肖李蔚寧，柏 赟，付昌友，沈曉鵬，楊麗娟

(1.北京交通大學(xué)綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室,北京 100044; 2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

近年來,歐洲“Shift2Rail(構(gòu)建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃)”項目將虛擬編組技術(shù)(Virtual Coupling Technology)作為歐洲客運鐵路的未來發(fā)展方向之一[1]。其思想起源于道路交通中的車輛追蹤,當后行車輛追蹤前方車輛運行時,后車駕駛員可以根據(jù)前車的剎車燈提示做出制動操作,此時前后車輛間處于一種相對制動模式,車輛間隔距離極小[2]。虛擬編組場景下,處于同一虛擬耦合編隊中的各相鄰列車將基于車車通信建立邏輯連接,相互傳遞各自的速度、位置等信息,保持同步的加速減速。這項技術(shù)與傳統(tǒng)的列車控制方式相比,突破了閉塞制式的限制,可以極大地縮短列車間的追蹤間隔,提高線路運輸能力,并且車底運用更加靈活,對客流的適應(yīng)性更強[3]。

現(xiàn)階段對于虛擬編組技術(shù)的研究尚處于初步探索階段[4]。GOIKOETXEA[5]提出基于無線通信的虛擬編組技術(shù)可使多列車間建立邏輯聯(lián)系,到達類似物理車鉤連接的效果,從而解決因車輛型號不同列車間無法編組的問題,并對實現(xiàn)虛擬編組的關(guān)鍵技術(shù)難點進行論述。SCHUMANN[6]基于虛擬編組技術(shù)利用仿真工具DFSimu對東京—大阪區(qū)段進行模擬,結(jié)果顯示,區(qū)段輸送能力將從15000人次/h增加到23000人次/h。荀徑[7]構(gòu)建了面向虛擬編組技術(shù)的列車車站追蹤模型,并將該模型與傳統(tǒng)追蹤模式進行對比,結(jié)果表明,虛擬編組車站追蹤模型能夠有效提高車站的通過能力。WANG[8]對固定編組和虛擬編組下的列車運輸組織和技術(shù)特征進行分析,以城市軌道交通、市郊鐵路為研究對象,面向虛擬編組技術(shù)提出了一種平行運行圖的線路通過能力計算方法。白佳薇[9]提出了基于虛擬編組技術(shù)的快慢車運輸組織策略,并與站站停、傳統(tǒng)快慢車模式下的列車開行方案進行對比,驗證了虛擬編組的技術(shù)優(yōu)勢。

本文首先對虛擬編組相關(guān)概念進行總結(jié),對比該技術(shù)與傳統(tǒng)列控和編組方式的不同。其次,基于虛擬編組場景下列車耦合和解耦過程,設(shè)計了一種虛擬編組列車運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案。最后,通過仿真驗證了虛擬編組技術(shù)相對傳統(tǒng)閉塞方式可顯著縮短列車間隔,提升線路能力。

1 虛擬編組技術(shù)介紹

1.1 虛擬編組的基本概念

虛擬編組是通過協(xié)同控制使多個列車形成一個協(xié)同邏輯整體,并以編隊方式在軌道上追蹤運行的列控技術(shù)[10]。處于虛擬編組控車下的列車編隊,稱為虛擬耦合編隊。同一虛擬耦合編隊中由多個單元列車組成。其中,頭車對編隊進行管理,發(fā)送控車指令給編隊內(nèi)其他后行列車,將編隊中的頭車定義為領(lǐng)航列車,一般情況下同一虛擬耦合編隊僅包含一個領(lǐng)航列車;編隊內(nèi)除領(lǐng)航列車外的其他后行列車定義為跟隨列車,跟隨列車收到領(lǐng)航列車的控車命令,按控車命令進行控車,跟隨領(lǐng)航列車運行[11],如圖1所示。

圖1 虛擬編組列車運行示意

1.2 虛擬編組技術(shù)與傳統(tǒng)行車組織方式的區(qū)別

虛擬編組需要建立在高級別的自動駕駛技術(shù)之上[12],列車間基于車車通信,使后車以高精度的測速定位手段獲取前車的運行狀態(tài)[13],從而控制后車運行實現(xiàn)更加靈活高效的列車耦合和解耦。本節(jié)將從列車控制和編組計劃兩個層面,對比虛擬編組技術(shù)與傳統(tǒng)方式的不同。

