列車虛擬編組應用需求及關鍵技術研究*

紀玉清 歐冬秀 常 鳴 寧 正

(1.同濟大學交通運輸工程學院， 201804， 上海； 2.上海市軌道交通結構耐久與系統安全重點實驗室，201804， 上海； 3.運營主動安全保障與風險防控鐵路行業重點實驗室， 100091， 北京； 4.上海軌道交通無人駕駛列控系統工程技術研究中心， 200072， 上?！蔚谝蛔髡?， 博士研究生)

隨著軌道交通網絡運輸需求的日益增長，使以下問題更為突出：空間上，部分繁忙的軌道交通線路已接近運力飽和狀態，運力不足、列車開行間隔難以再壓縮等問題愈加嚴重[1]；我國中西部地區部分軌道交通線路列車的空載率高、發車間隔長，導致線路能耗偏高、服務水平偏度低。時間上，部分軌道交通線路的繁忙程度不均，存在旺季一票難求、淡季車票過剩等問題。為此,本文通過靈活編組方式,將不同類型的列車組合成不同長度的車隊用于正線運行，既能緩解客流高峰時段的運輸壓力，又能提高非高峰時段列車的運行效率和線路的服務水平(此時采用高密度小編組方式)，這對推動中國的“雙碳”目標如期實現，推動全球可持續交通發展有著重大意義。

1 列車靈活編組的需求與現狀分析

1.1 列車靈活編組的需求分析

1.1.1 通過靈活大編組疏解核心通道運力瓶頸

軌道交通線路核心通道段(連接不同線路/區域的核心路段)的運輸壓力往往較大，其運力直接影響和限制著整條線路乃至整個路網的運力。通道段主要有主線及干線型、共線型、小交路型3種類型，如圖1 a)—圖1 c)所示的粗黑線路。如京滬線徐州站—蚌埠站這一核心通道段(見圖2)，因其處于京滬干線上，且連接鄭州、合肥2個省會城市，運輸需求大。該核心通道段因信號制式制約列車追蹤間隔，其運力已飽和。若將進入該核心通道段的多列車進行在線編組，形成大編組列車，則能有效突破行車閉塞的束縛，疏解該核心通道段的運力瓶頸問題。

a) 主線及干線型b) 共線型c) 小交路型

圖2 共線型核心通道段示例(京滬線徐蚌段)

1.1.2 通過靈活小編組縮短支線段的列車開行間隔

與核心通道段相比,軌道交通線路支線段(屬非核心通道段)承擔的運輸壓力較小，具有運量較低、客流分散等特點。支線段主要有支線型、Y型/雙Y型及大交路型3種類型，如圖3 a)—圖3 c)所示的粗黑線路。為控制運營成本，支線段的發車間隔較大，乘客等待時間往往較長。

以上海軌道交通11號線為例，如圖4所示，2個支線段分別為嘉定新城站—花橋站、嘉定新城站—嘉定北站。11號線全線均采用固定的6節編組A型車，2個支線段內的列車發車間隔均長達12 min。因2個支線段內客流較小，盡管列車發車間隔超過10 min，但2個支線段內的列車空載率仍較高(非高峰時段更為明顯)。因此，若根據支線段運輸需求，在進入支線段之前將共線段的大編組列車進行在線解編，則列車可在支線段采用靈活小編組方式運行，這既能大大節省列車的運力損耗，又能提升支線段的服務水平。當然，這種運營方式需匹配精準的導乘服務，以避免乘客錯乘。

a) 支線型b) Y型/雙Y型c) 大交路型

1.1.3 通過列車靈活編組緩解客流在時間上分布不均

我國軌道交通客流普遍存在旺季一票難求、淡季車票過剩的季節性特征，以及高峰時段車廂較擁擠、非高峰時段空座率較高的潮汐性特征。如何積極應對客流的“冷熱不均”和動態多變，進一步平衡運力供給,確保滿足客運服務水平和節能減排的要求，是軌道交通業內面臨的一大難題。目前國內外的研究大多集中于列車固定的多編組策略，并未實現真正意義上的靈活編組。換言之,目前雖然支持在既定規律性時段下運行不同編組的列車，但仍無法根據實時客流分布情況快速、動態地在線上調整列車編組數。

因此，亟需研究一種以客流需求為導向的、能在運營時段內動態匹配運力與運量的列車靈活編組技術。

圖4 Y型支線段示例(上海軌道交通11號線)

