基于现代无轨列车的路径跟踪控制研究

基于现代无轨列车的路径跟踪控制研究

刘新新

中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市 064000

摘要：城市轨道交通的快速发展使得列车运输性能得到极大提升。以列车为中心的列车自主控制系统在精简原系统架构的同时，实现了多业态运输方式，同时提升了运力，成为下一代城市轨道交通列车控制系统发展的方向。基于此，本文章对基于现代无轨列车的路径跟踪控制研究进行探讨，以供相关从业人员参考。

关键词：无轨列车；路径跟踪控制；研究

引言

实现轨道交通线路间的互联互通运营是轨道交通建设最理想的模式，可提高运输组织的灵活性，节约大量的人力、物力，符合国铁干线、城际铁路、市域铁路及城市轨道交通“四网融合”模式的发展要求。信号系统是保障轨道交通线路安全运行和高效运营的重要系统。

一、以列车为中心的自主控制系统

列车通信的ＣＢＴＣ系统架构类似，以列车为中心的自主控制系统由地面系统和车载系统组成。地面系统包括ＡＴＳ（列车自动监控）系统、ＲＭ（资源管理器）和ＯＣ（目标控制器）。其中，ＲＭ负责管理共享资源，包括轨道、道岔和ＰＳＤ（站台门）的资源，其不能决定共享资源是否被拥有和控制，只通过信号量的互斥功能，完成共享资源的记录和管理；ＯＣ实现对轨旁设备的操作。车载系统包括无线通信设备、ＡＴＯ（列车自动运行）系统和ＡＴＰ（列车自动防护）系统。与ＣＢＴＣ中的ＺＣ（区域控制器）计算移动授权、联锁建立进路和控制道岔功能的设计不同，自主控制系统的车载ＡＴＰ通过与前车直接通信，接收前车的位置和速度信息，同时接收来自ＲＭ提供的资源占用情况，并计算出列车运行速度曲线，自主确定列车运行的移动权限，控制与前车的安全行车距离；ＡＴＯ则能实现自动驾驶等的非安全功能。

二、地铁车辆的制动系统

为了保证地铁车辆安全运营，地铁车辆的制动系统通常设有常用制动、紧急制动、保持制动等制动功能。常用制动采用电空复合控制方式，优先使用电制动，若电制动力不足则由空气制动补充。紧急制动优先于常用制动，具有故障导向安全功能，根据紧急安全回路的高低电平状态分别缓解和施加纯空气制动，紧急制动可以由下列条件触发：车辆后溜故障、蘑菇按钮、列车超速、ATP系统等。保持制动采用一个固定制动力值，在车辆停车前的低速运行中空气制动将代替电制动实施保持制动，它可避免车辆在坡道上停车和启动时因溜车引发安全事故。

三、基于现代无轨列车的路径跟踪控制

（一）列车接近预警系统

列车接近预警系统的主要功能包括列车多源融合定位、基于5G网络的车车通信，以及列车接近预警功能。作为系统功能实现的核心，车载预警处理设备通过列车多源融合定位功能，确定自身所属列车的运行位置信息，并将自身位置信息上报至车车通信服务器；车车通信服务器根据管辖范围内列车的位置，将一定范围内的列车纳入车车通信网络，网络内列车之间建立车车通信关系，交互运行位置信息，进行列车接近预警逻辑计算，识别运行在同一线路、同一行别的正线追踪列车，实时计算列车追踪距离；当列车追踪距离满足接近预警条件时，发出接近预警信息，提示司机采取处置措施。

（二）列车灵活编组

城市轨道交通线路客流随时空变化是不平衡的，最为突出的特点是由于上下班出行带来的潮汐客流现象，这在连接市区与郊区的通勤线路上尤为明显。目前解决潮汐客流最直接的措施是在客流高峰时段投入更多的运营列车，以缩短行车间隔、提高运力。而在客流非高峰时段，为了提高运营列车的利用率，一般通过增加行车间隔来减少运营列车数，这在一定程度上降低了服务质量。另一个有效的举措是实行列车灵活编组运营，针对全天不同时段或不同区段的客流差异，在保证各时段/区段均能提供较优服务质量的前提下，通过改变运营列车的编组数，在运输组织上实现运量与运力的最佳协同。这样，可以合理优化各时段的列车满载率，解决因客流在时段分布不均衡造成的运力浪费问题，提高城市轨道交通的运输经济性。

