軌道交通靈活編組列車駕駛模式分析

王舟帆，柴鵬鵬，趙 興，杜金娟

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070;2．河北雄安軌道快線有限責任公司，河北保定 071700）

1 概述

1.1 靈活編組概述

近年來，靈活編組成為軌道行業(yè)熱點。靈活編組是指在軌道交通運營過程中，利用先進的列車運行控制及調(diào)度指揮技術，基于運營企業(yè)動態(tài)運營需求，不受特定運營作業(yè)場所制約，在保障列車運行安全的條件下，在運營過程中動態(tài)改變列車編組形式，實現(xiàn)運輸需求與運輸能力時空協(xié)同匹配，來滿足軌道交通多樣化運輸需求的運營模式[1]。

靈活編組方式按是否依靠物理連接可以分為機械編組和虛擬編組，目前國際上在客運領域實現(xiàn)靈活編組應用主要采用機械編組方式。為實現(xiàn)列車靈活編組的目的，日本和歐洲有些線路通常將列車置于較低的控制等級下，通過列車低速（如小于5 km/h）碰撞掛鉤或伸縮車鉤連接的形式，實現(xiàn)列車在特定作業(yè)地點的編組或解編作業(yè)，這種作業(yè)方式整體運營效率不高，安全性也較低[2]。

德國學者Bock U等人于1999年首次提出虛擬編組的概念，結合歐洲貨運線路運營需求和運營特點，構建了虛擬編組列車在貨運領域的系統(tǒng)設計方法，并進行初步應用[3-4]。歐洲在2015年全面推進虛擬編組研究，作為“構建未來鐵路系統(tǒng)聯(lián)合行動計劃（Shift2Rail）”項目中重要組成部分，歐洲西門子、阿爾斯通等各大軌道交通廠商在客運領域想借助虛擬編組在滿足列車運行安全等級要求的前提下，進一步縮短列車行車間隔，提升列車運行效率，更智能、更靈活地與客流匹配，從而為旅客提供更好的服務，并制定了路線圖[5-6]。劉嶺基于多智能體技術以列車編隊穩(wěn)定運行為目標對虛擬編組列車協(xié)同控制構建了控制模型[7]。張博基于靈活編組運營方案復雜、運營組織難度大的情況，針對軌道交通Y形線運營特點，提出運行計劃編制模型和算法[8]。當前，在客運領域虛擬編組還未有實際投入運營的線路。

虛擬編組已經(jīng)成為世界各國在軌道交通領域研究重點方向。本文靈活編組駕駛模式分析也主要針對虛擬編組問題進行研究。

1.2 靈活編組作業(yè)場景

列車靈活編組是軌道交通領域較為前沿研究方向，靈活編組列車運行控制涉及多輛列車協(xié)同，是一個群體控制問題。當前，列車編隊運行控制也可分為集中式或分散式。集中式是指列車編隊由一輛列車統(tǒng)一控制與指揮，通常為頭車。分散式是指列車編隊由列車編隊單元自身控制列車運行。本文考慮的列車靈活編組控制方式為集中式控制，列車編隊頭車可以作為領航者，負責對整個編隊進行控制。靈活編組作業(yè)方式和作業(yè)地點較為靈活，主要包括列車編組場景和列車解編場景。

1.2.1 靈活編組場景

典型列車區(qū)間靈活編組作業(yè)場景如下。

1）多輛列車在線路上同向運行，地面調(diào)度設備向存在編組計劃的列車下達編組作業(yè)指令；

2）頭車控制列車以一定速度運行，后車不斷縮小與頭車運行間隔，進入編組作業(yè)范圍內(nèi)時，同頭車建立點對點通信連接；

3）頭車實時計算后車行車曲線，并依次（由近及遠）獲取相鄰列車控車權；

4）跟隨列車進入編隊運行模式交出控車權后，根據(jù)前車控車指令行車。

列車編組不受線路條件限制，運營時，為提升運營效率，可借助列車進出站過程，完成編組。列車在車站停靠發(fā)車前需持續(xù)向乘客告知該列車行車計劃，避免誤乘。典型的靈活編組方式如圖1所示。

