2023城市轨道交通虚拟灵活编组技术白皮书

联合发布单位： 软道交通运行控制系统压家工程研究中心北京协同创新轻道交消研究院有联公司 其中，在“接近和重联”前、或者“摘解和分离”后，各列车单元是作为固定编组列车在线路上独立运行。另外，除按计划“摘解和分离”外，“编组运行”或“接近和重联”过程中，如果发生故障或异常情况，也将及时转换到“独立运行”场景，以保证行车安全： 在虚拟灵活缩组中，伴随着上述不同运行场景的转换过程，虚拟灵活缩组列车和相关列车单元的状态（角色）也在发生变化。为便于进一步说明，图3给出了虚拟灵活编组列车的运行场录变化过程示意及其对应的角色转换方式， （1）在形成虚拟灵活编组列车前（即“独立运行”场景中，如图3中的场景①所示），各固定编组列车独立运行，其运行方式与传统列车的运行方式一致。 (2)在满足形成虚拟灵活缩组列车的相关条件时可转入“接近和联”场靠：如图3中场景②所示。在该过程中，两个独立运行的列车逐渐接近并通过虚拟联挂方式集结形成一列虚拟灵活缩组列车。其中，相关独立运行的列车分别转换为虚拟灵活编组列车的一个列车单元（固定编组列车1和固定编组列车2分别转换为虚拟灵活编组列车的领头列车单元和跟随列车单元，两者虚 （2）以虚拟灵活编组列车方式运行时，可按计划自动解编，由一列虑拟灵活编组列车转换为多列（含两列）独立运行的列车（每个列车单元分别转换为一列独立运行的列车）。（3）以虚拟灵活编组列车方式运行时，放障或异常情况下可自动解编，由一列虚拟灵活编组列车转换为多列（含两列》独立运行的列车（每个列车单元分别转换为一列独立运行的列车）。 3.4.虚拟灵活编组列车与乘客输送能力的关系 虽然虚拟灵活编组本质上是通过在线改变列车编组方式而实现运力调整，且在轨道交通线路上运行时，虚拟灵活编组列车与其他列车之间的关系与传统列车之间的关系并无二致，但业内对于底拟灵活编组是否能满足运能要求的争论不绝于耳。因此，本节专门对乘客额送能力、可达能力、线路通过能力、列车运力等相关概念之间的关系进行说明。 轨道交通对乘客输送能力的要求实际是对可达能力的要求。根据轨道交通运能计算的相关知识，可达能力、线路通过能力与列车运力之间的关系如图4所示"，即可达能力与线路通过能力、列车运力均成正比。其中，可达能力指轨道交通系统中单线路单方向在单位时间（例如一小时）内可以运输的最大乘客数量：线路通过能力指单线路单方向在单位时间内可以通过的最大列车数量，其与列车追间隔等因素相关；列车运力指一列车可以容纳的乘客数，其与列车编组数量等因素相关 为满足乘客输送能力要求，可以选择采用大间隔小混组、小间隔小绳组、大间隔大编组、小间隔大编组等不同运行方式。在满足上述要求的前提下，无论采用固定编组或灵活编组（包括机械灵活编组和虚拟灵活编组）运行方式均可。 与小编组列车追踪运行相比，列车重联（包括机械重联及虚拟重联）形成大编组列车运行的方式显然能够提高可达能力。轨道交通运营时所采用的列车编组 针对上述问题，既有文献提出了基于相对制动距离（俗称“撞软培”，其原理如图6所示）的列车安全防护方法，该方法中，后车可充分利用前车位置、速度、加速度等运行状态信息，考虑后车制动过程中因前车位置继续向前运行而动态释放的轨道线路资源，并将前车未来时刻才会动态释放的上述轨道线路资源提前纳入到后车的防护速度计算过程中供后车使用，从而可缩短列车追踪间距。由于考虑了前、后两个虚拟灵活编组列车单元制动距离差，因此这种方式下的列车安全间距可远小于后车的制动距离。 然而，上述方法的问题在于，计算两车最小间距时仅考虑了两车的制动距离，即仅考虑了列车制动停车后这一时刻的位置关系，而未考虑两车制动全过程中所有时刻的位置关系是否安全，因此在特定的条件下存在列车在制动过程中追尾的安全隐患。研究文献已经发现并指出了该问题2-，并提出了将其改进为基于时空间隔的列车安全防护方法以解决该问题的恩路[ 基于时空间隔的列车安全防护方法考虑前车的动态行为，要求同一线路同一方向上追踪运行的相邻列车间的时空轨迹需始终保持一定的安全间隔，即要求两 元具有存在部分重叠区域的移动授权范围，为小间距安全追踪运行提供基础，并可根据运营需求或移动授权限制设置各自列车单元的目标停车位置，从而为列车单元自动驾驶控制提供苯码。 在上述前提下，为保证各列车单元运行的同步性，需充分考虑各列车单元所有可控的资源，按照统一的运行目标协同规划各列车单元的驾驶控制行为并据此各列车单元的驾驶控制行为，从而可保证各列车单元关键运行状态的同步性。即，各列车单元在运行过程中应考所有列车单元（含本身及其他列车单元）的状态以及虚拟灵活编组列车整体的运行目标，据此生成整本最优的驾驶策略，并根据该策略调整各自的控制行为，从而实现最优化驾驶。虚拟灵活编组列车单元协同自动驾驶的基本原理如图11所示： 4.2.2.站台及折返作业过程的协同控制 站台作业是体现城轨运输服务质量的核心，除了实现站间运行过理中列车单元的协同驾驶控制外，站台作业过程的协同控制（包括列车单元同步开/关门、 站台门对齐的要求。 