(1)列車運行控制方面

不同閉塞制式下的列車追蹤間隔,如圖2所示。固定閉塞制式下,后車移動授權(quán)(MA)終點為前車所占閉塞分區(qū)的起點,這使得列車間追蹤間隔較大,影響了線路的運輸效率;移動閉塞制式下,通過車地間的不間斷通信,控制中心根據(jù)列車實際的速度和位置、線路狀態(tài)等信息進行安全制動計算,并發(fā)送MA至車載設(shè)備。車載設(shè)備進行實時監(jiān)督,當列車運行速度超過緊急制動觸發(fā)速度時立即采取緊急制動,從而保證列車在MA范圍內(nèi)安全停車[14]。此時MA終點在最不利的情況下不能越過前車尾部,這是一種絕對制動,列車B的目標速度vB=0;與只考慮前行列車的位置,不考慮其速度信息的絕對制動模式不同。虛擬編組場景下,相鄰列車間基于車車通信可以不斷交換各自的速度、位置、線路狀況等信息。這使后車能夠以相對制動的控車策略和前車保持在一定距離范圍內(nèi)協(xié)同運行,列車間隔不再是基于前車靜止而是基于兩車相對速度和位置,此時列車B目標速度vB=vA。顯然虛擬編組下列車間的追蹤間隔可以得到明顯減小[15]。

圖2 三種列車控制方式追蹤間隔對比

(2)列車編組計劃方面

從列車編組方案角度來看,虛擬編組可以實現(xiàn)靈活高效的列車耦合和解耦,其作為一種前沿的列車動態(tài)編組技術(shù),將對未來地鐵列車運行計劃編制產(chǎn)生深遠影響。

傳統(tǒng)的列車編組方案包括多編組和可變編組,如圖3所示。多編組是指針對線路在不同時段具有的不同客流特征,按照大編組、小編組或是大小編組混跑方式組織運營的一種列車開行方案?？勺兙幗M可實現(xiàn)列車運營途中調(diào)整編組,使行車密度視客流量需求變化。雖然可變編組技術(shù)靈活,但列車仍需通過物理連接來實現(xiàn),這種技術(shù)的缺點是作業(yè)時間較長,且對車站條件、設(shè)備要求較高[16]。虛擬耦合編隊中各單元列車間通過虛擬車鉤的方式連接,又稱邏輯連接。在列車編隊運行過程中,根據(jù)線路在不同時段、不同區(qū)段的客流差異,靈活地改變編隊中列車數(shù)量,更好地匹配不同區(qū)段、不同時間的客流需求,表1為不同列車編組方案組織特點和適用范圍[17]。

表1 不同列車編組方案的組織特點和適用范圍

圖3 不同列車編組方案概況

2 列車耦合和解耦過程分析

列車耦合和解耦是實現(xiàn)虛擬編組的關(guān)鍵技術(shù)問題,以兩列車的區(qū)間耦合和解耦為研究對象,展開描述列車耦合和解耦過程。為方便表述,將領(lǐng)航列車簡稱為“前車”,跟隨列車簡稱為“后車”。

2.1 列車耦合過程

滿足虛擬編組功能的CBTC系統(tǒng)中,列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(ATS)負責(zé)監(jiān)督管理列車耦合功能,具體功能包括列車耦合計劃的制定、虛擬耦合編隊的管理、耦合區(qū)域的選擇,實現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 列車耦合過程

Step1:ATS設(shè)備向區(qū)域控制器(ZC)發(fā)送列車耦合計劃,具體包括耦合區(qū)域的起止點、待耦合列車的前后關(guān)系、列車ID等信息。ZC為前車計算移動授權(quán)(MA),并發(fā)送預(yù)告信號給前車的ATP車載設(shè)備,當車載設(shè)備給出確認回應(yīng),ZC再將耦合計劃信息發(fā)送到車載設(shè)備。

Step2:當收到耦合信息時,前車車載ATP持續(xù)監(jiān)測耦合編隊的完整性,確定是否完成列車耦合,編隊完整性檢查基于車車通信實現(xiàn)。若完成耦合,后車將發(fā)送耦合完成的標志信息。

Step3:當后車接近前車時,ZC給后車發(fā)送耦合區(qū)域的起止點、前車ID等信息,后車車載ATP也時刻檢查與前車是否完成列車耦合。

Step4:后車通過車車通信向前車注冊信息,前車收到信息后返回注冊請求,之后兩列車向ZC返回注冊成功結(jié)果。完成注冊后,列車的車車通信設(shè)備完成連接。至此,兩列車可將各自的速度、位置和速度曲線數(shù)據(jù)通過車車通信發(fā)送給對方。

Step5:在車車通信建立完成后,ZC將不再為后車提供移動授權(quán)。后車的車載虛擬編組控制模塊根據(jù)前車數(shù)據(jù)和線路數(shù)據(jù)為本車計算控制策略,控制列車完成耦合任務(wù)。

