城轨列车全自动以太网灵活编组研究.pdf

叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期摘要院城轨线路运营的差异化较大且存在潮汐现象遥 固定编组列车的繁忙线路通行能力的不足袁导致过度拥挤尧空闲线路存在空载率高尧发车时间间隔长等问题袁造成运营人员冗余尧运能浪费遥 通过研究城轨列车的全自动灵活编组技术和关键运营场景袁在线上或车辆段内对不同编组长度的列车进行全自动联挂和拆解作业袁快速尧灵活调整列车编组长度袁从而有效缓解高峰时段运输压力袁提高平峰时段运行效率和服务水平袁降低运营成本袁达到降低列车空载率尧节约能耗的目标遥关键词院城轨曰列车曰全自动曰以太网曰灵活编组Abstract:The operation of urban rail lines is greatly differentiated and there are tidal sites.Some busy lines of fixedmarshalling vehicles lead to insufficient traffic capacity.Some lines have problems such as high empty load rate and longdeparture time interval,leading to personnel redundancy and waste of energy transport.By studying the automatic and flexi鄄ble marshalling technology and key operation scenarios of urban rail trains,the automatic coupling and disassembly oftrains with different marshalling lengths are conducted on-line or in the vehicle sections,so as to realize the rapid andflexible adjustment of the train marshalling length.Therefore,it can effectively relieve the transportation pressure in the peakperiod,improve the operation efficiency and service level in the flat peak period,reduce the operation cost,and achievethe goal of reducing the train no-load rate and saving energy consumption.Keywords:urban rail,train,fully automatic,ethernet,flexible formation城轨列车全自动以太网灵活编组研究随着城轨列车运营里程和开通线路的持续增长袁 线路运营的差异化越来越明显遥 现有的固定编组技术无法满足乘客对发车间隔尧乘坐舒适体验的要求袁不能实现线路的个性化需求咱1暂遥因此袁编组灵活尧动态匹配运力与客流需求尧检修便捷尧具备良好经营效益的城轨列车成为迫切需要咱2暂遥 灵活编组列车能大大缩短平峰时段列车运行间隔袁 有效减少列车空驶率和乘客等候时间袁提高运营服务水平和经济性遥目前袁旧金山尧东京尧柏林等城市为解决线路区段客流空间和时间均衡性的问题袁 采用在固定中间站拆解列车成小编组的方式袁提高满载率袁降低人均每公里运行能耗咱3暂遥 上海地铁 16 号线利用在线联挂尧解编试验袁验证灵活编组的可行性遥 正线运营可在 3 min 