基于車車通信的列車運行控制系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用方案

范永華 李 聰

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 高級工程師)

城市軌道交通TACS(列車自主運行系統(tǒng))在系統(tǒng)研發(fā)走向具體工程應(yīng)用的過程中，需要結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能特點及工程實際進行應(yīng)用方案設(shè)計。合理的TACS應(yīng)用方案可以提高城市軌道交通線路的運行穩(wěn)定性，減少運維的工作量。近年來，基于車車通信的TACS作為城市軌道交通信號系統(tǒng)的新技術(shù)，得以迅速發(fā)展。基于車車通信的TACS具有結(jié)構(gòu)精簡、性能優(yōu)良等特點，與目前廣泛應(yīng)用的CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)同屬于移動閉塞制式，但二者在系統(tǒng)原理和主要功能等方面均有較大差異。由此，本文針對基于車車通信的TACS開展應(yīng)用方案研究，探討基于車車通信的TACS的配置方案及關(guān)鍵系統(tǒng)方案，這對提升TACS在工程應(yīng)用的穩(wěn)定性、有效性上具有重大的意義。

1 基于車車通信的TACS結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 基于車車通信的TACS組成

基于車車通信的TACS一般由ATS(列車自動監(jiān)控)、ATP(列車自動防護)、ATO(列車自動運行)、OC(目標控制)及DCS(數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng))等子系統(tǒng)組成。其中，ATP和ATO設(shè)備主要包括地面資源管理設(shè)備、地面列車管理設(shè)備和車載ATP/ATO設(shè)備?；谲囓囃ㄐ诺腡ACS結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。實際工程應(yīng)用中，TACS的設(shè)備往往按屬地管理原則劃分為運營控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、車輛段/停車場設(shè)備、車載設(shè)備和軌旁設(shè)備等。

基于車車通信的TACS具有以下結(jié)構(gòu)特點：

1) 組成TACS的各子系統(tǒng)在功能上相對獨立,各子系統(tǒng)間接口通過DCS實現(xiàn)。DCS包括有線通信網(wǎng)絡(luò)和車地無線通信網(wǎng)絡(luò)兩部分。

圖1 基于車車通信的TACS組成示意圖

2) 車載ATP/ATO設(shè)備是TACS的核心控制設(shè)備。列車直接從ATS接收列車運行計劃。運行路徑規(guī)劃、線路資源獲取等均由列車自主完成。

3) 列車以ATO模式運行時，列車運行間隔防護通過該車與相鄰列車的通信自主完成。站臺門、站臺緊急停車按鈕、道岔等影響行車的設(shè)備均納入地面ATP/ATO設(shè)備的線路資源管理設(shè)備范疇。

4) 軌旁設(shè)備不直接參與行車安全防護。地面ATP/ATO設(shè)備為列車提供線路資源狀態(tài)信息，并響應(yīng)列車的線路資源申請需求。OC設(shè)備采集軌旁設(shè)備狀態(tài),提供電源驅(qū)動。地面設(shè)備的可靠運行是列車運行的基礎(chǔ)，地面設(shè)備對于線路的管理效率直接影響線路的通過能力。

1.2 ATS子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ATS子系統(tǒng)主要負責行車計劃管理及列車運行監(jiān)控，其設(shè)備按設(shè)置區(qū)域可分為中央級設(shè)備和車站級設(shè)備。

在TACS中,列車運行計劃安排到列車運行路徑規(guī)劃的全過程均由列車自主完成，ATS在此環(huán)節(jié)中只負責下發(fā)列車運行計劃，而ATS中僅中央級設(shè)備具備列車運行計劃的編制和下發(fā)功能，因此TACS的線路控制模式為中央控制模式。即：ATS中僅中央級設(shè)備具備運營指揮功能，車站級設(shè)備用于軌旁設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和列車管理。

基于TACS采用中央控制模式的特點，為提高ATS設(shè)備在故障場景下的可用性，在線路無備用運營控制中心時可考慮在正線或車輛段/停車場內(nèi)增加線路控制級ATS設(shè)備(以下簡稱“線控級ATS設(shè)備”)。圖2為ATS子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，線控級ATS設(shè)備與中央級ATS設(shè)備構(gòu)成異地冗余。線控級ATS設(shè)備可配置調(diào)度員工作站、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，其功能與中央級ATS設(shè)備相同。通過操作權(quán)限管理可實現(xiàn)中央級ATS設(shè)備和線控級ATS設(shè)備的控制權(quán)限切換。

