基于车车通信的移动闭塞制式下列车追踪距离控制研究

Train Headway Control in Moving Block Mode Based on Train-to-train Communication

摘要

基于车车通信的移动闭塞是移动闭塞制式的一种新形式，其在前车和后车之间建立通信通道，后车在确定追踪目标点的时候考虑前车在制动过程中的前进距离，能实现比移动闭塞更紧密的列车追踪。通过对基于车车通信的移动闭塞制式下的列车追踪距离进行研究，并与既有固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞等闭塞制式进行对比分析，提出一种基于T值的列车追踪距离优化方法，该方法通过设立列车追踪稳定范围，做到了兼顾列车运行过程中的稳定性、舒适度与追踪距离。最后利用模拟软件，根据某一具体线路环境和列车条件进行仿真验证。仿真结果表明：与既有闭塞制式相比，启用基于T值的追踪距离优化方法能使基于车车通信的移动闭塞制式具有更加显著的优势。

Abstract

The moving block mode, enabled by train-to-train communication, is an innovative approach within train control. It established a communication channel between the preceding and tracking train, enabling the latter to factor in the progress distance of the preceding train during the braking process when determining the tracking target point, which can achieve closer train tracking than moving blocks. This study investigated the train headway based on the train-to-train communication moving block system and contrasted it with the existing block systems such as fixed blocking, moving-like blocks, and moving blocks. On this basis, a T-value-based optimization method for train headway was proposed. This method established a stable range for train headway, achieving a balance between stability, comfort, and train headway during train operation. Finally, simulation verification was conducted using simulation software based on a specific line environment and train conditions. The simulation results show that the T-value-based optimization method significantly enhances performance, offering distinct advantages over existing blocking systems.

Graphical abstract

关键词

车车通信 / 移动闭塞 / 追踪距离优化 / 稳定性与舒适度 / 行车效率

Key words

Train-to-train Communication / Moving Block / Headway Optimization / Stability and Comfort / Operation Efficiency

0　引言

固定闭塞是我国干线铁路采用的闭塞形式，它将2个车站之间的区间划分为若干个固定的闭塞分区，在列车运行过程中，闭塞分区固定不变，后车最多可运行至前车所占用闭塞分区的入口处^[1]。由于闭塞分区的长度限制，固定闭塞模式下列车的追踪距离已不能进一步缩短，两车之间的空间间隔不能充分利用。移动闭塞是相对于固定闭塞而言更高级的闭塞方式，它打破了地面固定闭塞分区的限制，后车以前车的最小末端+安全距离为目标点进行追踪，能更有效地利用两车间的空间间隔^[2]。

基于车车通信的移动闭塞是移动闭塞制式的一种新形式，它通过在前车与后车间直接建立通信的方式，使得后车能实时获得前车的位置、速度、加速度等信息，作为后车追踪点计算和速度控制的依据^[3-4]。在基于车车通信的移动闭塞系统中，考虑列车追踪距离、列车运行过程中的稳定性与舒适性等因素，如何实现前后两车运行间隔的动态调控是研究重点。

1　基于车车通信的移动闭塞系统原理

通信技术和列车自主定位技术的发展为基于车车通信的移动闭塞系统奠定了基础。在基于车车通信的移动闭塞系统中，前车与后车直接建立通信链路，后车能实时获得前车的位置、速度、加速度等信息，并自主计算行车许可，自主控制列车运行^[5-6]，基于车车通信的移动闭塞系统原理如图1所示。在车车通信的列控系统中，前车与后车的耦合关系更强，后车依据前车的位置、速度和加速度信息自主计算行车许可，并实现对自身的速度和加速度控制，调整与前车的追踪距离。

2　不同闭塞制式列车追踪距离

2.1　固定闭塞制式下列车追踪距离

固定闭塞将线路划分为若干固定的闭塞分区，后车最多可运行至前车所占用闭塞分区的入口处，后车速度阶梯控制^[7]。四显示固定闭塞制式下列车追踪距离原理如图2所示。

四显示固定闭塞制式下列车追踪距离计算公式为

S_{\mathrm{四显}\mathrm{示固}\mathrm{定闭}\mathrm{塞}}=\mathrm{4}{S}_{\mathrm{闭}}+S_{\mathrm{车长}}⑴

式中：S_{\mathrm{四显}\mathrm{示固}\mathrm{定闭}\mathrm{塞}}为四显示固定闭塞制式下列车追踪距离；S_{\mathrm{闭}}为闭塞分区长度；S_{\mathrm{车长}}为列车车长。