圖1 典型列車靈活編組作業(yè)Fig.1 Typical flexible train coupling operation

1.2.2 列車解編場景

典型列車區(qū)間解編作業(yè)場景如下。

1）多輛列車以編隊形式在線路運行，地面調(diào)度設備向列車編隊發(fā)送行車解編計劃，頭車將該信息發(fā)送各編隊各列車；

2）頭車基于運行計劃，控制尾車減速，逐漸擴大尾車前后車之間間隔；

3）尾車檢測與前車間隔較大時，恢復自身列車控車權，并與頭車斷開通信連接；

4）編隊列車從遠端依次恢復控車權并與頭車斷開通信連接，編隊列車均與頭車通信斷開后，列車編隊解編作業(yè)完成。

列車靈活編組解編作業(yè)形式多樣。運營時，為提升運營效率，可在車站停靠不同站臺，或同一站臺停靠不同時發(fā)車實現(xiàn)。列車在運行過程中需提示乘客運行計劃，避免誤乘給乘客造成不必要損失。典型的列車解編作業(yè)方式如圖2所示。

圖2 典型列車解編作業(yè)Fig.2 Typical train decoupling operation

2 全自動運行（FAO）駕駛模式適應性分析

列車在運行過程中依靠信號控制系統(tǒng)進行列車安全防護，并提升列車自動化運行水平。典型代表為全自動運行（Fully Automatic Operation，F(xiàn)AO）系統(tǒng)，F(xiàn)AO系統(tǒng)是目前自動化程度最高的列車控制系統(tǒng)，最高可達自動化等級（Grade of Automation，GoA）4級。針對靈活編組運行場景，以FAO系統(tǒng)駕駛模式為參考進行適應性分析，對靈活編組列車運行整體駕駛模式構建有著重要意義。

2.1 FAO駕駛模式

為滿足FAO系統(tǒng)高自動化程度運營要求，結合中城協(xié)FAO標準和實際應用情況，F(xiàn)AO駕駛模式包括[9]如下幾項：

1）全自動運行模式（Fully Automatic Train Operating Mode，F(xiàn)AM）：系統(tǒng)進行安全防護下的全自動駕駛模式；

2）蠕 動 模 式（Creep Automatic Mode，CAM）：車輛網(wǎng)絡故障，或車輛與車載設備通信故障時，列車在全自動運行模式下的限速運行模式；

3）列車自動運行模式（Automatic Train Operating Mode，AM）：有司機監(jiān)控下，系統(tǒng)自動控制列車運行，并進行安全防護的列車駕駛模式；

4）列 車 自 動 防 護 模 式（Coded Train Operating Mode，CM）：在系統(tǒng)安全防護下，司機駕駛列車運行的列車駕駛模式；

5）限制人工駕駛模式（Restricted Train Operating Mode，RM）：列車超速防護下，司機按要求目視行車限速控車運行的列車駕駛模式；

6）非限制人工駕駛模式（Emergency Unrestricted Train Operating Mode，EUM）：車載防護設備切除，無列車防護下，司機按要求行駛的列車駕駛模式。

正常情況下，列車處于FAM模式，實現(xiàn)列車包括自動上電、休眠/喚醒、自動發(fā)車、自動駕駛、自動停車、自動折返等在內(nèi)的一系列自動化運營需求，全程無需人工干預，有效降低司機等人員的勞動強度。系統(tǒng)同時配合除FAM模式之外的其他駕駛模式，能夠應對全自動運行過程中各種復雜場景，保障列車運行安全。

2.2 靈活編組下駕駛模式適應性分析

當前列車控制系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)的閉塞控制方式，不論是固定閉塞、準移動閉塞、移動閉塞方式，通過列車空間間隔防止列車發(fā)生碰撞，從而保障列車在線路上的安全運行。駕駛模式則與相應的基于閉塞的列車運行控制等級相對應。

對于虛擬靈活編組形式，由于其作業(yè)方式靈活，作業(yè)地點不受約束，同時列車以編隊運行，列車間隔較小，甚至能夠突破目前移動閉塞下列車最小運行間隔，靈活編組運行多路徑引起運營管理難度增大的情況。靈活編組這些特點對列車控制系統(tǒng)提出極高的要求。FAO系統(tǒng)中FAM模式是否能夠滿足靈活編組運營需求，需要進行分析。