Step6:當前車運行到耦合區(qū)域終點時,后車檢查其與前車的速度差和間隔,只有列車速度差、追蹤間隔在規(guī)定閾值范圍時才認定為完成耦合。

綜上可以發(fā)現(xiàn),列車耦合的關(guān)鍵在于車車通信建立后,后車對于前車的追蹤。由于在列車耦合過程中前車按照既定的行車曲線運行,因此列車耦合本質(zhì)上為一個已知前車速度曲線的列車追蹤問題。從運營的角度來看,由于區(qū)間距離和最高限速的約束,耦合過程中后車的運行速度不能超過區(qū)間限速,且理論上耦合所需的最小區(qū)間距離不能超過區(qū)間的站間距。理想情況下,推薦后車采用“最大牽引-巡航-最大制動”節(jié)時操縱策略進行追蹤耦合。

2.2 列車解耦過程

列車完成耦合后處于虛擬耦合編隊狀態(tài),列車共享同一段運行區(qū)間協(xié)同運行。當耦合編隊接近收到解耦指令時需進行列車解耦作業(yè)。列車解耦的具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 列車解耦過程

Step1:當前車的移動授權(quán)與解耦區(qū)域重疊時,ZC發(fā)送預(yù)告信息給前車車載設(shè)備,前車回應(yīng)后,ZC會將解耦信息再次發(fā)送至車載設(shè)備。

Step2:ZC提供移動授權(quán)和既定的速度曲線信息給前車車載ATP,前車在解耦區(qū)域內(nèi)按照曲線行車,后車的虛擬編組控制模塊生成速度曲線,保證后車運行速度小于前車。

Step3:前后列車根據(jù)各自的速度運行曲線運行,運行過程中后車車載ATP實時監(jiān)控兩車相對速度和追蹤間距。

Step4:當前車將要駛出解耦區(qū)域時,檢查前后列車是否滿足斷開通信的條件。若滿足,前車注銷后車的信息,車車通信鏈接斷開,ZC給后車更新MA。若不滿足,則前車向ZC申請延長解耦區(qū)域,繼續(xù)執(zhí)行解耦。

Step5:當前車駛出解耦區(qū)域時,后車向ZC報告解耦完成,完成解耦過程。

列車的解耦是耦合的逆過程,與列車耦合類似,前車在既定的速度曲線下行車,后車通過車載控制模塊,根據(jù)前車速度及位置等信息生成行車曲線,不斷增加與前車的追蹤間隔,直至滿足解耦條件。從運營的角度來看,后車在解耦過程中需降速,這會導(dǎo)致一定的運輸能力損失,因此,為保障線路行車效率,后車在解耦過程中,可采用“最大制動-巡航-最大牽引”節(jié)時操縱策略運行。

3 虛擬編組列車運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案

虛擬編組場景下列車的耦合和解耦需要經(jīng)歷不同運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,參考相關(guān)研究[18-22],設(shè)計了一種虛擬編組列車運行方案框架,將虛擬編組下的列車運行狀態(tài)分為五類:移動閉塞運行狀態(tài)、列車耦合狀態(tài)、虛擬耦合編隊狀態(tài)、意外解耦狀態(tài)、列車計劃解耦狀態(tài),如圖6所示。

圖6 虛擬編組場景下列車運行狀態(tài)

狀態(tài)1:初始狀態(tài)列車在移動閉塞下運行,列車間的追蹤間隔需滿足絕對制動距離Lm。其中,EoA為移動授權(quán)的終點,Sm為安全防護距離,其長度是EoA至列車尾的距離。

狀態(tài)2:當前后列車需要進行耦合時,后車將從移動閉塞狀態(tài)過渡到列車耦合運行狀態(tài)。列車耦合狀態(tài)下后車需要追蹤前車與其協(xié)調(diào)速度接近vA(|vB-vA|≤thv),thv為速度閾值。追蹤過程中前車通過的距離稱為協(xié)調(diào)距離Lc,完成虛擬編隊所經(jīng)歷的時間稱為協(xié)調(diào)時間tcoord(Lc=tcoord·vA)。根據(jù)前后列車的速度關(guān)系列車耦合可分為兩種情況,vBvA。

(1)當vB

(2)當vB>vA時,后車需減速至與前車相同速度,并調(diào)整兩列車間距以滿足虛擬編隊目標距離。

狀態(tài)3:前后列車耦合完成后,此時兩列車進入虛擬耦合編隊狀態(tài),兩列車將以相同的速度加速、減速和制動,耦合編隊中列車追蹤過程如圖7所示。

圖7 虛擬耦合編隊列車安全追蹤示意

處于虛擬耦合編隊中列車的速度vk、位置sk可表示為

(2)

式中,vk-1、sk-1、ak-1分別為列車前一步長的速度、位置和加速度;Δt為單步長時間長度。其中,后車前一步長的加速度取值與前車加速度相關(guān),表示為式中,T(vk-1)為后車牽引力取值;M為列車質(zhì)量;ρ為轉(zhuǎn)動慣量;bmax為列車最大制動率;R為運行阻力,與坡度φ和曲線半徑r相關(guān)。

