1、都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 收稿日期:2022-11-21 修回日期:2023-01-18 第一作者:杨中平，男，博士，教授，主要从事轨道交通节能、电力牵引传动及虚拟编组技术的研究， 基金项目:北京市科委(Z211100004121011)引用格式:杨中平，游婷，束天成，等.列车虚拟编组技术的研究现状及发展J.都市快轨交通，2023，36(1)：14-21.YANG Zhongping,YOU Ting,SHU Tiancheng,et al.Research status and development of virtual coupling technolo
2、gyJ.Urban rapid rail transit,2023,36(1):14-21.14 虚拟编组专辑URBAN RAPID RAIL TRANSIT 编者按 列车虚拟编组技术通过车辆资源的高效灵活利用可实现精准、灵活的运力调整，解决城轨交通客流量的时空分布不均衡问题，从而达到提升运营服务质量、降低运营成本、助推“双碳”战略目标实现的目的。近年来，列车虚拟编组技术已得到国内外学界和产业界的广泛关注并已成为目前的研究热点。在此背景下，本刊特邀北京交通大学电气工程学院教授、本刊编委杨中平组织北京交通大学、交控科技股份有限公司、中车信息技术有限公司的几位专家撰写了 6 篇列车虚拟编组技术在城
3、轨交通中应用的论文，旨在让读者从总体上了解列车虚拟编组技术的发展历程及我国面向城轨交通应用的研发现状，衷心期待这几篇文章能够助推我国列车虚拟编组技术今后更快、更好的发展。doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.01.003 列车虚拟编组技术的研究现状及发展 杨中平，游 婷，束天成，林 飞，方晓春（北京交通大学，北京 100044）摘 要:基于车车无线通信的列车虚拟编组技术能够根据轨道交通客流的时空变化灵活精准地匹配运力，改善运输服务质量，提升运力使用效能。首先介绍虚拟编组技术的发展历程，其次阐述列车虚拟编组关键技术以及基于虚拟编组技术的灵活运力调整策略，然后整理分析
4、国内外虚拟编组技术在运行控制、通信、运输组织 3 个方面的研究成果，最后指出从系统的角度研究虚拟编组相关技术的必要性。关键词:虚拟编组；车车通信；动态编组/解编；CTBC 系统；城市轨道交通；运输组织 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)01-0014-08 Research Status and Development of Virtual Coupling Technology YANG Zhongping,YOU Ting,SHU Tiancheng,LIN Fei,FANG Xiaochun(Beijing Jiaotong Universit
5、y,Beijing 100044)Abstract:The virtual coupling train technology based on vehicle-to-vehicle wireless communication can flexibly and accurately match transport capacity according to the temporal and spatial changes of urban rail transit passenger flow,improve the quality of transport services,and enh
6、ance the efficiency of transport capacity utilization.This paper first introduces the development process of virtual coupling technology,then expounds the key technology of virtual coupling and the flexible transport capacity adjustment strategy based on virtual coupling technology,and then analyzes
7、 the research results of virtual coupling technology in three aspects of operation control,communication,and transportation organization,and finally points out the necessity of studying the relevant technology of virtual coupling from the perspective of system.列车虚拟编组技术的研究现状及发展 15URBAN RAPID RAIL TRA
8、NSITKeywords:virtual coupling;vehicle to vehicle communication;dynamic coupling and decoupling;urban rail transit;transportation organization 1 研究背景 根据城市轨道交通客流分布时空不均衡的特点匹配相应的运力，为乘客提供快捷、准点、舒适、安全的运输服务，同时提高运输效率，增加运输效益是城市轨道交通一直追求的目标。然而，在客流预测精度和客流实时监测水平日益提高的今天，城轨交通的部分线路或线路的部分区间在客流高峰期列车满载率过高，甚至出现乘客无法上车、站内
