面向虛擬編組的列控技術研究

宋志丹,徐效寧,李 輝,萬 林

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081； 2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心,北京 100081)

隨著鐵路運輸能力的要求不斷提高，列車追蹤間隔需要越來越小，列控系統的安全防護距離成為一個重要的制約因素。現代高速鐵路一般采用固定閉塞或準移動閉塞方式，城市軌道交通CBTC系統大多采用移動閉塞。移動閉塞使列車的行車許可終點由前方列車占用的閉塞分區入口延伸到前車的安全車尾，因此可以在一定程度上縮短行車間隔[1]。但是，隨著列車運行速度的提高，列控系統的安全防護距離不斷增大，目前的移動閉塞方式仍不能從根本上解決問題。

近年來，歐洲鐵路部門開始研究虛擬編組技術，它使用無線通信代替機械上的聯掛，實現不同型號列車的虛擬編組。列車虛擬編組后，如果看作一列整車，其行車間隔可以極大地縮短。這打破了列控系統傳統意義上的安全防護距離的概念，對列控系統提出了新的挑戰。對于虛擬編組后的非頭車，列控系統如何防護和控制，甚至是否由信號還是由機車車輛專業去完成，這都是需要研究的問題。

目前，歐洲在虛擬編組技術上主要集中于機車車輛方面的研究，列控系統的實現方式處于起步階段，尚未有明確的技術方案。通過分析虛擬編組的理念，結合既有歐洲列控系統(ETCS)的特點，旨在提出適用于虛擬編組的列控技術實現。

1 虛擬編組理念

1.1 發展背景

2000年前后，歐洲不同學者提出采用無線通信代替機械聯掛技術，以實現不同型號和軟件版本的列車編組[2-4]。隨著近年來機車車輛技術的不斷發展，虛擬編組的實現成為一種可能。2015年5月，歐洲鐵路行業協會(UNIFE)與西班牙CAF公司共同牽頭，組成包括西門子、阿爾斯通、龐巴迪公司在內的機車車輛制造商、鐵路運營公司以及科研院校等機構的研究團隊，啟動了Roll2Rail項目[5-6]。該項目旨在“為歐洲更可持續、更智能、更舒適的鐵路運輸開發新的、可靠的機車車輛”，它包含8個工作組，覆蓋了機車車輛的各個領域，其中工作組2即是研究下一代列車通信系統，重點開發用于列車控制的無線通信技術[7-9]。該項目于2017年10月結題，相關研究內容在轉移至鐵路(Shift2Rail)項目中得到延續。

Shift2Rail是歐盟有史以來最大的研究和創新計劃“地平線2020”(Horizon 2020)的規劃項目，其研究內容覆蓋了整個鐵路運輸系統的各個專業，分為5個課題(IP)：IP1高效可靠的機車車輛、IP2先進的運輸管理/控制系統、IP3高效可靠的基礎設施、IP4優秀的鐵路服務信息系統和IP5節能便利的鐵路貨運技術。虛擬編組包含機車車輛和列控系統兩個方面，分別對應IP1.2車輛控制監控系統(TCMS)和IP2.8虛擬編組列控技術。根據項目計劃，IP1.2中車-車通信技術已在之前的Roll2Rail項目完成，IP2.8的研究時間則為2018年至2020年[10]。

1.2 基本理念

虛擬編組，是通過車-車之間的直接無線通信，使后車獲取前車的運行狀態，從而控制后車的運行[11-13]。如圖1所示，通過這種方式，前后車可以看作進行了聯掛，只是聯掛的物理方式由機械變為無線通信。

圖1 虛擬編組示意

運營中，不同車次的列車從車站出發后，在區間通過虛擬編組技術在不停車的狀態下進行聯掛，列車運行間隔變小；當列車需要在前方車站的不同股道作業時，在進站前列車控制運行間隔變大，進行動態解編。

虛擬編組技術基于移動閉塞方式，以下將以支持移動閉塞的ETCS-3級列控系統為例進行分析。從信號系統的角度講，在虛擬編組前，各列車的車載設備均按照ETCS-3級列控系統的行車許可控車。虛擬編組后，頭車的車載設備應仍以ETCS-3級列控系統的行車許可進行控車，而后車應通過某種方式來縮小運行間隔。需要解編時，后車與前車的運行間隔變大，解編后，后車的車載設備恢復為以ETCS-3級列控系統的行車許可控車。

2 既有系統面臨的問題

2.1 車載工作模式

對于機械編組的后車，ETCS規范除了斷電(NP)和隔離(IS)模式外，主要定義了兩種工作模式：休眠模式(SL)和非本務模式(NL)。SL模式用于與頭車有電氣連接的列車，NL模式用于與頭車無電氣連接的列車[14]。因為無電氣連接的編組頭車無法對后車輸出電氣命令，所以NL模式較SL模式增加了過分相等功能。

