馮浩楠 白廣爭(zhēng) 于健潔** 劉海祥 黃蘇蘇

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所， 100081， 北京；2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)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(fā)展使得列車運(yùn)輸性能得到極大提升。以列車為中心的列車自主控制系統(tǒng)在精簡(jiǎn)原系統(tǒng)架構(gòu)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多業(yè)態(tài)運(yùn)輸方式，同時(shí)提升了運(yùn)力，成為下一代城市軌道交通列車控制系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)的架構(gòu)、功能和運(yùn)行場(chǎng)景等3部分內(nèi)容。通過對(duì)比以列車為中心的自主控制系統(tǒng)和CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)在功能上的差異來突出以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的核心功能，如基于列車通信的安全間隔控制、虛擬連掛、態(tài)勢(shì)感知與判斷、動(dòng)態(tài)路線控制等。

1 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

與文獻(xiàn)[4-6]車車通信的CBTC系統(tǒng)架構(gòu)類似，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)由地面系統(tǒng)和車載系統(tǒng)組成。地面系統(tǒng)包括ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)、RM(資源管理器)和OC(目標(biāo)控制器)。其中，RM負(fù)責(zé)管理共享資源，包括軌道、道岔和PSD(站臺(tái)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(hào)量的互斥功能，完成共享資源的記錄和管理；OC實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁設(shè)備的操作。車載系統(tǒng)包括無線通信設(shè)備、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)系統(tǒng)和ATP(列車自動(dòng)防護(hù))系統(tǒng)。與CBTC中的ZC(區(qū)域控制器)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)、聯(lián)鎖建立進(jìn)路和控制道岔功能的設(shè)計(jì)不同，自主控制系統(tǒng)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(shí)接收來自RM提供的資源占用情況，并計(jì)算出列車運(yùn)行速度曲線，自主確定列車運(yùn)行的移動(dòng)權(quán)限，控制與前車的安全行車距離；ATO則能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛等的非安全功能。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)，通過識(shí)別和判斷列車周邊狀況以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的功能。與CBTC系統(tǒng)相比，自主控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

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(tǒng)基于列車之間直接通信、列車和軌旁設(shè)施通信的通信方式，在無地面控制系統(tǒng)的情況下，可實(shí)現(xiàn)列車間隔控制。列車間隔控制本質(zhì)上是對(duì)本區(qū)段共享資源的劃分控制，使兩列或多列列車在時(shí)間和空間上不同時(shí)占用相同的區(qū)段?；诹熊囍g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(duì)于有道岔的進(jìn)路，需要進(jìn)行道岔進(jìn)路控制。列車控制系統(tǒng)對(duì)共享資源——道岔進(jìn)行控制，使兩列或多列列車不同時(shí)占用。對(duì)于車載系統(tǒng)而言，所有的道岔都是獨(dú)立操作的。通過與軌旁設(shè)備的通信，列車可自主動(dòng)控制道岔位置和行進(jìn)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(duì)控制。車虛擬編隊(duì)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(duì)運(yùn)行。自主控制系統(tǒng)通過識(shí)別虛擬連接列車的完整性防止編隊(duì)內(nèi)列車碰撞，編組列車像一列列車一樣運(yùn)行，如圖4所示。虛擬編隊(duì)的列車控制系統(tǒng)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(dòng)權(quán)限管理，編隊(duì)內(nèi)虛擬連接管理，整體虛擬編隊(duì)管理，列車安全防護(hù)和列車制動(dòng)控制管理。

3) 基于T2X的環(huán)境感知和決策/控制。在發(fā)生故障和延誤的情況下，自主控制系統(tǒng)的列車根據(jù)自身和周圍列車狀態(tài)，評(píng)估與原列車計(jì)劃時(shí)刻的差異：當(dāng)差異在系統(tǒng)閾值范圍內(nèi)，則列車基于智能化策略按照原列車的子時(shí)刻表進(jìn)行并通知ATS系統(tǒng)，在得到ATS系統(tǒng)授權(quán)后可調(diào)整自己的速度、路線和時(shí)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(yùn)營(yíng)效率。

2 以列車為中心的自動(dòng)控制系統(tǒng)功能

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)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(dòng)授權(quán)、列車狀態(tài)監(jiān)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(tǒng)需自主確定列車位置，將確定的列車位置報(bào)告給ATS系統(tǒng)和其他列車。列車定位包括：