9、乘客滞留过多而不得不采取进站限流的措施，与之相反，在平峰期列车满载率又很低，运力运能浪费较大，呈现出运力与客流明显不匹配的现象。城轨交通的运力可用单位时间内通过断面的乘客人数来表示，即单位时间内的运力等于车辆定员、编组的车辆数量及列车数量三者的乘积。在决定运力的 3 个要素中，车辆定员在车型确定即车辆尺寸一定的条件下，由单位地板面积允许的最大乘客人数决定，为一定值；城轨列车通常采用固定编组，即编组的车辆数量也为一定值；单位时间内的列车数量由列车发车间隔决定，最小发车间隔受列控系统、线路条件、车辆性能等技术因素的制约。据中国城市轨道交通协会统计，2019 年全国高峰小时最小发车间隔平均为 290
10、 s，其中上海地铁 9 号线的发车间隔最短，为 115 s。平峰期增大发车间隔在技术上虽然不受限制，但增大发车间隔会带来乘客等车时间增加、服务质量降低等问题。因此，尽管城轨交通采用了大小交路混跑、快慢车结合、不同编组长度列车混合运行等较为灵活的运输组织方式来优化运力配置，但在按照固定运行图、固定编组的既有运行方式下，城轨交通仍很难精准灵活地调整运力，来适应客流量时空分布不均衡的特性。如果比较城轨交通和道路交通，会发现前者是将若干车辆通过车钩连挂形成一个固定编组，列车以千米为单位的空间间隔、以分钟为单位的时间间隔在运行；后者则是载客量相对较小的独立车辆以米为单位的空间间隔、以秒为单位的时间间隔在
11、运行。如果城轨列车能够实现比现在更小的以秒为单位的追踪间隔，且同时采用比现在更短的编组，根据客流需求的时空变化，短编组列车能够像道路交通汽车编队一样在线灵活、快速地编组/解编的话，将极大地提升城轨交通适应客流变化的运力匹配能力。近年，随着LTE、5G 等先进通信技术的推广应用，基于车车之间的无线通信使列车虚拟编组(亦称“虚拟重联”或“虚拟连挂”)成为可能，与道路交通汽车编队思想相似的列车虚拟编组技术正日益成为城轨交通界的一个研发热点。本文围绕虚拟编组技术在城轨交通中的应用，首先简述列车虚拟编组技术的发展历程，阐述实现虚拟编组所需的相关技术，其次整理分析国内外虚拟编组技术在运行控制、通信、运输组
12、织三个方面的研究成果，最后展望虚拟编组技术在城市轨道交通中的应用前景。2 列车虚拟编组技术的发展历程 列车虚拟编组技术发展大事记如图 1 所示。图 1 虚拟编组技术发展大事记 Figure 1 Chronicle of events of virtual coupling technology development 列车虚拟编组的概念最早是为推动欧洲货运铁路技术的进步而提出的。为了提高欧洲货运铁路的运能，增加其运输灵活性，从而提升货运铁路的市场竞争力，1999 年，德国布伦瑞克工业大学 Bock U 等首次提出如图 2 所示的列车虚拟编组的概念1，其基本思想为：由一辆或多辆车辆构成一个列车单
13、元(Train Modul)，各列车单元可独立运行；列车单元之间基于车车无线通信实现虚拟编组；列车单元之间基于车车无线通信进行协同控制，前后车的最小追踪距离可达到车钩连挂时同等程度的距离；在运行过程中列车单元可根据需要实时动态编组或解编。可以看出，Bock U等提出的列车虚拟编组技术摆脱了传统信号系统的“闭塞”对列车更小追踪间隔实现的制约，依靠无线通信的动态编组/解编使灵活编组成为可能。都市快轨交通第 36 卷 第 1 期 2023 年 2 月 16 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图 2 列车虚拟编组原理示意 Figure 2 Diagram of virtual coup
14、ling train principle 1990 年前后，即在 Bock U 等提出列车虚拟编组概念之前，日本东京大学曾根悟教授等便提出了取消物理车钩，依靠车车通信实现列车或车辆之间“软连挂”(日语：連結)的概念2，并重点开展了基于“软连挂”技术的大都市轨道交通运输组织问题的相关理论研究。“软连挂”的概念内涵和虚拟编组基本相同，也许是因为语言的缘故，“软连挂”的概念并未在世界铁道界得到普及。2015 年，欧盟全面启动了“构建未来铁路系统联合行动计划(Shift2Rail 计划)”，其中明确将列车虚拟编组技术列入创新计划，并按照设定的技术路线，先后资助了 MovingRail 等研究项目，开展
15、了包括高铁、货运铁路、市域铁路、城轨交通在内的虚拟编组技术的研究。依托这些项目，研究人员对虚拟编组的基本概念、市场前景、主要挑战、风险评估、实现的关键技术等进行了全方位的探讨。2020 年，如图 3 所示，作为 Shift2Rail 计划主要参与者之一的西班牙 CAF 公司实现了两列有轨电车以速度 20 km/h 的虚拟编组运行，迈出了从理论走向工程实践的重要一步。此外，俄罗斯通过开发 ISVAP-RT-M 系统实现了货运列车的虚拟编组运行验证，该系统基于机车之间的实时通信数据交换，将列车的追踪时间间隔由原来的 10 min 缩短至 78 min。图 3 CAF 公司的有轨电车虚拟编组运行试验
16、 Figure 3 Virtual coupling train operation test of CAF company 在 Shift2Rail 计划的助推下，世界各国纷纷开展了列车虚拟编组技术的研究。近年来，我国在虚拟编组技术的理论研究方面也十分活跃，同时，产业界在国家发展改革委及中国城市轨道交通协会的大力支持下，在虚拟编组技术的工程应用方面也取得了一系列阶段性成果。目前，交控科技股份有限公司正在针对北京地铁 11 号线和 19 号线的虚拟编组列车技术进行研发，并将开展示范应用。3 列车虚拟编组关键技术 列车虚拟编组总体系统架构可在传统的 CBTC(communication based train control)系统架构基础上，基于车车通信技术，优化传统的“车-地-车”控制架构和通信链路，构建主要由 ATS、地面目标控制器(OC)和车载控制器(VOBC)组成的列车虚拟编组总体系统架构。虚拟编组总体系统架构取消了传统的地面计算机联锁(computer interlock，CI)和区域控制器(zone controller，ZC)设备，将二者的功能集成到车载控制器上，使列车运行