虛擬編組列車解編后，后車的車載設備應馬上投入工作，所以斷電和隔離模式是無法滿足要求的。而后車的車載設備如果在虛擬編組時采用SL或NL模式，也會存在以下問題：

(1)虛擬編組通常在列車運行中進行操作，而既有ETCS規范中SL或NL模式進入的條件要求列車處于停車狀態，所以需要修改對應的模式轉換條件；

(2)當虛擬編組列車解編時后車需要正常運行，既有ETCS規范中車載設備在退出SL或NL模式后只能進入待機、斷電或隔離模式，如果車載設備要進入完全監控模式，規范不但要修改模式轉換條件，還要修改SL或NL模式下對各種信息的處理原則。

2.2 列車間隔控制

虛擬編組后的列車間隔控制由機車車輛還是信號系統去完成，尚未確定，但普遍接受的觀點是該功能應由設備自動執行，而不需要司機手動操作。本文主要探討由信號系統的列車自動駕駛(ATO)設備實現。

列車自動駕駛在城市軌道交通中廣泛應用，近年來干線鐵路也開始ATO的應用研究[15-17]。但ATO的安全完整性為SIL2級，其單獨控車時不能滿足鐵路信號系統安全性要求，所以必須由SIL4級系統進行安全防護[18-19]。虛擬編組的后車車載設備如果采用SL或NL模式，ATP不執行列車超速防護功能；如果采用完全監控模式，既有的限速曲線計算方式無法縮小行車間隔。因此，必須考慮其他方式對ATO控車進行防護。

2.3 列車位置和完整性信息

由于虛擬編組基于移動閉塞方式，列控系統需要根據列車位置報告和列車完整性信息實現列車占用檢查，所以車載設備要向RBC實時發送列車位置報告和列車完整性信息。

虛擬編組的列車如果看作一列整車，只由頭車報告位置信息，那么所有后車的位置信息和列車完整性都應通過車-車通信依次發送給前車，這增加了系統的復雜性。而且，從地面設備的角度看，后車不再報告位置，頭車報告的列車長度會隨著列車運行間隔不斷變化，這使得RBC處理邏輯變得復雜。因此，從列車位置和完整性信息角度，虛擬編組列車的車載設備應各自報告位置和列車完整性。

2.4 自動過分相

當線路前方存在分相區時，RBC向車載設備發送分相區的起點和長度。車載設備在車頭距分相區起點一定時間時輸出過分相控制信號，當車頭越過分相區終點一定距離時撤銷過分相信號，從而完成自動過分相功能。

如果虛擬編組列車作為一列整車處理過分相信息，那么后車輸出過分相的時機提前，前車撤銷過分相信號的時機滯后。當列車數量過多時，可能因為斷電時間過長，導致虛擬編組列車停在分相區。而如果頭車根據各列車的位置分別計算各列車的過分相時機，再通過車-車通信發送給對應的后車，將使車載設備的處理變得過于復雜。

因此，從自動過分相角度，虛擬編組列車的車載設備應各自執行過分相功能。

3 面向虛擬編組的列控技術

由2.2節分析，虛擬編組列車由ATO控車時，必須由SIL4級系統進行防護。根據防護系統的不同，本文提出兩種方案。

3.1 基于非列控系統防護的方案

3.1.1 基本原理

本方案虛擬編組列車的間隔控制由信號以外的系統進行防護，目前它們大多處于理論研究階段，并沒有符合SIL4級的系統投入運用[20]。

在該方案下，列車虛擬編組后，前車車載設備的工作原理與ETCS-3級列控系統相同，而后車車載設備則以NL模式工作，該模式可以向司機顯示速度信息，管理無線會話和自動過分相，不具備列車超速防護功能。因為虛擬編組的列車仍是各自控制電氣接口，所以后車車載設備采用NL模式而不是SL模式。

3.1.2 ETCS規范變動

在既有ETCS規范的基礎上，需要修改NL模式的相關內容，具體如下：

(1)增加NL模式的轉換條件。除了既有的機械編組/解編外，當列車虛擬編組完成或解編時，車載設備都應自動進入或退出NL模式，而不再考慮列車是否在運行狀態；

(2)修改NL模式的信息使用原則。NL模式下車載設備應接受控車相關信息包，以保證退出時立即轉入完全監控模式。

3.2 基于列控系統防護的方案

3.2.1 基本原理

為了使列控系統能夠進行防護，車載設備應處于完全監控模式。移動閉塞模式下，車載設備將列車位置發送給RBC，在列車之間無其他障礙物時，RBC將前車安全車尾作為行車許可終點發送給后車。考慮列車位置報告周期和RBC處理時間等因素，后車能夠通過車-車通信得到比行車許可更新的前車位置。所以，列車虛擬編組后，當后車判斷行車許可終點為前車時，可將車-車通信得到的列車位置作為行車許可終點，從而縮短行車間隔。這種方式仍然基于既有安全防護距離的理念，只是利用車-車通信減小了系統的處理延時，便于實施，但效果有限。

