城市軌道交通信號與車輛融合控制技術研究

劉小龍,朱今朝,龍 飛

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266000）

隨著國內經濟發(fā)展和一系列城市化進程，城市軌道交通因其運量大、速度快等特點，成為解決城市交通問題的主要手段[1]。截至2020 年底，中國大陸共45 個城市開通城市軌道交通，運營里程7 969.7 km，投運車站4 681 座，2020 年客運量175.9 億人次，運營服務水平、運營安全、運營經濟性面臨突出挑戰(zhàn)[2]。2020 年9 月習近平主席在聯(lián)合國大會上發(fā)表重要講話，表明應對氣候變化《巴黎協(xié)定》代表了全球綠色低碳轉型的大方向，中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和[3]。2020 年3 月中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，部署以智能技術裝備體系下的課題研究，全面提升列車控制自動化、智能化和運營維護水平。

軌道交通行業(yè)建設轉向了新階段：涵蓋規(guī)劃、設計、建造、運營、維護全流程，綜合考慮降低全生命周期成本、提高服務水平和低碳綠色環(huán)保的精細化建設和管理階段[4]。因此，本文提出一種信號和車輛的融合技術，設計了融合系統(tǒng)的控制架構，將信號控制和車輛控制融合成一個控制程序，即融合控制器，該融合技術消除了車輛和信號控制的邊界，簡化了系統(tǒng)結構，提高了數據傳輸速度和數據交互性能，改善了乘客體驗，提升了設備和運營管理水平，提高了系統(tǒng)智能化水平，使融合系統(tǒng)更加低碳、節(jié)能。

1 融合系統(tǒng)方案

1.1 融合系統(tǒng)架構

融合系統(tǒng)是基于集約型網絡、一體化平臺的地鐵融合控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括車載硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護工具等。融合系統(tǒng)在國家發(fā)改委示范工程“列車自主運行系統(tǒng)”現(xiàn)有成果基礎上，進一步深化研究和拓展應用，以“安全可靠、高效便捷、綠色環(huán)保”為目標，重點對軌道車輛以及車載核心系統(tǒng)進行智能化升級，構建列車智能控制一體化解決方案。信號與車輛融合的架構如圖1 所示。

圖1 融合系統(tǒng)架構示意Fig.1 Fusion system architecture diagram

融合系統(tǒng)中，融合OCU 代替了傳統(tǒng)系統(tǒng)中ATO 和CCU 的控制功能，減少了系統(tǒng)接口，縮短了數據鏈路，硬件設備也實現(xiàn)了融合[5]。本地控制單元用于處理車輛硬線I/O 控制、牽引和制動輸入/輸出控制，當中央控制中心由于故障等原因降級時[6]，本地控制單元在降級模式下承擔牽引制動的本地控制功能。

融合OCU 采用冗余以太網網絡，使用TRDP協(xié)議，各個控制單元和車輛子系統(tǒng)之間通過該網絡進行信息交互[7]。融合OCU 為雙機熱備結構，當一系出現(xiàn)故障時，另外一系自動升級為主系[8]。

融合系統(tǒng)結構如圖2 所示。

圖2 融合系統(tǒng)結構示意Fig.2 Fusion system structure diagram

1.2 融合網絡架構

融合系統(tǒng)網絡基于大帶寬、高實時的以太網，融合系統(tǒng)網絡將所有列車控制相關設備均作為節(jié)點納入統(tǒng)一網絡管理。融合系統(tǒng)的網絡通信遵循IEC 61375 標準，基于融合系統(tǒng)網絡的控車具有高帶寬、低延時、綜合優(yōu)化控制的優(yōu)點。融合系統(tǒng)網絡采用多網融合設計，車載、牽引、制動、網絡多系統(tǒng)統(tǒng)一進行調度控制[9]。融合系統(tǒng)網絡為安全架構，使用冗余網絡配置，車輛級和列車級均為故障導向，系統(tǒng)安全可靠。

2 融合系統(tǒng)功能及優(yōu)化

2.1 單車及多車節(jié)能運行控制功能

傳統(tǒng)的信號與車輛的控車時效性較差，沖擊率較高，乘客的舒適性較差[10]。融合系統(tǒng)通過對惰行的智能控制，合理地調節(jié)惰行，實現(xiàn)節(jié)能運行。

