基于車-車通信的TACS列控系統(tǒng)研究

易希為 趙媛媛 朱卓瑾

浙江眾合科技股份有限公司，中國·浙江 杭州 310051

車-車通信；TACS 列控系統(tǒng)；青島試驗(yàn)線；全自動(dòng)運(yùn)行；資源管理

1 引言

目前，世界各國城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)普遍采用列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（CBTC），雖然其具有發(fā)車間隔小、運(yùn)營效率較高等優(yōu)勢(shì)，但列車進(jìn)路和安全防護(hù)等關(guān)鍵功能均是基于“車-地-車”的通信鏈路和控制架構(gòu)，仍存在局限和亟待優(yōu)化的方面。

傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)以地面設(shè)備為列車運(yùn)行的控制核心，采用OBC-ZC/CBI 的集中式控制架構(gòu)，以“車-地-車”的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，即前車將自身定位信息發(fā)送給區(qū)域控制器（ZC），區(qū)域控制器收到前車的位置報(bào)告，再結(jié)合聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）提供的軌道、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)等安全條件，為后車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并將移動(dòng)授權(quán)發(fā)送給后車。車車之間無法直接完成信息交互，須通過地面設(shè)備傳遞信息，數(shù)據(jù)流漫長且性能受限。系統(tǒng)對(duì)地面設(shè)備的依賴程度較高且控制方式不夠靈活，單點(diǎn)故障影響面廣，尤其在承載無人駕駛功能后，存在配置設(shè)備多、系統(tǒng)接口和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、列車運(yùn)行對(duì)中心設(shè)備依賴大等缺點(diǎn)，以及因此導(dǎo)致的施工周期長、調(diào)試繁雜、故障影響范圍大、建設(shè)和維護(hù)成本高、互聯(lián)互通困難等問題。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，第四代無線通信技術(shù)（TDLTE）在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，利用安全高速的LTE-M信息傳輸平臺(tái)，優(yōu)化傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)的“車-地-車”結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“車-車”之間的通信，支持列車安全、高密度、自動(dòng)化運(yùn)行，全生命周期成本明顯降低，這樣的新型列車自主運(yùn)行系統(tǒng)必將成為未來技術(shù)發(fā)展方向[1]。

2 TACS 列控系統(tǒng)架構(gòu)

TACS 列控系統(tǒng)將傳統(tǒng)CBTC 信號(hào)系統(tǒng)的OBC-ZC/CBI的集中式控制架構(gòu)改為OBC-OBC、OBC-OC 的分散式控制架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 TACS 列控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

TACS 列控系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)（OBC）、目標(biāo)控制器子系統(tǒng)（OC）、列車運(yùn)行監(jiān)督子系統(tǒng)（ATS）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）和維護(hù)支持子系統(tǒng)（MMS）構(gòu)成，各子系統(tǒng)功能概述如下：

OBC 子系統(tǒng)，作為TACS 列控系統(tǒng)控制核心，提供自動(dòng)安全進(jìn)路、自主運(yùn)行和調(diào)整功能。

OC 子系統(tǒng)，提供軌旁基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)采集功能及管理員功能，登記列車狀態(tài)信息、實(shí)體資源、虛擬資源信息，并根據(jù)實(shí)體資源的控制權(quán)所有者的命令驅(qū)動(dòng)軌旁設(shè)備。提供降級(jí)運(yùn)行運(yùn)行功能[2]。

ATS 子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車進(jìn)路的自動(dòng)和人工辦理、列車運(yùn)行監(jiān)督、列車跟蹤顯示、列車運(yùn)營調(diào)整、信號(hào)設(shè)備集中監(jiān)控、臨時(shí)限速設(shè)置等功能。與綜合監(jiān)控（ISCS）協(xié)作實(shí)現(xiàn)無人駕駛運(yùn)營模式下的綜合自動(dòng)化的集中監(jiān)控功能。另外ATS 向其它子系統(tǒng)提供時(shí)鐘同步服務(wù)，用于非安全的時(shí)間顯示、事件記錄等場(chǎng)合。