圖2 ATS子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

不考慮異地冗余時，ATS的關(guān)鍵設(shè)備已采用雙機熱備的冗余方式?？紤]異地冗余后，線控級ATS設(shè)備實際上是在原有雙機熱備冗余基礎(chǔ)上再額外增加1套熱備冗余。而更有效的方式則是在系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計階段優(yōu)化ATS設(shè)備的冗余架構(gòu)，以直接提升ATS的可靠性。

1.3 地面ATP/ATO子系統(tǒng)和OC子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地面ATP/ATO設(shè)備主要包括線路資源管理設(shè)備和列車管理設(shè)備兩部分。其中：線路資源管理設(shè)備主要對線路資源進行管理，結(jié)合車載設(shè)備實現(xiàn)線路資源的分配和回收；列車管理設(shè)備主要用于列車資源管理。這兩部分設(shè)備的功能相結(jié)合，可實現(xiàn)對非通信列車的管理。

OC設(shè)備是資源管理的執(zhí)行設(shè)備，為線路資源管理設(shè)備提供轉(zhuǎn)轍機、緊急停車按鈕等室外設(shè)備狀態(tài)信息，并響應(yīng)線路資源管理設(shè)備的控制命令。考慮到OC設(shè)備對室外設(shè)備的采集和驅(qū)動一般通過硬線實現(xiàn)，為提高設(shè)備控制的效率，OC設(shè)備通常設(shè)置在具備折返功能的有岔車站內(nèi)。OC設(shè)備與線路資源管理設(shè)備間的通信采用網(wǎng)絡(luò)接口。根據(jù)線路資源管理設(shè)備的結(jié)構(gòu)方式，線路資源管理設(shè)備和OC設(shè)備可以采用集中式結(jié)構(gòu)或分散式結(jié)構(gòu)。

1.3.1 集中式結(jié)構(gòu)

集中式結(jié)構(gòu)下，全線的OC設(shè)備均由1套線路資源管理設(shè)備進行管理，如圖3所示。集中式結(jié)構(gòu)對于線路資源管理設(shè)備的性能要求較高，其特點是設(shè)備精簡、系統(tǒng)內(nèi)部的接口數(shù)量較少、便于對OC設(shè)備進行集中管理。

圖3 采用集中式結(jié)構(gòu)的ATP子系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.3.2 分散式結(jié)構(gòu)

分散式結(jié)構(gòu)在OC設(shè)備管理區(qū)域內(nèi)進一步細分線路資源管理區(qū)域，根據(jù)城市軌道交通線路的長度或室外設(shè)備的數(shù)量，將1個車站或相鄰多個車站的OC設(shè)備管理區(qū)域納入1個線路資源管理區(qū)域予以管理。如圖4所示，線路資源管理設(shè)備1的管轄范圍為OC設(shè)備1的管理區(qū)域，線路資源管理設(shè)備2的管轄范圍包括OC設(shè)備2及OC設(shè)備3的管理區(qū)域。分散式結(jié)構(gòu)中相鄰線路資源管理設(shè)備間通過DCS骨干網(wǎng)進行通信，單個線路資源管理設(shè)備故障影響范圍小，具有良好的可擴展性。

圖4 采用分散式結(jié)構(gòu)的ATP子系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

線路資源管理設(shè)備在工作過程中需實時與ATS設(shè)備、OC設(shè)備及車載設(shè)備進行信息交互。與集中式結(jié)構(gòu)相比，分散式結(jié)構(gòu)分擔了信息處理量，有利于設(shè)備長期保持高性能的工作狀態(tài)。同時，在TACS優(yōu)化升級或設(shè)備故障重啟過程中，采用分散式結(jié)構(gòu)的OC子系統(tǒng)對運營的影響較小，有利于提升TACS的整體可靠性。

2 TACS關(guān)鍵技術(shù)方案

2.1 基于線路資源管理的列車折返

線路折返能力是衡量基于車車通信的TACS能力的關(guān)鍵指標。在既定的線路條件和列車參數(shù)下，若忽略列車停站時間的影響，則制約列車折返能力的因素主要包括線路資源申請過程中的線路資源準備時間和線路資源占用時間。線路資源準備時間和線路資源占用時間與列車的折返方式及TACS折返策略有關(guān)。一般情況下，與站前折返相比，站后折返因存在站后折返線，需要的線路資源占用時間較少。無論是采用站前折返還是站后折返，TACS對于線路資源處理的基本邏輯是一致的，本文僅以站后折返為例進行分析。

