城市軌道交通基于車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)探討

汪小勇

（1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 卡斯柯信號(hào)有限公司，上海 200071）

信號(hào)作為軌道交通系統(tǒng)保證運(yùn)行安全、提高運(yùn)行效率的重要基礎(chǔ)裝備，一直在安全與效率之間尋求最優(yōu)解。得益于電子、信息和通信技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)系統(tǒng)已由人工控制、繼電控制進(jìn)入計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)化控制時(shí)代，系統(tǒng)的安全性和效率在不斷提升，如目前城市軌道交通領(lǐng)域均采用基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），所采用的閉塞制式使列車運(yùn)行間隔得以進(jìn)一步縮短、運(yùn)能有所提升［1］。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是都市圈和城市群的快速發(fā)展對(duì)軌道交通帶來(lái)巨大壓力，更加高效、智能的信號(hào)系統(tǒng)也被提上了日程。如何在保證行車安全的前提下，更有效地利用有限的線路和車輛資源，提高運(yùn)能、減少運(yùn)維成本，成為新一代城市軌道信號(hào)系統(tǒng)所要解決的問(wèn)題。對(duì)此業(yè)內(nèi)提出了不同的建議，包括自適應(yīng)和多目標(biāo)決策機(jī)制的智能化信號(hào)系統(tǒng)［2］、基于令牌網(wǎng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［3］、以運(yùn)營(yíng)需求為導(dǎo)向的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［4］等。在進(jìn)行原理和技術(shù)研究的同時(shí)，法國(guó)阿爾斯通公司于2013年UITP 會(huì)議上正式提出列車為中心和車車通信的信號(hào)系統(tǒng)概念，并推出Urbalis Fluence 系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用于法國(guó)Lille，這是全球第1套列車為中心的車車通信信號(hào)系統(tǒng)［5］。當(dāng)前，車車通信信號(hào)系統(tǒng)在我國(guó)也得到關(guān)注，并進(jìn)行了相關(guān)研究與驗(yàn)證，包括在上海地鐵3/4 號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)完成多車無(wú)人駕駛模式的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS）驗(yàn)證［6］、青島地鐵聯(lián)合相關(guān)供應(yīng)商在6 號(hào)線進(jìn)行試驗(yàn)研究［7］等。

1 信號(hào)系統(tǒng)現(xiàn)狀與機(jī)遇

目前城市軌道交通主流信號(hào)系統(tǒng)為CBTC 系統(tǒng)，采用移動(dòng)閉塞制式，軌旁線路等資源都是由聯(lián)鎖子系統(tǒng)以進(jìn)路的方式進(jìn)行統(tǒng)一分配、鎖定和釋放。由于閉塞制式?jīng)Q定了追蹤間隔，因此從追蹤性能方面看，CBTC系統(tǒng)制式優(yōu)于之前的其他制式，但由于軌旁資源管理都是以進(jìn)路方式進(jìn)行的，使CBTC 系統(tǒng)在岔區(qū)的折返能力和部分特定區(qū)域的通過(guò)能力成為瓶頸，影響了整條線路的運(yùn)能。

隨著國(guó)家對(duì)干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通四網(wǎng)融合發(fā)展的推進(jìn)［8］，軌道交通出行的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，在公共交通中的占比也會(huì)越來(lái)越大，對(duì)軌道交通的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提出了更高要求，這也成為信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的機(jī)遇。

（1）隨著運(yùn)能的增長(zhǎng)，城市軌道交通部分時(shí)段不得不處于超強(qiáng)度運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。只有通過(guò)更高效能的信號(hào)系統(tǒng)縮短列車運(yùn)行間隔、提高旅行速度、減少影響列車運(yùn)行的系統(tǒng)故障并降低故障對(duì)運(yùn)行的影響，才能真正保證在運(yùn)能激增情況下的運(yùn)營(yíng)安全。

（2）城市規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致通勤距離增加，都市圈和城市群的發(fā)展也加大了客流預(yù)測(cè)和管理的難度，運(yùn)行計(jì)劃的調(diào)整會(huì)更加頻繁，超常規(guī)運(yùn)營(yíng)也將可能成為常態(tài)。這要求城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的靈活性，如支持通勤潮汐客流對(duì)靈活編組、快慢混行的需求，突發(fā)客流對(duì)虛擬編組的需求等。

（3）隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和改造升級(jí)的成本隨之攀升，另一方面國(guó)民生活水平的提升又進(jìn)一步加劇了成本支出，成為未來(lái)城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的負(fù)擔(dān)。采用更高效能的信號(hào)系統(tǒng)減少建設(shè)的投入、降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的成本、簡(jiǎn)化改造升級(jí)的難度，將為城市軌道交通發(fā)展提供更好保障。

