基于虚拟编组的信号技术研究

时间：2024-07-28

杜建新，陈丽君，丁建莉，刘禹彤

0 引言

列车虚拟编组的概念最早在欧洲被提出和研究。2019年，CAF公司、庞巴迪公司、西门子公司在Shift2Rail项目中通过合作的方式，首次在有轨电车上测试和验证了虚拟联挂方案[1]。近些年虚拟编组逐渐成为国内行车控制领域的研究热点之一，笔者认为其被讨论研究主要有两点原因：一方面道路交通的驾驶体验和汽车无人驾驶技术的进步使虚拟编组的概念在感性上容易被接受；另一方面其技术愿景可以显著缩短行车追踪间隔并带来行车效率的提升。

在此背景下，本文从信号专业的角度研究虚拟编组的技术特点，分析当前信号控制特点与虚拟编组的关系，列举技术应用时可能的风险与挑战，并进行总结与展望。

1 虚拟编组技术特点

虚拟编组技术主要应用于前后列车追踪、协同运行的场景中，借助先进的无线通信、传感和控制等技术，基于车与车通信从相邻列车获得列车位置、速度、加速度等关键信息，协同控制相邻列车间的运行速度和间隔距离，形成稳定车队整体在统一的授权防护下运行，共同完成列车控制与调度组织。列车编组运行时的核心功能原理归纳为以下几点：

（1）车队中的车载OBC（车载控制器）设备之间通过交互共享轨道资源；直至车队通过并不再使用轨道资源后，轨道资源才被释放给其他所需列车/车队。

（2）轨旁OC（地面目标控制器）为车队预留道岔、站台门等轨旁设备的控制权并提供实时状态。

（3）车队中的前后列车形成虚拟编组，列车之间未通过物理车钩进行电气连接，但前后两列车通过速度、距离控制，对牵引制动的控制形成协作平衡的动态追踪关系。

（4）符合“软撞墙”安全制动模型原则下，车载OBC结合前车速度、距离及制动性能关系，为当前列车计算移动授权并控制牵引制动。通过行车资源的共享，虚拟编组的前后列车移动授权是可以重叠的。

2 虚拟编组技术实现探究

从上述虚拟编组技术的内涵分析，该相关信号控制技术实际并未脱离信号控制防护的基本原理，而是在现有技术上进行了优化调整。结合虚拟编组的技术实现进行分解，该技术的优化调整内涵主要体现在更进一步的间隔防护、行车协同控制、统一地面防护、编队调度组织4个方面。

2.1 间隔防护

信号系统发展过程经历了电话闭塞、固定闭塞、准移动闭塞及移动闭塞[2]等不同发展时期和阶段，其基本原理均是结合时间、空间特性保护轨道上的列车以避免冲撞风险。

一般说来，既有信号系统均采用绝对制动距离（ABD）[3]原则进行安全防护，而虚拟编组的两车之间采用“软撞墙”（或称为相对制动距离RBD）的安全制动模型。ABD原则认为前车车尾是零速限制点，即需要后车根据自身的紧急制动保障率减速停车后可确保不会越过该点；而RBD原则认为，如果前车处于运动状态时不会立即变为静止，因此可以对前车按照其最大制动减速度估算运行轨迹，对后车按照自身的紧急制动保障率估算轨迹，两条轨迹在同一时间点不相交即不会发生碰撞，从而保证安全。因此只要前车处于运动状态并采用相对制动距离原则后，后车允许移动的范围更远（越过前车的静态位置包络），列车之间将比绝对制动距离原则追踪得更紧密。

ABD原则下，同一时刻不同列车的动态包络不应重叠；RBD原则下突破了这一限制，但在当前及后续时刻不同列车的静态包络不会重叠，列车之间也就不会冲撞。相关追踪效果可参见图1，设后车采取紧急制动的最大制动距离为D后max，前车突然制动停车的最小制动距离为D前min，追踪距离为D。根据ABD原则，两车追踪时一般需满足：

图1 RBD追踪效果

RBD原则是虚拟编组行车间隔防护的核心，也是虚拟编组缩短行车间隔的基础，其功能实现依赖于通信技术、传感感知技术、“车-车通信”[4]等技术基础，特别是需要行车控制系统对测速测距、制动边界、安全场景进行精确计算和有效识别。

2.2 行车协同控制

不同于道路交通公共开放的道路环境，轨道交通具有线路相对固定、装备相对统一、信息交互更为充分的特点，在此条件下轨道交通应用协同控制的自动驾驶技术才能或更能体现虚拟编组技术的性能优点，同时考虑运营操作习惯等因素，轨道交通不宜在采用虚拟编组时使用人工驾驶。

基于RBD间隔防护原则，形成虚拟编组的列车之间存在实时的关键数据交换，包括上文提及的RBD间隔防护基础所述相关的列车位置、速度、紧急制动状态、紧急制动率边界等状态；为了在安全行车防护范围内使追踪时的运行表现更优，也包括精确速度、ATO级位、牵引制动控制等运行信息。在此数据交换的基础上，车队根据头车行车状态数据控制后车的运行，后车在RBD原则下自行计算运行包络线，结合运行图自主决定加入/脱离编队。

以传统信号系统ATO控制的思路来看，后车可以以RBD原则下的授权距离为参照，将速度贴近并控制在EB触发速度下。因为前车正在移动，后车的授权终点在下一周期也随之移动，后车的运行控制表现为将速度控制在前车移动幅度（也就是前车速度）的相对稳态。此外，该控制思路还应考虑前车加减速、安全工况变化带来的扰动，以及避免车队对扰动层层传递的放大。

