城市軌道交通車輛運(yùn)行控制技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：為了更好地滿足乘客對(duì)出行安全性和便捷性的需求，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛安全、快速、有序地行駛，對(duì)高效精準(zhǔn)的城市軌道交通車輛運(yùn)行控制技術(shù)的研究顯得尤為重要。本文以時(shí)間軸為主線，對(duì)城軌車輛運(yùn)行控制技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，詳細(xì)介紹了不同行車組織方法及運(yùn)行控制技術(shù)的特點(diǎn)，闡述了當(dāng)前城市軌道交通列控系統(tǒng)的基本原理，并對(duì)其研究?jī)?nèi)容和方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;運(yùn)行控制;行車組織;城軌車輛;列控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U231.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0208-02

0 ?引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，大量的農(nóng)村居民轉(zhuǎn)移到城市發(fā)展，從而導(dǎo)致城市人口數(shù)量急劇增加，城市建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，許多城市的地面交通已經(jīng)無(wú)法滿足如此龐大的客運(yùn)需求。城市軌道交通產(chǎn)業(yè)由于其快速便捷的特點(diǎn)迅速發(fā)展，越來越多的城市將軌道交通納入到城市規(guī)劃中。城市軌道交通作為一種現(xiàn)代化交通工具，具有載客量高、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，是低碳環(huán)保的綠色交通方式，在緩解城市軌道交通矛盾中起到了重要作用，是解決城市交通問題的主要手段，現(xiàn)在已經(jīng)成為了各大城市居民優(yōu)先考慮的交通出行方式。隨著城市生活節(jié)奏的加快，廣大居民對(duì)軌道交通出行效率、舒適度、準(zhǔn)點(diǎn)率的要求越來越高。目前減小列車行車間距、提高行車效率、改善列車通過能力、低能耗、高度智能是城市軌道交通車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。安全、高效、可靠的城市軌道交通車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)列車高速度、高密度、有秩序地運(yùn)行有著非常重要的意義。

1 ?行車組織方法

為了確保列車在區(qū)間內(nèi)的行車安全，列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，必須確認(rèn)同一區(qū)間內(nèi)沒有對(duì)向運(yùn)行的列車，同向運(yùn)行的多列列車之間進(jìn)行系統(tǒng)控制使其保持一定的間隔距離，防止發(fā)生正面沖突或追尾事故。為了使多列電客車之間保持一定的間隔距離安全行駛，在列車運(yùn)行時(shí)，有兩種區(qū)間行車組織方法，一種是時(shí)間隔離法，一種是空間隔離法。

時(shí)間隔離法是指車站每隔一段時(shí)間向區(qū)間發(fā)一列車，使前行列車和追蹤列車之間保持一定的時(shí)間間隔的行車方法。列車按照規(guī)定的時(shí)間表通過車站，區(qū)間內(nèi)部沒有信號(hào)設(shè)備。1842年美國(guó)的Willian Fothergiel Cooke指出這種隔離方法存在安全隱患，若列車沒有按時(shí)間表運(yùn)行或區(qū)間列車發(fā)生故障停車，都有可能出現(xiàn)列車追尾或其他事故[6]。

空間隔離法是指由車站每隔一段空間間隔向區(qū)間發(fā)一列車，使前行列車和追蹤列車之間保持一定的空間間隔的行車方法。這種方法能夠保證列車之間有一定的行車距離，從而有效地確保了行車的安全。1851年鐵路行車開始使用電報(bào)憑證，這是第一次實(shí)現(xiàn)空間隔離行車方法，采用路簽或路牌作為列車占用區(qū)間的憑證，通過接車站值班員檢查區(qū)間是否空閑，是早期使用的一種人工閉塞方法。1855年Messrs.George Dugmore和George Millward兩人第一次提出了軌道電路的概念，為空間隔離法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2 ?基本行車閉塞技術(shù)

