城市轨道交通信号与车辆融合控制技术研究

刘小龙,朱今朝,龙 飞

（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266000）

随着国内经济发展和一系列城市化进程，城市轨道交通因其运量大、速度快等特点，成为解决城市交通问题的主要手段[1]。截至2020 年底，中国大陆共45 个城市开通城市轨道交通，运营里程7 969.7 km，投运车站4 681 座，2020 年客运量175.9 亿人次，运营服务水平、运营安全、运营经济性面临突出挑战[2]。2020 年9 月习近平主席在联合国大会上发表重要讲话，表明应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向，中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和[3]。2020 年3 月中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，部署以智能技术装备体系下的课题研究，全面提升列车控制自动化、智能化和运营维护水平。

轨道交通行业建设转向了新阶段：涵盖规划、设计、建造、运营、维护全流程，综合考虑降低全生命周期成本、提高服务水平和低碳绿色环保的精细化建设和管理阶段[4]。因此，本文提出一种信号和车辆的融合技术，设计了融合系统的控制架构，将信号控制和车辆控制融合成一个控制程序，即融合控制器，该融合技术消除了车辆和信号控制的边界，简化了系统结构，提高了数据传输速度和数据交互性能，改善了乘客体验，提升了设备和运营管理水平，提高了系统智能化水平，使融合系统更加低碳、节能。

1 融合系统方案

1.1 融合系统架构

融合系统是基于集约型网络、一体化平台的地铁融合控制系统。整个系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。融合系统在国家发改委示范工程“列车自主运行系统”现有成果基础上，进一步深化研究和拓展应用，以“安全可靠、高效便捷、绿色环保”为目标，重点对轨道车辆以及车载核心系统进行智能化升级，构建列车智能控制一体化解决方案。信号与车辆融合的架构如图1 所示。

图1 融合系统架构示意Fig.1 Fusion system architecture diagram

融合系统中，融合OCU 代替了传统系统中ATO 和CCU 的控制功能，减少了系统接口，缩短了数据链路，硬件设备也实现了融合[5]。本地控制单元用于处理车辆硬线I/O 控制、牵引和制动输入/输出控制，当中央控制中心由于故障等原因降级时[6]，本地控制单元在降级模式下承担牵引制动的本地控制功能。

融合OCU 采用冗余以太网网络，使用TRDP协议，各个控制单元和车辆子系统之间通过该网络进行信息交互[7]。融合OCU 为双机热备结构，当一系出现故障时，另外一系自动升级为主系[8]。

融合系统结构如图2 所示。

图2 融合系统结构示意Fig.2 Fusion system structure diagram

1.2 融合网络架构

融合系统网络基于大带宽、高实时的以太网，融合系统网络将所有列车控制相关设备均作为节点纳入统一网络管理。融合系统的网络通信遵循IEC 61375 标准，基于融合系统网络的控车具有高带宽、低延时、综合优化控制的优点。融合系统网络采用多网融合设计，车载、牵引、制动、网络多系统统一进行调度控制[9]。融合系统网络为安全架构，使用冗余网络配置，车辆级和列车级均为故障导向，系统安全可靠。

2 融合系统功能及优化

2.1 单车及多车节能运行控制功能

传统的信号与车辆的控车时效性较差，冲击率较高，乘客的舒适性较差[10]。融合系统通过对惰行的智能控制，合理地调节惰行，实现节能运行。

单列车整车控制节能技术根据惰行节能控制原理，在巡航阶段根据线路信息及运行情况，智能调节列车惰行时间，提高了乘客舒适性、停站精度。

多车协同节能控制技术基于单列车整车控制节能技术，通过线路级整体的控制，多车联动，自动生成并优化列车运行图，得到列车总净能耗的全局最优解，提升运营效率的同时降低能耗[11]。

2.2 融合智能控车优化

融合系统中，融合OCU 包含ATO 和TCMS的功能，直接与牵引制动系统交互，参与整车牵引力制动力计算和分配。融合后通信链路短，时效性更高。

随着车辆使用年限的增加，车辆性能不同程度地降低，传统CBTC 系统会使用保守的减速度值，直接影响停站精度。融合系统使用智能调节的站停曲线计算方法，能够根据历史曲线、实时载荷（AW0～AW3）以及实时牵引制动性能，智能调整GEBR，根据不同的线路条件和实际控车效果，对站停曲线进行自适应调整，实现站台精确停车的计算，提高列车精确停车的准确率，减少站停过程中的能耗，实现低碳节能[12]，如图3 所示。

图3 融合智能控车流程Fig.3 Integrated intelligent vehicle control flow chart

2.3 融合全自动联挂解编功能

融合系统直接和车辆子系统进行信息交互通信链路短，时效性更高，基于融合系统架构，融合OCU 实现全自动联挂解编功能，提高运营效率，提升乘客体验，如图4 所示。

图4 融合全自动联挂解编功能流程Fig.4 Integrated full-automatic coupling and uncoupling functional flow chart

