城市軌道交通列車自主運(yùn)行系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)淺析與探討

王艷偉 馬超 劉汪洋

摘要 列車自主運(yùn)行系統(tǒng)作為以車車之間通信為理念的全新信號(hào)控制系統(tǒng)，在當(dāng)前日益蓬勃發(fā)展的城市軌道交通行業(yè)中，系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)突出。結(jié)合傳統(tǒng)CBTC信號(hào)系統(tǒng)和TACS系統(tǒng)軟硬件差異，并以城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路存在的典型問(wèn)題為例，對(duì)TACS系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了解讀。結(jié)合現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了量化分析。

關(guān)鍵詞 列車自主運(yùn)行系統(tǒng);信號(hào)系統(tǒng);移動(dòng)授權(quán);移動(dòng)閉塞;車車通信

中圖分類號(hào) U284.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）05-0001-03

0 概述

近年來(lái)，隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)技術(shù)的逐步成熟，對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的智能化、輕型化、便捷性及低成本等方面提出了更高的要求。

為解決以上痛點(diǎn)，由中國(guó)第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“TACS系統(tǒng)”）信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。TACS系統(tǒng)采用一種全新的信號(hào)系統(tǒng)控制理念，是以列車為核心，基于車車通信，采用資源管理的理念，以信號(hào)車輛深度融合為特征，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行方式由自動(dòng)化向自主化轉(zhuǎn)變的一種全新系統(tǒng)制式[1]。相比于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

TACS系統(tǒng)是在技術(shù)創(chuàng)新上真正實(shí)現(xiàn)國(guó)際引領(lǐng)的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)軌道交通裝備從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的跨越，揭開(kāi)了中國(guó)城軌列車運(yùn)行控制領(lǐng)域的嶄新一頁(yè)，將有效提升中國(guó)城軌裝備的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

目前，TACS系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)車輛和信號(hào)的深度融合，顯著提高城市軌道交通列控系統(tǒng)的智能化水平。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

TACS系統(tǒng)相比傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，在設(shè)備構(gòu)成上進(jìn)行了精簡(jiǎn)。按照設(shè)備所屬的區(qū)域劃分，主要包括車載設(shè)備和軌旁設(shè)備兩大部分[2]。

1.1 車載設(shè)備

車載設(shè)備主要包括OBC（車載控制器）、速度傳感器、應(yīng)答器讀取單元、無(wú)線天線、列車顯示器等。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，硬件配置沒(méi)有變化。主要車載控制器的系統(tǒng)軟件及接口協(xié)議有所增加。

1.2 軌旁設(shè)備

軌旁設(shè)備主要包括車站設(shè)備、車輛段設(shè)備、控制中心設(shè)備。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，軌旁設(shè)備OC（地面目標(biāo)控制器）替代原來(lái)的ZC（區(qū)域控制器）和CBI（聯(lián)鎖），并取消了ATS站機(jī)。將傳統(tǒng) CBTC系統(tǒng)中CBI和ZC設(shè)備的功能集成到了TACS 系統(tǒng)的OBC中，通過(guò)前后列車之間的通信去實(shí)現(xiàn)列車主動(dòng)進(jìn)路和列車自主防護(hù)的功能交互。

2 系統(tǒng)原理

TACS系統(tǒng)通過(guò)列車之間的直接通信方式實(shí)現(xiàn)列車自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自主運(yùn)行、自主調(diào)整的直接自主控制[3-5]。與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的基于ZC管理列車及間隔防護(hù)，CC主動(dòng)運(yùn)行控制和防護(hù)，與ZC間接控制列車的控制方式相比，減少了控制節(jié)點(diǎn)，并提升運(yùn)行能力，自主運(yùn)行控制為智能、智慧提供了基礎(chǔ)底盤。

TACS系統(tǒng)控制流程如下：

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

（2）注冊(cè)列車并查詢資源。

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

（4）列車向前車申請(qǐng)資源。

（5）前車釋放資源，并在OC更新登記實(shí)體資源。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

TACS系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，主要有資源離散、功能內(nèi)聚、自主自律、弱中心化等系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)和TACS系統(tǒng)的架構(gòu)和邏輯差異對(duì)比，從以下幾個(gè)方面，對(duì)TACS系統(tǒng)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析探究。