DCS 子系統(tǒng)，主要分為有線網(wǎng)絡(luò)（含LTE 承載有線網(wǎng)）及LTE 無線網(wǎng)兩部分，在TACS 列控系統(tǒng)各設(shè)備之間提供雙向的、安全的數(shù)據(jù)交換，它提供開放的通信接口和體系架構(gòu)。應(yīng)用國際通行的協(xié)議：有線網(wǎng)使用IEEE 802.3 以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，無線通信使用LTE 標(biāo)準(zhǔn)。

MMS 子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的維護(hù)支持，為維護(hù)人員提供系統(tǒng)的運(yùn)行故障信息以及相關(guān)維護(hù)記錄，便于維護(hù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)維修。

2 TACS 列控系統(tǒng)工作原理

TACS 列控系統(tǒng)以車載控制器為核心，車車之間通過網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)通信，采用基于資源管理的安全防護(hù)算法，列車運(yùn)行計(jì)劃或進(jìn)路命令可以直接下載到列車，由列車自主執(zhí)行進(jìn)路并持有行車所需資源，資源是否能夠釋放完全由列車自主判斷，系統(tǒng)可自動(dòng)駕駛列車，同時(shí)可根據(jù)計(jì)劃自主調(diào)整運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)列車自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自動(dòng)駕駛、自主調(diào)整功能，最終實(shí)現(xiàn)列車的自主運(yùn)行。其工作原理如圖2所示：

圖2 TACS 列控系統(tǒng)工作原理示意圖

2.1 下發(fā)時(shí)刻表或?qū)崟r(shí)人工進(jìn)路命令

ATS子系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)路的控制包括自動(dòng)控制和人工控制。正常情況下，ATS 系統(tǒng)將列車運(yùn)行圖/時(shí)刻表信息發(fā)給列車，監(jiān)督在線列車運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)營列車故障時(shí)，中心調(diào)度員可人工介入控制，通過OC 辦理進(jìn)路實(shí)現(xiàn)對(duì)故障列車的控制。

2.2 注冊(cè)列車并查詢資源

OBC 在OC 注冊(cè)后，周期性向OC 發(fā)送位置報(bào)告、行車資源以及位置和資源附著的軌道區(qū)段信息。

OBC 獲取ATS 下發(fā)的時(shí)刻表或進(jìn)路命令后，向OC 發(fā)送行車路徑內(nèi)的關(guān)注列表，OC 據(jù)此向OBC 反饋行車資源持有者信息。

OBC 根據(jù)OC 反饋的信息，自行查找資源所有者。

2.3 OC 負(fù)責(zé)登記列車并轉(zhuǎn)發(fā)資源登記信息

所有列車將持有的行車資源狀態(tài)信息實(shí)時(shí)告知資源所在控區(qū)的OC，通過OC 轉(zhuǎn)發(fā)持有行車資源信息。列車根據(jù)自身行車資源需求以及OC 反饋的行車資源持有者信息，檢測(cè)行車資源持有者。

若列車行車路徑內(nèi)所需的行車資源不被其他列車持有，可直接從OC 獲取資源，并在OC 登記資源已被本車持有，拒絕其他列車的申請(qǐng)。OC 依照先到先得的原則登記資源。

確認(rèn)資源前車的功能不發(fā)生資源交互，是非安全功能；當(dāng)前車沒有所需行車資源時(shí)，OBC 重新執(zhí)行感知前車功能并和實(shí)際持有行車資源列車建立通信。

2.4 列車向資源持有者申請(qǐng)資源

OBC 獲取資源持有者后，嘗試與資源持有者建鏈，并向其申請(qǐng)行車資源。列車需要申請(qǐng)的資源，包括列車包絡(luò)下的未持有的資源和列車進(jìn)路范圍內(nèi)的所需的未持有的資源。

2.5 資源持有者釋放資源，并在OC 更新登記實(shí)體資源

資源持有者在判斷所有擁有的行車資源不再使用時(shí)，向申請(qǐng)者移交資源，并更新登記實(shí)體資源，列車獲取到所需資源后使用該資源，認(rèn)為被本車所持有。已申請(qǐng)但未使用的資源，如OBC 列車前進(jìn)方向上的行車資源，不能直接移交，需完成相應(yīng)的確認(rèn)流程。行車資源移交的過程是安全功能。

