基于车车通信的虚拟重联技术研究_陈凯.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 收稿日期:2022-07-30 修回日期:2022-12-30 作者简介:陈凯，男，硕士，教授级高级工程师，从事轨道交通控制技术研究， 引用格式:陈凯.基于车车通信的虚拟重联技术研究J.都市快轨交通，2023，36(1)：22-27.CHEN Kai.Research of virtual coupling technology based on vehicle-to-vehicle communicationJ.Urban rapid rail transit,2023,36(1):22-27.22 虚拟编组专辑URBAN RAPID RAIL TRANSIT doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.01.004 基于车车通信的虚拟重联技术研究 陈 凯（中车信息技术有限公司，北京 100036）摘 要:虚拟重联技术作为提升轨道交通运力使用效能的有效手段，可以解决现有机械重联操作繁琐、列车网络初运行效率低等问题。为提高运营的灵活性，实现安全、高效的列车追踪运行，总结分析机械重联的透明传输和闭环控制思想，在基于前车速度的列车安全间隔防护技术的基础上，依据阈值管理的动态运行调整方式，提出基于车车通信和车辆信号系统融合的虚拟重联方案。依托高质量的车车通信技术，前后车实时通信，后车充分响应前车的控制命令、运行状态等信息，确保后车始终基于前车的安全状态控车，从而实现虚拟重联列车的闭环同步控制，进一步减小虚拟重联列车内部的运行间隔，提高行车效率。关键词:城市轨道交通；车辆信号融合；车车通信；虚拟重联；同步控制 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)01-0022-06 Research of Virtual Coupling Technology Based on Vehicle-to-Vehicle Communication CHEN Kai(CRRC Information Technology Co.,Ltd,Beijing 100036)Abstract:Virtual coupling technology,an effective means to improve the efficiency of rail transportation capacity use,can solve the problems of cumbersome operation and low initial efficiency of train network existing in mechanical coupling.To improve the flexibility of operation and achieve safe and efficient train tracking,this study summarizes the ideas of transparent transmission and closed-loop control of mechanical coupling.On the basis of the safety interval protection technology of the preceding train speed and the dynamic operation adjustment mode of threshold management,a virtual coupling scheme based on vehicle-to-vehicle communication and vehicle-signal system fusion is proposed.Thanks to high-quality vehicle-to-vehicle communication technology,real-time communication occur between two vehicles,and the following train fully responds to the control command and operation status of the predecessor and always operates according to the safety status of the predecessor.In this case,the closed-loop synchronous control of the virtual coupled train can be realized and further reduce the internal running intervals of the virtual coupled train,improving the operation efficiency of the train.Keywords:urban rail transit;vehicle-signal fusion;vehicle-to-vehicle communications;virtual coupling;synchronous control 1 研究背景 轨道交通具有运能大、速度快、安全准时等优点，为了更精准灵活地匹配客流需求变化，进一步提升运力使用效能，近年来列车在线重联成为新的技术研究和实践探索的方向1-3。中国铁路总公司在车站通过两端的全自动车钩，实现动车组在线灵活编组重联及解编，按铁路 2022 年第一季度列车运行图，福州站每日有 5 组动车组在车站重联或解编后运行。城市轨道交通领域也开始研究地铁在线编组技术，近期上海地铁基于车车通信的虚拟重联技术研究 23URBAN RAPID RAIL TRANSIT16 号线根据每日客流变化、通过全自动车钩在线连挂解编调整列车4，北京地铁也正在研究全自动运行下的在线灵活编组。