2.2　准移动闭塞制式下列车追踪距离

准移动闭塞原则上也属于固定闭塞的一种。它依然将地面划分为若干固定的闭塞分区，后车最多可运行至前车所占用闭塞分区的入口处，与传统固定闭塞不同的是，后车速度按一次连续曲线控制^[8]。准移动闭塞制式下列车追踪距离原理如图3所示。

准移动闭塞制式下列车追踪距离计算公式为

S_{\mathrm{准移}\mathrm{动闭}\mathrm{塞}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{制动}}+S_{\mathrm{入口}}+S_{\mathrm{车长}}⑵

式中：S_{\mathrm{准移}\mathrm{动闭}\mathrm{塞}}为准移动闭塞制式下列车追踪距离；S_{\mathrm{延迟}}为ATP反应时间内后车走行距离；S_{\mathrm{制动}}为ATP计算的安全制动曲线下列车前行距离，列车速度高于安全制动曲线时ATP会输出制动；S_{\mathrm{入口}}为前车所在闭塞分区入口距前车尾部的距离。

2.3　移动闭塞制式下列车追踪距离

移动闭塞与固定闭塞、准移动闭塞相比，取消了地面固定的闭塞分区，追踪目标点设置为前车车尾加固定安全距离处^[9]。移动闭塞制式下列车追踪距离原理如图4所示。

移动闭塞制式下列车追踪距离计算公式为

S_{\mathrm{移动}\mathrm{闭塞}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{制动}}+S_{\mathrm{安全}}+S_{\mathrm{车长}}⑶

式中：S_{\mathrm{移动}\mathrm{闭塞}}为移动闭塞制式下列车追踪距离；S_{\mathrm{安全}}为后车目标停车点与前车后端之间的安全距离。通常情况下，S_{\mathrm{安全}}取值比S_{\mathrm{入口}}小，因此移动闭塞制式下列车追踪距离比准移动闭塞制式更短。

2.4　基于车车通信的移动闭塞制式下列车追踪距离

移动闭塞的追踪点设置为前车车尾加固定安全距离处，认为前车是固定不动的，没有考虑前车的运行速度。在基于车车通信的移动闭塞制式中，后车能实时获得前车的位置、速度、加速度等信息，因此在确定追踪目标点的时候可以考虑前车制动过程中的前进距离，追踪距离可进一步缩短^[10]。基于车车通信的移动闭塞制式下列车追踪距离原理如图5所示，图中黑色列车表示制动前的位置，绿色列车表示制动停车后的位置。

基于车车通信的移动闭塞制式下列车追踪距离计算公式为

S_{\mathrm{车车}\mathrm{通信}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{制动}}+S_{\mathrm{安全}}+S_{\mathrm{车长}}-S_{\mathrm{制动}}^{\text{'}}⑷

式中：S_{\mathrm{车车}\mathrm{通信}}为基于车车通信的移动闭塞制式下列车追踪距离；{\mathrm{S}}_{\mathrm{制动}}^{\mathrm{\text{'}}}为前车在制动过程中的前进距离。

根据后车考虑内容的不同，可分为后车只考虑前车速度和后车同时考虑前车速度与加速度2种情形。

（1）情形一：后车只考虑前车的速度。此时，后车并不知道前车的加速度，即并不知道前车制动施加情况，为保证安全，必需按前车正在紧急制动的最不利情况进行计算，即取S_{\mathrm{制动}}^{\text{'}}为前车在紧急制动过程中的前进距离S_{\mathrm{紧急}}，可得

S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{制动}}+S_{\mathrm{安全}}+S_{\mathrm{车长}}-S_{\mathrm{紧急}}⑸

式中：S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}为后车只考虑前车速度情况下的追踪距离；S_{\mathrm{紧急}}为前车紧急制动距离。

（2）情形二：后车同时考虑前车的速度与加速度。因为后车知晓前车的制动施加情况，可以进行跟随控制，即前车施加制动时后车按相应加速度施加制动，使前后两车制动距离抵消，即S_{\mathrm{制动}}-S_{\mathrm{制动}}^{\text{'}}=\mathrm{0}，实现两列车最紧密追踪。此时，追踪距离可表示为

S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{安全}}+S_{\mathrm{车长}}⑹

式中：S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}为后车同时考虑前车速度与加速度情况下的追踪距离。

3　基于T值的追踪距离优化方法

在基于车车通信的移动闭塞制式中，若按S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}进行追踪，前车始终按紧急制动的最不利情况进行估计，不利于追踪距离的进一步缩小；若按S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}进行最紧密追踪，则要求后车始终跟随前车运动，后车要控制S_{\mathrm{制动}}-S_{\mathrm{制动}}^{\text{'}}=\mathrm{0}，因此前车的微小速度波动都会影响后车的允许速度，使后车输出制动，稳定性和舒适度较差。研究提出一种基于T值的追踪距离优化方法，兼顾列车稳定性、舒适度与追踪距离。

