基于車車通信的列車運(yùn)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(jì)研究院股份有限公司， 510010， 廣州∥第一作者， 高級(jí)工程師)

城市軌道交通TACS(列車自主運(yùn)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(diǎn)及工程實(shí)際進(jìn)行應(yīng)用方案設(shè)計(jì)。合理的TACS應(yīng)用方案可以提高城市軌道交通線路的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少運(yùn)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(hào)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(jiǎn)、性能優(yōu)良等特點(diǎn)，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(dòng)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(duì)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(duì)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(jì)

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(dòng)監(jiān)控)、ATP(列車自動(dòng)防護(hù))、ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)、OC(目標(biāo)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。基于車車通信的TACS結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。實(shí)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(yùn)營(yíng)控制中心設(shè)備、車站設(shè)備、車輛段/停車場(chǎng)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(diǎn)：

1) 組成TACS的各子系統(tǒng)在功能上相對(duì)獨(dú)立,各子系統(tǒng)間接口通過DCS實(shí)現(xiàn)。DCS包括有線通信網(wǎng)絡(luò)和車地?zé)o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(yùn)行計(jì)劃。運(yùn)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(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)行間隔防護(hù)通過該車與相鄰列車的通信自主完成。站臺(tái)門、站臺(tái)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(hù)。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(qǐng)需求。OC設(shè)備采集軌旁設(shè)備狀態(tài),提供電源驅(qū)動(dòng)。地面設(shè)備的可靠運(yùn)行是列車運(yùn)行的基礎(chǔ)，地面設(shè)備對(duì)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(fù)責(zé)行車計(jì)劃管理及列車運(yùn)行監(jiān)控，其設(shè)備按設(shè)置區(qū)域可分為中央級(jí)設(shè)備和車站級(jí)設(shè)備。

在TACS中,列車運(yùn)行計(jì)劃安排到列車運(yùn)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(fù)責(zé)下發(fā)列車運(yùn)行計(jì)劃，而ATS中僅中央級(jí)設(shè)備具備列車運(yùn)行計(jì)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(jí)設(shè)備具備運(yùn)營(yíng)指揮功能，車站級(jí)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(diǎn)，為提高ATS設(shè)備在故障場(chǎng)景下的可用性，在線路無(wú)備用運(yùn)營(yíng)控制中心時(shí)可考慮在正線或車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)增加線路控制級(jí)ATS設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱“線控級(jí)ATS設(shè)備”)。圖2為ATS子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，線控級(jí)ATS設(shè)備與中央級(jí)ATS設(shè)備構(gòu)成異地冗余。線控級(jí)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(kù)服務(wù)器，其功能與中央級(jí)ATS設(shè)備相同。通過操作權(quán)限管理可實(shí)現(xiàn)中央級(jí)ATS設(shè)備和線控級(jí)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(shí)，ATS的關(guān)鍵設(shè)備已采用雙機(jī)熱備的冗余方式。考慮異地冗余后，線控級(jí)ATS設(shè)備實(shí)際上是在原有雙機(jī)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(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)線路資源進(jìn)行管理，結(jié)合車載設(shè)備實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)、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(duì)室外設(shè)備的采集和驅(qū)動(dòng)一般通過硬線實(shí)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(jìn)行管理，如圖3所示。集中式結(jié)構(gòu)對(duì)于線路資源管理設(shè)備的性能要求較高，其特點(diǎn)是設(shè)備精簡(jiǎn)、系統(tǒng)內(nèi)部的接口數(shù)量較少、便于對(duì)OC設(shè)備進(jìn)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(jìn)一步細(xì)分線路資源管理區(qū)域，根據(jù)城市軌道交通線路的長(zhǎng)度或室外設(shè)備的數(shù)量，將1個(gè)車站或相鄰多個(gè)車站的OC設(shè)備管理區(qū)域納入1個(gè)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(jìn)行通信，單個(gè)線路資源管理設(shè)備故障影響范圍小，具有良好的可擴(kuò)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(shí)時(shí)與ATS設(shè)備、OC設(shè)備及車載設(shè)備進(jìn)行信息交互。與集中式結(jié)構(gòu)相比，分散式結(jié)構(gòu)分擔(dān)了信息處理量，有利于設(shè)備長(zhǎng)期保持高性能的工作狀態(tài)。同時(shí)，在TACS優(yōu)化升級(jí)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(duì)運(yùn)營(yíng)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(biāo)。在既定的線路條件和列車參數(shù)下，若忽略列車停站時(shí)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(qǐng)過程中的線路資源準(zhǔn)備時(shí)間和線路資源占用時(shí)間。線路資源準(zhǔn)備時(shí)間和線路資源占用時(shí)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(shí)間較少。無(wú)論是采用站前折返還是站后折返，TACS對(duì)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(jìn)行分析。

