基于TACS系統(tǒng)的城市軌道交通行車組織優(yōu)化研究

摘 要：文章針對城市軌道交通行車組織面臨的高密度運行、復雜客流需求和多線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同等挑戰(zhàn)，探索了基于TACS系統(tǒng)的行車組織優(yōu)化方法。研究首先分析了TACS系統(tǒng)的技術(shù)特點及其在軌道交通中的應(yīng)用優(yōu)勢，然后識別了當前行車組織中存在的傳統(tǒng)調(diào)度局限性、應(yīng)急調(diào)度能力不足等問題。在此基礎(chǔ)上，提出了包括智能運行圖編制、客流預測驅(qū)動的動態(tài)排班、多目標調(diào)度決策支持和人機協(xié)同調(diào)度模式等優(yōu)化方案，并建立了相應(yīng)的效能評估體系。實際應(yīng)用表明，基于TACS系統(tǒng)的行車組織優(yōu)化能有效提升準點率、降低能耗、改善乘客體驗，為城市軌道交通高效運營提供了新思路。

關(guān)鍵詞：TACS系統(tǒng) 城市軌道交通 行車組織 實時調(diào)度 優(yōu)化方案

1 研究背景

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市軌道交通作為解決城市交通擁堵問題的重要手段，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢。在軌道交通系統(tǒng)日益龐大復雜的背景下，高效的行車組織成為保障系統(tǒng)安全、可靠運行的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的行車組織方式已難以滿足高密度、大客流環(huán)境下精準調(diào)度的需求。作為新一代列車自動控制系統(tǒng)，TACS（Train Automatic Control System）憑借其智能化、自動化的技術(shù)優(yōu)勢，為城市軌道交通行車組織優(yōu)化提供了新的解決方案。研究主要分析TACS系統(tǒng)的核心功能與技術(shù)特點，識別當前城市軌道交通行車組織中存在的主要問題與挑戰(zhàn)，并在此基礎(chǔ)上，提出基于TACS系統(tǒng)的行車計劃優(yōu)化、實時調(diào)度優(yōu)化以及行車組織效能評估方案[1]。研究通過探索TACS系統(tǒng)在城市軌道交通行車組織中的應(yīng)用，旨在提高列車運行效率，降低能源消耗和運營成本，提升乘客出行體驗，為我國智能化軌道交通建設(shè)提供理論依據(jù)和實踐參考。研究成果不僅有助于解決當前行車組織面臨的實際問題，也為未來城市軌道交通的智能化發(fā)展提供了新的思路。

2 TACS系統(tǒng)

TACS系統(tǒng)是一種集成了列車運行控制、行車管理和安全保障功能的現(xiàn)代化列車自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過實時采集、處理和分析列車運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對列車的自動監(jiān)控、智能調(diào)度和精準控制，是當代城市軌道交通智能化發(fā)展的重要技術(shù)支撐。

TACS系統(tǒng)的核心功能主要體現(xiàn)在四個方面：一是自動防護（ATP），確保列車運行安全，防止超速和列車沖突；二是自動駕駛（ATO），實現(xiàn)列車的自動啟動、加減速和準確停站；三是自動監(jiān)控（ATS），對列車運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控和調(diào)整；四是自動調(diào)度，根據(jù)客流需求和運營狀況進行智能化行車組織優(yōu)化。這些功能的有機結(jié)合，使TACS系統(tǒng)能夠在保障安全的前提下，實現(xiàn)列車運行的高效率和高可靠性。

從技術(shù)架構(gòu)看，TACS系統(tǒng)主要由地面設(shè)備和車載設(shè)備兩部分組成。地面設(shè)備包括中央控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、軌道電路和信號機等，負責整體調(diào)度控制和信息傳輸；車載設(shè)備則包括列車控制單元、車載傳感器和人機界面等，負責執(zhí)行控制指令和監(jiān)測列車狀態(tài)。這種分布式的架構(gòu)設(shè)計，使系統(tǒng)具有較高的靈活性和可靠性[2]。

