以列車為中心的自主控制系統(tǒng)的列車工作模式*

馮浩楠 鄭澤熙 白廣爭** 杜 萌 李永康

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京；2.國家鐵路智能運輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，100081，北京；3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司，100081，北京；4.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所, 100081，北京∥第一作者，副研究員)

在采用車-地協(xié)同控制方式的列車運行控制系統(tǒng)(以下簡為“列控系統(tǒng)”)中，最新推出的全自動運行(FAO)系統(tǒng)存在以下問題[1-2]：

1)地面控制系統(tǒng)安裝成本較高，維護和管理程序繁瑣，給運營帶來了負(fù)擔(dān)。

2)列控系統(tǒng)的安全運行很大程度上依賴地面控制系統(tǒng)。列控系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)形成的車-地-車三角形循環(huán)控制鏈路較長，使得列車的運行間隔難以縮短。

為克服現(xiàn)有基于地面無線通信列控系統(tǒng)的局限性，進一步提高列車運行控制效率、縮短列車運行間隔，列控系統(tǒng)控制方式正在由車-地協(xié)同控制向以列車為中心的控制轉(zhuǎn)變[3]。

2014年，阿爾斯通公司基于車-車通信理念研發(fā)了下一代CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的解決方案——Urbalis Fluence系統(tǒng)。其可將列車運行間隔縮短到60 s，已在法國的里爾地鐵使用。該系統(tǒng)應(yīng)用的虛擬連掛功能可在列車靜止?fàn)顟B(tài)或運行中實現(xiàn)列車的連接或斷開，反映了下一代列控系統(tǒng)以列車為中心的自主控制之重要特點。具有該功能的列車不需要物理連接器，就能縮短列車運行間隔、實現(xiàn)運輸量最大化[4]。在我國，TACS(以列車為中心的自主控制系統(tǒng))正在成為城市軌道交通領(lǐng)域重點發(fā)展趨勢之一[5-6]。

本文重點研究了TACS中的列車工作模式，并與FAO系統(tǒng)的列車工作模式進行比較。詳細(xì)介紹新增虛擬連掛場景的系統(tǒng)控制需求及轉(zhuǎn)換過程，為以TACS的工程設(shè)計和應(yīng)用提供參考借鑒。

1 TACS架構(gòu)及技術(shù)特點

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

TACS分為地面子系統(tǒng)和車載子系統(tǒng)兩部分，其架構(gòu)如圖1所示。地面子系統(tǒng)主要包括RM(資源管理器)和OC(對象控制器)。其中：OC負(fù)責(zé)控制軌旁資源；RM負(fù)責(zé)管理區(qū)段、道岔和PSD(屏蔽門)等共享資源，不決定軌旁資源是否被擁有和控制。車載子系統(tǒng)包括ATO(列車自動運行)子系統(tǒng)和ATP(列車自動防護)子系統(tǒng)。在列控系統(tǒng)中，ATP子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行安全功能，ATO子系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行非安全功能。

圖1 TACS架構(gòu)

1.2 與FAO系統(tǒng)比較

FAO系統(tǒng)以“地面控制和硬件設(shè)備”為中心，其中地面控制系統(tǒng)在FAO系統(tǒng)中起到關(guān)鍵控制作用，硬件設(shè)備冗雜龐大。與之不同的是，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)以“車載控制系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件”為中心，其中車載控制系統(tǒng)在TACS中起到自主控制作用，更依賴軟件來實現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能。TACS技術(shù)特點見表1。

表1 TACS技術(shù)特點

2 列車工作模式

根據(jù)工作模式和運行需求，TACS的工作模式有ADM(自主駕駛模式)、APM(自主防護模式)、FMM(全手動模式)、OFF(關(guān)閉)模式、DM(車輛段模式)、SM(被動模式)、MDM(主控模式)、SBM(待機模式)。

2.1 ADM

自主駕駛模式是在沒有總控制室或乘務(wù)員(司機和操作人員)等人為干預(yù)的情況下，由列控系統(tǒng)執(zhí)行ATO功能和ATP功能的運行模式。自主駕駛模式是運營中最常見的列車運行模式。此模式下，列控系統(tǒng)進行如下識別、判斷和控制：