2.2.1 編隊形成適應性分析

對于線路上單獨運行的列車，在編組前，列車依靠系統(tǒng)計算的移動授權追蹤行駛，能夠不斷縮小列車間隔，同時列車運行過程中需要持續(xù)對旅客情況進行有效監(jiān)控與管理，該過程下FAO系統(tǒng)及相關駕駛模式能夠滿足要求。但目前即使是FAO系統(tǒng)，列車處于FAM模式自動運行時，所能達到的最小間隔，依然顯著高于靈活編組列車理想間隔運行要求，無法支撐靈活編組條件下列車靈活且高效的作業(yè)模式優(yōu)勢的充分發(fā)揮。因此，虛擬編組控制方式與傳統(tǒng)基于閉塞的控制方式不同，控制方式的變化必然導致目前相對應的駕駛模式難以適應靈活編組隊形形成的情況，F(xiàn)AO駕駛模式下列車無法完成靈活編組作業(yè)。

2.2.2 編隊保持適應性分析

虛擬編組列車在運行過程中，由于列車已完成編組，在對列車編隊進行控制時，可將編隊整體視為一列列車，控制方式仍可認為基于閉塞的控制是適用的。因此，對于已完成編組的列車，F(xiàn)AO系統(tǒng)和相應的駕駛模式能夠滿足單個列車編隊自動運行及防護要求。

另一方面，由于列車為虛擬編組，在運行過程中緊密追蹤，編隊中列車理想間隔通常小于當前FAO系統(tǒng)所能達到的最小間隔。若列車間隔達到虛擬編隊要求時，F(xiàn)AO系統(tǒng)會認為列車之間包絡產(chǎn)生重疊或已經(jīng)發(fā)生安全事故。因此，同編隊形成過程一樣，列車之間追蹤控制會采用新的控制方式，如采用新的精確定位、低延時的精確群體控車方式，來保持列車編隊運行過程中的穩(wěn)定狀態(tài)。對于編隊運行中的個體，F(xiàn)AO駕駛模式下無法保持列車編隊的穩(wěn)定運行。

2.2.3 編隊解編適應性分析

對于列車編隊解編作業(yè)，列車解編過程中存在列車間隔由小變大的過程。當列車解編時，由于列車間隔小，同列車在編隊形成和編隊保持時一樣，F(xiàn)AO系統(tǒng)駕駛模式無法滿足列車解編作業(yè)要求。

對于已完成解編的列車，其運行控制由自身進行控制，同目前列車運行控制條件相同。由于解編后列車駛向不同目的地，因此在列車運行過程中需要持續(xù)提醒乘客可能的路徑改變，使乘客盡早換乘與自己目的地相匹配列車。FAO系統(tǒng)和相應駕駛模式能滿足列車相關運行要求。

通過上述分析可知，當前FAO系統(tǒng)及相應駕駛模式，能夠滿足列車編組前獨立運行、編組后整體穩(wěn)定運行和解編后獨立運行要求；但對于編隊形成控制、編隊穩(wěn)定運行時內(nèi)部緊密追蹤和編隊解編控制不適用。

3 靈活編組駕駛模式方案分析

當前FAO系統(tǒng)無法完全滿足列車靈活編組作業(yè)需求，勢必在研究過程中采用新的控制方法，對應駕駛模式也會產(chǎn)生變化。為了快速進行工程化研究和應用開發(fā)，一個有效的途徑是基于目前成熟的FAO系統(tǒng)方案進行完善。

3.1 靈活編組駕駛模式實現(xiàn)方案分析

方案一：保留既有駕駛模式

靈活編組是一種先進的列車控制及組織方式，尤其是虛擬編組，需要控制系統(tǒng)具備極高的自動化和智能化水平。就列車駕駛模式而言，為適應列車靈活編組需求，可以考慮保持既有駕駛模式不變，重構FAM駕駛模式，使FAM不僅能滿足當前列車基于移動閉塞方式運行要求，同時也能滿足全新的控制方式下列車靈活編組和解編控制要求。

