列車虛擬編組應(yīng)用需求及關(guān)鍵技術(shù)研究*

紀(jì)玉清 歐冬秀 常 鳴 寧 正

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院， 201804， 上海； 2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室，201804， 上海； 3.運營主動安全保障與風(fēng)險防控鐵路行業(yè)重點實驗室， 100091， 北京； 4.上海軌道交通無人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 200072， 上?！蔚谝蛔髡?， 博士研究生)

隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)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(tài)，運力不足、列車開行間隔難以再壓縮等問題愈加嚴(yán)重[1]；我國中西部地區(qū)部分軌道交通線路列車的空載率高、發(fā)車間隔長，導(dǎo)致線路能耗偏高、服務(wù)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(wù)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(biāo)如期實現(xiàn)，推動全球可持續(xù)交通發(fā)展有著重大意義。

1 列車靈活編組的需求與現(xiàn)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(qū)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(wǎng)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(jìn)入該核心通道段的多列車進(jìn)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(dān)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(fā)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(jié)編組A型車，2個支線段內(nèi)的列車發(fā)車間隔均長達(dá)12 min。因2個支線段內(nèi)客流較小，盡管列車發(fā)車間隔超過10 min，但2個支線段內(nèi)的列車空載率仍較高(非高峰時段更為明顯)。因此，若根據(jù)支線段運輸需求，在進(jìn)入支線段之前將共線段的大編組列車進(jìn)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(jié)省列車的運力損耗，又能提升支線段的服務(wù)水平。當(dāng)然，這種運營方式需匹配精準(zhǔn)的導(dǎo)乘服務(wù)，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(jié)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(yīng)對客流的“冷熱不均”和動態(tài)多變，進(jìn)一步平衡運力供給,確保滿足客運服務(wù)水平和節(jié)能減排的要求，是軌道交通業(yè)內(nèi)面臨的一大難題。目前國內(nèi)外的研究大多集中于列車固定的多編組策略，并未實現(xiàn)真正意義上的靈活編組。換言之,目前雖然支持在既定規(guī)律性時段下運行不同編組的列車，但仍無法根據(jù)實時客流分布情況快速、動態(tài)地在線上調(diào)整列車編組數(shù)。

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

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(lián)互通、跨線運營

為建設(shè)城市群一體化交通網(wǎng)，推進(jìn)“四網(wǎng)”融合發(fā)展，應(yīng)加快實現(xiàn)不同層次軌道交通列車控制系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，滿足列車跨線運營需求。列車靈活編組技術(shù)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(tǒng)的多元化、便捷化具有重大意義。

1.2 列車靈活編組的應(yīng)用現(xiàn)狀及分析

國內(nèi)外針對列車靈活編組技術(shù)展開了一系列的研究，其工程應(yīng)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(nèi)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(jī)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(shè)需求。

表1 列車靈活編組技術(shù)在國內(nèi)外各工程中的應(yīng)用對比

目前,國內(nèi)外常見的列車編組方式如表2所示。由于受站場/線路基礎(chǔ)設(shè)施裝備水平、車鉤技術(shù)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(jìn)行列車的聯(lián)掛或解編。為了提高列車編組效率、減少能源損耗，應(yīng)進(jìn)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(xiàn)列車虛擬編組方案，并對方案進(jìn)行了測試。該方案將列車間距縮減至幾米以內(nèi)，這對虛擬編組的研究與應(yīng)用產(chǎn)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(shù)

2.1 技術(shù)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(jī)械連接，實現(xiàn)靈活的列車編隊組合。該技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域是一種顛覆式的技術(shù)變革。編隊中的后行列車根據(jù)前行列車的位置、速度及加減速等數(shù)據(jù)信息，保持與前行列車的相對位置和編隊關(guān)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(lǐng)航列車，領(lǐng)航列車基于車地?zé)o線通信與地面OCC(運營控制中心)進(jìn)行數(shù)據(jù)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(quán)終點為運行控制目標(biāo)，其運行不受車隊內(nèi)其他列車運行狀態(tài)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(shù)據(jù)信息(包括位置pi,A、速度vi,A及加速度ai,A等)，并結(jié)合自身運行狀態(tài)和運營調(diào)度指令計算其運行控制目標(biāo)。因此，追蹤列車前方的列車也被稱為該車的目標(biāo)列車。各列車建立并維持編隊運行，實現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)同控制，以確保隊列內(nèi)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(gòu)成可根據(jù)客流變化進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以匹配不同線路/區(qū)域和不同時間段內(nèi)的運量差異，實現(xiàn)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(diào)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(zhì)量發(fā)生動態(tài)擾動等情況下仍能維持虛擬編組狀態(tài)及穩(wěn)定的編隊運行；編組調(diào)整控制用以實現(xiàn)車隊編組構(gòu)成的靈活調(diào)整，可進(jìn)一步細(xì)分為組編控制和解編控制兩種情況。