1911年Sedwick N .Wight第一次提出了閉塞的概念。閉塞是為了保證軌道車輛的運(yùn)行安全，通過閉塞分區(qū)，車站，線路所的設(shè)備，使相鄰列車之間保持一定的時(shí)空間隔，防止發(fā)生沖突或追尾事故發(fā)生的行車方法。基本行車閉塞法主要有以下幾種制式：

①人工閉塞：通過人工設(shè)置閉塞機(jī)，列車司機(jī)從發(fā)車站取出路簽，到達(dá)接車站后交出路簽，才能解除閉塞。這種閉塞制式效率太低，現(xiàn)已基本淘汰;

②半自動(dòng)閉塞：通過人工進(jìn)行聯(lián)絡(luò)手續(xù)辦理，在車站進(jìn)站處和出站處分別安裝一段不少于25m的專用軌道電路，將專用軌道電路和信號(hào)機(jī)聯(lián)系起來，通過信號(hào)機(jī)顏色的變化來判斷區(qū)間是否空閑，從而實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)閉塞;

③自動(dòng)閉塞：將站間劃分為若干個(gè)裝設(shè)軌道電路的閉塞分區(qū)，在每個(gè)閉塞分區(qū)入口處設(shè)置信號(hào)機(jī)，借助軌道電路將列車和信號(hào)機(jī)聯(lián)系起來，信號(hào)機(jī)的顯示隨列車位置的變化而變換。

基本行車閉塞法采用的是固定閉塞制式。這種制式的控制采用模擬信號(hào)進(jìn)行軌道信息的處理，根據(jù)列車的特點(diǎn)、線路情況、速度等級(jí)等來確定閉塞區(qū)間的長(zhǎng)度，最小的行車間隔距離就是列車的閉塞分區(qū)。

基本行車閉塞方法從安全方面講至少包涵三個(gè)方面：可靠的列車定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng);可靠的信息傳輸系統(tǒng);可靠的列車間隔控制系統(tǒng)。這三個(gè)方面任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致行車事故的發(fā)生。

目前各國(guó)廣泛采用固定自動(dòng)閉塞系統(tǒng)，通過軌道電路、信號(hào)機(jī)等組成信息傳輸系統(tǒng)，將列車位置傳輸給列車自動(dòng)控制系統(tǒng)及司機(jī)，控制列車運(yùn)行速度，保證各列車保持一定的間隔距離，防止列車進(jìn)入前方占用閉塞區(qū)間。

自動(dòng)閉塞系統(tǒng)在過去的八十年間，無(wú)論是保證行車安全，還是提高運(yùn)輸能力都起到了非常重要的作用。隨著城市軌道交通系統(tǒng)信息化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)閉塞系統(tǒng)以下幾個(gè)缺點(diǎn)逐漸凸顯：

①隨著列車速度的提高或采用新型車輛，閉塞分區(qū)的長(zhǎng)度與實(shí)際運(yùn)行狀況不符。當(dāng)列車實(shí)際運(yùn)行與計(jì)劃稍有偏差，容易造成大面積延誤;

②無(wú)法掌握列車精確的位置和速度信息，追蹤駕駛困難，調(diào)度人員無(wú)法獲得最佳的調(diào)度方案;

③閉塞區(qū)間的劃分取決于制動(dòng)性能最差的列車，系統(tǒng)只適應(yīng)于制動(dòng)性能較為一致的車輛，對(duì)于性能較好的列車則會(huì)降低其區(qū)間通過能力。

3 ?移動(dòng)閉塞技術(shù)