采用站后折返方式時，其流程可分為3個環(huán)節(jié)：①列車從上行/下行站臺駛?cè)胝鄯弟?；②列車在折返軌停穩(wěn)后實施換端作業(yè)；③列車駛出折返軌，進入下行/上行站臺。圖5為基于線路資源管理的站后雙折返線折返模式，相鄰列車分別利用2條不同的折返軌(I道、Ⅱ道)進行折返。

如圖5所示，基于線路資源管理的列車站后折返作業(yè)具體為：

1) 前行列車(以下簡稱“前車”)在由下行站臺駛?cè)擘虻赖倪^程中，首先向線路資源管理設(shè)備申請下行站臺到Ⅱ道的線路資源(1#—5#道岔及相應(yīng)的道岔區(qū)域、Ⅱ道折返軌)。列車獲取線路資源后，前車車載設(shè)備進行自主移動授權(quán)計算，授權(quán)前車從下行站臺駛?cè)擘虻勒鄯弟墶?/p>

2) 前車出清站臺端部FB1后，前車自動釋放下行站臺線路資源，后行列車(以下簡稱“后車”)獲取下行站臺線路資源后駛?cè)胂滦姓九_等候折返。當前車出清FB2時，前車自動釋放1#道岔的相關(guān)線路資源，后車可申請1#道岔線路資源并進入該道岔區(qū)域。FB2位于1#道岔警沖標的內(nèi)方，其與1#道岔的距離等于側(cè)防區(qū)域長度與安全防護長度余量之和。其中，安全防護長度余量包括應(yīng)答器天線到車鉤距離、列車定位誤差長度等。

注：FB1、FB2、FB3、FB4、FB5均為應(yīng)答器；側(cè)面沖突防護簡稱為“側(cè)防”；1#表示道岔編號，其余表述類同。

3) 前車出清FB4后，后車申請進入I道的線路資源并駛?cè)隝道。FB4距離扇形側(cè)防區(qū)域的安全防護長度余量與FB2一致。前車出清FB4后將自動釋放2#道岔和4#道岔的相關(guān)線路資源。

4) 前車換端完成后,向線路資源管理設(shè)備申請駛出折返軌的線路資源。前車出清FB4后，后車在I道完成換端作業(yè)即可提前申請3#道岔和5#道岔的相關(guān)線路資源。

對于采用CBTC系統(tǒng)的城市軌道交通線路，其應(yīng)答器通常設(shè)置在道岔區(qū)域的各個入口處，即將岔區(qū)與線路資源作為1個整體進行管理。通過分析道岔區(qū)域的側(cè)防范圍，在側(cè)防長度滿足要求的情況下，通過在岔區(qū)增加應(yīng)答器(如FB2、FB5)的方式，對岔區(qū)線路資源進一步細分，以提高道岔資源的管理效率。

經(jīng)過對TACS能力進行仿真測算，圖5所示的站后折返線型在采用彎進直出折返方式時線路最小折返時間可達到96 s，而采用CBTC系統(tǒng)的線路在相同折返模式下的最小折返時間為120 s，由此，TACS基于線路資源管理的列車折返效率可提升20%左右。基于線路資源管理的列車折返模式通過對道岔區(qū)域線路資源的進一步細分，結(jié)合列車在岔區(qū)的精確定位，可實現(xiàn)道岔資源的精細化管理，縮短線路資源占用時間，進而達到提升列車折返效率的目的。

2.2 區(qū)域邊界管理

2.2.1 列車進/出自動化區(qū)域

城市軌道交通范圍內(nèi)的非自動化區(qū)域通常為人工作業(yè)區(qū)，如車輛段/停車場內(nèi)的非自動化區(qū)域為工程車庫線、材料裝卸線及線路間的聯(lián)絡(luò)線等。列車在非自動化區(qū)域內(nèi)采用人工駕駛模式運行。在非自動化區(qū)域和自動化區(qū)域的邊界設(shè)置轉(zhuǎn)換軌，用以提供列車控制級別升級和駕駛模式轉(zhuǎn)換的條件。

在基于車車通信的TACS模式下，列車在自動化區(qū)域內(nèi)采用ATO運行，不需要依賴地面設(shè)備來檢測列車的位置信息，列車位置完全由列車自主定位獲取，因此，列車可自主完成線路資源的申請和釋放。而在非自動化區(qū)域內(nèi)，由于ATO不可用，列車為非通信列車，一般通過降級設(shè)備或人工確認的方式獲取位置信息，此時列車管理設(shè)備根據(jù)非通信列車的運行任務(wù)和列車位置信息為非通信列車申請/釋放線路資源。

