城市轨道虚拟编组列车控制技术实现方法

武强

（中铁通信信号勘测设计院有限公司，北京，100036）

1 虚拟编组理念

虚拟编组技术成为重要的突破口，其不再采取传统的机械连挂方式，取而代之的是无线通信方式，针对列车做虚拟编组操作，有效缩短行车间隔，此时列车通行效率随之提高[1]。当然，虚拟编组技术有其突出的专业性特征，对技术的应用水平提出较高的要求，以非头车为例，以何种方式加强防护极为关键，值得在此方面“深度耕耘”。

无线通信代替机械连挂的理念在2000年前后于欧洲提出，随着技术的发展，理论更加扎实、技术应用经验逐步丰富，技术环境更为良好，给虚拟编组的实现创设了更多的可能。2015年5月，Roll2Rail项目得以启动，其包含8个工作组，集行业技术人才于一体，覆盖至机车车辆的各领域，其中下一代列车通信系统的研发成为重点工作方向，以期探寻适用于列车控制的无线通信技术。

2 既有系统存在的主要问题

2.1 车载工作模式层面的问题

在常规机械编组方式下，ETCS（Europe Train Control System，欧洲列车控制系统）主要定义休眠模式（SL）和非本务模式（NL）。从适用范围的角度看，前者用于与头车有电气连接的列车，后者恰好与之相反，即应用于与头车无电气连接的列车。此外，与SL模式相比，NL模式的功能更加丰富。例如新增过分相等功能。而在虚拟编组中，无论选用何种模式，后车的车载设备均存在相应的问题，具体有2个：

（1）列车运行中执行操作，但对于既有的SL或NL模式，对于列车的要求是处于停车的状态，因此需要根据模式转换条件的实际特点做合理优化。

（2）解编后，后车需保持正常运行状态，但对于既有的SL或NL模式，退出相应模式后的运行状态却不尽相同，即只能保持待机、断电的状态，或是启用隔离模式。此时，一方面需要修改模式转换条件，另一方面则要考虑既有模式对各类信息的处理原则，有必要对其做合理的修改，以确保车载设备进入完全监控模式。

2.2 列车间隔控制层面的问题

以何种方式控制列车间隔是重点内容，但在此方面尚未形成定论，从实际发展状况看，设备自动执行的方法更受到技术人员的青睐，此时无需采取手动操作的模式。在此处，则着重考虑列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）设备，以期在其支持下完成相应的列车间隔控制动作。

ATO的安全完整性为SIL2级，若实施的是单独控制的模式，虽然操作可行，但实际应用效果较差，难以满足铁路信号系统对安全层面所提出的要求。对此局限性，需要优化安全防护方式，由SIIA级系统参与。若后车车载设备采用完全监控模式，则需要密切关注减小行车间隔的计算方式。对限速曲线计算而言，在此方面缺乏可行性，在此矛盾下，需探寻其他可行的方法，全面保证对ATO控车的防护效果。

2.3 列车位置和完整性信息层面的问题

列车位置报告及其完整性信息是重点资料，能够给列车控制系统的占用检查提供重要的参考，从车载设备的角度看，首先要生成列车位置报告和列车完整性信息，再进一步向RBC（Radio Block Center，无线闭塞中心）实时传输。

若虚拟编组的列车视为整体，此时较为常规的方法是由头车报告位置信息，随着列车的运行，后车的位置信息应基于“车-车通信”的方式传输至前车，此方法从操作层面来看可行，但应用效果有限，即明显增加系统的复杂度。为了满足列车位置和完整性信息的准确性和传输便捷性要求，需要优化列车车载设备的运行方式，由各自负责报告具体的信息。

2.4 自动过分相层面的问题

线路前方有分相区时，确定其起点和长度，由RBC将具体的信息发送给车载设备。车头越过分相区终点并且达到特定的距离后，即可撤销过分相信号。在此机制下，有效提高过分相的自动化水平。

在过分相信息的处理中，若将虚拟编组列车视为整体，对于后车而言，其输出过分相的时机提前，且在列车数量偏多的条件下，易明显延长断电时间，其产生的不良影响则是迫使列车停在分相区。从另一角度看，头车以列车的位置为准，确定各自相对应的合适的分相时机，在此基础之上，实施“车-车通信”的模式，此时则存在车载设备处理复杂度异常提高的问题。由此来看，车载设备的功能应得到升级，需要各自负责过分相功能。

3 面向虚拟编组的列车控制技术

在ATO控车方式下，防护目标的实现需要采用到SIL4级系统，此处提出以下2种方案。

3.1 基于非列车控制系统防护的方案

3.1.1 基本原理

信号以外的系统提供防护功能，但此类方案仍处于理论研究阶段。在该方案下，前车车载设备与ETCS-3级列车控制系统在编组后的运行原理方面具有一致性，不同的是后车车载设备，其特殊之处在于采用的是NL模式，能够将列车运行时的速度信息呈现给司机，自动过分相，但也有局限之处，例如缺乏超速防护功能。

