轨道交通灵活编组列车驾驶模式分析

王舟帆，柴鹏鹏，赵 兴，杜金娟

（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070;2．河北雄安轨道快线有限责任公司，河北保定 071700）

1 概述

1.1 灵活编组概述

近年来，灵活编组成为轨道行业热点。灵活编组是指在轨道交通运营过程中，利用先进的列车运行控制及调度指挥技术，基于运营企业动态运营需求，不受特定运营作业场所制约，在保障列车运行安全的条件下，在运营过程中动态改变列车编组形式，实现运输需求与运输能力时空协同匹配，来满足轨道交通多样化运输需求的运营模式[1]。

灵活编组方式按是否依靠物理连接可以分为机械编组和虚拟编组，目前国际上在客运领域实现灵活编组应用主要采用机械编组方式。为实现列车灵活编组的目的，日本和欧洲有些线路通常将列车置于较低的控制等级下，通过列车低速（如小于5 km/h）碰撞挂钩或伸缩车钩连接的形式，实现列车在特定作业地点的编组或解编作业，这种作业方式整体运营效率不高，安全性也较低[2]。

德国学者Bock U等人于1999年首次提出虚拟编组的概念，结合欧洲货运线路运营需求和运营特点，构建了虚拟编组列车在货运领域的系统设计方法，并进行初步应用[3-4]。欧洲在2015年全面推进虚拟编组研究，作为“构建未来铁路系统联合行动计划（Shift2Rail）”项目中重要组成部分，欧洲西门子、阿尔斯通等各大轨道交通厂商在客运领域想借助虚拟编组在满足列车运行安全等级要求的前提下，进一步缩短列车行车间隔，提升列车运行效率，更智能、更灵活地与客流匹配，从而为旅客提供更好的服务，并制定了路线图[5-6]。刘岭基于多智能体技术以列车编队稳定运行为目标对虚拟编组列车协同控制构建了控制模型[7]。张博基于灵活编组运营方案复杂、运营组织难度大的情况，针对轨道交通Y形线运营特点，提出运行计划编制模型和算法[8]。当前，在客运领域虚拟编组还未有实际投入运营的线路。

虚拟编组已经成为世界各国在轨道交通领域研究重点方向。本文灵活编组驾驶模式分析也主要针对虚拟编组问题进行研究。

1.2 灵活编组作业场景

列车灵活编组是轨道交通领域较为前沿研究方向，灵活编组列车运行控制涉及多辆列车协同，是一个群体控制问题。当前，列车编队运行控制也可分为集中式或分散式。集中式是指列车编队由一辆列车统一控制与指挥，通常为头车。分散式是指列车编队由列车编队单元自身控制列车运行。本文考虑的列车灵活编组控制方式为集中式控制，列车编队头车可以作为领航者，负责对整个编队进行控制。灵活编组作业方式和作业地点较为灵活，主要包括列车编组场景和列车解编场景。

1.2.1 灵活编组场景

典型列车区间灵活编组作业场景如下。

1）多辆列车在线路上同向运行，地面调度设备向存在编组计划的列车下达编组作业指令；

2）头车控制列车以一定速度运行，后车不断缩小与头车运行间隔，进入编组作业范围内时，同头车建立点对点通信连接；

3）头车实时计算后车行车曲线，并依次（由近及远）获取相邻列车控车权；

4）跟随列车进入编队运行模式交出控车权后，根据前车控车指令行车。

列车编组不受线路条件限制，运营时，为提升运营效率，可借助列车进出站过程，完成编组。列车在车站停靠发车前需持续向乘客告知该列车行车计划，避免误乘。典型的灵活编组方式如图1所示。

图1 典型列车灵活编组作业Fig.1 Typical flexible train coupling operation

1.2.2 列车解编场景

典型列车区间解编作业场景如下。

1）多辆列车以编队形式在线路运行，地面调度设备向列车编队发送行车解编计划，头车将该信息发送各编队各列车；

2）头车基于运行计划，控制尾车减速，逐渐扩大尾车前后车之间间隔；

3）尾车检测与前车间隔较大时，恢复自身列车控车权，并与头车断开通信连接；

4）编队列车从远端依次恢复控车权并与头车断开通信连接，编队列车均与头车通信断开后，列车编队解编作业完成。

列车灵活编组解编作业形式多样。运营时，为提升运营效率，可在车站停靠不同站台，或同一站台停靠不同时发车实现。列车在运行过程中需提示乘客运行计划，避免误乘给乘客造成不必要损失。典型的列车解编作业方式如图2所示。