移動(dòng)閉塞不需要將區(qū)間分割為若干個(gè)固定的閉塞區(qū)間，而是根據(jù)連續(xù)檢測(cè)先行列車的位置和速度，使列車之間自動(dòng)調(diào)整間距，并保持一定距離安全運(yùn)行的行車制式。移動(dòng)閉塞是相對(duì)固定閉塞而言的，固定閉塞有相應(yīng)的防護(hù)信號(hào)和閉塞區(qū)間，而移動(dòng)閉塞沒有固定的的閉塞區(qū)間，閉塞區(qū)間的長(zhǎng)度隨外部條件的變化而變化，列車制動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是動(dòng)態(tài)的。后行列車開始制動(dòng)的計(jì)算點(diǎn)是由目標(biāo)速度、目標(biāo)距離及自身列車性能所決定的;目標(biāo)點(diǎn)是前行列車的尾部，與前行列車的位置、性能、速度及狀態(tài)信息有關(guān);閉塞區(qū)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是隨時(shí)變化的，所以叫移動(dòng)閉塞（Moving Block）。移動(dòng)閉塞的閉塞分區(qū)是邏輯間隔，與實(shí)際軌道線路沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

移動(dòng)閉塞使兩列車之間的間隔距離最小，最大限度地縮短了列車之間的運(yùn)行間隔，從而提高了區(qū)間內(nèi)列車的行車密度，極大地提高了線路區(qū)段的通過能力。八十年代后期，軌道交通移動(dòng)閉塞系統(tǒng)基于通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)閉塞必須要求列車和地面設(shè)備能夠完成雙向通信，所以一般采用軌道感應(yīng)環(huán)線、裂縫波導(dǎo)、無(wú)線通信等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家研制出了不同形式的移動(dòng)閉塞系統(tǒng)，并廣泛使用。

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)相對(duì)于固定閉塞系統(tǒng)，具有如下優(yōu)勢(shì)：

①移動(dòng)閉塞系統(tǒng)沒有固定的閉塞區(qū)間，隨著前行列車的移動(dòng)，行車閉塞區(qū)間會(huì)隨機(jī)形成，這樣極大地縮短了行車間隔，提高了線路通過能力;

②移動(dòng)閉塞系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的列車控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)列車的速度和行車間隔進(jìn)行列車反饋控制，從而使列車運(yùn)行更加安全;

③根據(jù)前行列車的狀態(tài)信息，后續(xù)列車依據(jù)自身速度、狀態(tài)及位置信息計(jì)算出本列車的速度，可以最優(yōu)化地縮短列車運(yùn)行時(shí)間、節(jié)省資源、提高乘坐列車的舒適性，為列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一定的便利條件;移動(dòng)閉塞系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度指揮、行車組織管理的自動(dòng)化，又能實(shí)時(shí)地采集所有閉塞區(qū)間的行車信息，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通列車運(yùn)輸管理的自動(dòng)化。同時(shí)，移動(dòng)閉塞系統(tǒng)還省去了信號(hào)電纜、區(qū)間信號(hào)點(diǎn)等設(shè)備，將全部信息傳輸設(shè)備安裝在機(jī)車和車站，便于后續(xù)的設(shè)備管理和維護(hù);

④移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的閉塞分區(qū)隨外部環(huán)境的改變進(jìn)行相應(yīng)的改變，可以適應(yīng)不同速度，不同類型的地鐵車輛，其適應(yīng)性更強(qiáng)。

近幾十年，移動(dòng)閉塞技術(shù)廣泛應(yīng)用到地鐵系統(tǒng)中，各種基于移動(dòng)閉塞的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)被各大公司相繼開發(fā)并投入不同的地鐵公司廣泛使用，列車的線路通過能力提高顯著。