内实现列车联挂或解编袁并根据高峰尧平峰时段客流需求采用 3 编组或 3+3 编组方式运营遥 国外的相关研究主要针对高速动车组袁而国内的相关研究尚处于试验阶段袁且都是基于人工驾驶运行模式袁 采用的列车网络通信制式仍是较为陈旧的多功能车辆总线渊酝ultifunction 灾ehicle 月us袁MVB冤技术袁不适用于基于以太网的列车通信技术遥本文以 8 辆列车编组渊4+4冤尧重联运营方式为例袁即列车既满足 4 辆编组独立运营要求袁又满足 8 辆编组渊4+4冤重联运营要求袁 研究基于以太网通信的全自动无人驾驶灵活编组技术和关键运营场景遥1灵活编组技术灵活编组列车是对应编组形式相对固定的列车而提出的动态编组咱4暂遥针对不同时段/区段的客流量差异袁在保证高服务频率的条件下袁 灵活编组技术通过列车快速地联挂和解编调整列车编组长度袁从而实现客流需求和运力最佳协同袁是解决时空分布不均衡的重要运输组织手段遥 基于以太网的灵活编组主要操作内容是联挂和解编袁核心技术包括列车通信网络拓扑结构尧列车骨干网节点渊耘thernet 栽rain 月ackbone 晕ode袁ETBN冤配置尧以太网网络初始化尧以太网应用初始化 4 个部分咱5暂遥 其中袁列车通信网络拓扑结构决定了列车通信网络的制式和特点曰ETBN 配置设定通用唯一识别码渊哉niversally 哉nique 陨dentifier袁UUID冤确定列车 ETBN 方向曰以太网网络初始化完成以太网动态配置尧列车级以太网拓扑变化咱6暂袁给每个 ETBN 分配列车级以太网地址袁创建列车骨干网渊耘thernet 栽rain 月ackbone袁ETB冤数据通信曰以太网应用初始化确定列车网络拓扑袁并利用司机室钥匙激活信息识别主控遥列车网络控制系统是现代列车的野大脑和神经中枢冶袁采用两级通信式拓扑结构袁分为列车级骨干网通信渊ETB冤和车辆级编组网通信渊耘thernet 悦onsist 晕etwork袁ECN冤袁列车级和车辆级数据通过 ETBN 交互遥1.1 列车通信网络拓扑结构列车级尧车辆级通信网络均采用双线性+链路聚合结构遥 当列车重联时袁车辆级编组网通过 ETBN 连接到列车级网络袁使得网络联通并具有跨编组通信能力遥列车级骨干以太网拓扑结构渊单编组列车冤如图 1 所示院图 1列车级以太网拓扑结构渊单编组列车冤单编组列车级 ETBN 分别布置于 1 车尧4 车袁 每车各 2 个袁为两组独立冗余关系袁两主两从遥 每条 ETB 总线通过两路独立的以太网线相连袁其中 ETBN 间为相互冗余关系袁通过两路独立的以太网线相连袁1 车与 4 车 ETBN 之间通过以太网中继器渊砸p砸epeater袁REP冤进行信号强度补偿遥 ETBN 具有掉电线路导通渊bypass冤功能遥列车级以太网拓扑结构渊重联列车冤如图 2 所示袁其中 14车尧58 车分别为一个编组列车遥列车级 ETB 采用列车拓扑发现协议渊Train Topology Dis鄄徐东超朱游龙张广吉苗津铨渊中车青岛四方车辆研究所有限公司袁山东 青岛 266001冤Research on Automatic Ethernet Flexible Formation of Urban Rail Train21城轨列车全自动以太网灵活编组研究图 4重联后单元图covery Protocol袁TTDP冤渊IEC61375-2-5冤曰 编组信息采用列车实时数据协议渊Train Real Time Data Protocol袁TRDP冤渊IEC-61375-2-3冤进行数据传输咱7暂遥车辆级 ECN 布置于 14尧58 车袁 可高速转发本编组内以太网数据遥 车辆级终端采用 TRDP 协议传输数据遥1.2 ETBN 配置规定 1 车的 ETBN 方向院1 指向列车 1 车端点渊即车头冤曰2 指向列车 4 车端点遥 4 车的 ETBN 方向院1 指向列车 4 车端点曰2 指向列车 1 车端点遥 