單列車整車控制節(jié)能技術根據惰行節(jié)能控制原理，在巡航階段根據線路信息及運行情況，智能調節(jié)列車惰行時間，提高了乘客舒適性、停站精度。

多車協(xié)同節(jié)能控制技術基于單列車整車控制節(jié)能技術，通過線路級整體的控制，多車聯(lián)動，自動生成并優(yōu)化列車運行圖，得到列車總凈能耗的全局最優(yōu)解，提升運營效率的同時降低能耗[11]。

2.2 融合智能控車優(yōu)化

融合系統(tǒng)中，融合OCU 包含ATO 和TCMS的功能，直接與牽引制動系統(tǒng)交互，參與整車牽引力制動力計算和分配。融合后通信鏈路短，時效性更高。

隨著車輛使用年限的增加，車輛性能不同程度地降低，傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)會使用保守的減速度值，直接影響停站精度。融合系統(tǒng)使用智能調節(jié)的站停曲線計算方法，能夠根據歷史曲線、實時載荷（AW0～AW3）以及實時牽引制動性能，智能調整GEBR，根據不同的線路條件和實際控車效果，對站停曲線進行自適應調整，實現(xiàn)站臺精確停車的計算，提高列車精確停車的準確率，減少站停過程中的能耗，實現(xiàn)低碳節(jié)能[12]，如圖3 所示。

圖3 融合智能控車流程Fig.3 Integrated intelligent vehicle control flow chart

2.3 融合全自動聯(lián)掛解編功能

融合系統(tǒng)直接和車輛子系統(tǒng)進行信息交互通信鏈路短，時效性更高，基于融合系統(tǒng)架構，融合OCU 實現(xiàn)全自動聯(lián)掛解編功能，提高運營效率，提升乘客體驗，如圖4 所示。

圖4 融合全自動聯(lián)掛解編功能流程Fig.4 Integrated full-automatic coupling and uncoupling functional flow chart

融合系統(tǒng)的全自動聯(lián)掛解編功能流程如下。

中央調度中心遠程下發(fā)“聯(lián)掛/解編”指令，由ATP 轉發(fā)“聯(lián)掛/解編”指令至融合OCU；

融合OCU 基于“聯(lián)掛/解編”指令，進入“聯(lián)掛/解編”工況；

車輛獲取“聯(lián)掛/解編”工況和指令，自動執(zhí)行聯(lián)掛或解編；

待聯(lián)掛或解編后，車輛由新的編組組成，通過車輛硬線輸出“列車完整性”和“駕駛室激活”狀態(tài)；

車輛反饋“聯(lián)掛/解編成功”和編組信息；

ATP 通過“聯(lián)掛/解編成功”信息以及車輛硬線“列車完整性”，若判定列車完整性丟失，ATP施加緊急制動。

2.4 車廂載客量實時追蹤引導功能

傳統(tǒng)軌道交通時常會出現(xiàn)列車某些車廂非常擁擠而另外一些車廂人數不多的情況。有時還會出現(xiàn)乘客大量擁擠，導致無法上車甚至造成列車延誤[13]。

為解決這些問題，融合系統(tǒng)采用對每節(jié)車廂載客量實時追蹤技術。利用車廂攝像頭圖像智能分析每節(jié)車廂的人數，引導乘客乘車，從而提升運營效率[14]。

在車廂載客量實時追蹤引導功能的流程中，首先在列車車門關閉鎖緊后，牽引制動單元實時更新每節(jié)車廂的當前載重數據并將數據傳送給融合OCU，每節(jié)車廂的攝像頭通過圖像識別技術得出每節(jié)車廂的乘客人數并將數據傳送給融合OCU。融合OCU 獲取車廂載重信息和人數信息，對比兩者數據，而后將載客信息和站臺號等信息推送至下一站站臺PIS/PA，站臺PIS/PA 獲取消息后，提前在站臺顯示每節(jié)車廂對應的載客率，向乘客標識出較為空曠的車廂，引導乘客乘車。