图2 典型列车解编作业Fig.2 Typical train decoupling operation

2 全自动运行（FAO）驾驶模式适应性分析

列车在运行过程中依靠信号控制系统进行列车安全防护，并提升列车自动化运行水平。典型代表为全自动运行（Fully Automatic Operation，FAO）系统，FAO系统是目前自动化程度最高的列车控制系统，最高可达自动化等级（Grade of Automation，GoA）4级。针对灵活编组运行场景，以FAO系统驾驶模式为参考进行适应性分析，对灵活编组列车运行整体驾驶模式构建有着重要意义。

2.1 FAO驾驶模式

为满足FAO系统高自动化程度运营要求，结合中城协FAO标准和实际应用情况，FAO驾驶模式包括[9]如下几项：

1）全自动运行模式（Fully Automatic Train Operating Mode，FAM）：系统进行安全防护下的全自动驾驶模式；

2）蠕 动 模 式（Creep Automatic Mode，CAM）：车辆网络故障，或车辆与车载设备通信故障时，列车在全自动运行模式下的限速运行模式；

3）列车自动运行模式（Automatic Train Operating Mode，AM）：有司机监控下，系统自动控制列车运行，并进行安全防护的列车驾驶模式；

4）列 车 自 动 防 护 模 式（Coded Train Operating Mode，CM）：在系统安全防护下，司机驾驶列车运行的列车驾驶模式；

5）限制人工驾驶模式（Restricted Train Operating Mode，RM）：列车超速防护下，司机按要求目视行车限速控车运行的列车驾驶模式；

6）非限制人工驾驶模式（Emergency Unrestricted Train Operating Mode，EUM）：车载防护设备切除，无列车防护下，司机按要求行驶的列车驾驶模式。

正常情况下，列车处于FAM模式，实现列车包括自动上电、休眠/唤醒、自动发车、自动驾驶、自动停车、自动折返等在内的一系列自动化运营需求，全程无需人工干预，有效降低司机等人员的劳动强度。系统同时配合除FAM模式之外的其他驾驶模式，能够应对全自动运行过程中各种复杂场景，保障列车运行安全。

2.2 灵活编组下驾驶模式适应性分析

当前列车控制系统均采用传统的闭塞控制方式，不论是固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞方式，通过列车空间间隔防止列车发生碰撞，从而保障列车在线路上的安全运行。驾驶模式则与相应的基于闭塞的列车运行控制等级相对应。

对于虚拟灵活编组形式，由于其作业方式灵活，作业地点不受约束，同时列车以编队运行，列车间隔较小，甚至能够突破目前移动闭塞下列车最小运行间隔，灵活编组运行多路径引起运营管理难度增大的情况。灵活编组这些特点对列车控制系统提出极高的要求。FAO系统中FAM模式是否能够满足灵活编组运营需求，需要进行分析。

2.2.1 编队形成适应性分析

对于线路上单独运行的列车，在编组前，列车依靠系统计算的移动授权追踪行驶，能够不断缩小列车间隔，同时列车运行过程中需要持续对旅客情况进行有效监控与管理，该过程下FAO系统及相关驾驶模式能够满足要求。但目前即使是FAO系统，列车处于FAM模式自动运行时，所能达到的最小间隔，依然显著高于灵活编组列车理想间隔运行要求，无法支撑灵活编组条件下列车灵活且高效的作业模式优势的充分发挥。因此，虚拟编组控制方式与传统基于闭塞的控制方式不同，控制方式的变化必然导致目前相对应的驾驶模式难以适应灵活编组队形形成的情况，FAO驾驶模式下列车无法完成灵活编组作业。

2.2.2 编队保持适应性分析

虚拟编组列车在运行过程中，由于列车已完成编组，在对列车编队进行控制时，可将编队整体视为一列列车，控制方式仍可认为基于闭塞的控制是适用的。因此，对于已完成编组的列车，FAO系统和相应的驾驶模式能够满足单个列车编队自动运行及防护要求。

另一方面，由于列车为虚拟编组，在运行过程中紧密追踪，编队中列车理想间隔通常小于当前FAO系统所能达到的最小间隔。若列车间隔达到虚拟编队要求时，FAO系统会认为列车之间包络产生重叠或已经发生安全事故。因此，同编队形成过程一样，列车之间追踪控制会采用新的控制方式，如采用新的精确定位、低延时的精确群体控车方式，来保持列车编队运行过程中的稳定状态。对于编队运行中的个体，FAO驾驶模式下无法保持列车编队的稳定运行。

2.2.3 编队解编适应性分析

对于列车编队解编作业，列车解编过程中存在列车间隔由小变大的过程。当列车解编时，由于列车间隔小，同列车在编队形成和编队保持时一样，FAO系统驾驶模式无法满足列车解编作业要求。

对于已完成解编的列车，其运行控制由自身进行控制，同目前列车运行控制条件相同。由于解编后列车驶向不同目的地，因此在列车运行过程中需要持续提醒乘客可能的路径改变，使乘客尽早换乘与自己目的地相匹配列车。FAO系统和相应驾驶模式能满足列车相关运行要求。