为实现两列车单元车门均与站台门对齐，要求列车单元间距满足下式： 式中，A为跟随车车头与车钩长度之和：B为领头车车尾与车钩长度之和：C为列车单元间距；为信号系统等技术条件限制下列车单元的最小间距；L为站台门间距；m为正整数，图13中其取值为2，即m=2。上式表示：站台停车时，跟随车车头与车钩长度、领头车车尾与车钩长度以及列车单元间距之和应与站台门间距的整数倍相同，且在满足信号系统技术条件限制等情况下，列车单元间距越小越好。根据上式可容易获得对虚拟灵活编组列车在站台停车时的列车单元间距要求。 值得一提的是，由于虑拟灵活编组列车单元间距可调，因此，虚拟灵活编组相对容易满足不同车头长度的列车与站台门对齐的要求：而机械灵活编组列车由于缺少该可调量（或者说列车单元间距固定为0），则可能会由于车头长度与站台门间距不匹配导致无法实现车门与站台门对齐，违而导致机械灵活编组在某些线路或某些列车上无法使用。 为满足机械灵活编组列车在站台停车时所有列车单元车门与站台门对齐的要求，需满足：A+B-D=n*L,nEZ，如下图所示。式中，D为两车车钩连接 后的事叠部分长度，Ⅱ为止整数，图中满定几三1。如果不满是该式限制，则说明该机根灵活编组列车与该站台不匹配，无法采用机械灵活编组方式实现列车在站台作业。 结合上述篇求，考虑到技术发展水平，在确定的轨道交通线路中， 如果虚拟灵活编组与机械灵活编组均可适用，通常虚拟灵活编组列车在站台停车时的列车单元间距会比机械灵活编组大1个站台门间距，即图13中的列车单元间距C等于一个站台门间距；·如果机灵活编组不可用，那么可根据实际情况计算获得列车单元间距C，通常会导致虚拟灵活编组列车在站台停车时两列车单元的车门之间有1个站台门没有与其对应的车门。 （5）区间运行时的列车单元间距 虚拟灵活编组列车区间运行过程中，受安全防护等技术条件限制，列车单元的间距会随着运行速度提高而增大，进而导致虚拟灵活编组列车长度增大。但作为一列车，虚拟灵活编组列车在线路上运行时，列车单元实际间距应不超过系统定义的最大值（根据运营要求的线路通过能力等决定），从而既可从外观上作为一列完整列车运行，也不会因列车长度增大而导致不满足线路通过能力要求。因此，虚拟灵活编组列车在区间运行时，其列车单元实际间距应介于“安全防护等 对于制定虚拟灵活编组列车区间运行时的列车单元间距性能指标要求，主要 7.北京轨道交通虚拟灵活编组实施路线 域轨创新只有经过了严格的逐步递进式技术演进验证，才能保证安全可靠可用，切实得到认可和托广。随着我国城轨交通的快速发展和科技自立自强步伐的加快，以CBTC和FAO为代表的关键技术和蛋大装备已实现了完全自主化，部发展阶段。在此过程中，已形成我国城轨交通自主创新方法技术成热度（TRL）模型，即，技术开发和研究过程应包括前期理论研究（概念研究）、模型验证、关链技术研发、技术验证、实验样机研制、示范应用、成熟推广等几个阶段，如图20所尔 未来域软自主创新最重要的特征是在某一前浩技术领域内实现突破，在世界范围内得到广泛认同，引领世界轨道交通的技术发展。如何对新技术的实际可用性、有效性进行确认是创新路径的关键 虚拟灵活编组是轨道交通行业的颠覆性技术，其研究、开发和应用在国际上缺少成熟参考经验。因此，虚拟灵活编组技术的创新研究和应用更应符合轨道交道雷求和技术发展规律，遵从守正创新原则和渐进创新规律，确保新技术得到充分验证，新一代产品能够兼容现有技术、产品，不降低现有服务质量和安全水平， 防止跃进型新产品应用带来的系统性风险。 鉴于以上情况，北京轨道交通结合线路建设规划和关键技术研究的实际情况，遵循“领鼠型”技术创新研究的科学规律，在北京地铁燕房线、大兴机场线等线路已经实现互联互通全自动运行（FA0）以及北京地铁3号线、12号线实现不同车辆/信号厂家的“全自动机械灵活编组”工程应用的基础上，道过以下步骤开展虚拟灵活编组等相关技术的研究、开发、验证、工程化和推广应用等工作，如图21所示。 （1）在北京地铁11号线实现虚拟灵活编组关键技术突破，并完成示范验证 室和试车线等阶段性验证工作，最终在在北京地铁11号线开展实际线路条件下的示范性实验验证。 （2）在北京地铁19号线实现虑拟灵活编组和全自动机械灵活编组两种灵活编 组方式的融合，并完成工程化应用 在分别攻克虚拟灵活编组和全白动机根灵活编组技术的基础上，行两种灵活编组方式的融合，并依托19号线的两列列车实现工程化应用的落地，具备兼容虚拟灵活编组和全自动机碱灵活编组技术的虚拟灵活缩组列车载客运行能力，通过此过程挖据和收集虑拟灵活编组在工程化应用中的潜在问题并制定解决方案，为后续成熟推广应用奠定基础。 （3）在北京地铁M101线实现虚拟灵活编组能力的完善和推广应用 在19号线工程应用磨合的基础上，结合网络化运营需求和更复杂的实际工程条件，并与智能调度等系统深度融合，依托M101线实现虑拟灵活编组运用能力的进一步提升，进而实现道交通运力-运量精准匹配和车辆、线路等资源的效利用，为智能全目动运行（计0）系统的发展和应用募定基础。