CBTC系統中虛擬編組列控方案研究

劉 佳

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著通信技術、自動控制技術、傳感器技術的高速發展，在下一代軌道交通運行控制系統中增加虛擬編組技術，在無實際物理連接的情況下，通過協同控制使多個列車形成一個虛擬耦合的邏輯整體，共同實現大編組列車運營組織。虛擬編組技術縮短列車間的追蹤距離，打破運力與間隔的同比例關系，提升線路整體運輸能力[1]。

2 研究進展

歐洲地平線“Shift2Rail（構建未來鐵路系統聯合行動計劃）”項目中設置了“在列車控制系統中使用虛擬編組技術”的研究目標。虛擬編組技術探索虛擬聯掛/解編概念，提高列車運營靈活性，為客/貨運提供更優服務，同時給列車運行間隔帶來了重大的變革。德國DLR運輸學院的學者對虛擬聯掛運輸場景分析，以日本新干線為例進行軟件仿真，研究結果表明在維持既有信號制式不變的情況下，通過兩列動車組的虛擬聯掛就可以把線路運力提高約50%。2019年，CAF公司、龐巴迪公司、西門子公司在Shift2Rail項目中，通過合作的方式，首次在有軌電車上測試和驗證了虛擬聯掛方案。該方案通過LTE技術實現車車通信，通過采用多傳感器和數據融合技術實現高精度列車定位，兩列車以協同的方式運行，且一致處于安全防護狀態。采用虛擬聯掛技術的兩列車將安全間隔由幾公里減少到幾米，遠低于絕對制動距離。

與目前大編組列車采用物理連掛相比，列車控制系統中使用虛擬聯掛技術，不需要人工進行干預，比物理聯掛更加高效。列車控制系統中使用虛擬聯掛技術，該方法使用靈活，適用于不同運營場景，可以在解編列車時前后兩列車去往不同的目的地，支持更復雜的運行計劃，更具有普遍適用性。

3 系統方案

3.1 系統架構

傳統的CBTC系統主要包括列車自動監控（ATS）、區域控制器（ZC）、聯鎖（CI）、車載控制器（VOBC）和數據通信系統（DCS）等子系統。其中，列車自動監控ATS制定運營計劃和監督列車運營，ZC結合CI的線路信息，管理線路上的所有列車，計算列車行車許可。VOBC（含自動列車防護系統（ATP）和自動列車駕駛系統（ATO））收到ZC的列車行車許可命令，進行列車速度安全防護和自動駕駛控制。DCS將各個子系統相連，并確保任意兩個子系統之間都可以互相通信。

傳統CBTC系統中列車間隔控制、速度防護等功能均是基于“車-地-車”的結構，任一環節的故障都會造成運營效率的降低，甚至引起安全事故。如圖1所示，基于虛擬編組的CBTC列控系統除了支持車地無線通信，還增加了支持列車之間的車車通信。車車通信是指列車之間直接通信，通過實時交互位置等信息，列車自主實現安全防護[2]。虛擬編組中，車車之間采用無線通信取代了傳統物理連掛列車間的有線通信。虛擬編組中的列車都可以獲取相鄰列車的位置信息，并主動計算移動授權。同一編組的多車之間進行車車通信，由領隊車（頭車）對車隊進行管理，發送控車指令給車隊內其他跟隨車。其他跟隨車收到領隊車的控車命令，按控車命令進行控車，跟隨前車運行。相比傳統的CBTC系統，基于虛擬編組的CBTC列控系統采用的關鍵技術如下。

圖1 虛擬編組CBTC列控系統結構Fig.1 Virtual coupling CBTC system structure

VOBC采用先進的車車通信技術：縮小傳輸延時，后車接收前車控車命令進行控車；

ZC采用基于速度追蹤的間隔控制技術：縮小行車間隔，提高運行效率；

CI采用先進的道岔控制技術：對道岔進行單獨操作，提高線路資源使用效率。

3.2 系統關鍵技術

3.2.1 先進的車車通信技術

車車通信主要是指列車在行駛過程中與周圍列車之間進行信息交互，獲取周圍列車的運動信息以便列車運行及自身狀態的調整。后車實現與前車直接通信，采用傳輸延時更小的車車通信技術實時獲取前車的位置、運行狀態等信息，接收前車的控車指令進行控車。

端到端（Device-to-Device，D2D）通信技術是LTE乃至5G的重要技術之一，能夠提供移動終端之間直接通信的能力[3]。第三代合作伙伴 項 目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）組織制定的Release12版本中將D2D定義為LTE終端直通近距離服務(LTE Device to Device Proximity Services)[4]。2015年2月，工信部明確將1 785～1 805 MHz頻段作為城市軌道交通等行業專用頻段，結合LTE及專用無線頻點（1.8 GHz）形成城市軌道交通無線通信技術平臺[5]。