3.1 扁平化架構(gòu)縮短控制鏈路

TACS系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)閉塞追蹤控制的數(shù)據(jù)流進(jìn)行了調(diào)整，移動(dòng)授權(quán)數(shù)據(jù)流對(duì)比如圖1所示，減少控制鏈路級(jí)聯(lián)，一定程度上提升系統(tǒng)響應(yīng)性能及系統(tǒng)安全性，并且縮短了追蹤間隔。

3.2 自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自主調(diào)整

從列車智能化程度來(lái)講，TACS列車相對(duì)于CBTC列車更“聰明”，車車通信，具備自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自動(dòng)駕駛和自主調(diào)整功能。 自主控制原理示意圖如圖2所示。

（1）自主進(jìn)路：列車自主下載本車運(yùn)行計(jì)劃，并采用基于資源管理的安全策略，保證進(jìn)路安全。

（2）自主防護(hù)：列車根據(jù)獲取資源等信息，動(dòng)態(tài)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，實(shí)現(xiàn)自主防護(hù)。

（3）自主調(diào)整：基于車載運(yùn)行時(shí)刻表，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)列車自主調(diào)整功能。

3.3 站臺(tái)連續(xù)追蹤

TACS系統(tǒng)在進(jìn)行列車追蹤時(shí)，前車已經(jīng)啟動(dòng)，且出清站臺(tái)后，后車就可判斷前車的移動(dòng)授權(quán)長(zhǎng)度可以正常使用，此時(shí)，后車可聯(lián)系追蹤前車進(jìn)入站臺(tái)。根據(jù)IEEE1474，1—6.2所述， ATO在ATP防護(hù)下，應(yīng)控制列車不使其在僅部分進(jìn)入站臺(tái)時(shí)停車[6]，基于此進(jìn)行測(cè)算，TACS系統(tǒng)的站臺(tái)追蹤間隔可提升10%以上。

3.4 靈活的進(jìn)路控制

TACS系統(tǒng)是基于資源占用移動(dòng)授權(quán)，不依賴于進(jìn)路鎖閉，因此列車移動(dòng)授權(quán)的方向取決于列車的方向，以列車為始端，可建立任意方向和終點(diǎn)的進(jìn)路，且移動(dòng)閉塞是可以任意移動(dòng)的[7]。鑒于此控制策略，可在如下幾種場(chǎng)景中進(jìn)行更加靈活的進(jìn)路控制。

3.4.1 臨時(shí)交路運(yùn)行

TACS系統(tǒng)在進(jìn)行臨時(shí)交路運(yùn)行控制時(shí)，具備如下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，在圖3中進(jìn)行示意。

（1）任意站臺(tái)，任意路徑，不需要提前布置雙向出站信號(hào)機(jī)。

（2）雙向移動(dòng)閉塞方式運(yùn)行，臨站發(fā)車無(wú)任何約束。

3.4.2 區(qū)間緊急退行

TACS系統(tǒng)在進(jìn)行區(qū)間緊急退行時(shí)，具備如下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)，在圖4中進(jìn)行了示意。

（1）全過(guò)程FAM模式運(yùn)行，系統(tǒng)保障安全;而在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)下需要以RM/EUM模式逆行，人工防護(hù)。

（2）區(qū)間單車情況下，可縮短故障處理時(shí)間到原先的1/4～1/3;在多車情況下，處置效率提升更加明顯。

3.4.3 工程車作業(yè)

根據(jù)工程車是否裝備了TACS系統(tǒng)的車載控制系統(tǒng)，TACS系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)防護(hù)時(shí)，采用了不同的策略：

（1）對(duì)于未裝備TACS車載控制系統(tǒng)的工程車，工程車可基于降級(jí)進(jìn)路的方式運(yùn)行。TACS系統(tǒng)基于自主控制優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)作業(yè)的工程車進(jìn)行靈活的安全防護(hù)。

（2）對(duì)于裝備TACS車載控制系統(tǒng)的工程車，可以充分發(fā)揮TACS系統(tǒng)靈活進(jìn)路的特點(diǎn)。在系統(tǒng)防護(hù)下，可以最高允許速度運(yùn)行，大大提升作業(yè)效率;可在任意位置進(jìn)行折返，排列任意進(jìn)路，作業(yè)靈活性大大提升。尤其對(duì)于線路長(zhǎng)、區(qū)間大的市域等線路，系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3.4.4 列車救援

