城市軌道交通列車自主運(yùn)行系統(tǒng)后備模式研究

陳欣

在城市軌道交通普遍采用的基于“車-地-車”通信模式和系統(tǒng)架構(gòu)的移動(dòng)閉塞CBTC系統(tǒng)中，列車需執(zhí)行軌旁和中心設(shè)備的指令，因軌旁設(shè)備多、系統(tǒng)接口復(fù)雜、列車運(yùn)行對(duì)軌旁設(shè)備依賴性強(qiáng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)、調(diào)試繁雜、故障影響范圍大、互聯(lián)互通困難、建設(shè)和維護(hù)成本高等問(wèn)題［1］。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提升列車控制智能化水平、節(jié)省施工及調(diào)試時(shí)間，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外信號(hào)廠商開展了下一代列控系統(tǒng)——列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（Train Autonomous Control System，TACS）的研發(fā)工作，目前該系統(tǒng)已經(jīng)在深圳地鐵20號(hào)線、青島地鐵6號(hào)線落地運(yùn)用。

TACS系統(tǒng)主要通過(guò)車車通信和車載系統(tǒng)控制列車運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，如何提高系統(tǒng)可用性具有重要研究意義。目前，已有學(xué)者對(duì)TACS系統(tǒng)的后備模式進(jìn)行研究：文獻(xiàn)［2］提出基于感知自主運(yùn)行的后備模式，研究該后備模式與主控模式關(guān)系及運(yùn)行場(chǎng)景；文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)一套智能軌旁對(duì)象控制器系統(tǒng)，為TACS系統(tǒng)后備模式提供列車自動(dòng)運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)由OC和ATS控制列車的后備運(yùn)行，保障行車安全；文獻(xiàn)［4］通過(guò)分析車車通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出新型列控系統(tǒng)的后備模式，并利用有色Petri網(wǎng)建立模式切換模型，得出后備模式下不同時(shí)間間隔設(shè)計(jì)對(duì)列車運(yùn)行的影響。而不同信號(hào)系統(tǒng)供貨商采用的TACS系統(tǒng)后備模式技術(shù)不盡相同，本文針對(duì)國(guó)內(nèi)城市軌道交通TACS系統(tǒng)的幾種后備模式的設(shè)備配置、工作原理、運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行分析，闡述優(yōu)缺點(diǎn)，并提出相應(yīng)的可行性建議。

1 TACS系統(tǒng)概述

TACS系統(tǒng)主要由列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）、車載控制器（Carborne Controller，CC）、軌旁資源管理設(shè)備、軌旁目標(biāo)控制器（Object Controller，OC）、軌旁列車管理設(shè)備等組成，并可根據(jù)需求配置不同的的后備系統(tǒng)［5］。TACS系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 TACS系統(tǒng)架構(gòu)

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS系統(tǒng)精簡(jiǎn)了軌旁設(shè)備，取消了軌旁聯(lián)鎖（Computer based Interlocking，CI）和區(qū)域控制器（Zone Controller，ZC）設(shè)備，將大多數(shù)軌旁核心功能整合到車載設(shè)備中，由車載實(shí)現(xiàn)列車自動(dòng)防護(hù)和列車自動(dòng)運(yùn)行功能，通過(guò)DCS子系統(tǒng)建立列車之間、列車與軌旁設(shè)備、列車與ATS的通信通道，實(shí)現(xiàn)以車載為核心的架構(gòu)［6］。

TACS系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)功能進(jìn)行重新分配及性能提升，主要包括以下幾方面。

1）車載控制器：是TACS系統(tǒng)的核心，可獲取前車速度、位置等信息，結(jié)合軌旁設(shè)備狀態(tài)信息自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并控制列車自動(dòng)運(yùn)行。

2）軌旁資源管理設(shè)備：執(zhí)行ATS進(jìn)路辦理命令，根據(jù)列車運(yùn)行需求，接收列車的資源申請(qǐng)命令，并對(duì)軌旁資源進(jìn)行分配，發(fā)送至軌旁目標(biāo)控制器，同時(shí)將資源分配狀態(tài)反饋給列車。

3）軌旁目標(biāo)控制器：采用全電子執(zhí)行單元與軌旁信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁設(shè)備的信息采集和控制。