1)列車識別出自己的位置和前方的情況。

2)列車根據(jù)識別的信息來判斷是否在識別的進路行駛。

3)列車控制的功能包括控制行駛路線和方向，以及控制列車的牽引和制動等。

4)列車到站臺時，自動開門和關(guān)門。

5)列車在指定位置自動折返。

在正常運營場景中，列車從ATS系統(tǒng)接收運營計劃，并根據(jù)運營計劃的路線及時間表運行。在異常運營場景中，列車需識別運行過程中發(fā)生的各種事故或故障等異常情況，盡量實現(xiàn)運營計劃。

2.2 DM

當(dāng)受控列車進入車輛段時，工作模式為DM。除了在車輛端內(nèi)收到特定的速度限制外，其余與ADM相同。DM不是鑰匙開關(guān)切換，而是由TACS軟件自動判斷實現(xiàn)。

2.3 SBM

它是自動工作模式的一個子模式。為降低列車的電力消耗，列車在任何位置待機都能切換至待機模式。在SBM下，列控系統(tǒng)保持活躍狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)控列車狀態(tài)和故障情況。

2.4 APM

在APM下，列車失去自動駕駛功能，僅保留列車自動防護功能。列控系統(tǒng)被激活。首先，識別列車前方的情況；然后，根據(jù)識別結(jié)果來確定列車的限速和目標(biāo)停車點，并顯示在司機室的MMI(人機界面)中，由司機負(fù)責(zé)駕駛列車。當(dāng)列車運行速度超過限速時，列控系統(tǒng)會自動發(fā)出制動指令，保證列車運行不超速。當(dāng)列車進站停車后，由司機手動發(fā)出開關(guān)門指令。

2.5 SM

MDM也是自動工作模式的1個子模式。當(dāng)目標(biāo)列車的列控系統(tǒng)與其前車建立虛擬連掛場景時，目標(biāo)列車的工作模式切換為SM。在該模式下，列控系統(tǒng)雖仍基于自身車速、加速度和位置等信息對其列車運行速度曲線進行連續(xù)計算，但并不按列車運行速度計算值來給牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)指令，而是基于與前車的列車間隔及前車加速度進行自主補償控制，以保持與前車的安全距離。

2.6 MDM

MDM也是自動工作模式的1個子模式。當(dāng)目標(biāo)列車與后車建立虛擬連掛場景時，列車的工作模式切換為MDM。在此模式下，目標(biāo)列車與RM通信，以保留區(qū)段、道岔和PSD(屏蔽門)等共享資源。虛擬連掛編隊中的頭車需考慮其編隊中后續(xù)SM列車的長度。

2.7 FMM

當(dāng)目標(biāo)列車列控設(shè)備同其他列車的通信，以及同ATS的通信都中斷時，列車工作模式切換為FMM模式。此時，沒有列控系統(tǒng)的保護功能。ATS控制室調(diào)度員負(fù)責(zé)確保FMM模式的列車按照操作程序安全運行，調(diào)度員人工為故障列車排列進路。司機須遵循嚴(yán)格的程序并獲得調(diào)度的許可，遵循人工引導(dǎo)列車駛出自主列控系統(tǒng)運行的區(qū)間。FMM模式下的列車將從RM獲得的所有軌旁資源都將釋放。以ADM模式運行的列車無法進入FMM模式列車所在區(qū)域。

2.8 OFF模式

當(dāng)列控系統(tǒng)防護功能終止運行時，列車進入OFF模式。在此模式下，列車從RM中刪除了除列車占用位置的信息外包括移動權(quán)限在內(nèi)的所有資源。列控系統(tǒng)仍監(jiān)控自身的狀態(tài)，保持同RM、其他列車及ATS子系統(tǒng)的通信。

3 列車工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則

在TACS的8種列車工作模式中，ADM、APM、FMM、OFF 4種模式可通過鑰匙開關(guān)來控制轉(zhuǎn)換，其余4模式則由TACS的軟件來實現(xiàn)。

在轉(zhuǎn)換條件C的作用下，列車工作模式由Ms轉(zhuǎn)換為Mf。相應(yīng)的工作模式轉(zhuǎn)換表示為：

Mf=C(K,A,L,S,Ms)