1) 列車位置的計(jì)算：列車控制系統(tǒng)通過車輪的轉(zhuǎn)數(shù)來計(jì)算列車的位置，進(jìn)而計(jì)算出行駛的距離。

2) 列車位置修正：列車控制系統(tǒng)利用地面標(biāo)尺修正列車?yán)塾?jì)誤差。

3) 列車位置補(bǔ)償：列車控制系統(tǒng)在行駛過程中實(shí)時(shí)計(jì)算累積誤差，并反映在列車長(zhǎng)度中。

2.2 信息共享

信息共享功能包括：在路線上運(yùn)行的列車共享位置等的列車狀態(tài)信息；列車與ATS系統(tǒng)均可控制軌旁的共享資源并進(jìn)行監(jiān)控；軌道的共享資源狀態(tài)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(tǒng)的資源包括軌道區(qū)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(duì)資源進(jìn)行預(yù)留、釋放和控制操作。能夠占用和控制資源的對(duì)象包括ATS和列車。ATS有權(quán)控制和恢復(fù)列車占用的共享資源。但是，列車控制系統(tǒng)只有在安全釋放共享資源狀態(tài)時(shí)，才可將其共享資源轉(zhuǎn)移給ATS。列車控制系統(tǒng)只有在安全占用資源后才可進(jìn)行控制。在臨時(shí)限速的特殊情況下，列車控制系統(tǒng)可立即對(duì)共享資源進(jìn)行控制。一個(gè)軌道區(qū)段中可建立多個(gè)臨時(shí)限速。

表1 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)控制的資源

在RM資源管理規(guī)則中，資源不能同時(shí)占用，因此設(shè)置成信號(hào)量進(jìn)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(tài)和常態(tài)，如區(qū)段是否占用、道岔是否故障、PSD是否故障等；②RM拒絕對(duì)占用資源的請(qǐng)求；③RM同意對(duì)未占用資源的請(qǐng)求；④當(dāng)資源請(qǐng)求同時(shí)到來時(shí)，RM將RA(資源權(quán)限)授予一個(gè)請(qǐng)求，RM不決定資源請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)；⑤RM根據(jù)資源的請(qǐng)求授予，同時(shí)鎖定資源；⑥RM僅在資源所有者的請(qǐng)求下才解鎖資源；⑦RM收到資源擁有者的資源控制命令，對(duì)資源進(jìn)行控制；⑧RM記錄資源所有者。

列車請(qǐng)求共享資源示意圖見圖5。自主控制系統(tǒng)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(tài)和限制情況，并向RM請(qǐng)求列車前進(jìn)區(qū)域內(nèi)的可用資源；RM響應(yīng)請(qǐng)求，通過RM鎖閉未占用的資源；列車再根據(jù)通過RM的資源狀態(tài)和與前車的位置，來確定自己的移動(dòng)權(quán)限。如列車所需的資源已經(jīng)被另一列車占用，則列車可通過與另一列車直接協(xié)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(qǐng)求后，對(duì)占用資源進(jìn)行解鎖；資源通過RM釋放，但解鎖的責(zé)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(tǒng)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(tǒng)根據(jù)前車報(bào)告的列車位置生成本車的移動(dòng)授權(quán)，同時(shí)，列車控制系統(tǒng)補(bǔ)償和更正本車的位置誤差。

2) 基于前車速度。列車控制系統(tǒng)根據(jù)前車當(dāng)前的速度進(jìn)行間隔控制。以列車為中心的自主控制系統(tǒng)中，列車的制動(dòng)距離為列車在移動(dòng)授權(quán)范圍內(nèi)，以當(dāng)前速度制動(dòng)時(shí)，其不與前車發(fā)生碰撞的距離。列車的制動(dòng)距離是基于前車的最佳制動(dòng)距離計(jì)算得出的，新的移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算還應(yīng)考慮前車速度、位置誤差等因素。此外，還需實(shí)時(shí)對(duì)本車的速度誤差進(jìn)行修正和補(bǔ)償。

3) 基于前車的加速度進(jìn)行虛擬編隊(duì)。列車基于前車的加速度信息進(jìn)行虛擬編隊(duì)的列車間隔控制；與前車進(jìn)行虛擬編隊(duì)時(shí)，后車切換到被動(dòng)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(duì)成功后，編隊(duì)中的引導(dǎo)列車計(jì)算的編隊(duì)列車長(zhǎng)度包括尾隨的所有列車長(zhǎng)度，列車需對(duì)本車的加速度誤差進(jìn)行修正和補(bǔ)償。

傳統(tǒng)列車編隊(duì)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(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)列車整體運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生不利影響。虛擬編隊(duì)技術(shù)為提高運(yùn)營(yíng)效率提供了基礎(chǔ)。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(duì)新增了3種場(chǎng)景：

