紀(jì)玉清 歐冬秀 常 鳴 寧 正

(1.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804， 上海； 3.運(yùn)營(yíng)主動(dòng)安全保障與風(fēng)險(xiǎn)防控鐵路行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 100091， 北京； 4.上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心， 200072， 上海∥第一作者， 博士研究生)

隨著軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸需求的日益增長(zhǎng)，使以下問(wèn)題更為突出：空間上，部分繁忙的軌道交通線路已接近運(yùn)力飽和狀態(tài)，運(yùn)力不足、列車開(kāi)行間隔難以再壓縮等問(wèn)題愈加嚴(yán)重[1]；我國(guó)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(zhǎng)，導(dǎo)致線路能耗偏高、服務(wù)水平偏度低。時(shí)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(guò)剩等問(wèn)題。為此,本文通過(guò)靈活編組方式,將不同類型的列車組合成不同長(zhǎng)度的車隊(duì)用于正線運(yùn)行，既能緩解客流高峰時(shí)段的運(yùn)輸壓力，又能提高非高峰時(shí)段列車的運(yùn)行效率和線路的服務(wù)水平(此時(shí)采用高密度小編組方式)，這對(duì)推動(dòng)中國(guó)的“雙碳”目標(biāo)如期實(shí)現(xiàn)，推動(dòng)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(guò)靈活大編組疏解核心通道運(yùn)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(yùn)輸壓力往往較大，其運(yùn)力直接影響和限制著整條線路乃至整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)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(jiàn)圖2)，因其處于京滬干線上，且連接鄭州、合肥2個(gè)省會(huì)城市，運(yùn)輸需求大。該核心通道段因信號(hào)制式制約列車追蹤間隔，其運(yùn)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(yùn)力瓶頸問(wèn)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(guò)靈活小編組縮短支線段的列車開(kāi)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(yùn)輸壓力較小，具有運(yùn)量較低、客流分散等特點(diǎn)。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(yùn)營(yíng)成本，支線段的發(fā)車間隔較大，乘客等待時(shí)間往往較長(zhǎng)。

以上海軌道交通11號(hào)線為例，如圖4所示，2個(gè)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(hào)線全線均采用固定的6節(jié)編組A型車，2個(gè)支線段內(nèi)的列車發(fā)車間隔均長(zhǎng)達(dá)12 min。因2個(gè)支線段內(nèi)客流較小，盡管列車發(fā)車間隔超過(guò)10 min，但2個(gè)支線段內(nèi)的列車空載率仍較高(非高峰時(shí)段更為明顯)。因此，若根據(jù)支線段運(yùn)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(yùn)行，這既能大大節(jié)省列車的運(yùn)力損耗，又能提升支線段的服務(wù)水平。當(dāng)然，這種運(yùn)營(yíng)方式需匹配精準(zhǔn)的導(dǎo)乘服務(wù)，以避免乘客錯(cuò)乘。

a) 支線型b) Y型/雙Y型c) 大交路型

1.1.3 通過(guò)列車靈活編組緩解客流在時(shí)間上分布不均

我國(guó)軌道交通客流普遍存在旺季一票難求、淡季車票過(guò)剩的季節(jié)性特征，以及高峰時(shí)段車廂較擁擠、非高峰時(shí)段空座率較高的潮汐性特征。如何積極應(yīng)對(duì)客流的“冷熱不均”和動(dòng)態(tài)多變，進(jìn)一步平衡運(yùn)力供給,確保滿足客運(yùn)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(guó)內(nèi)外的研究大多集中于列車固定的多編組策略，并未實(shí)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(shí)段下運(yùn)行不同編組的列車，但仍無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)客流分布情況快速、動(dòng)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(yùn)營(yíng)時(shí)段內(nèi)動(dòng)態(tài)匹配運(yùn)力與運(yùn)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(hào)線)

1.1.4 線間互聯(lián)互通、跨線運(yùn)營(yíng)

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(shí)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(yùn)營(yíng)需求。列車靈活編組技術(shù)可適配不同類型、不同速度等級(jí)列車之間的編組要求，對(duì)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(guó)內(nèi)外針對(duì)列車靈活編組技術(shù)展開(kāi)了一系列的研究，其工程應(yīng)用對(duì)比分析如表1所示,其中:國(guó)外項(xiàng)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(guó)內(nèi)項(xiàng)目包括北京的軌道交通11號(hào)線西段(又稱“冬奧支線”)及大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)線，以及上海軌道交通16號(hào)線等。越來(lái)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(guó)內(nèi)外各工程中的應(yīng)用對(duì)比

目前,國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的列車編組方式如表2所示。由于受站場(chǎng)/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(diǎn)(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(xiàng)目在有軌電車試驗(yàn)線上首次實(shí)現(xiàn)列車虛擬編組方案，并對(duì)方案進(jìn)行了測(cè)試。該方案將列車間距縮減至幾米以內(nèi)，這對(duì)虛擬編組的研究與應(yīng)用產(chǎn)生了新的推動(dòng)作用。