（4）在四網(wǎng)融合的過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)鄰接網(wǎng)絡(luò)間的互通運(yùn)營(yíng)或運(yùn)行；在不等壽命周期的項(xiàng)目延伸、改造和升級(jí)過(guò)程中，如何規(guī)避或減少對(duì)既有運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的干擾，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡、無(wú)擾改造、新舊兼容。這些問(wèn)題對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的兼容性和易部署性均提出了更高要求。

綜上所述，城市軌道交通的發(fā)展對(duì)高效能信號(hào)系統(tǒng)提出了更多更高的需求，特別是在系統(tǒng)性能、運(yùn)營(yíng)靈活性、經(jīng)濟(jì)性、兼容性和易部署性等方面。

2 TACS系統(tǒng)基本原理與技術(shù)特征

為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通發(fā)展對(duì)信號(hào)系統(tǒng)更多更高的需求，需要信號(hào)系統(tǒng)更精細(xì)地管理軌旁資源、盡可能以去中心化的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)列車間協(xié)同控制、精簡(jiǎn)系統(tǒng)架構(gòu)和信息流路徑以提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、將車載控制和軌旁控制進(jìn)行解耦以實(shí)現(xiàn)更好的兼容性和易部署性，這些正是新一代高效能TACS系統(tǒng)的基本技術(shù)特征。

2.1 基本原理

TACS 系統(tǒng)是基于列車運(yùn)行計(jì)劃實(shí)現(xiàn)自主資源管理并進(jìn)行主動(dòng)間隔防護(hù)［9］的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。TACS系統(tǒng)將傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)中以進(jìn)路方式實(shí)現(xiàn)的聯(lián)鎖功能升級(jí)為以列車為中心基于資源點(diǎn)的自主資源管理功能，將傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)以軌旁為主進(jìn)行列車間隔防護(hù)的閉塞功能升級(jí)為車車協(xié)同的主動(dòng)間隔防護(hù)功能，這2個(gè)功能的基本原理及其與傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)的差別如下：

（1）自主資源管理。TACS 車載信號(hào)子系統(tǒng)基于調(diào)度子系統(tǒng)下發(fā)的運(yùn)行計(jì)劃，根據(jù)當(dāng)前位置生成列車的運(yùn)行任務(wù)，自主計(jì)算對(duì)軌旁資源的需求，擇機(jī)向軌旁資源管理子系統(tǒng)申請(qǐng)，獲得分配后使用并盡快釋放資源。調(diào)度系統(tǒng)向列車發(fā)出運(yùn)動(dòng)計(jì)劃指令后，列車自主計(jì)算后向軌旁控制器申請(qǐng)資源，資源被分配后將再次提供給列車的車載使用，使用后車載釋放資源。在資源管理的全過(guò)程中信息流采用單一路徑（見圖1（a））。

對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)，軌旁資源管理由聯(lián)鎖負(fù)責(zé)，調(diào)度系統(tǒng)將運(yùn)行計(jì)劃進(jìn)行拆解并根據(jù)列車位置向軌旁聯(lián)鎖發(fā)出進(jìn)路建立的命令，同時(shí)給列車發(fā)送列車運(yùn)行任務(wù)的命令，命令分別通過(guò)2條路徑進(jìn)行傳遞（見圖1（b））。在這種資源管理方式中，以進(jìn)路方式對(duì)列車運(yùn)行所需多個(gè)資源進(jìn)行打包，采用一次性分配進(jìn)路并鎖閉進(jìn)路的方式，釋放進(jìn)路/區(qū)段解鎖時(shí)可以根據(jù)列車位置按區(qū)段釋放（即3 點(diǎn)檢查解鎖方式），資源的利用效率相對(duì)較低。另一方面，命令通過(guò)不同路徑傳遞，由于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)或系統(tǒng)阻塞等因素，不可避免地存在列車運(yùn)行任務(wù)和軌旁建立的進(jìn)路方向不一致的情況，雖然沒(méi)有安全問(wèn)題但會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)秩序受到影響。

（2）主動(dòng)間隔防護(hù)。TACS 車載信號(hào)子系統(tǒng)基于自身的運(yùn)行任務(wù)和當(dāng)前位置，主動(dòng)與相鄰列車交互信息，并根據(jù)交互信息自主更新移動(dòng)授權(quán)，調(diào)整列車的運(yùn)行狀態(tài)。TACS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車A 與列車B 之間信息的直接交互，增強(qiáng)了列車間隔防護(hù)的實(shí)時(shí)性（見圖2（a））。