1) 站內(nèi)虛擬解掛。虛擬編隊(duì)列車運(yùn)行至站臺(tái)后，頭車完成與后車的虛擬解掛繼續(xù)前進(jìn)，后車停留在站臺(tái)。這種方式減少了物理解掛所需消耗，如時(shí)間、人力等因素。

2) 站內(nèi)虛擬連掛。站臺(tái)停留一列列車，后續(xù)進(jìn)站列車緩慢靠近站臺(tái)，基于虛擬連掛技術(shù)，突破站外信號(hào)防護(hù)，實(shí)現(xiàn)與站內(nèi)列車虛擬連掛后組成虛擬編隊(duì)。

3) 站臺(tái)虛擬解編和連掛。虛擬編隊(duì)低速進(jìn)站，在站前的道岔前解編，駛?cè)氩煌恼九_(tái)；兩列列車出發(fā)后，再次通過車-車通信進(jìn)行編組，以作為一個(gè)虛擬編隊(duì)運(yùn)行。

這樣的場(chǎng)景可以在不改變站臺(tái)長(zhǎng)度的情況下，提高站臺(tái)利用率，增加運(yùn)輸量。

2.5 自主排路和移動(dòng)授權(quán)

列車的運(yùn)行路線由ATS提供。當(dāng)列車被分配一個(gè)列車編號(hào)時(shí)，會(huì)收到完整的時(shí)刻表和與該列車編號(hào)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行路徑信息，其信息包括列車到達(dá)目的地所需的共享資源(區(qū)段、道岔和控制方向、PSD和狀態(tài)等)。

ATS下發(fā)給列車的運(yùn)行路線不能與其他列車的運(yùn)行路徑?jīng)_突；當(dāng)列車改變路線時(shí)，能自主搜索到目的地的最佳路線。運(yùn)行路線指定列車移動(dòng)權(quán)限需要的資源，但并不執(zhí)行對(duì)資源的獲取和控制。運(yùn)行路線是為了防止列車的移動(dòng)權(quán)限在獲取資源的過程中出現(xiàn)死鎖，并不判斷該資源是否實(shí)際被其他列車占用。列車控制系統(tǒng)依據(jù)下發(fā)的運(yùn)行路線自主計(jì)算列車的移動(dòng)授權(quán)。

列車控制系統(tǒng)完成移動(dòng)權(quán)限所需資源(區(qū)段、道岔、PSD)的獲取和控制。當(dāng)運(yùn)行路線發(fā)生變化時(shí)，列車向RM請(qǐng)求獲取最新運(yùn)動(dòng)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(shí)，可直接與占用資源的列車協(xié)商獲取資源。

2.6 列車狀態(tài)監(jiān)控

列車運(yùn)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(nèi)緊急情況通常分為列車故障和列車事故2個(gè)部分。

在列車發(fā)生故障的情況下，列車將以降級(jí)模式減速運(yùn)行或停止運(yùn)行。在必須停止操作的情況下，嘗試進(jìn)入最近的站臺(tái)讓乘客下車。列車故障因素包括：車廂故障、列車低速運(yùn)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(tái)并打開車門)及必要時(shí)的緊停條件(列車無線通信設(shè)備故障等)。在識(shí)別列車故障后，其采取的措施包括列車臨時(shí)限速、列車運(yùn)行路線修改、列車緊急制動(dòng)等。

當(dāng)列車發(fā)生火災(zāi)事故時(shí)，根據(jù)火災(zāi)的嚴(yán)重程度，列車直接停在軌道上或進(jìn)入最近的站臺(tái)讓乘客下車。如果車內(nèi)發(fā)生緊急的事故，列車會(huì)通知ATS控制列車并停在最近的站臺(tái)。

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(tái)起火等。

當(dāng)發(fā)現(xiàn)區(qū)域有人或障礙物出現(xiàn)在軌道上時(shí)，則封鎖該區(qū)間禁止列車進(jìn)入。如果有軌道缺陷、道岔故障、隧道或站臺(tái)發(fā)生火災(zāi)，則必須封鎖進(jìn)入該區(qū)域的通道。如果站臺(tái)火勢(shì)較小，可考慮不停車通過。

RM實(shí)時(shí)監(jiān)控軌旁設(shè)備狀態(tài)。列車控制系統(tǒng)通過RM獲得軌旁狀態(tài)，根據(jù)軌旁狀態(tài)判斷檢測(cè)區(qū)間是否需要設(shè)置為臨時(shí)限速或禁止進(jìn)入的保護(hù)區(qū)間。如果需要，列車控制系統(tǒng)可通過RM將區(qū)段設(shè)置為臨時(shí)限速區(qū)段或保護(hù)區(qū)段。