（三）列车运行预报系统

列车运行预报系统从运输管理层面出发，叠加先进的无线通信定位技术、传感技术、深度视频识别技术等全新技术，解决列车接近预报警问题。列车运行预报系统主要依靠铁路运输调度指挥系统中的区段占用（或空闲、锁闭）、信号机开放（或关闭）、道岔定位（或反位）等信息，计算车辆位置及进路信息，结合通过无线通信高精度定位技术、视频识别技术、列车运行传感技术等确定的现场作业人员位置精确信息，动态计算防护区域，过滤无关信息，使各专业作业人员在工作中受到保护，提升安全管控水平。

（四）列车自动监控系统

列车自动监控系统（ATS）的主要功能是对列车识别号进行追踪，对识别号进行传送，对识别号进行展示，对运行图进行设计、管理、调节、统计、报告和监测等等。列车识别号的追踪、传输和显示，就是列车从起始地点占用转换轨过程中的追踪，指导列车到达最终地点离开转换轨的追踪。列车识别号可以借助列车自动监控系统自动显示，也可以让相关的调度工作人员进行设置和修改。这个系统具备自动跟踪列车的功能，并且可以在进行列车追踪的过程中对其他各类信息进行录入和保存，把全部列车的识别号，运行位置和时刻表等等数据信息展示在用户界面上面。制定运行图需要结合列车组织的实际，列车运行参数等数据信息，让相关的工作人员输入基础的数据信息，主要有不同列车运行区间的运行间隔、运行时间、运行线路、客流量和停站时间等等信息，借助计算机设备辅助自动设计然后形成运行图，并且在制定运行图的过程中，可以对存在的问题进行自动检测，然后对问题产生的原因进行分析，借助有效措施进行解决。

（五）移动闭塞模式的列控系统

随着通信技术的发展，在基于通信的列车控制系统(CBTC)等移动隔离模式的柱控制系统中，地面柱控制设备(ZC)可以根据实时位置等信息计算出车辆对地、车辆的连续通信， 接收列车报告的地面信号设备状态和入口道路状态。嵌入式列控制设备(VOBC)根据ZC为其计算的ma信息计算安全保护速度，并控制列车的安全运行。 传统的r固定锁定模式和基于CBTC的移动锁定模式都基于传统的锁定通道，输入是最小的控制单元，以便集中管理输入通道(分支、轨道段等)内的线路资源。虽然这可以有效确保列车运行的安全，但实践证明，这种方法不能最大限度地利用线路资源，限制列车的跟踪和返回间隔以及线路的运输能力。随着城市轨道交通发车间隔缩小，基于传统车道的列车间隔保护方法的弊端越来越明显。

（六）基于软件定义网络的列车控制与管理

SDN交换机使用openflow机制获取连接到以太网接口的设备的属性并建立本地网络拓扑。如果一个SDN交换机连接到另一个SDN交换机，则同时生成另一个SDN交换机的网络拓扑，从而形成TCMS的全局网络拓扑。CCU读取本地配置文件，解析网络拓扑，并使用SDN配置功能获取TCMS网络拓扑。如果两个网络拓扑是一致的，则本地计算机将根据cclu分发的应用程序软件和配置信息指令中的目标IP地址将文件发送到相应的设备，cclu将存储所有应用程序和配置信息。如果存在不一致的情况，将报告拓扑差异，用户可以从报告中查找并解决问题。配置完所有设备后，重新启动TCMS。此时，TCMS网络中的所有设备都将启动加载的应用程序并根据配置的功能运行，同时TCMS正在运行。

结束语

以列车为中心的自主控制系统的系统功能和场景分析为系统的应用和工程化应用奠定了基础。同时，运行场景将随着系统运营过程中也不断丰富和完善，进而科学合理规范列车运行过程，更好地服务乘客。

参考文献

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