表2 不同列車編組方式的對(duì)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(guò)無(wú)線通信方式，將多個(gè)列車單元組合成一個(gè)邏輯整體，以擺脫了各列車間的機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)靈活的列車編隊(duì)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(duì)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(duì)位置和編隊(duì)關(guān)系。如圖5所示，以車隊(duì)A為例予以說(shuō)明。沿列車運(yùn)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(yùn)營(yíng)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(dòng)授權(quán)終點(diǎn)為運(yùn)行控制目標(biāo)，其運(yùn)行不受車隊(duì)內(nèi)其他列車運(yùn)行狀態(tài)的影響。其余列車為追蹤列車，追蹤列車i通過(guò)車車無(wú)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(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度指令計(jì)算其運(yùn)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(duì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的協(xié)同控制，以確保隊(duì)列內(nèi)基于相對(duì)制動(dòng)距離的虛擬編組安全間隔。行車過(guò)程中，虛擬編組車隊(duì)的構(gòu)成可根據(jù)客流變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以匹配不同線路/區(qū)域和不同時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)量差異，實(shí)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(duì)的運(yùn)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(duì)在線路條件、無(wú)線通信質(zhì)量發(fā)生動(dòng)態(tài)擾動(dòng)等情況下仍能維持虛擬編組狀態(tài)及穩(wěn)定的編隊(duì)運(yùn)行；編組調(diào)整控制用以實(shí)現(xiàn)車隊(duì)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(wú)線通信；Dvc——兩個(gè)虛擬編組車隊(duì)間的安全距離；dvc——基于相對(duì)制動(dòng)距離的兩列虛擬編組列車間的安全距離。

如圖6 a)所示，獨(dú)立運(yùn)行的多列車通過(guò)調(diào)整運(yùn)行的速度及間隔，形成新的虛擬編組車隊(duì)，該過(guò)程被稱為組編過(guò)程。組編開(kāi)始前，前后2列車的實(shí)際間隔d>dvc。組編過(guò)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(yùn)行速度一致且兩者間隔為dvc時(shí)，兩車構(gòu)成虛擬編組，以車隊(duì)形式協(xié)同運(yùn)行。

如圖6 b)所示，解編控制是將處于虛擬編隊(duì)運(yùn)行的列車通過(guò)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(duì)制動(dòng)距離追蹤的列車間隔dSEP，從而脫離車隊(duì)。在道岔處或在不同的車站進(jìn)行乘降作業(yè)時(shí)，經(jīng)常需要車隊(duì)提前進(jìn)行解編。

a) 組編過(guò)程

b) 解編過(guò)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(shí)現(xiàn)車隊(duì)“零時(shí)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(dòng)實(shí)時(shí)定位

虛擬編組列車的運(yùn)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(shí)時(shí)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(hào)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(shí)、高可靠的車車無(wú)線通信

列車虛擬編組的實(shí)現(xiàn)還高度依賴于高質(zhì)量的車車無(wú)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(yùn)行安全的前提下，亟需建立低時(shí)延、高可靠的車車通信保障機(jī)制，設(shè)計(jì)一種時(shí)變復(fù)雜電磁環(huán)境下的無(wú)線通信干擾(如弓網(wǎng)電弧脈沖寬頻無(wú)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(shí)時(shí)、可靠交互。

3.3 靈活、高效的運(yùn)輸組織調(diào)整

在列車虛擬編組模式下，列車在規(guī)定時(shí)間到達(dá)指定地點(diǎn)，組建形成合理的編組車隊(duì)，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(dòng)態(tài)變化的客運(yùn)需求、資源受限的通行能力增加了車隊(duì)在制定停站方案及列車運(yùn)行路徑等運(yùn)輸組織工作的難度。編制車隊(duì)編組計(jì)劃時(shí)，應(yīng)基于虛擬編組列車的運(yùn)營(yíng)實(shí)況及客流在時(shí)空上的分布特征，并充分考慮列車條件(如最大制動(dòng)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(yùn)營(yíng)可靠性為核心目標(biāo)，形成高效、可行的運(yùn)輸計(jì)劃和運(yùn)營(yíng)組織方案。

3.4 高智能、自適應(yīng)的編隊(duì)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(diǎn)。為了積極應(yīng)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程的突發(fā)事件，列車的調(diào)度組織應(yīng)滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、智能自適的要求。列車編隊(duì)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(duì)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(yùn)行次序和軌跡，規(guī)劃車隊(duì)之間的線路資源占用關(guān)系，以匹配不同的運(yùn)力需求，使車隊(duì)收斂于不同隊(duì)形，充分發(fā)揮虛擬編組技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

3.5 高安全、強(qiáng)韌性的多車協(xié)同控制與防護(hù)

車隊(duì)協(xié)同控制中，需要考慮列車不同車型的特點(diǎn)、運(yùn)行線路的特征，還需要對(duì)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(shí)應(yīng)對(duì)和調(diào)整，這使得車隊(duì)有效、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行具有非常大的挑戰(zhàn)性。此時(shí)，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(shí)空認(rèn)知規(guī)律，實(shí)時(shí)推算車隊(duì)間前后車的安全防護(hù)距離。在車隊(duì)的組編過(guò)程與解編過(guò)程中，對(duì)動(dòng)態(tài)幾何拓?fù)渥儞Q進(jìn)行沖突化解與平滑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行環(huán)境變化、突發(fā)擾動(dòng)等情況下的編隊(duì)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(yùn)行安全。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于具有區(qū)域性、季節(jié)性、潮汐性等客流時(shí)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(yùn)輸效能、推動(dòng)“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(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)線路運(yùn)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(wèn)題已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。若不能攻克本文所述的關(guān)鍵技術(shù)，列車的運(yùn)行安全和效率將無(wú)法得到有效保障。而虛擬編組在后續(xù)工程中應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)進(jìn)一步探索其實(shí)施適用性和客運(yùn)組織適配性。