3.1.2 ETCS规范变动

以既有ETCS规范为原型，结合理论研究成果，对NL模式做针对性的优化，具体体现在以下2个几方面。

（1）增加转换条件。考虑的是列车虚拟编组完成、解编2种条件。此时，车载设备需要自动完成操作，即基于实际情况选择进入或退出NL模式。

（2）修改信息使用原则。为了确保在退出后可尽快地启用完全监控模式，要求车载设备接受控车信息包。

3.2 基于列车控制系统防护的方案

3.2.1 基本原理

车载设备启用完全监控模式具有必要性，以便列车控制系统有效防护。从移动闭塞模式看，基本工作机制在于由车载设备向RBC发送列车位置，在“车-车通信”的方式下，后车可获得更新的前车位置，“车-车通信”的列车位置可视为行车许可终点，其突出优势在于缩短行车间隔。当然，虽然该方式可行，但实际应用效果有限，仍需进一步探讨，以便更为有效地缩短行车间隔。

现阶段，移动闭塞普遍应用的是绝对制动距离，但实际应用效果尚有进步的空间，因此在本方案中考虑到相对制动距离的概念。具体而言，在既有观念的控车曲线中，对前方列车速度做出特定的默许，将其视为零，但从实际情况来看，该值并非为零。因此，此处认为引入相对制动距离的概念更符合实际情况，若在完全监控模式下，ATP（ Automatic Train Protection，列车超速防护）可给出更小的行车间隔，以达到最大限度减小行车间隔的效果。除此之外，在虚拟编组的方式下，可生成基于相对制动距离的限速曲线，此时的应用效果，还体现在显著提高对ATO安全防护水平的层面。

3.2.2 基于相对制动距离的限速曲线计算

在部分观念中，对前车速度和后车速度的关系做出过理想的假定，即在后者不超过前者的条件下便无相撞问题，此时的控车曲线以前车速度为目标而生成，但从实际情况看，各列车的制动性能不尽相同，尽管后车速度低于前车，但在前车制动性能明显优越的情况下，仍有可能由于前车的短时间制动而导致2车相撞。根据图1所示的示例分析，列车不同速度等级的制动力存在差异，即便后车速度小于前车，也仍有前后车相撞的可能。因此，在有关相对制动距离的计算中，不可过度关注当前运行状态，也不可局限于前车的停车位置，更为合理的是充分关注前车以最大制动力停车的各状态，对其采取针对性的防护措施。

图1 前后车制动力不同造成的相撞

为此，提出相对制动距离的限速曲线，见图2。分析发现：对于限速曲线1，其限制性行车考虑的是前车当前位置和速度；对于限速曲线2，行车许可终点考虑的是最大制动力工作状态下对应的前车位置，在确定该具体的位置时的考虑更为合理，关注的是前后2车的最大值，此时前后2车相撞的问题被有效规避，有利于安全行车。

图2 相对制动距离的限速曲线

结合图2分析，对于曲线1，目标点的位置D1和速度V1，可按照式（1）和式（2）计算。

式中：D前为前车制动距离；L车为前车的长度；L安为两车之间的安全距离；L延为安全延伸距离；V前为前车速度。

对于曲线1，D2和V2这2项参数可按照式（3）和式（4）计算。

在式（3）中，L制是前车最短制动距离，发生在最大制动力的条件下。在既有的设计方式下，充分关注的是列车制动距离最大值。对于相对制动距离，除了考虑该距离最大值外，还进一步延伸至最短制动距离的层面，以更加全面的方式分析。在具体设计工作中，建议将虚拟编组车型的制动力进行对比分析，取其中的最大值，作为设计中的最大制动力。在此基础上，考虑多种速度和坡度，建立相应的最短制动距离表，以便提供参考，可通过查表的方式确定前车当前最短制动距离，并将该部分数据及时传输给后车。

在该算法下，前车做出紧急制动停车动作后，实际所处的位置得到有效控制，不会小于之前的预估值。因此，若出现“车-车通信”中断的故障，后车可继续按正常的基于相对制动距离的限速曲线行驶，即与通信中断前保持一致。对于车载设备，则可以计算绝对制动距离的限速曲线，在确定该结果后，做合理化调控。例如列车速度低于限速曲线时，启用的是绝对制动距离的控车模式。在整个过程中，2种控车模式无明显的“卡顿”问题，彼此可平滑过渡，可有效抵御“车-车通信”中断所造成的不良影响，不会由于紧急制动而导，2车相撞。

3.2.3 ETCS规范变动

通过本方案与既有ETCS规范的对比分析可以发现，所提方案的突出特点在于考虑到相对制动距离，并增加相应的控车模式，在既有基础上做出修改，可总结为以下2部分。

（1）在列车虚拟编组方式下，可以启用完全监控模式，对于后车的高效运行和安全运行有重要的意义，若行车许可终点为前车安全车尾时，则密切关注的是相对制动距离，基于此项参数来确定相对应的限速曲线。

（2）若遇到“车-车通信”中断的问题，此时车载设备的响应水平较高，可以基于RBC行车许可重新计算，此时可以得到的是绝对制动距离的限速曲线。以此为参照，若列车速度低于该值，将恢复既有状态，即应用的是绝对制动距离的控车模式。

4 结语

虚拟编组是城市轨道交通建设领域的重要技术发展方向，可缩短列车追踪间隔，提高运输效率，更有效地服务于乘客。根据城市轨道交通建设现状可以得知，前后列车进入同一股道作业，此时若能够合理地应用虚拟编组技术，将更能够发挥出其对列车追踪间距进行高精度控制的优势。面对客流量日益增加的城市轨道交通发展环境，相关技术人员需持续加强对虚拟编组的探索，促进虚拟编组中列车控制技术方案的升级。