另一种思路将虚拟编组后的车队作为一个整体控制：虽然车队中的不同个体具有各自独立的ATO控制系统，但以分布式的方式统筹计算、协商车队整体系统目标和个体的任务分配。车路协同、模型预测控制、多智能体系统任务规划[5]等控制算法在相关行业、相关技术已有大量应用和研究成果，不再赘述，轨道交通行业通过吸收转化可形成特有工程应用特点。

此外，虚拟编组列车之间虽然不设置传统意义的有线列车控制网络用于牵引制动分配，但因无线通信技术的发展，通过高速稳定的无线网传输也能构建出牵引制动底层协作的通信网络，相应的信号系统也需要结合底层控制特点进行适配性调整。

2.3 统一地面防护

行车过程中车地控制是同时存在的，统一的地面防护在虚拟编组系统运行同样必不可少。基于独立不重叠的动态包络，现有信号系统中同一时刻的某个地面元素实际只被一列车使用，如锁闭在行车方向的道岔；但在虚拟编组系统中，同一时刻某个地面元素需要能够被不同列车重叠的动态包络占有，即被车队共有。这种共享预留方式在“车-车通信”的分布式控制系统中已有体现[6]，如不同列车可同时分别向OC预留道岔，若命令不冲突，多个列车分别对道岔的锁闭结果可同时存在。也即若编组列车均以同方向通过该道岔，则中间过程道岔不解锁，此时道岔被车队或车队中的多个列车同时预留在同一位置。

以地面为主的CBTC控制系统中，相同路径的不同列车不能共用同一授权；“车-车通信”系统虽然以列车为主进行防护计算，但列车之间各自独立防护下确保安全行车间隔[7]，也不需要共用行车路权；虚拟编组系统中完全可以将编组的物理列车之间视为“车钩相连”，取决于列车之间的架构设计和数据流关系，同时需考虑行车组织是否将车队进行统筹设计后车队允许共用一个进路授权。

虚拟编组缩短了列车通过时的行车间隔，但在前车静止（如站停）时不体现RBD原则的优势，因此线路上需要有对应的站台或侧线设计和与之配合的地面防护，提供与通过间隔匹配的多车停站间隔。

RBD原则不能解决分歧道岔的共享问题，毕竟前车“软墙”越过了道岔而静态包络实际未通过道岔时，道岔位置不在后车所需通过路径上，后车的移动授权也无法越过道岔，也就是说一段可被运用虚拟编组的线路两端道岔处可能会成为提升行车效率的瓶颈。提供分析这一问题的两个思路：一是在列车接近道岔前降速，可以缩短两车分离聚合的间隔，并与追踪间隔匹配；二是研制与虚拟编组技术匹配的新型道岔，道岔具有类似挤岔通过特性，或具备利用编组的前后两车静态包络前后占用道岔的间隙确保道岔安全移动到位的新型特性。

2.4 编队调度组织

对比铁路系统广泛应用的实体编组技术[8]，虚拟编组系统在调度组织方面具有编组配置更为灵活的特点，这提高了运输组织的自由度，也提高了线路的运输及通过能力[5]。例如，一个长编组列车才能完成的任务，在虚拟编组系统中可以由一个虚拟车队完成，系统可呈现为统一编号、统一控制操作的整体，方便行车组织和调度操作；又如，线网运行业务繁忙的干线上，调度通过设置一段线路的间隔方式，允许不同列车以虚拟编组和不同车次的方式提高该段线路的运行效率，系统相应地生成与之匹配的行车计划；再如，遇到突发客流、临时任务时，调度员可以安排列车加入到现有列车之间，形成虚拟编组关系行车。在分歧处，除需要道岔的安全控制，虚拟编组的车队也在此处根据计划解编为多个车队/列车个体。

因为虚拟编组缩短了行车间隔，一些原本受限的运行组织方式可能更易被实现，如小车快跑、网络化运营[9]、定制化运营等行车组织方式，此时需要相应的ATS、ATO等信号子系统功能与之匹配。

在城市轨道交通一些客流时空分布不均的具体应用场景，虚拟编组技术可根据客流情况在线动态调整列车编组，相较实体编组更为高效和经济，可实现车辆等资源的高效利用和客流-车流的精确匹配，实现城市轨道交通节能降碳增效。

3 安全风险与挑战

对比采用绝对制动距离原则进行防护的传统信号防护，应用虚拟编组技术时系统边界条件的限制更多，结合当下应用场景对虚拟编组技术的实现提出以下几点思考：

（1）采用相对制动距离RBD原则后，前后车间隔更小，对于异常情况的处理需要谨慎分析。例如雨雪天气引起后车打滑，列车将很难维持足够的减速能力，虚拟编组的追尾风险概率将增大。此外，按照相对制动距离原则，常规工况下前车不会超过设计的最大减速度，若前车发生碰撞、脱轨等危害极大的事故时（小概率但可能发生），前车减速度可能会超过设计范畴，后车可能会因为没有足够制动距离而产生冲撞，加重损失。

（2）若为防护站台的静止列车设计了虚拟编组的两车之间存在吸能装置（如自动车钩），还需考虑可能撞击下发生列车位移对乘客乘降带来的次生风险。

（3）虚拟编组列车在道岔处分离聚合时，若将道岔危险区域也进行“软撞墙”防护，则对道岔设计提出更高的要求。

（4）虚拟编组在联挂、摘解[3]过程中全部由系统控制实现，过程中的控制安全需进行额外的安全防护设计。

（5）根据虚拟编组列控系统的实现架构，安全设计时需考虑各子系统之间信息传输延迟、错误指令、设备故障或性能降低等方面带来的危害。