城市軌道交通列車自動靈活編組技術應用研究

胡榮華

(1. 上海軌道交通無人駕駛列控系統工程技術研究中心， 200070， 上海；2. 卡斯柯信號有限公司， 200070， 上海∥高級工程師)

1 列車靈活編組的必要性分析

城市軌道交通線路客流隨時空變化是不平衡的，最為突出的特點是由于上下班出行帶來的潮汐客流現象，這在連接市區與郊區的通勤線路上尤為明顯。目前解決潮汐客流最直接的措施是在客流高峰時段投入更多的運營列車，以縮短行車間隔、提高運力。而在客流非高峰時段，為了提高運營列車的利用率，一般通過增加行車間隔來減少運營列車數，這在一定程度上降低了服務質量。另一個有效的舉措是實行列車靈活編組運營，針對全天不同時段或不同區段的客流差異，在保證各時段/區段均能提供較優服務質量的前提下，通過改變運營列車的編組數，在運輸組織上實現運量與運力的最佳協同。這樣，可以合理優化各時段的列車滿載率，解決因客流在時段分布不均衡造成的運力浪費問題，提高城市軌道交通的運輸經濟性。

在傳統的列車靈活編組運營中，一般是由檢修人員或司機在車輛段特定的聯掛/解編區域內人工實施列車聯掛/解編作業。通過人工重啟配置新編組列車的車載數據和車輛數據，在確認新編組列車電氣連接和性能正常后重啟列車，讓新編組列車駛入正線投入運營。目前國內大部分城市軌道交通線路(如廣州地鐵3號線、深圳地鐵9號線等)的靈活編組運營主要采用上述方式，其作業的自動化程度不高、作業時間較長、靈活度較低。

列車自動靈活編組是指在正線/車輛段的特殊區域，信號系統根據運營計劃自動控制運營列車改變其編組數，以適應不同運營時段/區段的運力差異需求。隨著FAO(全自動運行)技術的持續發展，基于FAO的CBTC(基于通信的列車控制)系統已廣泛應用于城市軌道交通的新建項目，在FAO的基礎上實現列車自動靈活編組(即在運營期間可自動管理列車的聯掛和解編)已成為當前軌道交通業內的研究熱點。信號系統應確保列車自動聯掛/解編作業全過程快捷、安全，并對聯掛/解編后的列車進行安全、可靠的識別和控制，以適應城市軌道交通線路的高密度運營需求。此項技術在國外已有成功的應用經驗，如在沙特阿拉伯首都利雅得的地鐵4號線、5號線及6號線上，信號系統已支持列車自動聯掛/解編和列車自動救援。

2 列車編組的定義

在列車靈活編組中，信號系統將列車分為列車編組和列車單元，其定義如下：

1) 列車單元:列車靈活編組中的最小列車組成，列車單元不能再進行解編。

2) 列車編組: 由1個或多個列車單元組成列車編組；由1個列車單元組成的列車稱為小編組列車；由多個列車單元組成的列車稱為大編組列車或聯掛列車，本文稱之為聯掛列車。

3) 激活列車單元: 指被激活端駕駛室的列車單元，由ATU(激活列車單元)負責控制聯掛列車的運行。

4) 非激活列車單元：指未被激活端駕駛室的列車單元，不參與列車運行控制，其輸出被車輛旁路。

小編組列車和聯掛列車示意如圖1所示。

a) 小編組列車

b) 聯掛列車

3 列車自動靈活編組技術方案

列車自動靈活編組運營下，信號系統需具備在線調整列車編組數及滿足不同編組列車在線混跑要求的功能。信號系統根據當天運營計劃自動控制列車在車輛段或正線的特定位置改變其編組數，自動控制2列n節小編組列車聯掛，形成1列n+n節的聯掛列車，以替代2列n節小編組列車在線路上運行。反之，也可將1列n+n節編組的聯掛列車解編為2列n節小編組列車。解編后的2列小編組列車分開運營，以實現運量和運力的最佳協同。