通过上述分析可知，当前FAO系统及相应驾驶模式，能够满足列车编组前独立运行、编组后整体稳定运行和解编后独立运行要求；但对于编队形成控制、编队稳定运行时内部紧密追踪和编队解编控制不适用。

3 灵活编组驾驶模式方案分析

当前FAO系统无法完全满足列车灵活编组作业需求，势必在研究过程中采用新的控制方法，对应驾驶模式也会产生变化。为了快速进行工程化研究和应用开发，一个有效的途径是基于目前成熟的FAO系统方案进行完善。

3.1 灵活编组驾驶模式实现方案分析

方案一：保留既有驾驶模式

灵活编组是一种先进的列车控制及组织方式，尤其是虚拟编组，需要控制系统具备极高的自动化和智能化水平。就列车驾驶模式而言，为适应列车灵活编组需求，可以考虑保持既有驾驶模式不变，重构FAM驾驶模式，使FAM不仅能满足当前列车基于移动闭塞方式运行要求，同时也能满足全新的控制方式下列车灵活编组和解编控制要求。

该方式好处是能够实现整个驾驶模式功能精简，但对系统既有成熟部分有较大改动，功能整体实现难度较大。

方案二：新增灵活驾驶模式

新增灵活驾驶模式（Flexible Train Operating Mode，FM），使FM同灵活编组作业全过程相匹配。列车独立运行时，FAO系统能够完全满足运行要求，当列车进行编组或解编作业时，将FAO现有驾驶模式切换为FM，灵活编组模式下系统可采用全新的控制方式。

该方式好处是对FAO系统成熟方案利用实现最大化，同时新增FM对既有FAO系统影响较小，与现有系统有较高的兼容性。缺点是驾驶模式增多，且模式存在转换，逻辑较复杂。

综合考虑两种方案，本文认为方案二对既有FAO系统影响较小，更有利于适用灵活编组系统研制和工程化实施。

3.2 灵活编组驾驶模式方案

若FAO系统在连续式控制等级下新增FM，则能够进一步丰富FAO系统驾驶模式及功能，满足列车灵活编组运营需求。

3.2.1 其他驾驶模式转为灵活编组模式

灵活编组运行控制对自动化程度要求极高，只有当列车处于全自动运行模式下正常运行时，才可转为灵活编组模式，其他驾驶模式则不可直接转为灵活编组模式，如表1所示。

表1 现有FAO驾驶模式转换为灵活编组驾驶模式Tab.1 Transferring from existing FAO to FM

当列车处于FAM模式下，此时ATP、ATO设备工作正常，轨旁设备工作正常，列车可定位。当列车基于运行计划/调度指令需要进行灵活编组作业时，系统可自动将FAM模式转换为FM模式。

3.2.2 灵活编组驾驶模式转为其他驾驶模式

同其他驾驶模式相比，灵活编组驾驶模式具有较高的等级。当列车处于FM模式运行时，列车可根据运行计划转换为FAM模式；当出现其他情况时，需要人工干预，列车运行驾驶模式可转换为除FAM和AM模式之外的其他模式，如表2所示。

表2 灵活编组模式转换为现有FAO模式Tab.2 Transferring from FM to existing FAO

当列车处于FM模式下，完成列车解编，列车具备无人驾驶投入条件时，可在列车运行过程中将驾驶模式转换为FAM模式。

当列车处于FM模式时，信号收到车辆的蠕动请求后，车载输出紧急制动，在中心调度台上提示调度员确认，由中心行调人员确认后，信号系统启动CAM。

当列车处于FM模式下，当列车ATO出现故障或发生未降级至RM紧急制动时，需由司机处置后进行人工驾驶。由工作人员在车上进行本模式转换，列车需停车，工作人员与控制中心（OCC）确认获得授权后进行模式转换，司控钥匙开启，将驾驶模式转换为CM。

当列车处于FM模式下，列车发生降级至RM紧急制动时，需由车上工作人员完成本模式转换，列车需停车，工作人员与OCC确认获得授权后进行模式转换，司控钥匙开启，将驾驶模式转换为RM。

当列车处于FM模式下，列车因故障不能转换为CM、RM时，列车紧急制动，工作人员与OCC确认获得授权后进行模式转换，司控钥匙开启，切除ATP，将驾驶模式转换为EUM。

4 总结

适用于灵活编组列车控制系统的研究，目前离实际应用仍然有一段距离。本文仅在驾驶模式方面进行初步分析，后续如何采用新型控制方式实现列车虚拟编组和解编，以及由此带来与灵活编组相适应的运营组织及应急处置方法改变，是当前有待深入研究的方向。