為了進一步縮短行車間隔，本方案引入相對制動距離的概念[21]。目前實現的移動閉塞均是基于絕對制動距離，即后車計算控車曲線時默認前方列車速度為零。實際上，如果前車速度不為零，在后車制動過程中，前車的位置也在不斷變化，相對制動距離的概念就是提前考慮前車位置的變化。

通過相對制動距離的概念，ATP在完全監控模式下可以給出更小的行車間隔。虛擬編組后，后車在完全監控模式下計算基于相對制動距離的限速曲線，從而對ATO進行安全防護。

3.2.2 基于相對制動距離的限速曲線計算

一些文獻在研究相對制動距離時，認為只要后車速度不超過前車就不會相撞，由此建立以前車速度為目標速度的控車曲線。這實際上是錯誤的，因為不同列車制動性能并不相同，只要前車制動性能足夠優于后車，即使后車速度低于前車，兩車在制動過程中也可能發生相撞。圖2給出了這種情況下的一個示例，即使后車當前速度小于前車并且后車最終停車位置也不超過前車，但列車不同速度等級下的制動力不同，會導致前后車在運行過程中發生相撞。所以，相對制動距離的計算僅考慮前車的當前運行狀態或前車的估計停車位置都是錯誤的，它應當把前車以最大制動力停車過程中的每一個狀態都作為防護目標。

圖2 前后車制動力不同造成的相撞示例

本文給出一種相對制動距離的限速曲線計算方法。如圖3所示，限速曲線包括兩部分，限速曲線1以前車當前位置和速度為限制性行車許可(LOA)，限速曲線2以最大制動力停車的前車位置為行車許可終點(EOA)，最終的輸出為兩者的最小值。其中，限速曲線2計算前車的停車位置時制動力取前后兩車的最大值，避免了圖2相撞情況的發生。由于列車在不同速度等級的制動力不同，取值可能為前后兩車的組合值。

圖3 基于相對制動距離的限速曲線計算

圖3中前車當前速度和最小安全車頭位置分別為V前和D前，L安為安全距離，L車為前車車長，L延為考慮車-車通信延時的走行距離，L制為前車的最短制動距離。

曲線1目標點的位置D1和速度V1為

D1=D前-L車-L安-L延

(1)

V1=V前

(2)

曲線2目標點的位置D2和速度V2為

D2=D前+L制-L車-L安-L延

(3)

V2=0

(4)

需要指出的是，式(3)中L制為前車在最大制動力下的最短制動距離。從系統設計的角度講，以往不論信號專業還是機車車輛專業，考慮的都是不同速度等級下列車制動距離的最大值。而在相對制動距離的理念下，列車的最短制動距離也成為了一個安全因素，這對于信號和機車車輛領域都是一個改變。在具體實現時，建議最大制動力取所有虛擬編組車型的最大值，建立不同速度和坡度下的最短制動距離表，前車直接通過查表將當前的最短制動距離傳給后車。

這種算法保證了后車始終基于前車的安全狀態控車，即使前車以緊急制動停車，其停車位置也不會小于之前的估計值。這樣，當車-車通信故障中斷后，后車不必立即輸出緊急制動停車，而是可以繼續按照通信中斷前的基于相對制動距離的限速曲線行駛。同時，車載設備根據RBC行車許可計算基于絕對制動距離的限速曲線，當列車速度低于該限速曲線后，恢復為絕對制動距離的控車模式。這種處理方式可以實現兩種控車模式的平滑過渡，避免了車-車通信中斷造成緊急制動停車。

3.2.3 ETCS規范變動

與既有ETCS規范相比，本方案在完全模式時增加了相對制動距離的控車模式，修改如下：

(1)列車虛擬編組后，后車在完全監控模式下判斷行車許可終點為前車安全車尾時，改為計算基于相對制動距離的限速曲線；

(2)車-車通信中斷時，車載設備應根據RBC行車許可重新計算基于絕對制動距離的限速曲線，當列車速度低于該限速曲線后，恢復為絕對制動距離的控車模式。

4 結語

虛擬編組技術作為一種新的理念，能夠在移動閉塞的基礎上進一步縮小列車追蹤間隔，提高線路的運輸能力。但是，如果虛擬編組的各列車不進入同一股道，就需要在進站前解編，那么該技術提高的只是區間追蹤能力。而根據列車追蹤間隔的相關研究[22]，高速鐵路即使按照既有的準移動閉塞方式，350 km/h列車區間追蹤間隔時間也能控制在3 min以內，限制運輸能力的主要是列車出發和到達追蹤間隔時間，這與咽喉區長度和限速、離去區段長度等因素相關；而城市軌道交通一般為無配線車站，前后列車進入同一股道作業，因此虛擬編組更能發揮技術優勢。所以，隨著車-車通信技術的發展，虛擬編組可以在已經實現移動閉塞的城市軌道交通領域應用，進一步提高運輸效率。