當(dāng)車輛正線出現(xiàn)故障等需要進(jìn)行緊急救援時(shí)，TACS系統(tǒng)可以釋放所有占用資源，方便其他列車接近。救援列車可以在TACS系統(tǒng)的防護(hù)下，以最高運(yùn)行速度接近救援列車。在列車完成連掛后，仍可以按照RM模式的方式進(jìn)行駕駛。后車只需要間隔一個(gè)計(jì)軸區(qū)段。如圖5所示，為系統(tǒng)救援場(chǎng)景的示意圖。

3.5 道岔的利用和防護(hù)

TACS系統(tǒng)采用道岔資源離散化管理和獨(dú)立的功能防護(hù)，在進(jìn)路控制時(shí)更加靈活，可以有效提升系統(tǒng)站前折返間隔效率[8]。如圖6所示，TACS系統(tǒng)與CBTC系統(tǒng)在進(jìn)行站前折返時(shí)的道岔側(cè)防策略對(duì)比示意圖，TACS系統(tǒng)采用移動(dòng)閉塞策略，而傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)采用整體鎖閉策略。TACS系統(tǒng)的移動(dòng)閉塞策略，在進(jìn)行站臺(tái)折返時(shí)，可將站前折返效率提升15%～20%。

3.6 弱中心化

TACS系統(tǒng)采用更趨分散的控制，區(qū)域設(shè)備少，有更高的系統(tǒng)可用性。進(jìn)路和移動(dòng)授權(quán)功能的上車，將系統(tǒng)故障由面故障降低為點(diǎn)故障，系統(tǒng)可用性可提升0.01%左右。

基于資源分散管理和車載功能高內(nèi)聚，車地接口和邏輯大幅簡(jiǎn)化;取消了軌旁區(qū)域控制器，消除了分區(qū)控制間的跨區(qū)控制移交和區(qū)域間的耦合。

取消了傳統(tǒng)CBTC設(shè)計(jì)聯(lián)鎖控制區(qū)域和區(qū)域控制器控制區(qū)域的劃分，以及在區(qū)域控制器控制交疊區(qū)內(nèi)復(fù)雜的控制移交過(guò)程。TAC跨區(qū)、跨線無(wú)重疊區(qū)，互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)以及延伸線接入設(shè)計(jì)及調(diào)試更簡(jiǎn)單。

3.7 電子地圖下地

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)架構(gòu)，車載控制器需存儲(chǔ)線網(wǎng)所有線路的電子地圖，電子地圖成為互聯(lián)互通線路關(guān)鍵耦合點(diǎn)。任意一條線路中有電子地圖的變更，其他互聯(lián)互通線路都要進(jìn)行軟件修改。從而增加軟件修改、測(cè)試、安全認(rèn)證和升級(jí)等一系列工作。重慶互聯(lián)互通線路是國(guó)內(nèi)互聯(lián)互通線路試點(diǎn)規(guī)劃城市[9]，根據(jù)重慶互聯(lián)互通線路開(kāi)通后的運(yùn)行情況，基本上90%以上的信號(hào)系統(tǒng)軟件升級(jí)的事由，是因有延伸線接入，數(shù)據(jù)修正引起的。

TACS系統(tǒng)電子地圖由軌旁O(shè)C通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送至車載控制器，且不受限于線網(wǎng)規(guī)模，更易于實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)的互聯(lián)互通運(yùn)行。列車在進(jìn)入OC控區(qū)后會(huì)先請(qǐng)求并下載此OC控區(qū)的電子地圖。電子地圖與線路物理區(qū)域耦合，使得系統(tǒng)不受線路分段接入或個(gè)別區(qū)域線路數(shù)據(jù)修改的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

TACS系統(tǒng)自身具備智能、安全、可靠、高效、靈活、互聯(lián)互通、便捷改造等諸多優(yōu)勢(shì)，一定程度上降低了國(guó)家對(duì)于城市軌道交通基礎(chǔ)建設(shè)的總體投資，同時(shí)提升了城市軌道交通整體服務(wù)質(zhì)量。對(duì)這一新型列車自主運(yùn)行系統(tǒng)的全面推廣應(yīng)用，勢(shì)必會(huì)助推中國(guó)城市軌道交通的高質(zhì)量發(fā)展。

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