4）軌旁列車管理設(shè)備：負(fù)責(zé)全線臨時(shí)限速存儲(chǔ)和下發(fā)。

TACS系統(tǒng)控制下，由ATS向列車下發(fā)運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，列車根據(jù)運(yùn)行任務(wù)主動(dòng)向軌旁資源管理設(shè)備請(qǐng)求運(yùn)行范圍內(nèi)的線路資源（包括道岔、線路末端、站臺(tái)門、人員防護(hù)開關(guān)、緊急停車按鈕等），通過(guò)車車通信獲取前方列車信息，基于線路資源和前方列車信息，計(jì)算移動(dòng)授權(quán)的終點(diǎn)位置，并在自主防護(hù)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)基于車車通信的移動(dòng)閉塞防護(hù)［7］。

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS系統(tǒng)軌旁設(shè)備大幅度減少，列車之間采用車車通信，軌旁資源的管理和列車間隔的防護(hù)由車載控制器進(jìn)行處理，減少了設(shè)備的通信環(huán)節(jié)，縮短了信息的傳輸延遲，各系統(tǒng)高度融合，內(nèi)部交互簡(jiǎn)潔，顯著提高了運(yùn)營(yíng)效率，節(jié)約了建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本［8-9］。

2 TACS系統(tǒng)后備模式

信號(hào)系統(tǒng)的后備模式是在主用系統(tǒng)出現(xiàn)故障無(wú)法維持主用模式運(yùn)行時(shí)，能夠支持在線列車保持一定運(yùn)營(yíng)秩序的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)多采用點(diǎn)式ATP或聯(lián)鎖作為后備模式，當(dāng)車地通信故障時(shí)，車載系統(tǒng)通過(guò)軌旁設(shè)備有源應(yīng)答器獲得移動(dòng)授權(quán)和控制命令，采用固定閉塞的運(yùn)行方式。由于TACS系統(tǒng)采用車車通信方式，系統(tǒng)功能高度集中，任一設(shè)備發(fā)生故障都可能導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)可用性大幅度下降，因此為了確保信號(hào)系統(tǒng)局部故障情況下地鐵線路仍能夠安全高效運(yùn)營(yíng)，不同廠家提出各自的TACS系統(tǒng)后備模式，總結(jié)起來(lái)大致有3種：配置列車智能感知系統(tǒng)、配置列車自主定位系統(tǒng)、配置降級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)。

2.1 配置列車智能感知系統(tǒng)

列車智能感知系統(tǒng)（Train Intelligent Perception System，TIPS）主要由軌旁設(shè)備（標(biāo)識(shí)牌）和車載設(shè)備（激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、相機(jī)、TIPS主機(jī)）組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2中，標(biāo)識(shí)牌可實(shí)現(xiàn)列車的初始定位和定位偏差的校準(zhǔn)；激光雷達(dá)是實(shí)現(xiàn)障礙物可靠監(jiān)測(cè)的核心傳感器，可測(cè)量距前方障礙物的距離，精確繪制周邊地圖；毫米波雷達(dá)可提供測(cè)速信息，輔助進(jìn)行高精度定位；相機(jī)可捕獲圖像數(shù)據(jù)，偵測(cè)前方列車、行人、障礙物及信號(hào)機(jī)狀態(tài)；TIPS主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行安全校驗(yàn)，對(duì)激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將列車精確定位、列車運(yùn)行前方障礙物、信號(hào)機(jī)狀態(tài)等信息輸出至車載ATP系統(tǒng)，由ATP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降級(jí)場(chǎng)景下的列車安全防護(hù)。

當(dāng)車地通信發(fā)生故障時(shí)（TACS系統(tǒng)中車車通信鏈路是通過(guò)列車-控制中心-列車實(shí)現(xiàn)的），因無(wú)法獲取前方列車信息，車載ATP無(wú)法計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，列車將從主用模式切換至后備模式。車載ATP系統(tǒng)依靠列車智能感知系統(tǒng)獲取列車當(dāng)前精確位置、前方障礙物檢測(cè)結(jié)果、信號(hào)機(jī)狀態(tài)信息等，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。故障消除后，列車無(wú)需進(jìn)行篩選等操作，能夠快速恢復(fù)至主用模式。

2.2 配置列車自主定位系統(tǒng)

TACS系統(tǒng)將傳統(tǒng)的進(jìn)路細(xì)化為線路資源進(jìn)行申請(qǐng)和釋放，減少了對(duì)軌道區(qū)段次級(jí)檢測(cè)設(shè)備的依賴。對(duì)于全線取消了多個(gè)計(jì)軸設(shè)備的線路，當(dāng)列車車載發(fā)生故障降級(jí)時(shí)，將會(huì)丟失定位，且無(wú)法主動(dòng)向軌旁資源管理設(shè)備申請(qǐng)資源。為解決上述問(wèn)題，可配置列車自主定位系統(tǒng)（Backup Location System，BLS）實(shí)現(xiàn)對(duì)降級(jí)列車的定位，同時(shí)由軌旁列車管理設(shè)備負(fù)責(zé)管理和跟蹤故障列車。