通过自动车钩的机械重联，为列车编组与客流变化的匹配提供了技术可能性，但也存在连挂解编操作繁琐和列车网络初运行效率低等问题，影响了列车在线连挂解编的实际使用效果。随着 LTE-M 和 5G 等新型无线通信技术的推广使用，基于车车之间无线通信的虚拟重联技术有望替代机械重联成为新的发展方向5-7。虚拟重联列车通过无线通信获取两车运行状态信息，对编组内列车进行合理控制，可进一步缩短虚拟编组间距，在确保安全的前提下，能够更加灵活，最大限度地实现高速度、高密度编组运行，发挥线路的最大通过能力8-11。本文通过对列车机械重联编组技术的对标分析，提出虚拟重联方案：以无线车载网络重联控制为核心，借助信号系统与车辆运行相关系统的深度融合，利用车与车之间无线通信，实现虚拟编组的控制数据透明传输和运行状态同步控制；基于该技术，计算和控制虚拟编组内部的最小重联运行间隔。2 机械重联编组控制技术 为了优化研究虚拟重联的控制思想，有必要先对标分析列车机械重联的控制方式。机械连挂系统通过物理节点(车钩和网络)传递纵向力和控制信号的方式，将车组间的动态行为联系起来；重联列车在任何时候都作为一个整体，以相同的速度、加速度运行；编组内的运行控制指令由一套统一的车载网络来传递，实现重联列车中牵引制动的同步控制，保证重联端车钩纵向力最小。以基于以太网列车的机械重联编组过程为例，列车机械连挂后自动触发两车网络初运行，两列车网络通过企业任务总线(enterprise task bws，ETB)重新组网，对重联编组内的所有入网设备进行统一管理，成为如图 1 所示的统一拓扑结构。主控端网络控制器利用 ETB，将主控司机室/列车自动运行(automatic train operation，ATO)的控制命令传输给重联编组内的入网设备，各个设备同步执行运行控制指令，并传递必要的反馈信号，实现对重联列车牵引、制动和辅助供电等的同步闭环控制。图 1 重联列车网络拓扑 Figure 1 The network topology of coupled trains 以“复兴号”动车组重联为例，编组间传递的控制信息包含 10 类、145 种，状态反馈信息包括 7 类、118 种，覆盖了编组列车运行所有必要的状态信息、安全信息和牵引制动指令，主要信息如表 1 所示。基于有线网络的控制信息传输周期一般为 25 ms，动车组和地铁大量的重联运行实践证明，机械重联中基于有线车载网络传输的运行同步控制机制，能够保证重联编组精确地同步运行，使车组间的车钩受力在允许范围内。除了保证运行同步控制外，为了实现列车运行的闭环控制，重联编组网络也会向主控设备传递辅助供电、空调和车门等控制信息、状态信息和诊断信息，供网络实时监控、车地无线传输和司机显示屏显示。以“复兴号”动车组重联为例，主要包括状态反馈信息 8 类 225 种，故障信息 13 类 889 种，涵盖牵引、辅助、制动、空调、乘客信息系统(passenger information system，PIS)、车门、烟火等车辆系统，此类信息的传输周期一般是在 250 ms 或 500 ms。由上述分析可见，列车机械重联运行控制的核心理念，是通过建立统一的车载网络来保证编组控制所需信息的透明传输和有效使用，从而实现整列车运行的闭环控制，保证重联编组内的两列车由统一主体进行控制，无论是运行控制、状态控制还是指令传输、数据反馈，都与单一列车控制逻辑基本保持一致。都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 24 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 表 1 机械重联编组控制命令与状态反馈 Table 1 Control commands and status feedback of mechanical coupling 序号 信息类型 主要控制信息 序号 信息类型 主要控制信息 1 生命信号 18 空调控制指令 空调温度调节指令 2 时间 19 联挂指令 后开闭机构开关指令 3 列车配置 20 线电压百分比 4 网络控制指令 列车速度 21 线电流值 5 列车运行方向 22 主断路器状态 6 牵引允许 23 受电弓状态 7 牵引启动 24 牵引力矩设定/实现值 8 力矩百分比 25 牵引状态 牵引故障状态 9 恒速控制指令 26 制动施加状态 10 牵引控制指令 牵引限速指令 27 主风管压力 11 手柄制动位状态 28 手柄制动位状态 12 保持制动请求/缓解指令 29 制动状态 轮径值 13 最大常用制动指令 30 辅助状态 辅助系统状态 14 制动控制指令 轮径值 31 烟火状态 烟火报警信号 15 空调启动指令 32 车门状态 车门状态 16 风机启动指令 33 电池电压 17 辅助控制指令 辅变控制指令 34 充电机状态 充电状态 3 虚拟重联控制技术 列车机械重联运行技术成熟、可靠，能够满足列车在线灵活连挂解编的需求，但也存在连挂操作繁琐的问题。以上海地铁 16 号线为例，在人工驾驶(RM)模式下，人工操作两列车的连挂操作需要 5 min 以上，连挂后列车网络初运行和信号系统确认也需要 100 s以上。由于在线连挂操作都是占用车站线路资源进行的，所以系统运行效率偏低。虚拟重联控制取消了物理节点连接，由基于无线通信的虚拟节点代替，列车间的虚拟编组、解编和运行通过无线通信控制，在保证灵活运营、提高运行能力的同时，可以大大提升列车重联操作效率。相对于机械重联控制，由于虚拟重联控制没有物理连接，在运行过程中车组间会有不同的动力学行为，因此该技术的核心是重联编组内部两列车之间如何高效合理地实现安全防护和同步控制，使列车以尽可能小的间隔安全运行。通过无线网络，虚拟重联编组内的列车可以建立稳定的车车通信，通过无线网关实现两列车之间类似ETB 总线的连接和传输，保证前后车控制轮询周期的同步，确保表 1 所列运行及状态数据的透明传输。在此基础上，提出基于车车无线通信的虚拟重