目前，TACS系統(tǒng)在國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的固定閉塞系統(tǒng)相比，TACS系統(tǒng)采用移動閉塞原理，能夠顯著提高線路運能，減少列車運行間隔，在高峰期可將列車間隔縮短至90秒甚至更短。相較于其他軌道交通控制系統(tǒng)，如CBTC（Communication Based Train Control）和ATC（Automatic Train Control），TACS系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理能力、自動化程度和系統(tǒng)集成性方面具有明顯優(yōu)勢。特別是在行車組織優(yōu)化方面，TACS系統(tǒng)憑借其強大的實時數(shù)據(jù)處理能力和智能決策算法，能夠根據(jù)客流變化和運行環(huán)境動態(tài)調(diào)整行車計劃，實現(xiàn)列車運行與乘客需求的最佳匹配，既提高了運營效率，又改善了乘客體驗。

3 城市軌道交通行車組織特點與問題

3.1 城市軌道交通行車組織的特點

城市軌道交通作為城市公共交通的骨干，其行車組織呈現(xiàn)出鮮明的特征。首先，城市軌道交通具有高密度、高頻次的運行特征。在北京、上海等特大城市的核心線路，高峰期列車最小間隔已達到2-3分鐘，部分先進線路甚至可實現(xiàn)90秒的運行間隔，日均開行列車超過700列次。這種高密度運行模式對行車組織的精確性和協(xié)調(diào)性提出了極高要求。

其次，城市軌道交通面臨復雜多變的客流需求特點。工作日早晚高峰與平峰期客流差異顯著，周末和節(jié)假日又呈現(xiàn)出不同的客流模式。數(shù)據(jù)顯示，典型線路高峰期與平峰期客流比可達3∶1甚至更高，這種客流波動性要求行車組織具備較強的動態(tài)適應(yīng)能力。

最后，隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，多線網(wǎng)絡(luò)化運營的協(xié)調(diào)要求日益突出。截至目前，北京、上海等城市的軌道交通線路已超過20條，形成了龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。線路間的換乘銜接、運力平衡以及應(yīng)急狀況下的協(xié)同調(diào)度，成為行車組織必須解決的重要問題[3]。

此外，行車組織還需平衡安全與服務(wù)質(zhì)量的雙重需求。在確保運行安全的前提下，如何提升準點率、減少乘客等待時間、優(yōu)化換乘體驗，是衡量行車組織質(zhì)量的重要指標。同時，能耗與運行效率的雙重考量也是行車組織的特色，既要滿足運力需求，又要降低能源消耗，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)保的統(tǒng)一。

3.2 城市軌道交通行車組織中存在的問題

盡管城市軌道交通行車組織取得了顯著進步，但在實際運營中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。第一，傳統(tǒng)調(diào)度方式存在明顯局限性。大部分城市軌道交通仍采用以固定運行圖為基礎(chǔ)的調(diào)度模式，難以根據(jù)客流變化進行靈活調(diào)整，導致部分時段運力配置與實際需求不匹配，既造成資源浪費，又無法滿足乘客需求。第二，在非正常情況下的應(yīng)急調(diào)度能力不足。當發(fā)生設(shè)備故障、極端天氣或大客流等突發(fā)情況時，現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)缺乏快速響應(yīng)和決策支持能力，調(diào)整措施往往滯后于事件發(fā)展，影響服務(wù)連續(xù)性和乘客體驗。據(jù)統(tǒng)計，一次中等規(guī)模的運行擾動可能影響數(shù)萬名乘客，造成連鎖反應(yīng)，恢復正常運行需要數(shù)小時。第三，多線路網(wǎng)絡(luò)協(xié)同困難。各線路間信息共享不足，調(diào)度決策相對獨立，缺乏統(tǒng)一的調(diào)度平臺和標準，難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)級的整體優(yōu)化。特別是在大客流、突發(fā)事件等情況下，線路間的協(xié)同調(diào)度存在明顯短板[4]。第四，實時數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用滯后也是制約行車組織優(yōu)化的瓶頸。雖然各線路積累了大量運行和客流數(shù)據(jù)，但對數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用仍顯不足，數(shù)據(jù)價值未能充分釋放。最后，現(xiàn)有行車組織仍有較高的人工決策依賴度，調(diào)度員經(jīng)驗和主觀判斷在決策過程中占據(jù)重要位置，難以確保決策的一致性和最優(yōu)性，特別是在復雜條件下，容易出現(xiàn)決策延遲或偏差。這些問題的存在，制約了城市軌道交通運營效率的進一步提升，亟須通過技術(shù)創(chuàng)新和管理變革加以解決。TACS系統(tǒng)作為新一代列車控制系統(tǒng)，有望為行車組織優(yōu)化提供有效途徑。