2.6.3 其他災(zāi)害情況

其他災(zāi)害情況包括暴雨、大雪、臺(tái)風(fēng)等，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)需采用相應(yīng)的應(yīng)急方案。暴雨、大雪和臺(tái)風(fēng)不僅發(fā)生在特定軌道區(qū)域，還會(huì)影響整條線路，因此路線上的所有列車在必要時(shí)全部減速或停車。軌旁的監(jiān)控設(shè)備向RM實(shí)時(shí)提供監(jiān)測(cè)到的異常情況，列車控制系統(tǒng)通過RM接收檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果，判斷是否設(shè)置為保護(hù)區(qū)段或臨時(shí)限速區(qū)段。

2.7 列車速度控制

軌道的永久限速和由ATS系統(tǒng)下發(fā)的臨時(shí)限速信息，是列車的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算的重要參數(shù)，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(dòng)信息。

3 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景

以列車為中心的自動(dòng)控制系統(tǒng)具有3種工作場(chǎng)景：①正常運(yùn)行場(chǎng)景；②性能下降運(yùn)行場(chǎng)景；③應(yīng)急運(yùn)行場(chǎng)景。

3.1 正常運(yùn)行場(chǎng)景

在正常運(yùn)行模式下，根據(jù)列車時(shí)刻表到達(dá)、停車和離開站臺(tái)。

運(yùn)營(yíng)開始前，列車在車輛段進(jìn)行準(zhǔn)備工作，運(yùn)營(yíng)結(jié)束后進(jìn)行清理工作。運(yùn)行期間在車輛段進(jìn)行檢查，維修人員對(duì)列車進(jìn)行檢查。

正常運(yùn)行場(chǎng)景包括：① 開始運(yùn)營(yíng)——從系統(tǒng)啟動(dòng)到開始運(yùn)營(yíng)的所有任務(wù)；② 運(yùn)營(yíng)結(jié)束——從運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)結(jié)束到系統(tǒng)關(guān)閉；③ 正常情況——按計(jì)劃在正線正常運(yùn)行；④ 特殊情況——超出正常的情況，如輕微延誤、臨時(shí)限速等情況。

3.2 降級(jí)運(yùn)行場(chǎng)景

降級(jí)的運(yùn)行場(chǎng)景與操作優(yōu)化、系統(tǒng)故障管理和維護(hù)等活動(dòng)相關(guān)。在此模式下，列車不遵循ATS的列車時(shí)間表。降級(jí)運(yùn)行場(chǎng)景通常是由于系統(tǒng)故障引起。此時(shí)，列車按照自己的子時(shí)刻表自行運(yùn)行，但需在ATS的監(jiān)督和控制下運(yùn)行。列車子時(shí)刻表基于各種策略，應(yīng)盡量減少因列車故障和地面設(shè)施故障造成的停運(yùn)時(shí)間。

3.3 應(yīng)急運(yùn)行場(chǎng)景

在火災(zāi)、停電等緊急事故的應(yīng)急運(yùn)行場(chǎng)景下，列車選擇相應(yīng)的運(yùn)行策略。

一般情況下，處于緊急狀態(tài)的列車無法自動(dòng)運(yùn)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(guān)區(qū)間與運(yùn)行區(qū)間分開，禁止列車進(jìn)入拖曳作業(yè)區(qū)間，將故障列車先牽引至疏散線，在運(yùn)營(yíng)結(jié)束后移至停車場(chǎng)。

4 結(jié)語

通過與CBTC系統(tǒng)相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)具有如下3個(gè)特點(diǎn)：

1) 通過列車間通信的直接控制，可提高運(yùn)能，減少軌旁設(shè)施。

2) 通過虛擬連接控制使運(yùn)能最大化，并改善乘客和運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。

3) 根據(jù)列車事故和故障、運(yùn)行前方的軌道事故和故障以及災(zāi)害信息，通過態(tài)勢(shì)感知、判斷和識(shí)別周圍情況，自主確定運(yùn)行策略和動(dòng)態(tài)調(diào)度，能提高列車運(yùn)行的安全性和運(yùn)行效率。

以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的系統(tǒng)功能和場(chǎng)景分析為系統(tǒng)的應(yīng)用和工程化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，運(yùn)行場(chǎng)景將隨著系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)過程中也不斷豐富和完善，進(jìn)而科學(xué)合理規(guī)范列車運(yùn)行過程，更好地服務(wù)乘客。