1.1.4 線間互聯互通、跨線運營

為建設城市群一體化交通網，推進“四網”融合發展，應加快實現不同層次軌道交通列車控制系統間的互聯互通，滿足列車跨線運營需求。列車靈活編組技術可適配不同類型、不同速度等級列車之間的編組要求，對提高軌道交通系統的多元化、便捷化具有重大意義。

1.2 列車靈活編組的應用現狀及分析

國內外針對列車靈活編組技術展開了一系列的研究，其工程應用對比分析如表1所示,其中:國外項目包括阿姆斯特丹地鐵[2]、溫哥華天車線[3]、日本東京地鐵(翼型編組[4])等;國內項目包括北京的軌道交通11號線西段(又稱“冬奧支線”)及大興國際機場線，以及上海軌道交通16號線等。越來越多的軌道交通線路提出了靈活編組建設需求。

表1 列車靈活編組技術在國內外各工程中的應用對比

目前,國內外常見的列車編組方式如表2所示。由于受站場/線路基礎設施裝備水平、車鉤技術等方面限制，綜合考慮乘客安全等方面因素，目前大多限制在固定地點(如車輛段、存車線等)進行列車的聯掛或解編。為了提高列車編組效率、減少能源損耗，應進一步尋找效率更高、更為靈活的列車編組方式。

2019年,CAF(西班牙鐵道車輛制造商)、龐巴迪等公司依托Shift2Rail項目在有軌電車試驗線上首次實現列車虛擬編組方案，并對方案進行了測試。該方案將列車間距縮減至幾米以內，這對虛擬編組的研究與應用產生了新的推動作用。

表2 不同列車編組方式的對比

2 列車虛擬編組技術

2.1 技術理念

列車虛擬編組是指通過無線通信方式，將多個列車單元組合成一個邏輯整體，以擺脫了各列車間的機械連接，實現靈活的列車編隊組合。該技術在軌道交通領域是一種顛覆式的技術變革。編隊中的后行列車根據前行列車的位置、速度及加減速等數據信息，保持與前行列車的相對位置和編隊關系。如圖5所示，以車隊A為例予以說明。沿列車運行方向上第1列車為領航列車，領航列車基于車地無線通信與地面OCC(運營控制中心)進行數據交換(包括位置p1,A、速度v1,A及加速度a1,A等)，以列車移動授權終點為運行控制目標，其運行不受車隊內其他列車運行狀態的影響。其余列車為追蹤列車，追蹤列車i通過車車無線通信接收前方列車的數據信息(包括位置pi,A、速度vi,A及加速度ai,A等)，并結合自身運行狀態和運營調度指令計算其運行控制目標。因此，追蹤列車前方的列車也被稱為該車的目標列車。各列車建立并維持編隊運行，實現穩定的協同控制，以確保隊列內基于相對制動距離的虛擬編組安全間隔。行車過程中，虛擬編組車隊的構成可根據客流變化進行動態調整，以匹配不同線路/區域和不同時間段內的運量差異，實現線路及列車資源的合理配置。

2.2 基本特征

虛擬編組車隊的運行控制方法可分為巡航控制和編組調整控制兩種。其中：巡航控制用以保證車隊在線路條件、無線通信質量發生動態擾動等情況下仍能維持虛擬編組狀態及穩定的編隊運行；編組調整控制用以實現車隊編組構成的靈活調整，可進一步細分為組編控制和解編控制兩種情況。

注：V2I——車地無線通信；V2V——車車無線通信；Dvc——兩個虛擬編組車隊間的安全距離；dvc——基于相對制動距離的兩列虛擬編組列車間的安全距離。

如圖6 a)所示，獨立運行的多列車通過調整運行的速度及間隔，形成新的虛擬編組車隊，該過程被稱為組編過程。組編開始前，前后2列車的實際間隔d>dvc。組編過程中，追蹤列車與前行目標列車的間隔逐漸縮小至dvc。當追蹤列車與目標列車的運行速度一致且兩者間隔為dvc時，兩車構成虛擬編組，以車隊形式協同運行。

