虛擬耦合在列控系統應用的關鍵技術需求研究

崔俊鋒，劉 嶺

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

1 概述

國內鐵路近年來快速發展，經過六次提速后進入了高鐵時代，高速鐵路已經成為人們出行首選。根據國家統計局數據[1]，截止到2017 年底，國內高速鐵路運營里程達到2.516 4 萬km，占鐵路總里程19.8%，運送旅客17.5 億人次，占鐵路客運周轉量43.7%。但是隨著經濟的增長和城市群的快速發展，鐵路運輸壓力日益增大，為滿足民眾日益增長的出行需求，提升線路運輸能力成為了迫切需要解決的問題。

閉塞是保證列車按照空間間隔制運行的技術方法[2]，閉塞制式和鐵路線路運輸能力有著直接關系。閉塞制式也經歷了“固定閉塞—準移動閉塞—移動閉塞”的演化過程，列車的追蹤間隔越來越短。并且固定閉塞、準移動閉塞在國家鐵路，移動閉塞在城市軌道交通都有著成熟廣泛的應用。但是隨著運行速度的提高，列車制動距離顯著增加，通過改固定閉塞為移動閉塞所提升的效率，不能從根本上解決線路運輸能力問題。

隨著科技進步，特別是無線通信和自動控制技術的發展，在未來軌道交通可以通過虛擬耦合技術突破既有閉塞制式假定前車處于靜止狀態的約束，對前后相鄰運行的兩列或兩列以上列車進行虛擬編組，形成一個邏輯整體共同完成列車控制和調度組織。這樣可以顯著減小列車間的追蹤距離，達到縮短運行間隔、提高線路整體運輸能力的目的。在此之外，由于列車之間沒有實體連接，也解決了機械連接部件磨損、不同類型列車連掛兼容性等問題。

本文描述虛擬耦合技術國際研究進展和工作原理，對在列控系統中應用虛擬耦合的關鍵技術需求進行研究，并提出可供參考的解決方案和系統框架。

2 虛擬耦合技術研究進展及工作原理

2.1 研究進展

歐洲在“構建未來鐵路系統聯合行動計劃（Shift2Rail）”[3]的創新項目先進的交通管理和控制系統（IP2）中提出在列車控制系統中使用虛擬耦合技術的研究目標：“探索虛擬耦合/解耦概念，最大程度提高列車運營柔性，為客/貨運提供更高水平服務，減少車體使用量，同時這也意味著故障-安全的列車運行距離間隔方式發生了重大變革”。相關研究計劃時間跨度從2018 年到2021 年，由泰雷茲、阿爾斯通、安薩爾多、CAF、龐巴迪等公司共同協作完成。此外，機車車輛側也有從高效、靈活、可靠的角度研究使用無線通信實現列車車體控制網絡的相關內容[4]。德國也進行了在未來軌道交通運輸系統中應用虛擬耦合技術的研究，來自德國DLR運輸學院的學者開展了虛擬耦合運輸場景分析并開發了相關模擬軟件，并以日本新干線為例進行了軟件仿真[5]，結果表明即使在仍然維持既有信號制式不變的情況下，通過兩列動車組的虛擬編組就可以把線路運力提高約50%。

2.2 工作原理

虛擬耦合是借助先進無線通信、傳感和控制等技術，協同控制相鄰列車間的運行速度和間隔距離，形成一個協調邏輯整體以共同完成的列車控制與調度組織。從機車車輛的角度，虛擬耦合替代了原有的機械物理連接和車身有線控制網絡，實現虛擬柔性重連；從列車控制的角度，虛擬編組中的非本務列車突破傳統固定閉塞和移動閉塞的防護理念，列車間的間隔距離不再是基于前車靜止而是基于兩車相對速度和位置，實現了效率更高的相對閉塞[6]。

如圖1 所示的固定或者移動閉塞中，后車均在假設前車為靜止的前提條件下進行安全防護。所不同的是，固定閉塞后車移動授權終點為前車所占壓閉塞分區的入口；移動閉塞后車移動授權的終點為前車的車尾并附加一定的安全余量。

圖1 固定/移動閉塞與虛擬耦合的對比Fig.1 Comparison of fixed/moving block and virtual coupling

圖1示意的虛擬耦合，后車根據前車的實時速度和制動后的車尾位置預期，控制后車與前車在一定距離下協同運行。

3 實現虛擬耦合的關鍵技術

虛擬耦合是基于先進技術的極致列車間隔控制，在列控系統中實現安全、可靠而且高效的虛擬耦合需要在列車定位、車車通信、自動駕駛和多重安全防護等關鍵技術取得突破。

3.1 多傳感器融合的列車位置感知技術

虛擬耦合本質上是相鄰兩列或者兩列以上列車基于列車位置的協同操控，因此在不同地理環境和天氣應用條件下，特別是長大隧道或者極端惡劣天氣情況下，實現高精度、高安全、全天候的列車位置感知測量是虛擬耦合技術的關鍵點之一。

應答器有著定位可靠、受環境影響小的優勢，但是由于其點式特性，隨走行距離增加誤差增大；全球衛星導航系統（GNSS）有著定位連續、成本低等優勢，但是在衛星信號遮擋區域存在局限性[7]。如圖2 所示，設計基于多傳感器融合的列車定位感知系統，基于衛星、應答器、慣性導航和速度傳感器、多普勒雷達等多種異構多傳感器（可根據工程應用進行選擇配置）進行數據采集并在車載計算機中進行數據融合計算，為虛擬耦合提供安全控制高效列車位置基礎。