任何事物都有维持稳定状态的趋势^[11-13]，将两车追踪距离过大或过小称为不稳定状态。该方法设定一个两车追踪距离的稳定范围，\mathrm{稳定}\mathrm{范围}\mathrm{的下}\mathrm{限}\mathrm{用}{S}_{\mathrm{稳}}\mathrm{表示}，\mathrm{稳定}\mathrm{范围}\mathrm{的上}\mathrm{限用}{S}_{\mathrm{稳}}^{\mathrm{\text{'}}}\mathrm{表示}。当两车追踪距离S_{\mathrm{间隔}}大于\mathrm{稳定}\mathrm{范围}\mathrm{的上}\mathrm{限}{S}_{\mathrm{稳}}^{\mathrm{\text{'}}}时，后车相对前车加速以缩小追踪距离；当两车追踪距离处于稳定范围内时，控制后车匀速运行；当两车追踪距离S_{\mathrm{间隔}}处于S_{\mathrm{稳}}与S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}之间时，后车相对前车减速以增大追踪距离；当两车追踪距离S_{\mathrm{间隔}}小于S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}时，后车处于危险范围需要立即紧急制动。取S_{\mathrm{稳}}=S_{\mathrm{最大}\mathrm{追紧}\mathrm{急}}=S_{\mathrm{延迟}}+S_{\mathrm{最大}}+S_{\mathrm{安全}}+S_{\mathrm{车长}}-S_{\mathrm{紧急}}，{\mathrm{S}}_{\mathrm{稳}}^{\mathrm{\text{'}}}=S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}，设定稳定范围后的列车控制原理如图6所示。

3.1　引入稳定范围对列车运行的影响

引入稳定范围对列车运行的稳定性、舒适度和追踪距离的影响如下。

（1）稳定性。考虑如下场景，当前车在时间∆t内，速度发生波动，降速了∆v后恢复原速度，若影响后车允许速度，使后车输出制动一段时间后缓解并加速，导致后车稳定性降低。增设稳定范围后，后车在稳定范围内匀速运行，不会受前车速度波动的影响，从而提升了列车运行的稳定性。

（2）舒适度。列车制动过程中的平均纵向加速度是衡量舒适度的重要指标，列车制动过程平均纵向加速度越小，列车舒适度越高^[14-15]。增设稳定范围后，取稳定范围下限S_{\mathrm{稳}}=S_{\mathrm{最大}\mathrm{追紧}\mathrm{急}}，即列车在稳定范围内时，即使前车输出紧急制动，后车只要采取最大常用制动，就能保证安全，减小了后车制动过程的平均纵向加速度，提升了舒适度。

（3）追踪距离。由于列车追踪范围的上限S_{\mathrm{稳}}^{\mathrm{\text{'}}}=S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}，因此列车常态运行过程中的追踪距离仍小于S_{\mathrm{情形}\mathrm{一}}，做到了兼顾列车稳定性、舒适度与追踪距离。

3.2　参数T取值分析

引入参数T表示归一化后的列车追踪距离参数，计算公式为

T=\frac{S_{\mathrm{间隔}}-S_{\mathrm{稳}}}{S_{\mathrm{稳}}}⑺

设T_{\mathrm{1}}=\frac{S_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}-S_{\mathrm{稳}}}{S_{\mathrm{稳}}}，T_{\mathrm{2}}=\frac{S_{\mathrm{稳}}^{\mathrm{\text{'}}}-S_{\mathrm{稳}}}{S_{\mathrm{稳}}}，根据列车运行过程中的T值不同，采取不同的控车策略。

（1）当时，后车处于危险范围，无条件输出紧急制动。

（2）当时，表示前后两车追踪距离偏小，后车相对前车进行减速以拉大两车间隔。设a_{\mathrm{后车}}为后车的加速度，a_{\mathrm{前车}}为前车的加速度，a_{\mathrm{相对}}为两车的相对加速度，可得到a_{\mathrm{后车}}=a_{\mathrm{前车}}-a_{\mathrm{相对}}。a_{\mathrm{相对}}取值与T值成正比，T值越大，a_{\mathrm{相对}}越大。

（3）当\mathrm{0}\le T\le T_{\mathrm{2}}时，表示前后两车处于稳定范围，后车匀速运行，列车运行进入稳态。

（4）当T>T_{\mathrm{2}}时，表示前后两车追踪距离偏大，后车相对前车进行加速以减小两车间隔，即a_{\mathrm{后车}}=a_{\mathrm{前车}}+a_{\mathrm{相对}}。a_{\mathrm{相对}}取值与T值成正比，T值越大，a_{\mathrm{相对}}越大。