融合系统的全自动联挂解编功能流程如下。

中央调度中心远程下发“联挂/解编”指令，由ATP 转发“联挂/解编”指令至融合OCU；

融合OCU 基于“联挂/解编”指令，进入“联挂/解编”工况；

车辆获取“联挂/解编”工况和指令，自动执行联挂或解编；

待联挂或解编后，车辆由新的编组组成，通过车辆硬线输出“列车完整性”和“驾驶室激活”状态；

车辆反馈“联挂/解编成功”和编组信息；

ATP 通过“联挂/解编成功”信息以及车辆硬线“列车完整性”，若判定列车完整性丢失，ATP施加紧急制动。

2.4 车厢载客量实时追踪引导功能

传统轨道交通时常会出现列车某些车厢非常拥挤而另外一些车厢人数不多的情况。有时还会出现乘客大量拥挤，导致无法上车甚至造成列车延误[13]。

为解决这些问题，融合系统采用对每节车厢载客量实时追踪技术。利用车厢摄像头图像智能分析每节车厢的人数，引导乘客乘车，从而提升运营效率[14]。

在车厢载客量实时追踪引导功能的流程中，首先在列车车门关闭锁紧后，牵引制动单元实时更新每节车厢的当前载重数据并将数据传送给融合OCU，每节车厢的摄像头通过图像识别技术得出每节车厢的乘客人数并将数据传送给融合OCU。融合OCU 获取车厢载重信息和人数信息，对比两者数据，而后将载客信息和站台号等信息推送至下一站站台PIS/PA，站台PIS/PA 获取消息后，提前在站台显示每节车厢对应的载客率，向乘客标识出较为空旷的车厢，引导乘客乘车。

2.5 融合智能自检

融合系统中，融合OCU 直接与车辆各个子系统交互，融合系统可以逐条指令发送到车辆各子系统，使用并行处理的方式减少自检时间，完成自检。使用详细的反馈结果替代传统系统笼统的单一结果，提高列车的出车效率，减少人工上车唤醒列车的情况，自检失败的详细子系统信息将上传给ATS，帮助运营调度中心快速定位自检失败的具体位置，有效地提高了自检的效率和准确性，提升运营效率，低碳节能。

3 融合仿真平台测试与分析

基于融合系统，围绕着车载控制设备，以覆盖轨道交通全系统的思维，建设一体化仿真平台，如图5 所示。

图5 融合一体化仿真平台Fig.5 Integrated simulation platform

基于融合一体化仿真平台测试，融合功能的性能指标提升较大。正线列车设计最小追踪间隔79 s，减少时间13%，无线通信延迟时间减少4.33%，牵引阶段时间减少27.7%，制动阶段时间减少13.4%，停站时间减少16.7%，旅行时间减少5%，列车停车精度在±0.2 m 的兑现率为99.98%[15]，如表1 所示。

表1 单车运行控制算法能耗对照Tab.1 Comparison of energy consumption of single vehicle operation control algorithm

基于当前的融合平台，对单车及多车节能运行控制功能进行仿真测试，和传统系统对比得出的性能和能耗数据如表2 所示，可以看出融合后的系统大大节省了系统能耗。

表2 多车协同节能优化控制能耗对照Tab.2 Comparison of energy consumption of multi-vehicle collaborative energy-saving optimization control

通过融合一体化仿真平台得到的智能自检测试数据如表3 所示。

表3 智能自检测试数据Tab.3 Intelligent self-test data

通过仿真分析与对比得出信号与车辆融合系统，对单车进行的控制策略优化，预计将减少14%的牵引能耗，对多车协同的节能控制技术的应用，在小发车间隔和大发车间隔下，将分别减少17%和10%的牵引净能耗。传统系统中信号与车辆的联合自检，大约34 min，融合后理想情况下缩短为28 min，约提升20%。融合智能控车优化，融合全自动联挂/解编功能以及车厢载客量实时追踪引导功能，预计将带来10%左右的效率提升，减少20%左右能耗。总体来看，信号与车辆融合系统的应用可减少10%的车载设备、15%的设备面积、30%的现场安装调试时间、30%的维护工作量，系统全寿命周期成本约降低20%，融合系统的使用将带来“20%能耗降低，10%运能提升，10%用车减少”。

4 结论

信号与车辆融合系统作为下一代技术的发展方向，其优点在于重新界定了信号和车辆的边界，由车载融合OCU 统一运算和控制，精简了控制架构，融合系统关键设备均采用冗余架构，能更好地协同控制和进行故障导向，提高控车精度，缩小运行间隔，抑制列车冲动，减少闸瓦磨耗，并且提高了车载系统的可靠性，发生故障时缩小对系统的影响范围，提高列车的可用性。融合控制系统还承担对车辆自身状态监测和健康管理功能，降低了维护成本，减少了维护工作量以及维护难度。融合系统利用智能技术，提升融合系统整体安全和可靠水平，保障乘客和列车运营的安全，改善乘客出行体验，提升运营效率、低碳节能环保，具有高安全性、高可靠性、高可用性、高可维护性的特点。