以列車為中心的自主控制系統功能及運營場景研究*

馮浩楠 白廣爭 于健潔** 劉海祥 黃蘇蘇

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所， 100081， 北京；2.國家鐵路智能運輸系統工程技術研究中心， 100081， 北京∥第一作者， 副研究員)

城市軌道交通的快速發展使得列車運輸性能得到極大提升。以列車為中心的列車自主控制系統在精簡原系統架構的同時，實現了多業態運輸方式，同時提升了運力，成為下一代城市軌道交通列車控制系統發展的方向[1-3]。

本文主要敘述了以列車為中心的自主控制系統的架構、功能和運行場景等3部分內容。通過對比以列車為中心的自主控制系統和CBTC(基于通信的列車控制)系統在功能上的差異來突出以列車為中心的自主控制系統的核心功能，如基于列車通信的安全間隔控制、虛擬連掛、態勢感知與判斷、動態路線控制等。

1 以列車為中心的自主控制系統

1.1 系統架構

與文獻[4-6]車車通信的CBTC系統架構類似，以列車為中心的自主控制系統由地面系統和車載系統組成。地面系統包括ATS(列車自動監控)系統、RM(資源管理器)和OC(目標控制器)。其中，RM負責管理共享資源，包括軌道、道岔和PSD(站臺門)的資源，其不能決定共享資源是否被擁有和控制，只通過信號量的互斥功能，完成共享資源的記錄和管理；OC實現對軌旁設備的操作。車載系統包括無線通信設備、ATO(列車自動運行)系統和ATP(列車自動防護)系統。與CBTC中的ZC(區域控制器)計算移動授權、聯鎖建立進路和控制道岔功能的設計不同，自主控制系統的車載ATP通過與前車直接通信，接收前車的位置和速度信息，同時接收來自RM提供的資源占用情況，并計算出列車運行速度曲線，自主確定列車運行的移動權限，控制與前車的安全行車距離；ATO則能實現自動駕駛等的非安全功能。以列車為中心的自主控制系統架構如圖1所示。

1.2 系統特點

以列車為中心的自主控制系統，通過識別和判斷列車周邊狀況以實現自動控制的功能。與CBTC系統相比，自主控制系統具有如下特點。

1) 基于T2X(Train-to-Everyting)的自主列車控制。以列車為中心的自主控制系統基于列車之間直接通信、列車和軌旁設施通信的通信方式，在無地面控制系統的情況下，可實現列車間隔控制。列車間隔控制本質上是對本區段共享資源的劃分控制，使兩列或多列列車在時間和空間上不同時占用相同的區段。基于列車之間直接通信完成前后兩列列車之間的安全間隔控制。車-車通信示意圖如圖2所示。對于有道岔的進路，需要進行道岔進路控制。列車控制系統對共享資源——道岔進行控制，使兩列或多列列車不同時占用。對于車載系統而言，所有的道岔都是獨立操作的。通過與軌旁設備的通信，列車可自主動控制道岔位置和行進路線。車-地通信控制道岔示意圖如圖3所示。

2) 基于T2X的列車虛擬編隊控制。車虛擬編隊是指在沒有物理連接器的情況下，通過減小列車間距來操作兩列或更多列車編隊運行。自主控制系統通過識別虛擬連接列車的完整性防止編隊內列車碰撞，編組列車像一列列車一樣運行，如圖4所示。虛擬編隊的列車控制系統須包括7大管理功能：列車位置管理，列車速度管理，列車移動權限管理，編隊內虛擬連接管理，整體虛擬編隊管理，列車安全防護和列車制動控制管理。

3) 基于T2X的環境感知和決策/控制。在發生故障和延誤的情況下，自主控制系統的列車根據自身和周圍列車狀態，評估與原列車計劃時刻的差異：當差異在系統閾值范圍內，則列車基于智能化策略按照原列車的子時刻表進行并通知ATS系統，在得到ATS系統授權后可調整自己的速度、路線和時刻表等。靈活的自組織方式減少了故障引起的延誤，提高了運營效率。

2 以列車為中心的自動控制系統功能

以列車為中心的自主控制系統功能包括列車定位、信息共享、資源管理、列車間安全間隔控制、自主排路和移動授權、列車狀態監控、列車速度控制等7大功能。

2.1 列車定位

以列車為中心的自主控制系統需自主確定列車位置，將確定的列車位置報告給ATS系統和其他列車。列車定位包括：

1) 列車位置的計算：列車控制系統通過車輪的轉數來計算列車的位置，進而計算出行駛的距離。

2) 列車位置修正：列車控制系統利用地面標尺修正列車累計誤差。

3) 列車位置補償：列車控制系統在行駛過程中實時計算累積誤差，并反映在列車長度中。

2.2 信息共享

信息共享功能包括：在路線上運行的列車共享位置等的列車狀態信息；列車與ATS系統均可控制軌旁的共享資源并進行監控；軌道的共享資源狀態信息通過RM傳送給路線上所有的列車。