基于T值追踪距离优化方法通过对后车加速度的控制实现对追踪距离的动态调整，启用基于T值优化后的列车追踪距离为

\frac{\mathrm{1}}{T_{\mathrm{1}}+\mathrm{1}}{S}_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}\le S_{\mathrm{优化}}\le \frac{\left(T_{\mathrm{2}}+\mathrm{1}\right)}{T_{\mathrm{1}}+\mathrm{1}}{S}_{\mathrm{情形}\mathrm{二}}⑻

式中：S_{\mathrm{优化}}为启用基于T值优化后的列车追踪距离。

4　仿真结果及分析

4.1　仿真环境说明

4.1.1　仿真线路环境

仿真线路采用两站一区间场景，包含示例站1、示例站2以及之间的区间线路。列车由示例站1沿下行正向运行至示例站2。两示例站的站间划分为12个闭塞分区，闭塞分区的平均长度1 500 m，仿真线路环境如图7所示。仿真两列车在区间追踪场景下，采用固定闭塞(四显示)、准移动闭塞、移动闭塞以及基于车车通信的移动闭塞制式时的各项指标。

4.1.2　仿真列车参数

仿真采用两列车区间追踪的场景，认为两列车为同一车型，性能相近。仿真列车参数采用城际铁路某车型列车参数，前车与后车一致。实际情况中，列车减速度会受列车速度、线路坡度、曲线半径等因素影响，非恒定值。为便于计算，采用直道平坡条件下的列车平均减速度进行仿真，仿真列车参数表如表1所示。

4.2　仿真结果

4.2.1　不同闭塞制式下列车追踪距离的仿真结果

利用仿真软件进行固定闭塞(四显示)、准移动闭塞、移动闭塞、基于车车通信的移动闭塞4种不同闭塞制式进行模拟，统计不同闭塞模式下列车追踪距离。其中基于车车通信的移动闭塞设置为不启用基于T值的追踪距离优化方法，仿真得到不同闭塞制式下列车追踪距离如表2所示。

仿真结果表明，固定闭塞(四显示)、准移动闭塞、移动闭塞、基于车车通信的移动闭塞制式下，列车追踪距离依次减小，以固定闭塞(四显示)为基准100%来统计，准移动闭塞、移动闭塞、基于车车通信的移动闭塞情形一和情形二的列车追踪距离分别为基准的38.9%，27.7%，11.7%和6.9%。

4.2.2　基于T值的追踪距离优化方法对列车运行影响的仿真结果

在基于车车通信移动闭塞制式下，利用仿真软件对未启用基于T值的追踪距离优化方法(包括情形一和情形二)、启用基于T值的追踪距离优化方法共3种情况进行仿真，从列车追踪距离、前车紧急制动过程中的后车平均纵向加速度、后车是否受前车速度波动影响3项指标进行评价，仿真得到基于T值的追踪距离优化方法对列车运行影响如表3所示。

仿真结果表明，启用T值优化后与未优化的情形一和情形二相比，追踪距离处于情形一和情形二之间，与最紧密追踪的情形二相比行车效率有所降低，但与既有闭塞制式比仍具有显著优势；前车紧急制动过程中的后车平均纵向加速度与情形一接近，与情形二相比明显降低，说明舒适度提高；后车不受前车速度波动影响，说明列车运行稳定性较好。

5　结束语

通过对基于车车通信的移动闭塞制式下的列车追踪距离进行建模分析，并与既有固定闭塞(四显示)、准移动闭塞、移动闭塞等闭塞制式进行了对比，提出了一种基于T值的列车追踪距离优化方法，通过引入T值对后车加速度进行动态控制以实现对两车间隔的动态调控，以兼顾列车运行过程中的稳定性、舒适度与追踪距离。最后利用模拟软件，根据某一具体线路环境和列车条件进行了仿真验证。仿真结果表明，基于车车通信的移动闭塞与固定闭塞、准移动闭塞、移动闭塞相比，能显著减小列车追踪距离；基于T值的列车追踪距离优化方法能提升列车运行稳定性与舒适度，虽然会牺牲一些行车效率，但与既有闭塞制式比仍具有显著优势。未来将在此基础上，进一步研究包括车站发车、区间追踪、进站停车的全过程列车追踪距离优化方法，在保证运行效率的情况下，优化控制策略，以达到列车运行全过程稳定舒适的预期目标。

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