如圖6所示，在轉(zhuǎn)換軌進入非自動化區(qū)域側(cè)設(shè)置信號機X1，用以指示非通信列車運行。在非自動化區(qū)域進入轉(zhuǎn)換軌側(cè)設(shè)置信號機S1，以確保轉(zhuǎn)換軌安全。在轉(zhuǎn)換軌內(nèi)設(shè)置多個應(yīng)答器(FB1—FB3)，用于滿足列車控制級別升級和駕駛模式轉(zhuǎn)換過程中對列車定位和輪徑校正等功能需求。為滿足ATO模式下列車的停車需求，轉(zhuǎn)換軌的長度不應(yīng)小于列車車長和ATO停車長度余量之和。

圖6 列車進/出自動化區(qū)域轉(zhuǎn)換軌平面布置示意圖

列車由自動化區(qū)域進入非自動化區(qū)域時，以ATO模式運行到轉(zhuǎn)換軌處并停車。從線路資源管理設(shè)備獲取非自動化區(qū)域內(nèi)線路資源后，OC子系統(tǒng)開放轉(zhuǎn)換軌進入非自動化區(qū)域的信號機X1，司機將列車運行模式切換到人工駕駛模式，并將列車駛?cè)敕亲詣踊瘏^(qū)域內(nèi)。列車由非自動化區(qū)域進入自動化區(qū)域時，經(jīng)列車管理設(shè)備獲取自動化區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換軌線路資源后，OC子系統(tǒng)開放進入轉(zhuǎn)換軌的信號機S1，列車在轉(zhuǎn)換軌完成初始化定位后進入ATO模式。S2信號機位于轉(zhuǎn)換軌的另一端，用于指示非通信列車在自動化區(qū)域內(nèi)運行。

2.2.2 列車進/出試車線

與自動化區(qū)域和非自動化區(qū)域邊界有所不同，試車線一般位于車輛基地內(nèi)，其信號系統(tǒng)與車輛基地信號系統(tǒng)相互獨立。試車線范圍內(nèi)的線路資源不能同時由車輛基地信號系統(tǒng)管理，因此，列車進/出試車線時需要進行控制權(quán)限切換。為保證TACS控制范圍的連續(xù)性，信號控制的分界點(以下簡稱“分界點”)可設(shè)置在車輛基地線路與試車線的聯(lián)絡(luò)線上。圖7為典型列車進/出試車線時的信號機設(shè)置方式，信號機X內(nèi)方為試車線信號系統(tǒng)的管轄范圍，信號機S內(nèi)方為車輛基地信號系統(tǒng)的管轄范圍。

如圖7所示，車輛基地ATS系統(tǒng)根據(jù)試車計劃為測試車下發(fā)運行至分界點的運行任務(wù)，并設(shè)定分界點往車輛基地線路方向為自動化區(qū)域。若測試車為通信列車，則命令列車根據(jù)運行任務(wù)自主運行至分界點信號機X前停穩(wěn)。若測試車為非通信列車，則由人工駕駛列車至分界點信號機X前停穩(wěn)。試車線信號系統(tǒng)為處于分界點待命的測試車準備進入試車線的線路資源，資源分配后開放信號機X。司機根據(jù)信號機指示，駕駛測試車進入試車線站臺。此時，車輛基地對測試車的控制權(quán)限完全移交給試車線信號系統(tǒng)。

圖7 列車進/出試車線平面布置示意圖

試車結(jié)束后，試車線信號系統(tǒng)為測試車辦理至分界點的線路資源，資源分配后司機人工駕駛列車至分界點信號機S前停穩(wěn)。車輛基地ATS系統(tǒng)為測試車準備由分界點至車輛基地轉(zhuǎn)換軌的線路資源。資源分配后信號機S開放，列車進入車輛基地轉(zhuǎn)換軌。此時，試車線釋放線路資源，測試車的控制權(quán)限移交給車輛基地信號系統(tǒng)。

3 結(jié)語

基于車車通信的TACS的應(yīng)用重點在于揚長避短，一方面通過合理的系統(tǒng)配置提升系統(tǒng)的整體可靠性，降低設(shè)備故障對運營的影響，使系統(tǒng)長期工作在正常的運行狀態(tài)下；另一方面通過細分線路資源管理區(qū)域，發(fā)揮TACS資源管理的高效性，并通過優(yōu)化TACS邊界管理提升系統(tǒng)在降級運行區(qū)域的可用性。本文結(jié)合基于車車通信的TACS結(jié)構(gòu)及特點，針對其在應(yīng)用過程中重點關(guān)注的問題進行研究，并探討了相應(yīng)的解決方案，可為TACS的實際應(yīng)用提供一定借鑒和參考。