如圖6 b)所示，解編控制是將處于虛擬編隊運行的列車通過調整其追蹤速度，使其與目標列車的間隔不斷增大，直至大于等于基于絕對制動距離追蹤的列車間隔dSEP，從而脫離車隊。在道岔處或在不同的車站進行乘降作業時，經常需要車隊提前進行解編。

a) 組編過程

b) 解編過程

3 列車虛擬編組的關鍵技術

基于多網融合、互聯互通的需求，列車虛擬編組的終極目標是實現車隊“零時延”編組及車間“零距離”耦合,這需要多方面關鍵技術的支撐。

3.1 高精度的列車主動實時定位

虛擬編組列車的運行間隔很短，相互間的耦合作用非常強，因此，位置感知信息(列車定位信息、前后車間距信息等)的精準和實時獲取至關重要。常規的列車定位技術主要包括基于應答器/輪軸傳感器的列車定位、全球衛星導航定位系統、慣性導航系統及各種融合定位技術等，但這些技術存在定位信息不連續、定位誤差大、受信號遮擋影響等局限性，均未能達到列車虛擬編組所需的定位精度。因此，亟需深入研究可提供連續不間斷、高精度、小誤差、抗干擾性強的列車位置感知和導航技術，突破既有列車定位技術的技術瓶頸。

3.2 低延時、高可靠的車車無線通信

列車虛擬編組的實現還高度依賴于高質量的車車無線通信技術，以進行車車信息(如位置信息、速度、加速度、控制指令、狀態信息等)的交互。在確保列車運行安全的前提下，亟需建立低時延、高可靠的車車通信保障機制，設計一種時變復雜電磁環境下的無線通信干擾(如弓網電弧脈沖寬頻無線干擾、電力線噪聲等)消除方法，以確保車車信息的快速傳輸，以及與安全相關指令的實時、可靠交互。

3.3 靈活、高效的運輸組織調整

在列車虛擬編組模式下，列車在規定時間到達指定地點，組建形成合理的編組車隊，是確保軌道交通線路暢通、提升系統效能的關鍵。然而，動態變化的客運需求、資源受限的通行能力增加了車隊在制定停站方案及列車運行路徑等運輸組織工作的難度。編制車隊編組計劃時，應基于虛擬編組列車的運營實況及客流在時空上的分布特征，并充分考慮列車條件(如最大制動率、加速性能)、編組能力、車站站型等因素，以提高服務水平、區間通行能力和運營可靠性為核心目標，形成高效、可行的運輸計劃和運營組織方案。

3.4 高智能、自適應的編隊協同優化

列車虛擬編組技術具有高自主化、高智能化的特點。為了積極應對列車運行過程的突發事件，列車的調度組織應滿足實時動態、智能自適的要求。列車編隊需要平衡列車集群效益與資源供給關系，基于外部的環境變化，確定車隊內部的協調/制約機制。為此，應優化小編組列車的運行次序和軌跡，規劃車隊之間的線路資源占用關系，以匹配不同的運力需求，使車隊收斂于不同隊形，充分發揮虛擬編組技術優勢。

3.5 高安全、強韌性的多車協同控制與防護

車隊協同控制中，需要考慮列車不同車型的特點、運行線路的特征，還需要對環境因素變化(如網絡連接不穩定)等造成的影響進行及時應對和調整，這使得車隊有效、安全、穩定的運行具有非常大的挑戰性。此時，必須進一步強化列車安全防護措施。可基于多車協同下的時空認知規律，實時推算車隊間前后車的安全防護距離。在車隊的組編過程與解編過程中，對動態幾何拓撲變換進行沖突化解與平滑優化，實現運行環境變化、突發擾動等情況下的編隊穩態控制及多車協同韌性控制，保證虛擬編組列車的運行安全。

4 結語

對于具有區域性、季節性、潮汐性等客流時空分布不均衡特性的軌道交通線路，發展以高新技術為支撐的智能化的列車靈活編組技術，是進一步提高軌道交通線路運輸效能、推動“雙碳”達標的有效手段。列車的靈活編組方式可采用機械聯掛，也可采用虛擬編組，不管采用何種方式，安全、可靠、高效地滿足軌道交通的運營需求，是列車靈活編組技術創新的核心。

從目前的發展現狀看，機械聯掛的“硬”聯掛方式已能在工程中穩定、可靠地實現線路運力的靈活匹配。虛擬編組所采用的“軟”聯掛所引出的若干關鍵問題已成為當前研究的熱點。若不能攻克本文所述的關鍵技術，列車的運行安全和效率將無法得到有效保障。而虛擬編組在后續工程中應用時，還應進一步探索其實施適用性和客運組織適配性。