在車載設(shè)備中增加一套BLS系統(tǒng)，BLS系統(tǒng)共享既有車載的應(yīng)答器及無(wú)線天線等設(shè)備，通過(guò)軌旁無(wú)源應(yīng)答器對(duì)列車進(jìn)行定位，替代了計(jì)軸對(duì)降級(jí)列車的被動(dòng)監(jiān)測(cè)。列車正常運(yùn)營(yíng)時(shí)，軌旁列車管理設(shè)備持續(xù)對(duì)所有列車進(jìn)行跟蹤管理，當(dāng)某一列車車載故障后，軌旁列車管理設(shè)備立即接手故障前列車已獲得的線路資源，按降級(jí)列車的原則進(jìn)行資源管理，代替降級(jí)列車向軌旁資源管理設(shè)備進(jìn)行資源申請(qǐng)和釋放，并與相鄰列車進(jìn)行信息交互［10］。資源分配后可根據(jù)需求開放信號(hào)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

基于列車自主定位系統(tǒng)的后備模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景示意見圖3。

圖3 基于列車自主定位系統(tǒng)的后備模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景示意

2.3 配置降級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)

對(duì)于全線采用了計(jì)軸和聯(lián)鎖設(shè)備的TACS線路，則系統(tǒng)故障時(shí)可降級(jí)至聯(lián)鎖系統(tǒng)后備模式，這時(shí)需設(shè)備和運(yùn)營(yíng)人員共同保證列車的運(yùn)行安全。

聯(lián)鎖系統(tǒng)后備模式下，室內(nèi)設(shè)置聯(lián)鎖設(shè)備，軌旁設(shè)置部分信號(hào)機(jī)、計(jì)軸等。通信列車執(zhí)行TACS邏輯，降級(jí)列車執(zhí)行聯(lián)鎖邏輯。當(dāng)因車地通信故障，TACS系統(tǒng)降級(jí)為聯(lián)鎖系統(tǒng)后備模式時(shí)，列車通過(guò)人工駕駛，按信號(hào)機(jī)顯示行車，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)路閉塞方式保證列車的行車間隔，每條進(jìn)路中僅允許一列車運(yùn)行，進(jìn)路采用信號(hào)機(jī)至信號(hào)機(jī)的辦理方式?；诼?lián)鎖系統(tǒng)后備模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景示意見圖4。

圖4 基于聯(lián)鎖系統(tǒng)后備模式運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景示意

3 后備模式分析

1）基于列車智能感知系統(tǒng)的后備模式優(yōu)勢(shì)在于，車地通信故障情況下列車仍可繼續(xù)自動(dòng)駕駛，避免列車因故長(zhǎng)時(shí)間停滯于區(qū)間，同時(shí)具備ATP防護(hù)功能。但列車在進(jìn)路內(nèi)方發(fā)生車地通信故障停車時(shí)，需人工確認(rèn)本進(jìn)路內(nèi)前方道岔位置是否正確、是否有臨時(shí)限速、緊急關(guān)閉按鈕是否激活等信息；該后備模式在列車進(jìn)站時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)車門/站臺(tái)門聯(lián)動(dòng)，需由司機(jī)或站務(wù)人員打開車門和站臺(tái)門；同時(shí)，由于相機(jī)、雷達(dá)等設(shè)備的探測(cè)結(jié)果會(huì)受到天氣等外界因素的影響，因此，在高架線路或車輛段（場(chǎng)）使用列車智能感知系統(tǒng)具有一定的局限性。

2）配置BLS作為后備模式，其優(yōu)點(diǎn)在于TACS系統(tǒng)可以無(wú)縫切換到該后備模式，不用增加軌旁設(shè)備，可減少建設(shè)和維護(hù)成本，便于運(yùn)營(yíng)人員操作。不足之處在于列車降級(jí)時(shí)仍需要車地?zé)o線通信將列車位置傳至軌旁列車管理單元，對(duì)于車地通信故障的列車，則無(wú)法探測(cè)到其準(zhǔn)確的位置。該后備模式高度依賴車地?zé)o線通信，對(duì)車地?zé)o線通信的可靠性提出了更大的挑戰(zhàn)。