(1)

式中：

Mf——轉(zhuǎn)換后列車工作模式；

Ms——轉(zhuǎn)換前的列車工作模式。

C——轉(zhuǎn)換條件，與鑰匙狀態(tài)K、移動授權(quán)狀態(tài)A、列車位置L、與RM的連接狀態(tài)S，以及Ms等有關(guān)。具體如表2所示。

表2 以列車為中心的自主控制系統(tǒng)列車工作模式轉(zhuǎn)換規(guī)則

4 列車虛擬連掛和解掛

與FAO系統(tǒng)功能相比，以列車為中心的自主控制系統(tǒng)新增了列車虛擬連掛場景功能，且工作模式相應(yīng)增加了MDM和SM。在虛擬連掛場景中，列車通過列控系統(tǒng)進行虛擬連掛，形成虛擬編隊；在提出虛擬解掛請求后，解散虛擬編隊。

4.1 虛擬連掛和虛擬解掛的關(guān)鍵技術(shù)

1)確定列車長度。虛擬連掛車隊的頭車接收后面列車長度，確定整個虛擬編隊的列車長度。

2)確定列車加速度。①后車的列控系統(tǒng)接收前車的位置和速度變化信息，并據(jù)此計算與前車的最小安全距離(MSD)；②后車的列控系統(tǒng)須實時監(jiān)控自身列車狀態(tài)，以控制后車與前車的間隔距離不小于MSD，并在必要時向后車發(fā)出減速命令；③如果后車與前車的距離大于MSD，則后車列控系統(tǒng)須發(fā)出加速命令，以補償前后車距離。④當(dāng)列車出現(xiàn)邏輯連接丟失、前后車距離意外縮小到小于MSD或虛擬連接意外解除三種情況之一時，列控系統(tǒng)須立即實施緊急制動；⑤虛擬編隊中所有列車的列控系統(tǒng)均共享制動輸入結(jié)果，并提供給其ATS子系統(tǒng)。

3)虛連接請求響應(yīng)。①后車列控系統(tǒng)須根據(jù)ATS子系統(tǒng)的列車時刻表，與前車進行虛擬連接；②后車MA(移動授權(quán))范圍的終點為前車的最小安全后端；③虛擬編隊中，后車的列控系統(tǒng)將自身列車最大運行速度、最大加速度及最大制動加速度等性能參數(shù)邊界值調(diào)整為與前車同步統(tǒng)一;④虛擬編隊長度是指從頭車最大安全前端到尾車的最小安全后端的整個編隊長度。需在列車長度基礎(chǔ)上，考慮運動條件下所有列車的安全距離來確定;⑤虛擬編隊中，如后車切換至SM，則其加速度控制須根據(jù)前車的加速度來確定;⑥虛擬編隊中，后車須連續(xù)計算本車的安全速度控制曲線，準(zhǔn)備隨時斷開虛擬連接;⑦虛擬編隊中，后車在計算與前車的MSD時，須補償允許加速度。

4)響應(yīng)虛擬解掛請求。①后車列控系統(tǒng)須根據(jù)ATS列車時間表與前車進行虛擬解掛；②虛擬編隊中的后車與前隊的距離須增加到允許的安全距離時，才可請求虛擬解掛；③已虛擬解掛的虛擬編隊，頭車須重新計算虛擬編隊的列車長度；④已釋放虛擬連接的列車，須解除虛擬連接時受限的列車性能限制。

4.2 虛擬編隊的業(yè)務(wù)過程

虛擬編隊的業(yè)務(wù)過程包括虛擬連掛觸發(fā)、虛擬連掛和虛擬解掛。

1)虛擬連掛觸發(fā)的過程。列車之間的虛擬編隊預(yù)先存儲在ATS子系統(tǒng)的列車時刻表中。列車按照運營時間表，在需進行虛擬編隊的時刻觸發(fā)虛擬連掛。具體過程為：①檢查列車的牽引和制動性能是否正常。②檢查參與虛擬編隊的各車通信設(shè)備和通信狀況是否正常。③后列車向前列車發(fā)送虛擬連掛請求消息，前列車發(fā)送確認(rèn)消息回應(yīng)。對于前列車，列車的性能參數(shù)統(tǒng)一為1個較低的值，以便前列車在虛擬編隊行進時以相同的性能運行。④后列車接近前列車后，向前列車發(fā)送虛擬連掛鎖定請求消息，前列車向后列車回復(fù)虛擬連掛鎖定確認(rèn)消息。