對(duì)于傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)，列車間隔防護(hù)系統(tǒng)由軌旁設(shè)備區(qū)域控制器完成，所有列車將自身的位置發(fā)送給區(qū)域控制器，由區(qū)域控制器在考慮列車位置不確定性及時(shí)延后形成列車包絡(luò)，按此基礎(chǔ)為各請(qǐng)求列車提供移動(dòng)授權(quán)信息（見圖2（b））。相比于TACS 系統(tǒng)基于車車協(xié)同的主動(dòng)間隔防護(hù)方式，傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)基于軌旁閉塞設(shè)備進(jìn)行間隔防護(hù)的方法，降低了間隔防護(hù)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)而影響到列車追蹤間隔。

圖2 TACS系統(tǒng)主動(dòng)間隔防護(hù)示意圖

2.2 技術(shù)特征

TACS 系統(tǒng)技術(shù)特征見圖3，至少包括安全平臺(tái)優(yōu)化（Powerful Platform）、系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化（Simple System）和資源管理細(xì)化（Refined Resource），這些特征分別從軟硬件基礎(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用管理3 個(gè)層面對(duì)TACS 系統(tǒng)進(jìn)行定義，以下分別從P-S-R三個(gè)維度加以闡述。

圖3 TACS系統(tǒng)技術(shù)特征

（1）安全平臺(tái)優(yōu)化（P）。優(yōu)化的安全平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的基石。以列車為中心的資源管理和間隔防護(hù)使大量的安全功能被分配到車載子系統(tǒng)，增加了車載的運(yùn)算量，需要更加強(qiáng)勁的車載安全平臺(tái)支撐，否則，TACS 系統(tǒng)分配的功能將無(wú)法實(shí)現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)效率非常低，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

（2）系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)化（S）。精簡(jiǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)是系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的保障。傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)軌旁集中控制設(shè)備較多、數(shù)據(jù)流傳輸復(fù)雜、安全控制信息更新慢，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行效率受制約。TACS 系統(tǒng)精簡(jiǎn)了軌旁集中控制設(shè)備，縮短了數(shù)據(jù)流傳輸鏈的路徑，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的扁平化。

（3）資源管理細(xì)化（R）。細(xì)化的資源管理是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂。傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)基于進(jìn)路的管理方式，使線路和道岔資源被打包分配，資源的空間利用率低；間隔防護(hù)采用軌旁統(tǒng)一管理的方式，人為降低了信息的實(shí)時(shí)性，資源的時(shí)間利用率差。TACS 系統(tǒng)從時(shí)間和空間維度對(duì)資源進(jìn)行精細(xì)化管理，并在強(qiáng)勁的安全平臺(tái)和精簡(jiǎn)的系統(tǒng)架構(gòu)支撐下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升和功能的增強(qiáng)。

3 功能與性能分析

TACS 系統(tǒng)以其獨(dú)有的技術(shù)特征，具有更好的功能與性能表現(xiàn)，在應(yīng)對(duì)軌道交通發(fā)展帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)方面也有著更多優(yōu)勢(shì)。

（1）更加精細(xì)地管理軌旁的線路和道岔資源，可以在同等線路配置條件下運(yùn)行更多的列車，以縮短列車運(yùn)行間隔的方式提升了資源在單位空間內(nèi)的利用效率。更多的運(yùn)行列車帶來(lái)的運(yùn)能增長(zhǎng)，可以減少因此而需要建設(shè)的新線投資；同時(shí)列車運(yùn)行間隔的縮短可讓“小編組高密度”方式替代“長(zhǎng)大編組”方式解決運(yùn)能問(wèn)題成為可能，進(jìn)而可以縮短列車編組、減少站臺(tái)的長(zhǎng)度及由此產(chǎn)生的相關(guān)機(jī)電設(shè)備投入；更精細(xì)的資源管理還可使列車安全防護(hù)距離得以縮短，相應(yīng)減少這部分的土建投資。因此更精細(xì)的資源管理對(duì)于既有線而言，可以有效提升線路的運(yùn)能，對(duì)于線網(wǎng)規(guī)劃和新線建設(shè)可以提升其經(jīng)濟(jì)性。

（2）去中心化的設(shè)計(jì)可以避免因單個(gè)設(shè)備故障對(duì)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的大面積影響，提高了系統(tǒng)的可用性，降低了因系統(tǒng)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。同時(shí)，去中以化的設(shè)計(jì)可使軌旁資源的集中化管理變?yōu)橹苯咏灰?，降低了資源交易的成本，提升了資源在單位時(shí)間內(nèi)的利用效率。TACS 系統(tǒng)以去中心化的車車通信（在此注意“車車通信”應(yīng)理解為列車之間的直接信息交互，類似于2部手機(jī)之間的通話，并非“列車之間無(wú)線連接的直接建立”）實(shí)現(xiàn)了車車的協(xié)同控制，減少了因軌旁中轉(zhuǎn)帶來(lái)的時(shí)間損失。資源在單位時(shí)間內(nèi)利用效率的提高，使列車追蹤間隔更小，提升了系統(tǒng)的運(yùn)能。TACS 系統(tǒng)通過(guò)列車之間位置和牽引制動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)交互，有效地提高了能饋制動(dòng)的利用率，降低了能耗指標(biāo)，使軌道交通更加綠色節(jié)能。