3.1 列車自動聯掛的作業步驟

ATS(列車自動監控)系統將聯掛任務(包括被聯掛、去聯掛)編入當天運營計劃，信號系統自動控制列車運行至正線特定區域(如折返軌、存車線)執行聯掛作業。聯掛作業完成后，聯掛列車將作為1列新的列車，自動投入正線運營。圖2為列車自動聯掛作業流程。

a) 步驟1

c) 步驟3

d) 步驟4

f) 步驟6

如圖2所示，列車自動聯掛作業分為6個步驟：

1) 步驟1：ATS為被聯掛列車T1辦理運行至聯掛區域的進路;

2) 步驟2：T1自動運行至聯掛區域末端后停車；ATS根據當天運營計劃自動下發被聯掛指令，待T1被聯掛準備就緒后，VOBC(車載控制器)通知軌旁系統;

3) 步驟3：根據當天運營計劃，ATS自動為去聯掛列車T2辦理去聯掛進路，并下發去聯掛指令;

4) 步驟4：軌旁ZC(區域控制器)根據T1的被聯掛狀態，自動控制T2接近T1;

5) 步驟5：T2在停車或不停車情況下與T1碰撞聯掛后形成聯掛列車(T1+T2)，車輛系統和信號系統自動配置聯掛列車的編組數據，形成聯掛列車的數據信息;

6) 步驟6：ATS根據當天運營計劃自動控制聯掛列車投入正線運營。

3.2 列車自動解編的作業步驟

ATS將解編任務編入當天運營計劃，聯掛列車(T3+T4)運行至正線特定區域后自動解編為2列小編組列車。解編后的2列小編組列車按當日運營計劃，分別投入正線運營。圖3為列車自動解編作業流程。

a) 步驟1

b) 步驟2

c) 步驟3

d) 步驟4

如圖3所示，列車自動解編分為4個步驟：

1) 步驟1：聯掛列車(T3+T4)自動運行至解編區域停車；

2) 步驟2：ATS根據當天運營計劃下發解編指令；

3) 步驟3：車輛系統和信號系統自動配置新列車編組數據, 聯掛列車解編為2列小編組列車T3、T4；

4) 步驟4：ATS根據當天運營計劃自動控制列車T3、T4分別投入正線運營。

3.3 聯掛列車的網絡架構

為實現聯掛列車的安全可靠控制，VOBC通過貫通網絡實時交互各列車單元中的車載設備識別號、端部聯掛狀態、列車運行信息、運營任務信息及控制指令(如車載設備狀態、駕駛模式、開關門指令等)，以識別列車編組信息，監督編組狀態，控制列車安全運行。

4 列車編組管理功能

4.1 聯掛列車的多AP(防護包絡)管理

聯掛列車各列車單元的VOBC同時工作，并和軌旁系統保持通信。其對應的AP相互獨立，即聯掛前后各列車單元的VOBC與軌旁系統的通信方式沒有發生變化，且在聯掛/解編過程及后續投入正線運營過程中，各列車單元VOBC識別號均保持不變。通過該方式，可確保ZC和VOBC能快速適應列車編組數目的變化，減少列車聯掛/解編的作業時間，如圖4所示。

注：T頭——聯掛列車的頭車；T尾——聯掛列車的尾車；T小——小編組列車。

軌旁子系統與聯掛列車VOBC的通信方式為：

1) ZC：將聯掛列車視為多個獨立的列車單元；各列車單元的VOBC同時和ZC保持通信，VOBC給ZC提供位置報文、速度及狀態信息；ZC為各列車單元分別建立AP，并反饋移動授權；聯掛列車的頭車為激活列車單元，可響應軌旁信息并控制列車運行；聯掛列車的尾車為非激活列車單元，也接收軌旁信息，但不控制聯掛列車運行。

2) ATS：將聯掛列車視為1列車，聯掛列車各列車單元的VOBC同時和ATS保持通信，分別給ATS提供列車識別號、駕駛模式、列車聯掛狀態及任務執行狀態等信息；ATS將多個列車單元合并為1個新的聯掛列車(如列車201、列車202合并為聯掛列車201202)進行管理，同時給各列車單元反饋運行任務；作為激活列車單元的頭車的VOBC根據ATS任務控制聯掛列車運行。

3) CI(計算機聯鎖):將聯掛列車視為1列車；列車進站時，僅激活列車單元的頭車的VOBC向CI請求建立通信；VOBC根據列車編組類別給CI匹配發送不同的開門指令，控制站臺門開啟/閉合；非激活列車單元的尾車與CI間不通信。

