城轨虚拟编组关键性能指标及技术探讨_刘宏杰.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 收稿日期:2022-07-04 修回日期:2022-09-08 第一作者:刘宏杰，男，河北石家庄人，博士，副研究员。研究方向为列控系统设计、集成与优化， 基金项目:中央高校基本科研业务费(2022JBQY001)；北京市自然基金轨道交通联合(L201004)；国家发展改革委(TCT-BJ11SF002)；城市轨道交通北京实验室 引用格式:刘宏杰，唐涛，张艳兵，等.城轨虚拟编组关键性能指标及技术探讨J.都市快轨交通，2023，36(1)：28-35.LIU Hongjie,TANG Tao,ZHANG Yanbing,et al.Discussion on the key performance indicators and technologies of virtual coupling in metrosJ.Urban rapid rail transit,2023,36(1):28-35.28 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 虚拟编组专辑doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.01.005 城轨虚拟编组关键性能指标及技术探讨 刘宏杰1,3，唐 涛2，张艳兵1,3，柴 铭1,3，罗啸林2,3（1.北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；2.北京交通大学轨道交通控制 与安全国家重点实验室，北京 100044；3.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）摘 要:列车虚拟编组技术能够实现车辆资源的高效灵活利用，是解决轨道交通客流时空分布不均衡问题的有效方法，已成为国内外的研究热点。既有研究借鉴了汽车编队追踪的思路，主要关注于列车稳定追踪的相关方法，未能完全适应轨道交通的实际需求。针对城市轨道交通(简称“城轨”)虚拟编组研究的需要，深入分析城轨列车运行的特征，在此基础上总结提出包括站台停车时间差等在内的城轨列车虚拟编组应符合的技术性能指标；其次，针对虚拟编组的技术特征，提出包括大小交路和 Y 型线路等适合列车虚拟编组的潜在应用场景，并对实现虚拟编组的关键技术及其原理进行介绍，可为城轨列车虚拟编组研究提供参考。关键词:城市轨道交通；虚拟编组；客流时空分布；性能指标；停车时间差；动态编解 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)01-0028-08 Discussion on the Key Performance Indicators and Technologies of Virtual Coupling in Metros LIU Hongjie1,3,TANG Tao2,ZHANG Yanbing1,3,CHAI Ming1,3,LUO Xiaolin2,3(1.National Engineering Research Center of Rail Transportation Operation and Control System,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044;2.State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044;3.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044)Abstract:Virtual coupling has become a hot topic worldwide.It is supposed to be able to enhance efficient and flexible utilization of vehicle resources,and is an effective technology to solve the problem of uneven spatial and temporal distribution of passenger flows in railways.Existing research adopts the idea of vehicle platooning in road traffic and mainly focuses on the methods to keep the stability of train tracking,while this main focus fails to fully meet the actual needs of railways.Aiming at the application of virtual coupling in urban rail transit(hereinafter metro for short),this work first analyzes the real characteristics of metros,based on which summarizes the key performance indicators(KPIs)that should be met by virtual coupling in metros,such as parking time difference and so on.Then,potential application scenarios suitable for virtual coupling are proposed,including large and small routes,Y-topology tracks,etc.Furthermore,key technologies of virtual coupling are introduced,to provide a guidance for future research on virtual coupling in metros.Keywords:urban rail transit;virtual coupling;spatial and temporal distribution of passenger flows;performance indicators;parking time difference;dynamic coupling and decoupling 城轨虚拟编组关键性能指标及技术探讨 29URBAN RAPID RAIL TRANSIT 城轨交通具有安全、高效、快速、便捷、舒适、节能等优点，是大城市交通出行的首选方式，近年来得到快速发展。