2.3 資源管理

以列車為中心的自主控制系統的資源包括軌道區段、道岔和PSD(見表1)。所有共享資源都由RM管理。列車通過RM對資源進行預留、釋放和控制操作。能夠占用和控制資源的對象包括ATS和列車。ATS有權控制和恢復列車占用的共享資源。但是，列車控制系統只有在安全釋放共享資源狀態時，才可將其共享資源轉移給ATS。列車控制系統只有在安全占用資源后才可進行控制。在臨時限速的特殊情況下，列車控制系統可立即對共享資源進行控制。一個軌道區段中可建立多個臨時限速。

表1 以列車為中心的自主控制系統控制的資源

在RM資源管理規則中，資源不能同時占用，因此設置成信號量進行互斥管理。RM管理資源的原則如下：①RM管理資源的占用狀態和常態，如區段是否占用、道岔是否故障、PSD是否故障等；②RM拒絕對占用資源的請求；③RM同意對未占用資源的請求；④當資源請求同時到來時，RM將RA(資源權限)授予一個請求，RM不決定資源請求的優先級；⑤RM根據資源的請求授予，同時鎖定資源；⑥RM僅在資源所有者的請求下才解鎖資源；⑦RM收到資源擁有者的資源控制命令，對資源進行控制；⑧RM記錄資源所有者。

列車請求共享資源示意圖見圖5。自主控制系統的列車通過與相鄰列車及RM通信，獲知所需的資源占用狀態和限制情況，并向RM請求列車前進區域內的可用資源；RM響應請求，通過RM鎖閉未占用的資源；列車再根據通過RM的資源狀態和與前車的位置，來確定自己的移動權限。如列車所需的資源已經被另一列車占用，則列車可通過與另一列車直接協同處理，以確保使用必要的資源。

列車通過快速釋放通過路線中占用的資源，以提高資源的利用率。RM收到資源占用者的有效解鎖請求后，對占用資源進行解鎖；資源通過RM釋放，但解鎖的責任在于資源所有者；資源擁有者通過RM查詢共享資源是否成功解鎖。

2.4 列車間安全間隔控制

以列車為中心的自主控制系統存在3種列車間隔控制策略:

1) 基于前車位置。列車控制系統根據前車報告的列車位置生成本車的移動授權，同時，列車控制系統補償和更正本車的位置誤差。

2) 基于前車速度。列車控制系統根據前車當前的速度進行間隔控制。以列車為中心的自主控制系統中，列車的制動距離為列車在移動授權范圍內，以當前速度制動時，其不與前車發生碰撞的距離。列車的制動距離是基于前車的最佳制動距離計算得出的，新的移動授權的計算還應考慮前車速度、位置誤差等因素。此外，還需實時對本車的速度誤差進行修正和補償。

3) 基于前車的加速度進行虛擬編隊。列車基于前車的加速度信息進行虛擬編隊的列車間隔控制；與前車進行虛擬編隊時，后車切換到被動工作模式，利用前車的減速度/加速度來控制與前車間隔。在虛擬連接過程中，前車和后車選擇最低的性能來匹配列車間的性能(最大速度、減速度/加速度)。虛擬編隊成功后，編隊中的引導列車計算的編隊列車長度包括尾隨的所有列車長度，列車需對本車的加速度誤差進行修正和補償。

傳統列車編隊通過物理耦合，后方列車靠近，前方列車必須停下來后，再通過連接器接觸建立物理連掛。此外，物理連接和分離需要相當長的時間，對列車整體運營會產生不利影響。虛擬編隊技術為提高運營效率提供了基礎。它無需物理連接器，通過車車通信將列車間距減少，確保靈活性。虛擬編隊新增了3種場景：

1) 站內虛擬解掛。虛擬編隊列車運行至站臺后，頭車完成與后車的虛擬解掛繼續前進，后車停留在站臺。這種方式減少了物理解掛所需消耗，如時間、人力等因素。

2) 站內虛擬連掛。站臺停留一列列車，后續進站列車緩慢靠近站臺，基于虛擬連掛技術，突破站外信號防護，實現與站內列車虛擬連掛后組成虛擬編隊。

3) 站臺虛擬解編和連掛。虛擬編隊低速進站，在站前的道岔前解編，駛入不同的站臺；兩列列車出發后，再次通過車-車通信進行編組，以作為一個虛擬編隊運行。

這樣的場景可以在不改變站臺長度的情況下，提高站臺利用率，增加運輸量。

2.5 自主排路和移動授權

列車的運行路線由ATS提供。當列車被分配一個列車編號時，會收到完整的時刻表和與該列車編號對應的運行路徑信息，其信息包括列車到達目的地所需的共享資源(區段、道岔和控制方向、PSD和狀態等)。

ATS下發給列車的運行路線不能與其他列車的運行路徑沖突；當列車改變路線時，能自主搜索到目的地的最佳路線。運行路線指定列車移動權限需要的資源，但并不執行對資源的獲取和控制。運行路線是為了防止列車的移動權限在獲取資源的過程中出現死鎖，并不判斷該資源是否實際被其他列車占用。列車控制系統依據下發的運行路線自主計算列車的移動授權。