2)虛擬連掛的過程：①當(dāng)前列車的虛擬連掛被鎖定時，前列車切換為MDM模式，后列車切換為SM模式。②前列車更新列車長度，虛擬編隊長度應(yīng)包括本列車長度和后列車長度。③前列車通過被授權(quán)，實現(xiàn)對后列車的所需資源的控制。前列車對RM進行資源預(yù)留和釋放，后列車不再與RM獨立通信，跟隨前列車。④后列車使用從前列車接收到的位置和速度信息，來計算本列車與前列車之間的MSD和控制余量，并周期性的更新MSD和控制余量。

3)虛擬解掛的過程。①列車的虛擬解掛在ATS系統(tǒng)的命令中預(yù)先存儲確定。在預(yù)定的列車時刻，后列車擴大與前列車的距離后，向前列車發(fā)送虛擬解掛的請求消息。②前列車收到虛擬解掛請求消息，釋放前列車對后列車的控制權(quán)限。③前列車向后列車回復(fù)虛擬解掛請求確認(rèn)消息，虛擬解掛后，前列車從MDM切換到ADM。④后列車在收到確認(rèn)消息后，虛擬解掛，從SM切換到ADM。

4.3 虛擬編隊的距離參數(shù)

虛擬編隊的列車距離參數(shù)包括相對間距、MSD和自由余量。三者關(guān)系如圖2所示。

圖2 虛擬編隊中前后列車的相對間距、MSD和自由余量示意圖

其中，相對間距是根據(jù)位置信息計算的前列車與后列車間距。MSD的變量值dM為：

dM=d1+d2+d3+d4+d5

(2)

式中：

d1——由測距誤差導(dǎo)致的安全距離；

d2——由應(yīng)答器定位誤差導(dǎo)致的安全距離；

d3——由車-車通信延時導(dǎo)致的安全距離；

d4——列車因ATO子系統(tǒng)控制驅(qū)動延遲而導(dǎo)致的安全距離；

d5——在故障場景下，當(dāng)前列車緊急制動時，確保后列車緊急制動能安全停止的距離。

在虛擬編隊中，所有列車的相對間距不能大于MSD。相對間距減去MSD即可得自由余量，其表示后列車可以靠近前列車的允許距離。

在虛擬編隊中，前列車和后列車在規(guī)定的時間內(nèi)交互信息。應(yīng)使虛擬編隊中的每列列車都能及時掌握其前列車的行駛狀態(tài)，并通過基于估計的MSD來計算自由余量，進而控制車速，實現(xiàn)既緊跟前列車又滿足安全距離要求。

在虛擬編隊中，車-車交互信息分為兩類：①列車運行信息，具體包括列車速度信息、列車位置信息、列車方向、虛擬列車編隊狀態(tài)信息、物理連接器的狀態(tài)信息等；②列車控制信息，具體包括：制動狀態(tài)、制動力和制動指令、電機狀態(tài)、目標(biāo)速度。

當(dāng)車車相對間距大于MSD時，后列車根據(jù)前列車的行駛信息識別前列車的速度變化情況。這可以保障后列車在前列車突然剎車的情況下不會與前列車發(fā)生碰撞，以實現(xiàn)安全停車。

5 結(jié)語

TACS將相關(guān)控制功能轉(zhuǎn)移到車載控制子系統(tǒng)中，簡化了地面設(shè)施，可減少硬件設(shè)施投資，并能提高可維護性。通過列車虛擬連掛和虛擬解掛，能實現(xiàn)對靈活運輸需求的響應(yīng)。通過對各列車工作模式的闡述，以及針對虛擬編隊列控系統(tǒng)控制流程的詳細(xì)分析，為TACS設(shè)計及工程化提供了參考。