虚拟连挂对通信系统的要求

一、引言

通信系统的技术演进一直以来是列车控制系统发展的基础，从基于速度码的阶梯式列车控制，到连续的CBTC列控系统，车地无线系统所达到的通信性能对信号系统至关重要。以列车为中心的列车自主运行系统中，对通信系统又提出了哪些新的要求，在Shift2rail一篇报告"Virtual Coupling Communication Solutions Analysis"中，以车车通信实现的核心功能之一虚拟连挂作为需求出发点，介绍了这种应用场景下应用端对通信系统的顶层要求。本篇以这篇报告内容为主线，结合个人的一些理解，谈谈虚拟连挂对通信系统的要求。

二、什么是虚拟连挂

虚拟连挂是一个以列车为中心的控制系统，通过通信的方式将列车连接起来。它们沿着相同的路线、以相同的速度、以相同的方向行驶，在考虑通信延迟的情况下，列车彼此之间应保持相同的制动特性。虚拟连挂被认为是可以提高轨道交通运量的下一代信号系统。

目前列车控制原理基于绝对制动距离（图1），它计算前车车尾位置时是在假设列车静止（速度为零）的情况下，而相对制动距离则考虑了前方列车的速度，类似于道路车辆的驾驶方式。

图1 绝对制动距离计算

图2 虚拟连挂相对制动距离

虚拟连挂模式下，前后车通过列车消息的交互，后车得到前车以及车队中其他车的速度、加速度和位置。因此，每列车能够计算自己的制动曲线，以确保它能够达到并匹配前方火车的速度，避免与其相撞。这种控制机制允许后面的列车以其与前方列车的相对制动距离行驶，而不是使用传统列车控制（如CBTC）保持的绝对制动距离。

如果两列车以相同的速度行驶，保持相同的制动性能，则后列火车的相对制动距离为零，因此两列车之间的实际距离仅由安全余量(safety margin)决定。在虚拟连挂中，安全余量的计算方法尚未正式定义，但需要考虑以下因素： 列车之间的通信延迟（包括无线传输延迟和有线传输延迟），速度测量误差，轨道坡度的影响，列车之间制动性能差异。

相对制动距离计算的假设前提是前方列车的减速度可以与后面的列车匹配或低于后方列车。这样后车可以在可预测的情况下控制与前车的距离达到最小间隔，但如果前车与“不可移动的物体”相撞并以小于其正常紧急制动距离的突然停车，则该假设前提将不成立。

三、虚拟连挂对通信系统的要求

对于列控系统而言，列车之间通过通信系统进行信息交互，有两大方面的要求，一是功能要求，即通信系统所能达到的性能（如延迟、带宽），二是非功能要求，即通信系统的可靠性、安全性、成本等。虚拟连挂要在保证运营的安全性、可靠性和经济性的前提下，尽可能减小列车之间的距离间隔。这意味着为最大限度地提高运量，通信的延迟需要尽可能短，更新移动授权的消息频率尽可能高。 这意味着跟在后面的列车将直接进行通信（即列车与列车之间的通信），而不是由地面列控系统（ZC）管理移动授权。另外，通信系统的可靠性将限制虚拟连挂运行的可靠，根据故障安全原则，后车不能得到前车信息时，将导向制动停车，相对制动距离将取决于应用层面对通信延迟的最大容许时间。在通信中断时，通信系统多久可以恢复重连也很重要。其它非功能要求还有信息安全、可维护性、生命周期成本。

下面通过需求图列出虚拟连挂对通信系统的要求，这些要求对于选择任何一种通信制式，都是需要考虑的因素。不同类型的通信系统由于其性能、可靠性等特性不同，会使承载其上的列控系统性能产生较大的差异。

图3 虚拟连挂对通信系统的需求图

四、结语

对目前主流的两种V2V通信制式3GPP、WiFi（802.11p）进行SWOT分析（Tetra技术不作为主流通信技术），5G技术为虚拟连挂的需求提供了各项要求的最佳匹配。

LTE作为5G商用前3GPP的技术演进路线上的主流技术，在城轨领域，LTE-M通信系统是目前承载虚拟连挂最为理想的车地无线通信系统。它的各项性能指标平衡，具备很强的抗干扰能力，经过了多个项目的测试验证，有多家主流厂商支持的产业链生态。

LTE-M的各项性能指标在城轨协发布的“城市轨道交通车地综合通信系统”系列标准中有着详细的定义，不再赘述，下面发起一个投票，对于LTE-M系统应用于虚拟连挂，哪些方面的要求还有待提升。

参考资料：

1.Movingrail D3.1 Virtual Coupling Communication Solutions Analysis. Shift2rail.

本文始发于微信公众号（薄说安全）：虚拟连挂对通信系统的要求