圖2 多傳感器融合定位Fig.2 Multi-sensor fusion positioning

3.2 動態自適應的車車通信技術

從等效角度看，虛擬編組中車與車之間的無線通信相當于取代了傳統重連列車間的有線通信。列車間通過無線交換的數據應至少包括速度/位置/完整性，牽引制動、身份識別、控制模式、控制命令和反饋以及故障報警等信息，如圖3 所示。

由于鐵路安全要求高而所處環境又非常復雜，用于虛擬耦合的車車通信技術有以下技術要求：

1) 列車運行速度高，間隔小，要求用于列車間的無線通信具有極低的時間延遲特性；

圖3 虛擬耦合列車間的車-車通信Fig.3 Train-Train communication among virtual coupling trains

2) 列車間不再有有線通信，無線通信承載所有信息交互，要求無線通信信道質量和帶寬，不低于原有有線通信水平；

3) 無線通信暴露在開放空間中，通過無線交互的數據涉及安全，要求無線通信具有完備的信息安全防護措施；

4) 列車為移動體，所處環境復雜多變，無線通信需要考慮地形、氣候、隧道、復雜站場等情況下的帶來的無線通信干擾問題；

5) 鐵路運輸組織復雜，在動態編組中需要實現準確可靠的車車通信關聯和自適應邏輯映射。

IEEE 802.11p 又稱WAVE（Wireless Access in the Vehicular Environment）是一個由IEEE 802.11 標準擴充的通訊協議，主要用在汽車與汽車、汽車與基礎設施間的無線通信[8]。另外第五代移動通信具有超可靠、低延遲通訊的技術特性[9]，可以保證無線通信高可靠、無中斷和毫秒級的響應能力。這些新的通信技術都給虛擬耦合的車車通信提供選擇。

3.3 多移動體無人化協同控制技術

虛擬耦合列車中需要在運動過程中，根據多車的速度、位置、加減速狀態進行協同操控，由于運行速度高、間隔小，協同控制應該由車載設備自動完成，而不是靠司機人工控制。因此虛擬耦合列車應配備全無人自動駕駛設備，實現虛擬耦合控制的相關功能。

1) 動態耦合：根據命令建立重連關系，在運動過程中，縮小虛擬編組列車間的距離和速度差，控制車組達到虛擬耦合狀態。

2) 自適應巡航：非本務列車根據本務列車的速度、位置、加減速狀態和控制命令，保持分本務車與本務車的相對位置和虛擬耦合關系。

3) 動態解耦：根據控制命令，在運動過程中非本務車與本務車脫離耦合關系，并在一定的速度和距離間隔條件下，恢復獨立運行。

列車自動駕駛特別是全無人自動駕駛近年來也在地鐵中開始廣泛應用，雖然目前在用的FAO 在不需要人工干預的條件下可以實現自動區間運行、自動進站停車等功能，在虛擬耦合中自動駕駛需要在全無人自動駕駛的基礎上在運動條件下實現基于速差的重連、巡航和解編控制。

3.4 主動防碰撞安全防護技術

由于車車通信存在受到干擾或者中斷的可能，雖然車車通信中斷后會采取相應的故障-安全的反應，但是要保持或者超過機械重連列車的安全性，就有必要在虛擬耦合中設計多重故障安全防護，防止在特殊條件下前后車發生碰撞。

在基礎防護之外，應獨立于車車通信，實現列車的主動防碰撞。目前汽車行業依靠計算機視覺、雷達和人工智能等技術已經實現了在開放環境下的輔助駕駛或者自動駕駛。使用近似的思路，在虛擬耦合列車上可以配置毫米波雷達、激光雷達和高速攝像頭，獲取目標物體的距離、距離變化率（徑向速度）、大小、方位和圖像等信息，運用人工智能算法控制自身的運動實現主動防碰撞防護。

4 應用虛擬耦合的列控系統框架

通過增加運行列車數量、增加列車長度和提高單車定員數量均可以提高鐵路運輸能力。將虛擬耦合運用到列控系統當中，可以在不改變既有閉塞制式和不改造既有基礎設施的前提下，提高線路運輸能力。這里設計了在移動閉塞的列控系統架構基礎上，通過增加部件單元、變更設備功能，實現系統級的虛擬耦合功能。系統結構如圖4 所示。

圖4 基于虛擬耦合的列控系統構架Fig.4 Framework of train control system based on virtual coupling

應用虛擬耦合的列控系統由地面設備和車載設備組成。

無線控制中心在移動閉塞、臨時限速、列車管理等功能外，還應具備使用列車位置報告配合高精度地圖實現虛擬邏輯占用檢查、車車通信管理以及進行列車虛擬重連、巡航、解編過程控制等功能。調度中心在自動排路、運行圖自動調整等常規功能外，還應具備列車虛擬編組計劃制定、下達及監控功能。

車載設備包括邏輯運算、通信控制以及外圍傳感器3 大部分組成。ATP 除精確安全定位、模式控制、超速冒進防護等功能外，對于虛擬耦合列車中的非本務機車，還應該具備基于相對速度的安全防護功能。ATO 除自動運行、自動停車等功能外，還應具備全無人情況下自動耦合、巡航和解耦控制等功能。防碰撞單元使用毫米波雷達、激光雷達和機器視覺，運用人工智能等技術實現列車主動防碰撞。

5 總結與展望

虛擬耦合是在固定閉塞、準移動閉塞和移動閉塞之后，能夠極大縮小列車運行間隔，提高線路運輸能力的創新技術。文中就虛擬耦合應用在列控系統的關鍵技術進行研究討論。

由于鐵路運輸所處的氣候、線路、地理環境以及被控對象、運營組織等多種因素的復雜性，虛擬耦在與列控系統結合的過程中，需要通過技術手段保證其適應性、魯棒性和安全性，以實現鐵路運輸的高效和安全。