隨著LET及5G通信技術的高速發展，虛擬編組CBTC列控系統中通過采用LTE的D2D通信技術，或采用5G的D2D通信技術來實現車車通信，可以實現傳輸數據帶寬大、傳輸時延小、傳輸距離遠、抗干擾性強等特點，保證列車運行過程中信息的安全高速傳輸。

3.2.2 基于速度追蹤的間隔控制

傳統CBTC系統ZC為列車追蹤間隔控制時基于位置進行列車追蹤。如圖2所示，當前對車輛進行間隔控制時，將前車當作靜止的情況來考慮，后車移動授權在最不利的情況下不能越過前車尾部。

與傳統CBTC系統相比，如圖2所示，虛擬編組CBTC系統的列車支持基于速度追蹤的間隔控制。基于速度的追蹤是基于位置追蹤的基礎上，增加前車在當前速度下以最大制動力停車的走行距離。

公式（1）中，基于速度追蹤的間隔控制S'，基于位置追蹤的間隔控制為S，前車速度為v，最大減速度為a，傳輸延時時間為t。

一些文獻在研究中指出，“不同列車制動性能并不相同，只要前車制動性能足夠優于后車，即使后車速度低于前車，兩車在制動過程中也可能發生相撞”[6]。在具體實現時，虛擬編組車型的最大制動力取所有車型的最大值，按最不利情況考慮，建立不同速度和坡度下的最短制動距離矩陣，前車直接通過檢索將當前的最短制動距離傳給后車。這種算法保證了即使前車緊急制動停車，后車對前車的停車位置計算不會小于之前的估計值，避免了車車通信中斷造成緊急制動停車帶來的安全風險。

如圖2所示，基于速度追蹤的間隔控制方法在保證行車安全的前提下提高了列車運行速度，縮小了行車間隔。

圖2 基于速度追蹤的間隔控制Fig.2 Interval control based on speed tracking

3.2.3 先進的道岔控制技術

傳統的CBTC系統中，道岔控制方式如圖3所示，Train1申請直向進路，直向進路開放時，直向進路的信號機為綠燈允許通過信號。Train2沒有申請到側向進路，側向進路沒有開放，側向進路的信號機為紅燈禁止通過信號。Train2等待申請的側向進路，包含2個道岔。只有在2個道岔資源都釋放的情況下，Train2才能申請到側向進路。側向進路中的任意一個道岔被其他進路占用，該側向進路都申請不成功。當Train1離開直向進路后，Train2才能申請到完整的側向進路，才能獲取道岔資源，進行道岔辦理。

圖3 傳統CBTC系統基于整條進路的道岔控制Fig.3 Turnout control based on whole route in traditional CBTC system

基于虛擬編組的CBTC列控系統，如圖4所示，在本系統中為了進一步提升設備協作效率，道岔設計為單獨控制，不受進路內其他道岔占用狀態的影響。圖4中Train1在道岔直向的運行方向上，占用了直向進路中的道岔資源。Train2在道岔側向的運行方向上申請側向進路，側向進路第一個道岔為沒有占用狀態，側向進路的第2個道岔被Train1的直向進路所占用。Train2申請的道岔側向方向的移動授權，在第一個道岔資源釋放的情況下，可以延伸過第一個道岔。當Train1離開第2個道岔時，第2個道岔資源被釋放， Train2的移動授權此時可以延伸過第二個道岔。在道岔所在進路沒有完整解鎖時，Train2能更早地獲取道岔資源，延伸移動授權過道岔，提高列車運行效率。

圖4 虛擬編組CBTC系統道岔單獨控制Fig.4 Separate turnout control in virtual coupling CBTC system

3.3 虛擬編組CBTC列控系統和傳統CBTC列控系統比較

虛擬編組CBTC系統與傳統CBTC系統功能關鍵技術比較，如表1所示。

表1 虛擬編組CBTC系統與傳統CBTC系統功能關鍵技術比較Tab.1 Comparison of key technologies between virtual coupling CBTC system and traditional CBTC system

4 結語

本文基于傳統CBTC系統提出了虛擬編組CBTC系統方案，并對虛擬編組CBTC系統方案的系統結構以及關鍵技術進行分析。虛擬編組技術能夠在移動閉塞的基礎上進一步縮小列車追蹤間隔，提高線路運營效率。該虛擬編組CBTC系統方案使線路運營更靈活，縮短行車間隔，符合下一代CBTC系統的發展方向。