(3)

狀態(tài)4:虛擬耦合編隊運行狀態(tài)下,后車以前車速度曲線作為參考行車,但是由于外界干擾的存在(如坡度變化),列車實際運行曲線可能與參考曲線產(chǎn)生偏差,列車間距會逐漸拉大或縮小。當間距超過閾值ths時,列車進入意外解耦狀態(tài),此時列車需要向ZC請求,重新進入狀態(tài)2開始列車耦合。此外,在耦合編隊運行過程中也可能出現(xiàn)因車車通信中斷導(dǎo)致的不可控狀態(tài)場景。該場景下,后車無法獲取準確的列車間隔,從而不能計算控制策略。前車應(yīng)立即向ZC報告本車運行狀態(tài),ZC命令后車切換至狀態(tài)1,并且嘗試重新連接。若重新連接成功,后車立即切換至狀態(tài)2。若重連失敗,則立即緊急制動,等待ZC指示。車車通信中斷場景下,如何保證列車安全運行也是虛擬編組技術(shù)研究的重點問題,未來可作為進一步深化研究的方向。

狀態(tài)5:當耦合編隊收到解耦指令時,后車需要減速增距與前車解除耦合狀態(tài),解耦后的列車將繼續(xù)在移動閉塞下運行。為提高行車效率后車可采用“最大制動-巡航-最大牽引”的操縱策略增加與前車的間隔距離,直至滿足移動閉塞下的行車間隔要求。

虛擬編組場景下,各階段列車的運行狀態(tài)可以通過牛頓運動公式與時間步長積分獲取。當列車處于移動閉塞運行狀態(tài)、列車耦合狀態(tài)、意外解耦狀態(tài)、列車計劃解耦狀態(tài)時,當前列車的速度vk、位置sk可表示為

(4)

F(vk-1)與列車運行工況有關(guān),可表示為

(5)

4 實驗分析

仿真參數(shù)設(shè)置如下:前后列車最大加減速度均為1 m/s2;通信延遲時間tdelay=0.2 s;安全防護距離Sm=10 m。在不考慮坡道坡度、區(qū)間限速以及意外解耦的理想運行條件下進行仿真實驗,對比不同追蹤模式下列車運行速度對安全間隔的影響,如圖8所示。相同運行速度時,虛擬耦合編隊中列車的最小安全間隔遠小于移動閉塞模式,且隨著列車運行速度增加,二者之差會越來越大。當列車運行速度在60 km/h時,耦合編隊中列車安全間隔相比傳統(tǒng)方式下,縮短了71.7%;當列車運行速度在160 km/h時,安全間隔縮短了86.1%,這也說明虛擬編組技術(shù)更加適用列車高速運行場景。

圖8 不同追蹤模式下運行速度對列車安全間隔的影響

選取0.6～1.4 m/s2作為前后列車制動率取值范圍,獲取不同列車制動率組合下的耦合編隊列車最小安全間隔,如圖9所示。

圖9 不同制動率組合下耦合編隊列車最小安全間隔

固定耦合編隊運行速度下,編隊中后車相對前車制動率越高,列車最小安全間隔越小。相應(yīng)地,后車相對前車制動率越小,列車最小安全間隔距離越大。以耦合編隊運行速度120 km/h為例,當后車制動率≮1 m/s2,前車制動率≯0.8 m/s2時,編隊最小安全間隔理論上可取到安全防護距離,在本研究中為10 m。

此外,在固定的耦合編隊運行速度下,前車與后車制動性能相同時,編隊中列車最小安全間隔近似恒定。以編隊運行速度80 km/h為例,相鄰列車無制動性能差異時,最小安全距離為50 m左右,如表2所示。

表2 80 km/h速度下不同列車制動率組合的耦合編隊最小安全間隔 m

如若在列車型號相近的城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi),列車間基本沒有制動性能差異,因此,恒定耦合編隊運行速度下存在著唯一對應(yīng)的編隊列車最小間隔。

5 結(jié)語

虛擬編組技術(shù)基于車車通信協(xié)調(diào)列車運行的各個階段,能夠有效縮短列車間隔,提升線路能力,實現(xiàn)“空間維度安全、時間維度更近”的高效運營,當前國內(nèi)外關(guān)于虛擬編組技術(shù)的研究尚處于起步階段。本文總結(jié)了虛擬編組相對傳統(tǒng)列控和編組技術(shù)的優(yōu)勢所在,并基于列車耦合和解耦過程,構(gòu)建了一套虛擬編組列車運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換方案,對不同列車運行狀態(tài)進行解析,并通過仿真進一步驗證了虛擬編組技術(shù)相對傳統(tǒng)追蹤方式的技術(shù)優(yōu)勢。