2.5 融合智能自檢

融合系統(tǒng)中，融合OCU 直接與車輛各個子系統(tǒng)交互，融合系統(tǒng)可以逐條指令發(fā)送到車輛各子系統(tǒng)，使用并行處理的方式減少自檢時間，完成自檢。使用詳細的反饋結果替代傳統(tǒng)系統(tǒng)籠統(tǒng)的單一結果，提高列車的出車效率，減少人工上車喚醒列車的情況，自檢失敗的詳細子系統(tǒng)信息將上傳給ATS，幫助運營調度中心快速定位自檢失敗的具體位置，有效地提高了自檢的效率和準確性，提升運營效率，低碳節(jié)能。

3 融合仿真平臺測試與分析

基于融合系統(tǒng)，圍繞著車載控制設備，以覆蓋軌道交通全系統(tǒng)的思維，建設一體化仿真平臺，如圖5 所示。

圖5 融合一體化仿真平臺Fig.5 Integrated simulation platform

基于融合一體化仿真平臺測試，融合功能的性能指標提升較大。正線列車設計最小追蹤間隔79 s，減少時間13%，無線通信延遲時間減少4.33%，牽引階段時間減少27.7%，制動階段時間減少13.4%，停站時間減少16.7%，旅行時間減少5%，列車停車精度在±0.2 m 的兌現(xiàn)率為99.98%[15]，如表1 所示。

表1 單車運行控制算法能耗對照Tab.1 Comparison of energy consumption of single vehicle operation control algorithm

基于當前的融合平臺，對單車及多車節(jié)能運行控制功能進行仿真測試，和傳統(tǒng)系統(tǒng)對比得出的性能和能耗數據如表2 所示，可以看出融合后的系統(tǒng)大大節(jié)省了系統(tǒng)能耗。

表2 多車協(xié)同節(jié)能優(yōu)化控制能耗對照Tab.2 Comparison of energy consumption of multi-vehicle collaborative energy-saving optimization control

通過融合一體化仿真平臺得到的智能自檢測試數據如表3 所示。

表3 智能自檢測試數據Tab.3 Intelligent self-test data

通過仿真分析與對比得出信號與車輛融合系統(tǒng)，對單車進行的控制策略優(yōu)化，預計將減少14%的牽引能耗，對多車協(xié)同的節(jié)能控制技術的應用，在小發(fā)車間隔和大發(fā)車間隔下，將分別減少17%和10%的牽引凈能耗。傳統(tǒng)系統(tǒng)中信號與車輛的聯(lián)合自檢，大約34 min，融合后理想情況下縮短為28 min，約提升20%。融合智能控車優(yōu)化，融合全自動聯(lián)掛/解編功能以及車廂載客量實時追蹤引導功能，預計將帶來10%左右的效率提升，減少20%左右能耗。總體來看，信號與車輛融合系統(tǒng)的應用可減少10%的車載設備、15%的設備面積、30%的現(xiàn)場安裝調試時間、30%的維護工作量，系統(tǒng)全壽命周期成本約降低20%，融合系統(tǒng)的使用將帶來“20%能耗降低，10%運能提升，10%用車減少”。

4 結論

信號與車輛融合系統(tǒng)作為下一代技術的發(fā)展方向，其優(yōu)點在于重新界定了信號和車輛的邊界，由車載融合OCU 統(tǒng)一運算和控制，精簡了控制架構，融合系統(tǒng)關鍵設備均采用冗余架構，能更好地協(xié)同控制和進行故障導向，提高控車精度，縮小運行間隔，抑制列車沖動，減少閘瓦磨耗，并且提高了車載系統(tǒng)的可靠性，發(fā)生故障時縮小對系統(tǒng)的影響范圍，提高列車的可用性。融合控制系統(tǒng)還承擔對車輛自身狀態(tài)監(jiān)測和健康管理功能，降低了維護成本，減少了維護工作量以及維護難度。融合系統(tǒng)利用智能技術，提升融合系統(tǒng)整體安全和可靠水平，保障乘客和列車運營的安全，改善乘客出行體驗，提升運營效率、低碳節(jié)能環(huán)保，具有高安全性、高可靠性、高可用性、高可維護性的特點。