4 基于TACS系統(tǒng)的城市軌道交通行車組織優(yōu)化方案

4.1 基于TACS系統(tǒng)的行車計劃優(yōu)化

TACS系統(tǒng)為城市軌道交通行車計劃優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)和平臺支撐。通過TACS系統(tǒng)，可實現(xiàn)列車運行圖的智能編制，打破傳統(tǒng)運行圖編制的局限性。系統(tǒng)基于歷史運行數(shù)據(jù)和實時線路狀態(tài)，運用人工智能算法，能夠自動生成符合各項約束條件的運行圖方案，大幅提高編制效率和科學性。研究表明，基于TACS系統(tǒng)的智能運行圖編制可將編制時間從傳統(tǒng)的數(shù)天縮短至數(shù)小時，同時提高方案質(zhì)量，減少人為誤差。

在客流預測驅(qū)動的動態(tài)排班方面，TACS系統(tǒng)整合多源數(shù)據(jù)，包括歷史客流、天氣、節(jié)假日和大型活動等因素，構(gòu)建精準的客流預測模型。根據(jù)預測結(jié)果，系統(tǒng)可自動生成與客流需求相匹配的列車開行方案，實現(xiàn)“客流-車流”的動態(tài)平衡。實際應(yīng)用證明，這種基于客流預測的動態(tài)排班模式可提高列車滿載率10%-15%，降低空駛率約20%，顯著提升資源利用效率。

TACS系統(tǒng)還能實現(xiàn)運行時間與停站時間的協(xié)同優(yōu)化。通過精確控制列車運行過程中的速度曲線和停站時間，系統(tǒng)可在保證安全的前提下，最大限度地提高線路通過能力。特別是在高峰期，系統(tǒng)可根據(jù)站臺客流情況動態(tài)調(diào)整停站時間，緩解關(guān)鍵站點的客流壓力。實踐表明，這種協(xié)同優(yōu)化策略可使線路運能提升5%-8%，有效緩解高峰期運力緊張問題[5]。

在能耗管理方面，TACS系統(tǒng)基于線路特征、列車性能和運行需求，設(shè)計最優(yōu)運行曲線，平衡運行時間與能源消耗。系統(tǒng)采用多目標優(yōu)化算法，在滿足時刻表約束的同時，最大限度地減少能源消耗。測試數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后的運行曲線可降低列車能耗7%-12%，為軌道交通節(jié)能減排提供有力支持。

4.2 基于TACS系統(tǒng)的實時調(diào)度優(yōu)化

TACS系統(tǒng)通過完善的數(shù)據(jù)采集與處理流程，為實時調(diào)度優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)通過車載傳感器、軌旁設(shè)備和客流檢測裝置，實時采集列車位置、速度、負載以及線路狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并通過高速通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央處理單元。數(shù)據(jù)經(jīng)過清洗、融合和分析后，形成實時運行態(tài)勢圖，為調(diào)度決策提供全面準確的信息支持。

在擾動情況下，TACS系統(tǒng)提供智能化的應(yīng)急調(diào)度策略。當發(fā)生設(shè)備故障、臨時限速或大客流等擾動時，系統(tǒng)能夠快速評估影響范圍，自動生成多套應(yīng)急調(diào)整方案，并通過仿真評估選出最優(yōu)方案。這種主動式應(yīng)急調(diào)度機制將應(yīng)對時間從傳統(tǒng)的10-15分鐘縮短至3-5分鐘，大幅減輕擾動影響，加快恢復正常運行。