4.2 聯掛狀態檢測

為安全實施列車聯掛/解編作業，確保列車聯掛后的運行安全，VOBC需對聯掛列車進行安全、可靠識別和實時監督。信號-車輛接口信息中，在每個列車單元的兩端均增加了安全信息，用以采集每個駕駛端的聯掛狀態，如圖5所示。

圖5 列車聯掛狀態采集示意圖

如圖5所示，ACS1表示本端單側是否為聯掛狀態，其值取“0”時表示本端聯掛，取“1”時表示本端非聯掛；ANCS表示本端單側是否為非聯掛狀態，取“0”時表示本端非聯掛，取“1”時表示本端聯掛；ACS2表示與本端聯掛的另一個列車單元的遠端是否為聯掛狀態，其值取“0”時表示另一個列車單元的遠端已聯掛，取“1”時表示另一個列車單元的遠端未聯掛。VOBC根據每個駕駛端的ACS1、ANCS及ACS2取值，來識別列車為小編組列車或聯掛列車：

1) ACS1/ANCS信號來源于本駕駛端車鉤的內部接點，通過識別ACS1/ANCS的狀態來判斷本駕駛端是否聯掛。這兩個信號互斥，當本駕駛端若處于聯掛狀態時，ACS1=0，ANCS=1；當本駕駛端處于非聯掛狀態時，ACS1=1，ANCS=0。

2) 通過識別ACS2的狀態來判斷本列車單元另一個駕駛端是否聯掛。此ACS2信號來源于與本端聯掛的另一個列車單元遠端的ACS1狀態，可用于檢查本端的電氣連接狀態，以判斷另一個列車單元的遠端是否還聯掛其它列車單元。

4.3 聯掛列車的編組信息識別

VOBC和ZC共同協作，以安全、可靠地識別列車的編組數，這是授權聯掛列車運行的關鍵。VOBC和ZC都需要對聯掛列車的編組狀態和編組信息進行計算：VOBC根據各列車單元對應的VOBC識別號及Cab(列車的駕駛端)的聯掛狀態，計算聯掛列車的聯掛編組狀態；ZC根據各列車單元Cab的聯掛狀態和AP位置，計算聯掛列車的聯掛編組信息。

1) 正常情況下，頭車的VOBC采用其計算得到的聯掛編組狀態來識別聯掛列車。若頭車的VOBC對列車聯掛編組狀態的識別不成功，則采用ZC計算得到的聯掛編組信息識別來聯掛列車。

2) 正常情況下，ZC根據頭車的VOBC計算得到的聯掛編組狀態來識別聯掛列車，并計算移動授權。若ZC收到頭車的VOBC計算得到的聯掛編組狀態無效(如列車編組數為0)，ZC則根據自己計算得到的聯掛編組信息來計算移動授權。

3) 若VOBC、ZC的計算結果都不可用時(如列車編組數為0)，VOBC將僅授權列車RM(限制人工駕駛模式)可用。

通過以上設計，當聯掛編組狀態和聯掛編組信息中任一信息有效時，聯掛列車都可以保持CBTC運行。

4.4 聯掛列車編組的控制

列車正常運行時，所有VOBC均保持工作狀態。由激活列車單元的頭車控制聯掛列車運行，并向列車發送控制指令。尾車的控制指令被列車旁路。如圖6所示，列車通過全自動車鉤貫通VOBC和列車的輸出/輸入信息(如牽引/制動、門狀態等)，將聯掛列車整合為一個統一的列車控制平臺進行管理。

5 結語

列車自動靈活編組技術對潮汐客流特征明顯的城市軌道交通線路具有重要意義，既可以很好地保障城市軌道交通線路的服務質量，又可節省運營成本，提高運營效率和運輸經濟性，具有較高的推廣價值。本文從列車自動靈活編組的功能需求入手，將列車靈活編組技術和FAO相結合，分析了列車自動聯掛/解編過程的關鍵技術及相關功能的實現方式。在未來，該技術有望在互聯互通軌道交通線路間的跨線靈活編組、列車聯掛救援等運營場景中得到更為廣泛的應用。

圖6 聯掛列車系統架構示意圖