2 车与 1 车方向一致袁3 车与 4 车方向一致袁ETBN 位置及方向如图 3 所示院图 3ETBN 位置及方向定义同一编组内 ETBN 的 UUID 相同袁方向也相同袁两个编组按照反向对称方式摆放遥1.3 以太网网络初始化以太网网络初始化过程中袁利用 IEC 标准规定的列车级以太网拓扑发现协议报文袁对每个接入 ETB 的 ETBN 设备操作如下院1冤确认整个列车级网络接入的子网数量和 ETBN 接口数量曰2冤创建列车级网络的 IP 映射尧列车路由配置尧网络地址转换渊Network Address Translation袁NAT冤规则以及设备名称等曰3冤利用 TRDP 交换列车编组信息和控制整个以太网初始化过程遥网络初始化原则如下院1冤处于编组端点最小 UUID 的 ETBN 设备被指定为顶节点袁特殊情况下袁可静态设定 ETBN 顶节点渊一般情况不建议使用冤曰2冤ETBN 顶节点的 ETBN ID 设为 1曰3冤从顶节点开始袁以列车级网络方向 2 的上升序依次设定ETBN ID直至相对端点袁除顶节点外的所有端点均命名为底节点曰4冤ETB 的参考方向规定为指向 ETBN 顶节点的方向遥网络初始化过程如下院1冤上电或列车编组重联/解编曰2冤拓扑发现报文分为 Hello 帧和 Topology 帧 2 类袁通信周期为 100 ms曰3冤顶节点 ETBN ID 设置为 1袁其他节点依次命名 ETBN ID袁直至拓扑稳定袁完成以太网初始化遥1.4 以太网应用初始化以太网应用初始化包含节点排序尧方向确定尧主控车确定等遥以太网网络初始化后袁由于主设备的位置不同渊主设备随机产生在编组端点冤袁拥有 UUID 较小的 ETBN 设备为地址起始节点并作为主设备遥列车重联时袁 规定占用司机室的列车前进方向是该单元的方向 1曰占用司机室的列车后退方向是该单元的方向 2曰如图 4所示遥主控车负责发出列车牵引尧制动等控制指令遥主控车确定规则为院当且仅当有一辆列车司机室占用时袁该司机室所在列车即为重联列车的主控车袁否则列车上无有效主控车遥2关键运营场景2.1 自动联挂自动联挂是在全自动驾驶模式下实现列车间的机械尧电气尧空气管路全部贯通联系袁联挂后仅有一端为主控车袁所有列车同步执行控制指令袁流程如图 缘 所示院自动联挂过程如下院1冤两列全自动运行的列车分别停在指定区域袁司机室激活端信号系统袁并向列车网络发送联挂准备指令袁信号系统激活主动联挂车信号给列车袁被动联挂车无激活并施加紧急制动曰2冤信号系统控制主动联挂车以 3 km/h 速度移至距离被动联挂车 0.5 m 处停车袁 通过摄像头判断 2 个车钩是否对中袁并将结果反馈给信号系统尧控制中心曰3冤信号系统控制主动联挂车以联挂速度渊1 km/h3 km/h冤进行机械联挂袁再施加牵引进行试拉袁并进行电钩联挂动作曰4冤电钩联挂后电气贯通袁TCMS 初运行遥自动联挂完成后袁TCMS 向各系统渊牵引尧制动尧车门尧空调等冤发送自检命令袁各系统在规定时间内反馈自检结果曰TCMS将总的自检结果反馈给信号系统曰信号系统控制列车完成静尧动图 2列车级以太网拓扑结构渊重联列车冤图 5列车自动联挂流程图22叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期图 7重联后列车编组界面态测试曰待命遥2.2 自动解编自动解编是重联列车进行编组拆解的过程袁流程如图 远 所示遥 自动解编过程如下院1冤4+4 重联列车停在库内信号机前袁 司机室激活端信号系统向列车TCMS 发送解编准备指令袁 确认全车无故障后在激活端向信号系统发送可以解编的请求曰2冤信号系统根据解编指令自行进行逻辑断开袁 列车根据解编指令执行逻辑断开袁TCMS 向信号系统反馈逻辑断开状态曰3冤信号系统向列车输出安全硬线电解钩指令袁并检测列车完整性渊8 变 4冤曰列车 TCMS 向信号系统反馈渊机械车钩冤钩舌已解开状态袁TCMS 