（3）采用精簡(jiǎn)系統(tǒng)架構(gòu)和信息流路徑以提升系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，使系統(tǒng)的反應(yīng)更加靈敏，列車緊急制動(dòng)的觸發(fā)時(shí)間可由CBTC 標(biāo)準(zhǔn)中定義的0.75 s［10］縮短到0.50 s，更快地響應(yīng)緊急情況，更加及時(shí)地觸發(fā)安全防護(hù)；對(duì)于ATO 系統(tǒng)而言，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地使列車旅行速度得到進(jìn)一步提升，節(jié)約由此需購(gòu)置的列車數(shù)、減少列車的空駛里程；系統(tǒng)架構(gòu)的精簡(jiǎn)還可減少設(shè)備種類和數(shù)量，減少維護(hù)工作量，降低全壽命周期的運(yùn)維成本。

（4）將車載控制和軌旁控制進(jìn)行解耦的實(shí)現(xiàn)方式，使系統(tǒng)具有更好的兼容性和易部署性。傳統(tǒng)系統(tǒng)和軌旁緊密關(guān)聯(lián)，軌旁的延伸或不同類型列車的加入運(yùn)行，需要進(jìn)行全系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新，兼容性和易部署性差。軌旁和車載的解耦將有利于車載和軌旁的分開部署，同時(shí)結(jié)合去中心化的設(shè)計(jì)使線路延伸、增加不同類型的列車及系統(tǒng)的改造升級(jí)簡(jiǎn)單化、易于部署；解耦后系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)多種制式的融合，增加了系統(tǒng)的兼容性；解耦后的去中心化將方便系統(tǒng)未來(lái)根據(jù)需要朝著邊緣計(jì)算或云化的方向演進(jìn)，為未來(lái)更新一代信號(hào)系統(tǒng)迭代提供了條件。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證TACS系統(tǒng)的實(shí)際功能和性能情況，2020年6 月28 日在上海地鐵3/4 號(hào)線以寶山路為中心的區(qū)域，全國(guó)知名信號(hào)和運(yùn)營(yíng)專家、業(yè)主代表對(duì)TACS 系統(tǒng)全自動(dòng)無(wú)人駕駛模式下的主要功能和性能進(jìn)行實(shí)際控車測(cè)試驗(yàn)證。多車無(wú)人駕駛模式（UTO）實(shí)測(cè)驗(yàn)證的結(jié)果表明，TACS 系統(tǒng)與既有系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相比，關(guān)鍵性能指標(biāo)提升27.03%以上，與CBTC 仿真結(jié)果比較，TACS系統(tǒng)提升19.75%以上。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際功能測(cè)試也驗(yàn)證了TACS 系統(tǒng)列車可以在任意站穿梭運(yùn)行、在任意點(diǎn)折返掉頭的功能，這些靈活的運(yùn)行功能為更加高效的運(yùn)營(yíng)組織應(yīng)對(duì)提供了條件。同時(shí)與會(huì)專家確認(rèn)上海地鐵3/4 號(hào)線驗(yàn)證項(xiàng)目所采用的TACS 系統(tǒng)是基于無(wú)線車車通信的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、設(shè)備配置簡(jiǎn)潔，已獲得系統(tǒng)級(jí)獨(dú)立第三方通用應(yīng)用安全認(rèn)證。經(jīng)中國(guó)科學(xué)院查新，該項(xiàng)目是首個(gè)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車測(cè)試的TACS 系統(tǒng)，在安全多核車載控制器、資源精準(zhǔn)管理、TACS 和CBTC 共用硬件平臺(tái)、與既有系統(tǒng)的安全隔離等方面具有創(chuàng)新性，系統(tǒng)高效靈活，便于無(wú)擾升級(jí)和多制式混合運(yùn)行［11］。

5 結(jié)束語(yǔ)

TACS 系統(tǒng)作為新一代城市軌道交通高效能信號(hào)系統(tǒng)，主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化且高效能運(yùn)行，而復(fù)雜的列車運(yùn)行環(huán)境中又注定需要考慮各種故障模式、非預(yù)期列車和非預(yù)期運(yùn)動(dòng)等各類非正常場(chǎng)景。在增加針對(duì)這些場(chǎng)景的降級(jí)設(shè)計(jì)后，又與當(dāng)初確定的輕量化目標(biāo)存在一定差距，這就是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須面對(duì)的兩難選擇，而系統(tǒng)邊界的不確定性更為這種選擇增加了難度。因此，需要通過(guò)工程實(shí)踐，進(jìn)一步深化相關(guān)問(wèn)題的研究。