3）配置降級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)，需增加計(jì)軸等軌旁設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是車地通信丟失時(shí)仍能探測(cè)到列車的位置，但線路的建設(shè)和維護(hù)成本會(huì)提高，不能充分發(fā)揮TACS系統(tǒng)減少軌旁設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

4 應(yīng)用場(chǎng)景分析

后備模式的提出是為了提高主用系統(tǒng)的可用性并滿足不同的運(yùn)營(yíng)需求，主要的應(yīng)用場(chǎng)景如下。

場(chǎng)景1線路運(yùn)營(yíng)初期，客流量不大，為了節(jié)約投資或者信號(hào)系統(tǒng)不具備一次性開通TACS系統(tǒng)的條件時(shí)，考慮后備模式作為運(yùn)營(yíng)線路臨時(shí)過(guò)渡方案。

場(chǎng)景2軌旁設(shè)備發(fā)生局部故障，如車地?zé)o線通信中斷、軌旁設(shè)備發(fā)生故障，而聯(lián)鎖系統(tǒng)正常時(shí)，需要線路具備一定的運(yùn)營(yíng)效率，列車可繼續(xù)運(yùn)行。

場(chǎng)景3車載設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，故障列車能夠快速出清區(qū)段，恢復(fù)地鐵正常運(yùn)營(yíng)。

場(chǎng)景4為救援列車、工程車，以及非運(yùn)營(yíng)時(shí)段調(diào)車、維修作業(yè)的行車等提供一定程度的安全保障。

不同后備模式適用場(chǎng)景分析：

1）若TACS主用系統(tǒng)額外配置了計(jì)軸和聯(lián)鎖系統(tǒng)，則聯(lián)鎖系統(tǒng)后備模式可應(yīng)用于場(chǎng)景1～場(chǎng)景4中。

2）目前，信號(hào)系統(tǒng)的軌旁設(shè)備多采用冗余配置，故障率低，但由于無(wú)線環(huán)境復(fù)雜，受干擾的情況較多，故仍會(huì)發(fā)生無(wú)線通信故障。列車智能感知系統(tǒng)主要應(yīng)用在車地?zé)o線通信故障的場(chǎng)景下，同時(shí)也可以作為工程車等非裝備列車的輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)障礙物監(jiān)測(cè)、測(cè)速測(cè)距、列車定位等功能。因此，列車智能感知系統(tǒng)可應(yīng)用于場(chǎng)景2和場(chǎng)景4中。

3）若TACS系統(tǒng)未使用計(jì)軸和聯(lián)鎖設(shè)備，則可采用列車自主定位系統(tǒng)作為后備模式。考慮到此方案高度依賴車地?zé)o線通信系統(tǒng)，因此該方案可應(yīng)用于場(chǎng)景3和場(chǎng)景4中。

5 結(jié)論及建議

配置列車智能感知系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于列車降級(jí)時(shí)仍然具備ATP防護(hù)功能，但存在信號(hào)機(jī)識(shí)別距離短、線路的彎道半徑可能超出感知設(shè)備的檢測(cè)上限等使用限制；配置列車自主定位系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)是取消了計(jì)軸，減少了大量軌旁設(shè)備，但是它高度依賴車地?zé)o線通信；配置降級(jí)聯(lián)鎖系統(tǒng)不僅未減少軌旁設(shè)備，反而增加了聯(lián)鎖設(shè)備和區(qū)域控制器，未能充分發(fā)揮TACS系統(tǒng)的降配增效優(yōu)勢(shì)。鑒于TACS系統(tǒng)工程開通的業(yè)績(jī)較少，各種后備模式的可靠性、可用性及安全性還待進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。

表1 3種TACS系統(tǒng)后備模式與傳統(tǒng)CBTC設(shè)備配置對(duì)比

當(dāng)然，隨著通信技術(shù)的發(fā)展及車地?zé)o線通信可靠性的提高，TACS系統(tǒng)主用模式的可靠性進(jìn)一步提高，借鑒國(guó)外城市軌道交通的經(jīng)驗(yàn)，也可以通過(guò)辦理前方運(yùn)行線路的區(qū)段封鎖，人工保證降級(jí)列車運(yùn)行的安全，從而達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約投資、降低維護(hù)工作量的目的。

綜上所述，與現(xiàn)階段TACS技術(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)，需綜合考慮工程情況及運(yùn)營(yíng)需求，合理選擇適合工程的TACS系統(tǒng)后備模式。