基于車車通信的空軌全自動運行控制系統關鍵技術研究

雷成健

（湖南中車時代通信信號有限公司， 湖南 長沙 410001）

引言

隨著社會經濟快速發展，為滿足人們快速、環保、安全的出行需求，軌道交通開始蓬勃發展。為解決城市交通擁堵問題，地鐵作為城市軌道交通的首選方式，在經濟發達的一、二線城市遍地開花。在中小規模城市中，由于受經濟體量、客流量限制，地鐵建設并非最優選擇。空中軌道列車（簡稱空軌），由于其投入小、拆遷少、建設快，可作為中小規模城市發展軌道交通的首選方案[1]。目前國四川、山西、武漢都有空軌運輸系統在建設及運行，鑒于空軌運輸系統的巨大發展潛力，研究一種空軌全自動運行控制系統具有很大的現實意義。

1 空軌運輸系統原理

空軌運輸系統一般由供電、軌道、車輛和運行控制系統等組成。空中軌道為腔體結構，為行車的物理支撐，由位于路面的梁柱懸掛式固定在空中。車輛轉向架位于空中軌道內部，車輛通過承重軸與轉向架相連，懸掛于軌道下方。列車牽引/制動控制部單元位于車廂內部，牽引驅動、制動盤等設備位于轉向架上。牽引控制單元發送命令至牽引/制動驅動部件，牽引/制動驅動單元通過牽引電機/制動盤實現列車的走/停運動。列車運行控制系統分室內設備、軌旁設備和車載設備。室內設備一般實現列車的監督、調度和應急處理等功能，軌旁設備一般實現車地通信、列車定位和道岔信號機控制等功能，車載設備一般實現列車自動防護及自動駕駛功能。空軌運輸各子系統協調工作，實現空軌運輸的安全高效運營[2]。

2 基于車車通信的全自動運行控制系統

基于車車通信的空軌全自動運行控制系統由：全自動車載控制系統（FAVOC）、全自動列車監督系統（FATS）、軌旁設備控制單元（WSCU）和DCS等組成，如圖1示。FATS包含中心與車站設備，提供了一個對全線列車和現場信號設備的監控平臺。WSCU實現對包括道岔轉轍機、緊急停車按鈕和屏蔽門（安全門）等的狀態采集和控制。

圖1 車車通信運行控制系統結構圖

車載控制器FAVOC通過與前車的實時通信獲得前車的位置以及駕駛模式等信息，通過車地通信接收軌旁道岔、屏蔽門和緊急停車按鈕等狀態信息，計算列車的自身移動授權/允許運行速度和制動干預曲線，輸出牽引和制動控制列車運行，實現移動閉塞運行控制，保證列車安全運行。列車自動駕駛及輔助駕駛系統，基于閉塞控制實現全自動駕駛[3]。

3 車車通信系統關鍵技術

基于車車通信的全自動運行控制系統功能包含：行車安全保證功能，乘客保護和輔助功能，輔助列車運行，輔助駕駛，全自動駕駛功能，行車路徑規劃功能，車載路徑鎖定功能，車載移動閉塞功能。行車安全保證功能，乘客保護和輔助功能，輔助列車運行，輔助駕駛，全自動駕駛功能為傳統CBTC功能的擴展與深化，文中不做重點討論。文中主要對行車路徑規劃功能，車載路徑鎖定功能，車載移動閉塞功能和軌旁控制單元功能等關鍵技術進行研究分析。

3.1 軌旁設備控制單元功能

車車通信系統的路徑規劃、路徑鎖定、移動授權由車載設備實現，軌旁只需設軌旁設備控制單元。軌旁設備控制單元通過DCS骨干網或無線通信與列車、FATS實時雙向通信，向列車和FATS提供采集到的軌旁設備狀態。軌旁控制單元接收并響應列車、FATS的命令，對管轄對象（道岔區段）進行權限分配，并根據命令和權限的分配情況對道岔、屏蔽門等設備進行操控。軌旁控制單元功能包含：列車注冊管理、軌旁資源分配、軌旁設備控制、軌旁設備封鎖與解封和軌旁設備工作狀態采集等[4]。

3.2 車載控制系統的關鍵技術

3.2.1 行車路徑規劃功能

基于車車通信的運行控制系統，由于地面不設聯鎖與區域控制器，因而車載設備需直接接收來自地面FATS的信息，以規劃列車運行路徑。為滿足列車路徑規劃要求，來自FATS的信息包含：列車本次運行的終點，當前停車區域的停站時間，途經的停車點，站站之間的運行等級，需要執行跳停的停車點，需要扣車的停車點等。車載設備根據列車位置來實時判斷可否按照運行計劃運行，若列車當前位置不能實現運行計劃，判定運行計劃無效，放棄該計劃。若列車當前位置滿足運行計劃，則根據規劃列車路徑。車車通信車載設備需根據運行計劃、線路拓撲，一次性規劃完列車整個運行過程中的路徑。車載系統采用動態計算的方式，優先保證在線路正方向運行，少經過道岔的方式規劃行車路徑[5]。

列車收到新的運行計劃以后，重新規劃路徑。列車運行的每個周期都需根據運行計劃來規劃運行路徑。

3.2.2 車載路徑鎖定功能

當車載設備規劃好路徑之后，需鎖定行車路徑，實現列車運行路徑的安全防護。列車路徑鎖定分三個步驟，第一步是路徑資源查詢，第二步是資源占用請求，第三是步鎖定路徑。資源查詢的目的是確定安全路徑延伸需要的資源。列車在規劃路徑范圍內，以安全車尾為起點，安全路徑延伸的最大距離為終點，計算此范圍內包含的資源及狀態。完成路徑資源查詢后根據實際線路條件為列車完成“鋪路”的過程，“鋪路”結果根據實際情況可能鋪設到安全路徑終點或中間點。所謂“鋪路”是對道岔資源、侵限區段、保護區段的占用請求。占用請求完成意味著該路徑上線路資源（道岔、線路、保護區段）都已經被成功申請。資源占用請求過程中，系統根據設備狀態與當前期望狀態是否一致，還需要對資源進行控制。當資源占用請求成功后，路徑被鎖定。列車行車過程中，根據規劃路徑中安全資源的狀態實時動態延時并鎖定路徑。

3.2.3 車載移動閉塞

移動授權是車載設備進行列車安全防護及控制列車移動的依據。車車通信控制系統，在規劃及鎖定列車路徑后，需要進行列車移動授權計算。車載系統根據軌旁設備信息、線路上其他列車信息進行列車篩選、前車識別、計算安全位置，生成移動授權。

4 結語

車車通信系統架構精簡，且車車通信的機制對于空軌系統實現全自動駕駛有一定優勢，但車車通信目前處于探索實驗階段，系統的應用推廣仍需要一定時間。