列車控制系統完成移動權限所需資源(區段、道岔、PSD)的獲取和控制。當運行路線發生變化時，列車向RM請求獲取最新運動路線所需資源。在某些情況下，如所需資源已被其他列車占用時，可直接與占用資源的列車協商獲取資源。

2.6 列車狀態監控

列車運行過程中遇到情況分為以下3類。

2.6.1 列車上的緊急情況

列車內緊急情況通常分為列車故障和列車事故2個部分。

在列車發生故障的情況下，列車將以降級模式減速運行或停止運行。在必須停止操作的情況下，嘗試進入最近的站臺讓乘客下車。列車故障因素包括：車廂故障、列車低速運行的條件(如列車牽引裝置的故障等)、停車條件(行駛到最近的站臺并打開車門)及必要時的緊停條件(列車無線通信設備故障等)。在識別列車故障后，其采取的措施包括列車臨時限速、列車運行路線修改、列車緊急制動等。

當列車發生火災事故時，根據火災的嚴重程度，列車直接停在軌道上或進入最近的站臺讓乘客下車。如果車內發生緊急的事故，列車會通知ATS控制列車并停在最近的站臺。

2.6.2 軌道上的緊急情況

軌道上的緊急情況包括人或障礙物在軌道上的存在或碰撞、軌道缺陷、道岔故障、PSD故障、隧道或站臺起火等。

當發現區域有人或障礙物出現在軌道上時，則封鎖該區間禁止列車進入。如果有軌道缺陷、道岔故障、隧道或站臺發生火災，則必須封鎖進入該區域的通道。如果站臺火勢較小，可考慮不停車通過。

RM實時監控軌旁設備狀態。列車控制系統通過RM獲得軌旁狀態，根據軌旁狀態判斷檢測區間是否需要設置為臨時限速或禁止進入的保護區間。如果需要，列車控制系統可通過RM將區段設置為臨時限速區段或保護區段。

2.6.3 其他災害情況

其他災害情況包括暴雨、大雪、臺風等，以列車為中心的自主控制系統需采用相應的應急方案。暴雨、大雪和臺風不僅發生在特定軌道區域，還會影響整條線路，因此路線上的所有列車在必要時全部減速或停車。軌旁的監控設備向RM實時提供監測到的異常情況，列車控制系統通過RM接收檢測設備的狀態和檢測結果，判斷是否設置為保護區段或臨時限速區段。

2.7 列車速度控制

軌道的永久限速和由ATS系統下發的臨時限速信息，是列車的移動授權計算的重要參數，并由此生成階梯狀的速度安全控制曲線。速度控制曲線包括了列車的制動信息。

3 以列車為中心的自主控制系統運行場景

以列車為中心的自動控制系統具有3種工作場景：①正常運行場景；②性能下降運行場景；③應急運行場景。

3.1 正常運行場景

在正常運行模式下，根據列車時刻表到達、停車和離開站臺。

運營開始前，列車在車輛段進行準備工作，運營結束后進行清理工作。運行期間在車輛段進行檢查，維修人員對列車進行檢查。

正常運行場景包括：① 開始運營——從系統啟動到開始運營的所有任務；② 運營結束——從運營業務結束到系統關閉；③ 正常情況——按計劃在正線正常運行；④ 特殊情況——超出正常的情況，如輕微延誤、臨時限速等情況。

3.2 降級運行場景

降級的運行場景與操作優化、系統故障管理和維護等活動相關。在此模式下，列車不遵循ATS的列車時間表。降級運行場景通常是由于系統故障引起。此時，列車按照自己的子時刻表自行運行，但需在ATS的監督和控制下運行。列車子時刻表基于各種策略，應盡量減少因列車故障和地面設施故障造成的停運時間。

3.3 應急運行場景

在火災、停電等緊急事故的應急運行場景下，列車選擇相應的運行策略。

一般情況下，處于緊急狀態的列車無法自動運行，必須使用救援車將其拖至疏散線。為確保拖曳空間，須將相關區間與運行區間分開，禁止列車進入拖曳作業區間，將故障列車先牽引至疏散線，在運營結束后移至停車場。

4 結語

通過與CBTC系統相比，以列車為中心的自主控制系統具有如下3個特點：

1) 通過列車間通信的直接控制，可提高運能，減少軌旁設施。

2) 通過虛擬連接控制使運能最大化，并改善乘客和運營服務質量。

3) 根據列車事故和故障、運行前方的軌道事故和故障以及災害信息，通過態勢感知、判斷和識別周圍情況，自主確定運行策略和動態調度，能提高列車運行的安全性和運行效率。

以列車為中心的自主控制系統的系統功能和場景分析為系統的應用和工程化應用奠定了基礎。同時，運行場景將隨著系統運營過程中也不斷豐富和完善，進而科學合理規范列車運行過程，更好地服務乘客。