當(dāng)列車完全駛出OC 區(qū)域，且無資源申請(qǐng)者時(shí)，向OC釋放不再使用的資源；

當(dāng)列車與OC 通信中斷時(shí)，列車清空自己持有資源。OC通過相鄰車的資源持有情況，回收資源。

2.6 列車在獲得的獨(dú)占行車資源內(nèi)，列車計(jì)算制動(dòng)曲線，防護(hù)列車運(yùn)行

列車在獲得的獨(dú)占行車資源內(nèi)，生成移動(dòng)授權(quán)，列車根據(jù)移動(dòng)授權(quán)自主控制列車運(yùn)行。TACS 列控系統(tǒng)中，在行車資源化的基礎(chǔ)上，列車本身就會(huì)負(fù)責(zé)本車的行車防護(hù)，進(jìn)路不再是地面防護(hù)的一段區(qū)域而是指以車為主體的路徑。

列車在對(duì)進(jìn)路路徑進(jìn)行防護(hù)時(shí)，依據(jù)路徑軌道的資源，按照不同資源對(duì)象的屬性和規(guī)則進(jìn)行行車防護(hù)，如進(jìn)路上的道岔需要通過OC 移動(dòng)并鎖閉到位。進(jìn)行進(jìn)路防護(hù)時(shí)，列車采用的防護(hù)措施是由近及遠(yuǎn)地、連續(xù)式進(jìn)行防護(hù)。因此在釋放時(shí)也是根據(jù)列車位置的移動(dòng)實(shí)時(shí)釋放資源。對(duì)線路資源進(jìn)行最有效的利用，OC 只對(duì)不同資源對(duì)象獨(dú)立進(jìn)行一對(duì)一的管理，不再按照傳統(tǒng)聯(lián)鎖的方式對(duì)多個(gè)不同對(duì)象進(jìn)行組合式的判斷處理[3]。

3 TACS 列控系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）以車為主：以車載控制器為核心的扁平化架構(gòu)，減少了設(shè)備種類，弱化中心設(shè)計(jì)，更利于系統(tǒng)部署和擴(kuò)展，有利于降低運(yùn)營維護(hù)成本。

（2）基于資源管理的安全防護(hù)算法：通過車車協(xié)作和車地協(xié)作，系統(tǒng)采用基于資源管理的安全防護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)了完整的移動(dòng)閉塞安全防護(hù)功能。

①車車協(xié)作：以車載時(shí)刻表為依據(jù)，結(jié)合當(dāng)前行車意圖，由近及遠(yuǎn)進(jìn)行行車資源交互，實(shí)現(xiàn)行車間隔防護(hù)。

②車地協(xié)作：列車根據(jù)自主進(jìn)路命令與OC 協(xié)作完成附屬資源的登記和鎖閉，確保行車路徑安全以及防護(hù)側(cè)沖風(fēng)險(xiǎn)。

（3）高可用性：列車自主運(yùn)行時(shí)，除OBC 正常外，僅需無線網(wǎng)絡(luò)以及OC 設(shè)備無故障即可，不依賴于ATS 及ZC，依賴節(jié)點(diǎn)少；其次，車載故障只影響一列車，多車列控系統(tǒng)同時(shí)故障的概率低，影響范圍減小，大大降低整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生區(qū)域性降級(jí)的可能性，可用性更高。

（4）高靈活性：基于資源的安全防護(hù)算法，可在任意位置為列車建立任意方向安全進(jìn)路，可提供更好的運(yùn)營靈活性。

①緊急情況下靈活的運(yùn)營調(diào)度；

②作業(yè)靈活雙向運(yùn)行；

③雙向拉箱式運(yùn)行。

（5）系統(tǒng)融合：與車輛各子系統(tǒng)采用融合設(shè)計(jì)，削減冗余功能、整合冗余硬件，優(yōu)化車載網(wǎng)絡(luò)布局，減低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和列車控制性能、提高自動(dòng)化程度以及更加高效節(jié)能。