但随着网络规模和客流的不断增长，城轨客流时空分布不均衡的特性逐渐凸显出来。既有列车固定编组的运营组织方式难以实现“按需运输”，既影响服务质量的进一步提升，也制约节支降耗和“双碳”等战略目标的达成。为此，实现车辆资源高效灵活利用、进而支持运能精准按需投放的列车虚拟编组技术得到国内外广泛关注1，已成为目前的研究热点。然而，目前国内外对于列车虚拟编组应符合的性能指标尚缺乏系统性梳理和定义，既有文献对列车虚拟编组技术的研究也难以全面涵盖轨道交通真正需求。例如，Shift2Rail 计划下的 X2Rail 系列项目和MovingRail 等项目2虽然已经对虚拟编组概念、部分关键技术原理甚至经济和技术可行性进行了研究，但对于其性能指标的研究却较少，主要关注了列车间隔距离(下文简称“间距”)的缩短程度。与之类似，西班牙 CAF 公司针对有轨电车3、俄罗斯 AVP 公司针对重载列车4也分别进行了虚拟编组的实验验证，仅关注于追踪间距的缩短。学术界也对列车虚拟编组的小间距追踪控制方法进行了研究，大多主要关注列车在站间运行过程中保持稳定追踪的控制方法5-7，少量关注了对虚拟编组列车形成过程的优化控制方法8。但对在城轨运输中扮演着极为重要角色的站台作业过程相关要求，学术界和工业界均缺乏关注。基于上述原因，本文结合国家发展改革委“智慧城轨新一代智能列车运行系统及平台”示范工程建设项目需要，首先通过深入分析城轨列车作业特征，结合虚拟编组的优势特点，总结提出了面向城轨实际需求的列车虚拟编组技术性能指标；进而介绍了城轨虚拟编组的适用场景和关键技术原理，可为城轨虚拟编组技术研究方向的确定提供参考。1 列车虚拟编组研究现状 1.1 列车虚拟编组概念的提出和发展 列车虚拟编组概念最早由 Bock 等9借鉴道路交通中汽车编队追踪的方式，针对货运列车运能提升等问题而提出。其基本概念如图 1 所示，一个虚拟编组列车由两个或多个列车单元通过虚拟连挂而构成。每个列车单元都具备独立的牵引制动、通信以及运行控制能力。列车单元间不依赖车钩连接，而是通过车车信息传输和协同控制的方式维持小间距(至少远小于绝对制动距离，目标是接近车钩连接的列车单元间距)追踪，且列车单元可在运行过程中根据需要动态地加入或离开编组。图 1 虚拟编组列车概念示意图 Figure 1 Basic concept of virtually coupled train set 欧洲 Shift2Rail 将列车虚拟编组作为重点工作纳入其 2015 年的工作计划中，并自 2016 年开始先后资助了 X2Rail 系列项目和 MovingRail 等项目，对虚拟编组的概念、关键技术原理和可行性等进行了研究，并将该概念推广到包括货运铁路、高铁和干线铁路、城际铁路、市域和城轨等在内的各制式轨道交通2。自此，世界范围内纷纷开展了对列车虚拟编组的概念和相关技术的研究和验证工作3,4,10-12。我国也加大了对虚拟编组技术研究的投入，其中，2020 年发布的中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要将“虚拟连挂的多列车协同编组技术”纳入了建设重点13；2021 年国家发展改革委设立“智慧城轨新一代智能列车运行系统及平台”示范工程(简称“示范工程”)建设项目14，支持基于北京地铁 11 号线和 19 号线对虚拟编组等关键技术进行研究和测试验证。1.2 既有研究中关注的列车虚拟编组性能指标 虽然 Shift2Rail 计划下的 X2Rail-315等项目对虚拟编组的潜在优势进行了较为全面的梳理，提出了包括提升编组和解编(简称“编解”)效率和灵活性，缩短追踪间隔以提高线路运能，通过按需运行提升车辆资源利用的灵活性和效率，降低建设、运营和维护成本等，但既有研究并未对上述指标进行全面分析和继承。实际上，既有虚拟编组控制方法相关的研究中，关注的主要性能指标可分为以下 4 类：1)大多数文献针对列车在区间运行过程的追踪问题进行研究，提出包括列车追踪控制方法和分析系统稳定性等。例如，Felez 等5研究了基于模型预测控制(model predictive control，MPC)的方法，实现了虚拟编组各列车单元固定小间距追踪运行；Liu 等6针对虚拟编组列车巡航运行过程，提出了一种基于最优控制的方法，保证了列车单元追踪间距的队列稳定性；Liu 等7设计了基于分布式鲁棒 MPC 的追踪控制方法，该方法能够实现扰动环境下的虚拟编组列车稳定追都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 30 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 踪；Su 等16针对含坡道的线路提出了一种非线性列车单元追踪间距下的控制方法，可使虚拟编组列车安全、稳定运行。2)部分文献研究了列车单元追踪距离的影响因素，并研究虚拟编组对追踪间距的缩短程度。Xun等17提出了一种列车协同避撞方法，通过最小化相邻列车单元的相对动能，在保障安全的前提下缩短追踪间距。Quaglietta 等18研究了列车单元追踪间距与列车性能(包括列车控制性能、控制响应延时、信息传输延时等)的关系，指出更小的追踪间距有助于提升线路运能，并指出：相比于