該方式好處是能夠實現(xiàn)整個駕駛模式功能精簡，但對系統(tǒng)既有成熟部分有較大改動，功能整體實現(xiàn)難度較大。

方案二：新增靈活駕駛模式

新增靈活駕駛模式（Flexible Train Operating Mode，F(xiàn)M），使FM同靈活編組作業(yè)全過程相匹配。列車獨立運行時，F(xiàn)AO系統(tǒng)能夠完全滿足運行要求，當列車進行編組或解編作業(yè)時，將FAO現(xiàn)有駕駛模式切換為FM，靈活編組模式下系統(tǒng)可采用全新的控制方式。

該方式好處是對FAO系統(tǒng)成熟方案利用實現(xiàn)最大化，同時新增FM對既有FAO系統(tǒng)影響較小，與現(xiàn)有系統(tǒng)有較高的兼容性。缺點是駕駛模式增多，且模式存在轉換，邏輯較復雜。

綜合考慮兩種方案，本文認為方案二對既有FAO系統(tǒng)影響較小，更有利于適用靈活編組系統(tǒng)研制和工程化實施。

3.2 靈活編組駕駛模式方案

若FAO系統(tǒng)在連續(xù)式控制等級下新增FM，則能夠進一步豐富FAO系統(tǒng)駕駛模式及功能，滿足列車靈活編組運營需求。

3.2.1 其他駕駛模式轉為靈活編組模式

靈活編組運行控制對自動化程度要求極高，只有當列車處于全自動運行模式下正常運行時，才可轉為靈活編組模式，其他駕駛模式則不可直接轉為靈活編組模式，如表1所示。

表1 現(xiàn)有FAO駕駛模式轉換為靈活編組駕駛模式Tab.1 Transferring from existing FAO to FM

當列車處于FAM模式下，此時ATP、ATO設備工作正常，軌旁設備工作正常，列車可定位。當列車基于運行計劃/調(diào)度指令需要進行靈活編組作業(yè)時，系統(tǒng)可自動將FAM模式轉換為FM模式。

3.2.2 靈活編組駕駛模式轉為其他駕駛模式

同其他駕駛模式相比，靈活編組駕駛模式具有較高的等級。當列車處于FM模式運行時，列車可根據(jù)運行計劃轉換為FAM模式；當出現(xiàn)其他情況時，需要人工干預，列車運行駕駛模式可轉換為除FAM和AM模式之外的其他模式，如表2所示。

表2 靈活編組模式轉換為現(xiàn)有FAO模式Tab.2 Transferring from FM to existing FAO

當列車處于FM模式下，完成列車解編，列車具備無人駕駛投入條件時，可在列車運行過程中將駕駛模式轉換為FAM模式。

當列車處于FM模式時，信號收到車輛的蠕動請求后，車載輸出緊急制動，在中心調(diào)度臺上提示調(diào)度員確認，由中心行調(diào)人員確認后，信號系統(tǒng)啟動CAM。

當列車處于FM模式下，當列車ATO出現(xiàn)故障或發(fā)生未降級至RM緊急制動時，需由司機處置后進行人工駕駛。由工作人員在車上進行本模式轉換，列車需停車，工作人員與控制中心（OCC）確認獲得授權后進行模式轉換，司控鑰匙開啟，將駕駛模式轉換為CM。

當列車處于FM模式下，列車發(fā)生降級至RM緊急制動時，需由車上工作人員完成本模式轉換，列車需停車，工作人員與OCC確認獲得授權后進行模式轉換，司控鑰匙開啟，將駕駛模式轉換為RM。

當列車處于FM模式下，列車因故障不能轉換為CM、RM時，列車緊急制動，工作人員與OCC確認獲得授權后進行模式轉換，司控鑰匙開啟，切除ATP，將駕駛模式轉換為EUM。

4 總結

適用于靈活編組列車控制系統(tǒng)的研究，目前離實際應用仍然有一段距離。本文僅在駕駛模式方面進行初步分析，后續(xù)如何采用新型控制方式實現(xiàn)列車虛擬編組和解編，以及由此帶來與靈活編組相適應的運營組織及應急處置方法改變，是當前有待深入研究的方向。