成的相撞示例

本文给出一种相对制动距离的限速曲线计算方法。如图3所示，限速曲线包括两部分，限速曲线1以前车当前位置和速度为限制性行车许可(LOA)，限速曲线2以最大制动力停车的前车位置为行车许可终点(EOA)，最终的输出为两者的最小值。其中，限速曲线2计算前车的停车位置时制动力取前后两车的最大值，避免了图2相撞情况的发生。由于列车在不同速度等级的制动力不同，取值可能为前后两车的组合值。

图3 基于相对制动距离的限速曲线计算

图3中前车当前速度和最小安全车头位置分别为V前和D前，L安为安全距离，L车为前车车长，L延为考虑车-车通信延时的走行距离，L制为前车的最短制动距离。

曲线1目标点的位置D1和速度V1为

D1=D前-L车-L安-L延

(1)

V1=V前

(2)

曲线2目标点的位置D2和速度V2为

D2=D前+L制-L车-L安-L延

(3)

V2=0

(4)

需要指出的是，式(3)中L制为前车在最大制动力下的最短制动距离。从系统设计的角度讲，以往不论信号专业还是机车车辆专业，考虑的都是不同速度等级下列车制动距离的最大值。而在相对制动距离的理念下，列车的最短制动距离也成为了一个安全因素，这对于信号和机车车辆领域都是一个改变。在具体实现时，建议最大制动力取所有虚拟编组车型的最大值，建立不同速度和坡度下的最短制动距离表，前车直接通过查表将当前的最短制动距离传给后车。

这种算法保证了后车始终基于前车的安全状态控车，即使前车以紧急制动停车，其停车位置也不会小于之前的估计值。这样，当车-车通信故障中断后，后车不必立即输出紧急制动停车，而是可以继续按照通信中断前的基于相对制动距离的限速曲线行驶。同时，车载设备根据RBC行车许可计算基于绝对制动距离的限速曲线，当列车速度低于该限速曲线后，恢复为绝对制动距离的控车模式。这种处理方式可以实现两种控车模式的平滑过渡，避免了车-车通信中断造成紧急制动停车。

3.2.3 ETCS规范变动

与既有ETCS规范相比，本方案在完全模式时增加了相对制动距离的控车模式，修改如下：

(1)列车虚拟编组后，后车在完全监控模式下判断行车许可终点为前车安全车尾时，改为计算基于相对制动距离的限速曲线；

(2)车-车通信中断时，车载设备应根据RBC行车许可重新计算基于绝对制动距离的限速曲线，当列车速度低于该限速曲线后，恢复为绝对制动距离的控车模式。

4 结语

虚拟编组技术作为一种新的理念，能够在移动闭塞的基础上进一步缩小列车追踪间隔，提高线路的运输能力。但是，如果虚拟编组的各列车不进入同一股道，就需要在进站前解编，那么该技术提高的只是区间追踪能力。而根据列车追踪间隔的相关研究[22]，高速铁路即使按照既有的准移动闭塞方式，350 km/h列车区间追踪间隔时间也能控制在3 min以内，限制运输能力的主要是列车出发和到达追踪间隔时间，这与咽喉区长度和限速、离去区段长度等因素相关；而城市轨道交通一般为无配线车站，前后列车进入同一股道作业，因此虚拟编组更能发挥技术优势。所以，随着车-车通信技术的发展，虚拟编组可以在已经实现移动闭塞的城市轨道交通领域应用，进一步提高运输效率。