初运行遥自动解编完成后袁 信号系统向主动解编车 TCMS 发出牵引指令曰 控制主动解编车运行进入另一股道袁停稳曰解编后的两列车 TCMS 分别自动进行静态自检袁并反馈信号系统曰待命遥2.3 救援2.3.1 重联车单列故障4+4 列车发生严重故障时袁 信号系统把激活端切换到列车对端袁 尝试继续运行曰如故障仍未排除袁信号系统发出电钩解编指令曰 列车将电钩成功断开状态反馈信号系统曰TCMS 初运行并将列车状态反馈信号系统曰信号系统判断哪列车为故障车袁授权非故障车实施自救援遥2.3.2 整列救援渊4 救 4 或 8 救 8冤以 4 编组为例袁若 4 编组列车在正线出现故障袁停车后信号系统将故障信息反馈至控制中心曰 信号系统控制救援车运行至距离被救援车 0.5 m 处停稳曰 摄像头判断 2 个车钩是否对中袁并将对中结果反馈给信号系统尧控制中心曰信号系统控制主动救援车以联挂速度进行机械联挂渊电钩不联挂冤袁并采集安全硬线信号反馈给信号系统曰信号系统控制救援车施加牵引进行试拉袁再次采集安全硬线信号曰 信号系统向被救援车发送远程缓解全列制动指令袁实施救援遥3界面重构显示屏向司乘人员实时传递列车位置尧速度尧级位尧工况等相关信息袁为司乘人员提供简单尧直观的操作方式和丰富的信息以辅助其驾驶列车袁保障列车安全运行遥灵活编组列车显示屏实时显示的系统编组情况复杂多样袁不可能把每种可能的编组方式都提前画出来袁 只能根据实时编组信息的变化重绘显示屏界面遥为实现列车灵活编组袁可绘制通用车型图标袁在不超过规定最大编组数量时自由组合使用遥首先袁实时监测大小端动车尧拖车数量的变化曰然后袁若编组信息发生变化袁显示屏的编组信息界面执行程序初始化袁重绘显示界面袁确定所需要的图标曰最后袁根据钥匙激活信号确定各个图标的位置袁使显示屏界面与实际的编组情况相匹配遥 重联/解编后的列车编组界面如图 7尧图 8 所示遥4结束语本文介绍了城轨列车灵活编组技术袁结合全自动无人驾驶灵活编组的实际运营需求袁描述列车灵活编组核心技术尧关键运营场景和显示界面重构遥 以城轨列车中常见的 4+4 编组列车为例袁阐述列车重联/解编尧不同编组形式救援的方法遥 采用灵活编组不但可以提高客流高峰时期的运量袁又可以在客流低谷期维持正常车次频率袁保障运力咱8暂遥 同时配合国家战略转型节能减排袁降低能耗袁绿色出行袁平衡运力与服务水平袁缓解列车维护的压力咱9暂袁助力实现野双碳冶袁延长列车架大修的周期袁达到 4+4 大于 8 的应用效果遥参考文献咱1暂禹丹丹袁韩宝明袁张琦袁等.基于灵活编组的轨道交通列车开行方案优化方法咱J暂.北京交通大学学报袁2015袁39渊6冤院21-31咱2暂雷晓瑜袁杨国飞袁易晨阳袁等.轨道交通灵活编组及其组合运输组织特点的探讨咱J暂.铁道运输与经济袁2015袁37渊9冤院64-69咱3暂宫文平袁李博.国内外灵活编组动车组发展咱J暂.国外铁道车辆袁 2015袁52渊2冤院34-37咱4暂王翔袁吴士林.基于以太网的灵活编组列车的网络控制系统研究咱J暂.电脑知识与技术渊学术版冤袁2019袁15渊3冤院59-60咱5暂臧悦.基于交换式以太网的列车通信网络拓扑优化与初运行实现咱D暂.北京院北京交通大学袁2015咱6暂罗昭强袁金冲袁韩东宁.CR300BF 中国标准动车组以太网控车技术研究咱J暂.城市轨道交通研究袁2021袁24渊2冤院111-113咱7暂薛树坤.以太网列车骨干网节点在 CR300 复兴号动车组中的应用咱J暂.轨道交通装备与技术袁2021渊5冤院59-61咱8暂唐玉川袁马保仁.城市轨道交通灵活编组运营组织研究咱J暂.铁道工程学报袁2014袁31渊8冤院96-100咱9暂范海宁袁何勇浩.城市轨道交通列车灵活编组方案及功能实现咱J暂.城市轨道交通研究袁2021袁24渊9冤院200-2咱收稿日期院圆园圆圆原员圆原园怨暂图 6列车自动解编流程图图 8解编后列车编组界面23