4 ?基于通信的列車自動(dòng)控制技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)的可靠性有了飛躍的提升，無(wú)線通信控制和城市軌道交通的結(jié)合成為必然，在移動(dòng)閉塞技術(shù)的原理上逐步實(shí)現(xiàn)了基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Communication-Based Train Control， CBTC）。CBTC系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成為新時(shí)期城市軌道交通車輛運(yùn)行控制的首選。CBTC系統(tǒng)和傳統(tǒng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)之間存在本質(zhì)性的區(qū)別，傳統(tǒng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)大多依靠軌道電路實(shí)現(xiàn)列車定位，CBTC系統(tǒng)已徹底不再依賴軌道電路，而是通過車-地通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車自身的定位，從而有效控制行車間隔和列車的行駛速度。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者為了提高基于CBTC的城市軌道交通線路的通過能力，對(duì)折返區(qū)間的追蹤間隔展開了大量研究，考慮信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)，復(fù)雜線路條件以及運(yùn)行變化等因素的影響，對(duì)通過能力進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)效率更高的城軌列控系統(tǒng)。

基于通信的列車自動(dòng)控制技術(shù)是未來城軌車輛技術(shù)發(fā)展的方向，代表了國(guó)際最先進(jìn)的水平。CBTC系統(tǒng)進(jìn)一步縮短了行車間隔，提高了載客量，最大限度地減少了不必要的制動(dòng)，可靠性高，同時(shí)節(jié)省了基建投資。

CBTC系統(tǒng)使用高精度列車定位和高容量雙向通信技術(shù)，具有高靈活性、高自動(dòng)化和可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。CBTC系統(tǒng)利用多列列車的協(xié)調(diào)控制方法，通過車載傳感器實(shí)現(xiàn)列車-列車、列車-地面的雙向信息傳輸，從而保證列車在線路上全局部署，安全運(yùn)行。現(xiàn)代的CBTC系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車自動(dòng)檢測(cè)（ATS）、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）、列車自動(dòng)駕駛（ATO）的所有功能，在列車行駛過程中能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位停車，車站自動(dòng)折返并節(jié)能運(yùn)行。CBTC系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)主要由軌旁設(shè)備和車載單元組成，軌旁設(shè)備和車載單元之間通過數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（DCS）相互聯(lián)系。數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)（DCS）將CBTC系統(tǒng)各單元、子系統(tǒng)緊密地聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)了CBTC系統(tǒng)的高效運(yùn)行。高效的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)降低列車之間的行車間隔、優(yōu)化成本、提高軌道交通的運(yùn)能及其安全性具有十分重大的意義。

5 ?結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車輛的運(yùn)行調(diào)整是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，隨著CBTC系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的普及，城市軌道交通車輛運(yùn)行控制技術(shù)基本圍繞智能處理方法的主線開展。智能化列車自動(dòng)調(diào)整算法是未來城市軌道交通車輛運(yùn)行控制技術(shù)研究的方向，對(duì)于提高列車的運(yùn)行效率具有非常重要的意義。采用人工智能和傳統(tǒng)算法向結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)更加先進(jìn)的城市軌道交通車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)，相鄰列車之間的行車間隔將進(jìn)一步縮短，這對(duì)軌道交通車輛運(yùn)行調(diào)整方案將會(huì)提出更高的要求，因此對(duì)軌道交通車輛運(yùn)行調(diào)整的研究也同樣非常重要。考慮各種不確定因素，將城市軌道交通各子系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)動(dòng)，利用計(jì)算機(jī)鋪畫列車運(yùn)行圖，提高列車運(yùn)行效率和乘客的舒適度，將列車運(yùn)行作為一個(gè)完整的大系統(tǒng)，進(jìn)行全局部署、智能控制將是未來我們努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]李想，徐霄.CBTC系統(tǒng)移動(dòng)閉塞制式研究[J].城市軌道交通研究，2015（2）：24-27.

[2]閆麗霞，高云波，李云驄.城市軌道交通移動(dòng)閉塞列控系統(tǒng)列車追蹤間隔研究[J].城市軌道交通研究，2020（3）：34-37.

[3]李偉，唐濤，王呈，等.無(wú)線通信延遲對(duì)城市軌道交通CBTC列車追蹤間隔影響研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2017（7）：73-78.

作者簡(jiǎn)介：王二虎（1993-），男，天津人，助教，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄜ囕v技術(shù)教學(xué)與研究。