CBTC系统中虚拟编组列控方案研究

时间：2024-07-28

刘佳

（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）

1 概述

随着通信技术、自动控制技术、传感器技术的高速发展，在下一代轨道交通运行控制系统中增加虚拟编组技术，在无实际物理连接的情况下，通过协同控制使多个列车形成一个虚拟耦合的逻辑整体，共同实现大编组列车运营组织。虚拟编组技术缩短列车间的追踪距离，打破运力与间隔的同比例关系，提升线路整体运输能力[1]。

2 研究进展

欧洲地平线“Shift2Rail（构建未来铁路系统联合行动计划）”项目中设置了“在列车控制系统中使用虚拟编组技术”的研究目标。虚拟编组技术探索虚拟联挂/解编概念，提高列车运营灵活性，为客/货运提供更优服务，同时给列车运行间隔带来了重大的变革。德国DLR运输学院的学者对虚拟联挂运输场景分析，以日本新干线为例进行软件仿真，研究结果表明在维持既有信号制式不变的情况下，通过两列动车组的虚拟联挂就可以把线路运力提高约50%。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。该方案通过LTE技术实现车车通信，通过采用多传感器和数据融合技术实现高精度列车定位，两列车以协同的方式运行，且一致处于安全防护状态。采用虚拟联挂技术的两列车将安全间隔由几公里减少到几米，远低于绝对制动距离。

与目前大编组列车采用物理连挂相比，列车控制系统中使用虚拟联挂技术，不需要人工进行干预，比物理联挂更加高效。列车控制系统中使用虚拟联挂技术，该方法使用灵活，适用于不同运营场景，可以在解编列车时前后两列车去往不同的目的地，支持更复杂的运行计划，更具有普遍适用性。

3 系统方案

3.1 系统架构

传统的CBTC系统主要包括列车自动监控（ATS）、区域控制器（ZC）、联锁（CI）、车载控制器（VOBC）和数据通信系统（DCS）等子系统。其中，列车自动监控ATS制定运营计划和监督列车运营，ZC结合CI的线路信息，管理线路上的所有列车，计算列车行车许可。VOBC（含自动列车防护系统（ATP）和自动列车驾驶系统（ATO））收到ZC的列车行车许可命令，进行列车速度安全防护和自动驾驶控制。DCS将各个子系统相连，并确保任意两个子系统之间都可以互相通信。

传统CBTC系统中列车间隔控制、速度防护等功能均是基于“车-地-车”的结构，任一环节的故障都会造成运营效率的降低，甚至引起安全事故。如图1所示，基于虚拟编组的CBTC列控系统除了支持车地无线通信，还增加了支持列车之间的车车通信。车车通信是指列车之间直接通信，通过实时交互位置等信息，列车自主实现安全防护[2]。虚拟编组中，车车之间采用无线通信取代了传统物理连挂列车间的有线通信。虚拟编组中的列车都可以获取相邻列车的位置信息，并主动计算移动授权。同一编组的多车之间进行车车通信，由领队车（头车）对车队进行管理，发送控车指令给车队内其他跟随车。其他跟随车收到领队车的控车命令，按控车命令进行控车，跟随前车运行。相比传统的CBTC系统，基于虚拟编组的CBTC列控系统采用的关键技术如下。

图1 虚拟编组CBTC列控系统结构Fig.1 Virtual coupling CBTC system structure

VOBC采用先进的车车通信技术：缩小传输延时，后车接收前车控车命令进行控车；

ZC采用基于速度追踪的间隔控制技术：缩小行车间隔，提高运行效率；

CI采用先进的道岔控制技术：对道岔进行单独操作，提高线路资源使用效率。

3.2 系统关键技术

3.2.1 先进的车车通信技术

车车通信主要是指列车在行驶过程中与周围列车之间进行信息交互，获取周围列车的运动信息以便列车运行及自身状态的调整。后车实现与前车直接通信，采用传输延时更小的车车通信技术实时获取前车的位置、运行状态等信息，接收前车的控车指令进行控车。