注：V2I——車地?zé)o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(diào)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(biāo)列車的間隔逐漸縮小至dvc。當(dāng)追蹤列車與目標(biāo)列車的運行速度一致且兩者間隔為dvc時，兩車構(gòu)成虛擬編組，以車隊形式協(xié)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(diào)整其追蹤速度，使其與目標(biāo)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(jìn)行乘降作業(yè)時，經(jīng)常需要車隊提前進(jìn)行解編。

a) 組編過程

b) 解編過程

3 列車虛擬編組的關(guān)鍵技術(shù)

基于多網(wǎng)融合、互聯(lián)互通的需求，列車虛擬編組的終極目標(biāo)是實現(xiàn)車隊“零時延”編組及車間“零距離”耦合,這需要多方面關(guān)鍵技術(shù)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(qiáng)，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(zhǔn)和實時獲取至關(guān)重要。常規(guī)的列車定位技術(shù)主要包括基于應(yīng)答器/輪軸傳感器的列車定位、全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及各種融合定位技術(shù)等，但這些技術(shù)存在定位信息不連續(xù)、定位誤差大、受信號遮擋影響等局限性，均未能達(dá)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(xù)不間斷、高精度、小誤差、抗干擾性強(qiáng)的列車位置感知和導(dǎo)航技術(shù)，突破既有列車定位技術(shù)的技術(shù)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(xiàn)還高度依賴于高質(zhì)量的車車無線通信技術(shù)，以進(jìn)行車車信息(如位置信息、速度、加速度、控制指令、狀態(tài)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(jī)制，設(shè)計一種時變復(fù)雜電磁環(huán)境下的無線通信干擾(如弓網(wǎng)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(guān)指令的實時、可靠交互。

3.3 靈活、高效的運輸組織調(diào)整

在列車虛擬編組模式下，列車在規(guī)定時間到達(dá)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(tǒng)效能的關(guān)鍵。然而，動態(tài)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(yīng)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(wù)水平、區(qū)間通行能力和運營可靠性為核心目標(biāo)，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(yīng)的編隊協(xié)同優(yōu)化

列車虛擬編組技術(shù)具有高自主化、高智能化的特點。為了積極應(yīng)對列車運行過程的突發(fā)事件，列車的調(diào)度組織應(yīng)滿足實時動態(tài)、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(guān)系，基于外部的環(huán)境變化，確定車隊內(nèi)部的協(xié)調(diào)/制約機(jī)制。為此，應(yīng)優(yōu)化小編組列車的運行次序和軌跡，規(guī)劃車隊之間的線路資源占用關(guān)系，以匹配不同的運力需求，使車隊收斂于不同隊形，充分發(fā)揮虛擬編組技術(shù)優(yōu)勢。

3.5 高安全、強(qiáng)韌性的多車協(xié)同控制與防護(hù)

車隊協(xié)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(huán)境因素變化(如網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定)等造成的影響進(jìn)行及時應(yīng)對和調(diào)整，這使得車隊有效、安全、穩(wěn)定的運行具有非常大的挑戰(zhàn)性。此時，必須進(jìn)一步強(qiáng)化列車安全防護(hù)措施?？苫诙嘬噮f(xié)同下的時空認(rèn)知規(guī)律，實時推算車隊間前后車的安全防護(hù)距離。在車隊的組編過程與解編過程中，對動態(tài)幾何拓?fù)渥儞Q進(jìn)行沖突化解與平滑優(yōu)化，實現(xiàn)運行環(huán)境變化、突發(fā)擾動等情況下的編隊穩(wěn)態(tài)控制及多車協(xié)同韌性控制，保證虛擬編組列車的運行安全。

4 結(jié)語

對于具有區(qū)域性、季節(jié)性、潮汐性等客流時空分布不均衡特性的軌道交通線路，發(fā)展以高新技術(shù)為支撐的智能化的列車靈活編組技術(shù)，是進(jìn)一步提高軌道交通線路運輸效能、推動“雙碳”達(dá)標(biāo)的有效手段。列車的靈活編組方式可采用機(jī)械聯(lián)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(shù)創(chuàng)新的核心。

從目前的發(fā)展現(xiàn)狀看，機(jī)械聯(lián)掛的“硬”聯(lián)掛方式已能在工程中穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)線路運力的靈活匹配。虛擬編組所采用的“軟”聯(lián)掛所引出的若干關(guān)鍵問題已成為當(dāng)前研究的熱點。若不能攻克本文所述的關(guān)鍵技術(shù)，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(xù)工程中應(yīng)用時，還應(yīng)進(jìn)一步探索其實施適用性和客運組織適配性。