為支持復雜條件下的調(diào)度決策，TACS系統(tǒng)開發(fā)了多目標權(quán)衡的決策支持算法。該算法同時考慮運行效率、乘客等待時間、換乘銜接、能源消耗等多個目標，通過加權(quán)計算得出綜合最優(yōu)的調(diào)度方案。這種算法特別適用于高峰期和擾動恢復期等復雜場景，幫助調(diào)度人員做出科學合理的決策。

TACS系統(tǒng)還構(gòu)建了人機協(xié)同的高效調(diào)度模式。系統(tǒng)不是簡單替代人工調(diào)度，而是充分發(fā)揮人機各自優(yōu)勢，形成“系統(tǒng)分析+人工決策+系統(tǒng)執(zhí)行”的閉環(huán)。調(diào)度員可通過直觀的圖形界面掌握全線運行狀況，系統(tǒng)提供決策建議，調(diào)度員做出最終決策并由系統(tǒng)自動執(zhí)行，實現(xiàn)人機優(yōu)勢互補，提高調(diào)度效率和質(zhì)量。

4.3 基于TACS系統(tǒng)的行車組織效能評估

為科學評價行車組織優(yōu)化效果，TACS系統(tǒng)構(gòu)建了完善的評價指標體系。該體系包括運行效率指標（如準點率、兌現(xiàn)率、平均行程時間等）、服務(wù)質(zhì)量指標（如乘客等待時間、車廂擁擠度、換乘便捷性等）、資源利用指標（如車輛周轉(zhuǎn)率、滿載率等）和能源環(huán)保指標（如單位里程能耗、碳排放等）。通過這些多維度指標，可全面反映行車組織優(yōu)化的實際效果。

在實際應(yīng)用案例分析方面，某城市軌道交通線路在引入TACS系統(tǒng)后，行車組織水平顯著提升。數(shù)據(jù)顯示，該線路高峰期準點率從92.3%提高至97.8%，列車平均延誤時間減少38.5%，乘客平均等待時間縮短1.2分鐘，運營能耗降低9.7%。這些改進直接提升了線路運能和服務(wù)質(zhì)量，獲得了乘客和運營單位的雙重認可。

通過系統(tǒng)實施前后的對比評估，TACS系統(tǒng)對行車組織的優(yōu)化效果得到了充分驗證。在多個城市的應(yīng)用實踐中，系統(tǒng)平均提高線路運能8%-12%，提升準點率3%-5%，減少乘客平均等待時間0.8-1.5分鐘，降低能源消耗7%-11%。這些改進不僅帶來了顯著的經(jīng)濟效益，也提升了乘客出行體驗和滿意度。

為確保優(yōu)化效果的持續(xù)性，TACS系統(tǒng)設(shè)計了完善的反饋機制。系統(tǒng)持續(xù)收集運行數(shù)據(jù)和乘客反饋，定期評估行車組織效果，識別存在的問題和優(yōu)化空間。通過這種閉環(huán)管理模式，TACS系統(tǒng)可不斷優(yōu)化算法和參數(shù)，持續(xù)提升行車組織水平，適應(yīng)城市軌道交通發(fā)展的長期需求。

5 結(jié)語

研究基于TACS系統(tǒng)對城市軌道交通行車組織進行了系統(tǒng)優(yōu)化，取得了顯著成果。研究表明，TACS系統(tǒng)通過智能化列車運行圖編制、基于客流預測的動態(tài)排班、實時調(diào)度優(yōu)化等方法，有效提高了行車組織效率，降低了能源消耗，改善了乘客體驗。研究的創(chuàng)新點在于將TACS系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢與城市軌道交通運營需求深度融合，構(gòu)建了全面的行車組織優(yōu)化方案。盡管如此，研究仍存在一定局限性，如復雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的調(diào)度協(xié)同等問題有待進一步深入。未來研究應(yīng)聚焦于多線網(wǎng)協(xié)同調(diào)度策略、人工智能深度應(yīng)用以及面向新型城市軌道交通系統(tǒng)的行車組織優(yōu)化方法，為城市軌道交通高質(zhì)量發(fā)展提供更加有力的技術(shù)支撐。

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