端到端（Device-to-Device，D2D）通信技术是LTE乃至5G的重要技术之一，能够提供移动终端之间直接通信的能力[3]。第三代合作伙伴项目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）组织制定的Release12版本中将D2D定义为LTE终端直通近距离服务(LTE Device to Device Proximity Services)[4]。2015年2月，工信部明确将1 785～1 805 MHz频段作为城市轨道交通等行业专用频段，结合LTE及专用无线频点（1.8 GHz）形成城市轨道交通无线通信技术平台[5]。

随着LET及5G通信技术的高速发展，虚拟编组CBTC列控系统中通过采用LTE的D2D通信技术，或采用5G的D2D通信技术来实现车车通信，可以实现传输数据带宽大、传输时延小、传输距离远、抗干扰性强等特点，保证列车运行过程中信息的安全高速传输。

3.2.2 基于速度追踪的间隔控制

传统CBTC系统ZC为列车追踪间隔控制时基于位置进行列车追踪。如图2所示，当前对车辆进行间隔控制时，将前车当作静止的情况来考虑，后车移动授权在最不利的情况下不能越过前车尾部。

与传统CBTC系统相比，如图2所示，虚拟编组CBTC系统的列车支持基于速度追踪的间隔控制。基于速度的追踪是基于位置追踪的基础上，增加前车在当前速度下以最大制动力停车的走行距离。

公式（1）中，基于速度追踪的间隔控制S'，基于位置追踪的间隔控制为S，前车速度为v，最大减速度为a，传输延时时间为t。

一些文献在研究中指出，“不同列车制动性能并不相同，只要前车制动性能足够优于后车，即使后车速度低于前车，两车在制动过程中也可能发生相撞”[6]。在具体实现时，虚拟编组车型的最大制动力取所有车型的最大值，按最不利情况考虑，建立不同速度和坡度下的最短制动距离矩阵，前车直接通过检索将当前的最短制动距离传给后车。这种算法保证了即使前车紧急制动停车，后车对前车的停车位置计算不会小于之前的估计值，避免了车车通信中断造成紧急制动停车带来的安全风险。

如图2所示，基于速度追踪的间隔控制方法在保证行车安全的前提下提高了列车运行速度，缩小了行车间隔。

图2 基于速度追踪的间隔控制Fig.2 Interval control based on speed tracking

3.2.3 先进的道岔控制技术

传统的CBTC系统中，道岔控制方式如图3所示，Train1申请直向进路，直向进路开放时，直向进路的信号机为绿灯允许通过信号。Train2没有申请到侧向进路，侧向进路没有开放，侧向进路的信号机为红灯禁止通过信号。Train2等待申请的侧向进路，包含2个道岔。只有在2个道岔资源都释放的情况下，Train2才能申请到侧向进路。侧向进路中的任意一个道岔被其他进路占用，该侧向进路都申请不成功。当Train1离开直向进路后，Train2才能申请到完整的侧向进路，才能获取道岔资源，进行道岔办理。

图3 传统CBTC系统基于整条进路的道岔控制Fig.3 Turnout control based on whole route in traditional CBTC system

基于虚拟编组的CBTC列控系统，如图4所示，在本系统中为了进一步提升设备协作效率，道岔设计为单独控制，不受进路内其他道岔占用状态的影响。图4中Train1在道岔直向的运行方向上，占用了直向进路中的道岔资源。Train2在道岔侧向的运行方向上申请侧向进路，侧向进路第一个道岔为没有占用状态，侧向进路的第2个道岔被Train1的直向进路所占用。Train2申请的道岔侧向方向的移动授权，在第一个道岔资源释放的情况下，可以延伸过第一个道岔。当Train1离开第2个道岔时，第2个道岔资源被释放， Train2的移动授权此时可以延伸过第二个道岔。在道岔所在进路没有完整解锁时，Train2能更早地获取道岔资源，延伸移动授权过道岔，提高列车运行效率。

图4 虚拟编组CBTC系统道岔单独控制Fig.4 Separate turnout control in virtual coupling CBTC system