（6）互聯(lián)互通：支持互聯(lián)互通共線和跨線運(yùn)行。利用TACS 列控系統(tǒng)特有的架構(gòu)，可在現(xiàn)有的互聯(lián)互通產(chǎn)品更近一步，做到目前的互聯(lián)互通項(xiàng)目未實(shí)現(xiàn)的特性。比如：車載列控系統(tǒng)的互換、地面OC 設(shè)備的互換。

（7）完整的降級(jí)防護(hù)功能：提供進(jìn)路降級(jí)防護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)正常TACS 列車和降級(jí)列車混跑。

4 TACS 列控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

TACS 列控系統(tǒng)在青島試驗(yàn)線進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，開展基于車載控制平臺(tái)的列車自主運(yùn)行控制系統(tǒng)總體方案研究、產(chǎn)品平臺(tái)開發(fā)、試驗(yàn)與測(cè)試平臺(tái)開發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范體系制定及應(yīng)用示范線建設(shè)，為廣泛地鐵應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)線測(cè)試和驗(yàn)證主要功能包括：

（1）列車自主運(yùn)行功能：實(shí)現(xiàn)以列車主動(dòng)進(jìn)路、自主防護(hù)、自主調(diào)整、自動(dòng)駕駛為特點(diǎn)的列車自主運(yùn)行。

（2）車載控制系統(tǒng)深度融合功能：采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)構(gòu)建覆蓋全車主要控制設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)的列車控制設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)之一納入該網(wǎng)絡(luò)，與列車原有的控制系統(tǒng)如牽引、制動(dòng)控制功能并行管理，并將傳統(tǒng)的車載列控?cái)?shù)據(jù)采集和輸出設(shè)備與車輛設(shè)備進(jìn)行融合。

（3）全自動(dòng)駕駛功能：實(shí)現(xiàn)TACS 列控系統(tǒng)采用GOA3級(jí)有人值守的全自動(dòng)運(yùn)行模式運(yùn)行的功能和驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、自動(dòng)折返、自動(dòng)開關(guān)門等。

（4）接口功能：實(shí)現(xiàn)TACS 列控系統(tǒng)與其他主要系統(tǒng)（車輛、站臺(tái)門）的接口功能的測(cè)試和驗(yàn)證。

（5）降級(jí)運(yùn)行功能：TACS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)或人工轉(zhuǎn)為降級(jí)模式，一定程度上維持系統(tǒng)的運(yùn)營能力。當(dāng)單車故障時(shí)，主系統(tǒng)級(jí)別不受影響，只針對(duì)故障車進(jìn)行處理。當(dāng)?shù)孛娴淖酉到y(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，該子系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域整體降級(jí)，司機(jī)在車載防撞系統(tǒng)輔助下人工行車，行車安全由運(yùn)營管理制度及ATS 調(diào)度員、司機(jī)人工保證。

（6）跨線互聯(lián)互通功能：①軌旁設(shè)備都由同一家信號(hào)集成商提供，裝備不同信號(hào)集成商車載設(shè)備的列車在TACS 模式下同時(shí)在線混合運(yùn)行；②軌旁不同區(qū)域的OC 分別由兩家信號(hào)集成商提供，裝備不同信號(hào)集成商車載設(shè)備的列車在TACS模式下同時(shí)在線混合運(yùn)行。

5 結(jié)語

基于車車通信的TACS 列控系統(tǒng)研究和實(shí)施，將實(shí)現(xiàn)軌道交通列車從信號(hào)控制運(yùn)行向列車自主運(yùn)行的技術(shù)跨越，為中國各地城市軌道交通的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營提供示范，提升城市軌道交通系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平，推動(dòng)和引領(lǐng)全球軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展?！败?車”通信的分散式控制架構(gòu)具有互聯(lián)互通天然的優(yōu)勢(shì)，同一條線上可實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)級(jí)別的互通互換，對(duì)于項(xiàng)目延伸，各子系的選擇用戶可任意組合，不受既有系統(tǒng)制約。TACS 列控系統(tǒng)采用分散控制代替集中控制的創(chuàng)新實(shí)踐，為列車控制提供了更為靈活的手段，有利于列車安全、智能、節(jié)能、高效的運(yùn)行，是未來城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)。