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基于通信的列車運行控制系統典型特征研究
發布時間:2022-03-31瀏覽次數:135


隨著我國城市軌道交通技術的快速發展和推動,信號系統不斷進行代際迭代和創新。從最初的第1代固定閉塞和第2代準移動閉塞為起點,陸續實現了第3代CBTC系統、3.5代互聯互通CBTC系統、第4代全自動運行系統(FAO)以及第4.5代互聯互通FAO系統的研發和落地應用,逐漸由“跟跑”追趕到“并跑”,且逐漸有了“領跑”的趨勢。
    我國城軌信號系統快速發展,采用CBTC信號系統的線路規模也在逐年擴大。既有線路逐漸開始到達15年左右的大修或者改造年限,一大批改造需求應運而生。面對大量的改造需求,如果使用基于CBTC的列控系統進行改造,將存在以下問題:(1)改造工程實施期間要盡量保證正常運營,只能在夜間調試點進行系統調試。但除去例行維護、故障維修及其他專業調試點后,留給信號系統的調試點往往極其有限,同時還需協調地面和車輛在同一天進行調試,導致在不影響正常運營的前提下,整體調試時間也極其有限;(2)既有線路在建設階段往往沒有考慮未來改造期間的施工需求,導致機房空間有限、機房內供電能力不足以支撐另一套信號系統,所以改造期間同時布置兩套設備難度較大、可能帶來大量額外成本;(3)既有線路軌旁設備眾多、線纜鋪設極其復雜,尤其準移動閉塞制式線路不僅設備和線纜眾多,而且由于軌道電路系統和應答器系統、環線系統等同時存在,導致軌旁電磁兼容環境惡劣,對增設CBTC系統所必需的的軌旁設備將產生極大的不利影響。綜上所述,使用基于CBTC的列控系統進行既有線改造,改造成本和工程實施難度將遠遠高于新線建設。因此,需要一種架構更為精簡的列車控制系統,通過降低對地面設備的依賴,來解決目前軌道交通面臨的改造困境,即基于車車通信技術的城軌列車運行控制系統(VBTC)。

系統架構

VBTC系統包括智能列車監控系統(ITS)、無線管理集散控制系統(DCS)、對象控制器(OC)、車載控制器(IVOC)、列車鷹眼系統以及軌旁設備等系統組成。按照邏輯功能及布置地點的不同分為四層:中心層、車站層、軌旁層以及車載層,具體系統架構圖見圖2。

 

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2 車車通信列控系統架構

中心層:全線只配置一個智能列車監控系統ITS。ITS負責下發運營計劃給車載,同時接收各個列車的狀態信息,另外在列車請求救援時可調度附近列車實施虛擬連掛救援。車站層:在每個車站配置一套對象控制器OC,負責接收車載和ITS的軌旁對象資源控制命令(包括道岔、PSD、站臺緊急停車按鈕),實現軌旁對象狀態的采集和控制。對象控制器通過無線通信或DCS骨干網與列車、ITS實時雙向通信,向列車和ITS提供采集到的軌旁對象狀態。對象控制器接收并響應列車、ITS的命令,對管轄軌旁對象進行權限分配,并根據命令和權限的分配情況對道岔、屏蔽門等設備進行操控。軌旁層:軌旁不設置有源應答器,區間不設置計軸和信號機。車載層:車載設備為車車通信的核心設備,車載控制器通過雷達、速度傳感器等設備實現列車測速,采用地面應答器以及速度積分等,實現列車自主定位;通過頭尾貫通線實現完整性自檢測;利用無線通信傳輸實時地進行列車與列車、列車與地面之間的雙向通信。通過與前車的實時通信獲得前車的位置以及駕駛模式等信息,通過車地通信接收軌旁道岔、屏蔽門、緊急停車按鈕等狀態信息,計算列車的自身移動授權/允許運行速度和制動干預曲線,輸出牽引和制動控制列車運行,實現移動閉塞運行控制,保證列車安全運行。后備情況下,列車采用列車鷹眼系統主動感知SIL4繼續運行,有效的避免了既有系統故障后,系統能力發生斷崖式下降。系統特征VBTC列控系統突破了目前所有軌道交通列控系統均依賴于車站和軌旁設備實現列車運行控制的固有模式,完全依靠車載實現列車控制,符合列控系統的發展趨勢和方向,具有三大典型特征:

(一)設備進一步精簡VBTC列控系統以車載控制器為核心,最大程度縮減地面設備,方便線路設備布置。地面設備中去除了ZC、聯鎖、LEU及可變應答器,減少了區間計軸和信號機,僅通過對象控制器實現列車與軌旁設備的信息交互。簡化了軌旁設備并且縮短了數據交互周期和復雜度。列車不再通過ZC獲取運行信息,車載控制器可自主規劃安全運行路徑和計算MA,實現列車快捷的運行控制。通過精簡車站及軌旁設備,減少了投資和維護成本。施工、調試、用電、設備用房等成本均相應降低,系統主要設備建設、維護和調試集中在車載,可在車輛段日間工作,減少了夜間安裝調試工作,解決現有CBTC系統改造成本高,維護成本大的問題。車車通信系統以車載控制器為核心,全生命周期成本降低22%以上。

(二)能力進一步提升

VBTC列控系統突破傳統的區域控制器集中式的列車運行控制理論,建立全新的以列車自主控制為核心的系統控制模型。突破傳統CBTC系統結構為列車-地面-列車的列車運行控制方式,列車和列車之間直接通信,通過車-車通信獲取前車實時狀態(位置、速度、加速度等),結合對前車行駛軌跡的預測,計算兩車不發生位移重合的安全防護速度,使其能夠根據跟隨車的制動率匹配其減速度,從而實現基于相對速度制動追蹤模型的安全防護(撞軟墻)。這樣就可以在保證列車前后方安全距離的基礎上,兩個相鄰的列車就能以允許最大的速度和較小的間隔運行。車車通信列控系統正線追蹤間隔相較CBTC系統縮短11%,達到80s,折返間隔降低29%,達到85s,大大提升了運營效率。

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3 車車通信列控系統“撞軟墻”相對速度追蹤原理

(三)后備系統進一步完善

既有車車通信系統方案在信號系統故障后需要司機人工駕駛,無獨立后備系統。VBTC列控系統新增完善的后備系統, 后備級別下通過高可靠激光雷達+毫米波雷達+機器視覺+慣性測量單元(IMU)+AI人工智能深度學習算法對周圍環境進行高可靠感知,可以在視距范圍內對軌行區的車輛、行人、小障礙物、信號機狀態進行有效識別和防護,完成列車到目標物體間距離的計算,判斷碰撞風險并監控制動距離,計算相應的列車控制指令,向車輛牽引、制動子系統輸出相應的控制指令。保證在通信、地面系統等完全故障情況下,仍能夠維持基本運行能力,實現SIL4級列車安全防護及運行控制,提高降級模式下列車運行效率。車車通信列控系統在主用系統故障情況下,后備恢復時間平均縮短40%以上,解決了信號系統故障情況下,中心調度員無法快速掌握現場列車運行情況;以及司機人工駕駛的安全和效率無法保證的問題。

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4 車車通信列控系統與傳統CBTC系統后備處理過程比較

未來展望基于車車通信的列控系統能夠在建設、維護、改造等軌道交通全生命周期降低成本,滿足運能進一步提升的要求,通過完善的后備系統滿足信號系統故障情況下韌性恢復的要求,是以后軌道技術發展的方向。

在此基礎上,第5代車車通信列控系統將作為第6代自主虛擬編組運行系統的基礎技術之一,面向軌道交通網絡化建設及運營的痛點及需求,結合5G、云計算、物聯網、人工智能、大數據等新興信息技術,涵蓋車車通信、網絡化智能調度指揮、自主感知運行、虛擬靈活編組、車輛信號一體化平臺及軌旁新型基礎設施等,將進一步提升運營安全水平及乘客服務質量,降低建設及運營成本,實現路網客流-車流匹配及乘客的無縫出行服務,提升城市公共交通通行效率,滿足乘客出行方式的多樣化需求。

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