采用站后折返方式時(shí)，其流程可分為3個(gè)環(huán)節(jié)：①列車從上行/下行站臺(tái)駛?cè)胝鄯弟墸虎诹熊囋谡鄯弟壨７€(wěn)后實(shí)施換端作業(yè)；③列車駛出折返軌，進(jìn)入下行/上行站臺(tái)。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(jìn)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(jiǎn)稱“前車”)在由下行站臺(tái)駛?cè)擘虻赖倪^程中，首先向線路資源管理設(shè)備申請(qǐng)下行站臺(tái)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(jìn)行自主移動(dòng)授權(quán)計(jì)算，授權(quán)前車從下行站臺(tái)駛?cè)擘虻勒鄯弟墶?/p>

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

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

3) 前車出清FB4后，后車申請(qǐng)進(jìn)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(hù)長(zhǎng)度余量與FB2一致。前車出清FB4后將自動(dòng)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(qǐng)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(qǐng)3#道岔和5#道岔的相關(guān)線路資源。

對(duì)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(gè)入口處，即將岔區(qū)與線路資源作為1個(gè)整體進(jìn)行管理。通過分析道岔區(qū)域的側(cè)防范圍，在側(cè)防長(zhǎng)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(duì)岔區(qū)線路資源進(jìn)一步細(xì)分，以提高道岔資源的管理效率。

經(jīng)過對(duì)TACS能力進(jìn)行仿真測(cè)算，圖5所示的站后折返線型在采用彎進(jìn)直出折返方式時(shí)線路最小折返時(shí)間可達(dá)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(shí)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(duì)道岔區(qū)域線路資源的進(jìn)一步細(xì)分，結(jié)合列車在岔區(qū)的精確定位，可實(shí)現(xiàn)道岔資源的精細(xì)化管理，縮短線路資源占用時(shí)間，進(jìn)而達(dá)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(jìn)/出自動(dòng)化區(qū)域

城市軌道交通范圍內(nèi)的非自動(dòng)化區(qū)域通常為人工作業(yè)區(qū)，如車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)的非自動(dòng)化區(qū)域?yàn)楣こ誊噹?kù)線、材料裝卸線及線路間的聯(lián)絡(luò)線等。列車在非自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)采用人工駕駛模式運(yùn)行。在非自動(dòng)化區(qū)域和自動(dòng)化區(qū)域的邊界設(shè)置轉(zhuǎn)換軌，用以提供列車控制級(jí)別升級(jí)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(dòng)化區(qū)域內(nèi)采用ATO運(yùn)行，不需要依賴地面設(shè)備來檢測(cè)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(qǐng)和釋放。而在非自動(dòng)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(jí)設(shè)備或人工確認(rèn)的方式獲取位置信息，此時(shí)列車管理設(shè)備根據(jù)非通信列車的運(yùn)行任務(wù)和列車位置信息為非通信列車申請(qǐng)/釋放線路資源。

如圖6所示，在轉(zhuǎn)換軌進(jìn)入非自動(dòng)化區(qū)域側(cè)設(shè)置信號(hào)機(jī)X1，用以指示非通信列車運(yùn)行。在非自動(dòng)化區(qū)域進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌側(cè)設(shè)置信號(hào)機(jī)S1，以確保轉(zhuǎn)換軌安全。在轉(zhuǎn)換軌內(nèi)設(shè)置多個(gè)應(yīng)答器(FB1—FB3)，用于滿足列車控制級(jí)別升級(jí)和駕駛模式轉(zhuǎn)換過程中對(duì)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(zhǎng)度不應(yīng)小于列車車長(zhǎng)和ATO停車長(zhǎng)度余量之和。

圖6 列車進(jìn)/出自動(dòng)化區(qū)域轉(zhuǎn)換軌平面布置示意圖

列車由自動(dòng)化區(qū)域進(jìn)入非自動(dòng)化區(qū)域時(shí)，以ATO模式運(yùn)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(dòng)化區(qū)域內(nèi)線路資源后，OC子系統(tǒng)開放轉(zhuǎn)換軌進(jìn)入非自動(dòng)化區(qū)域的信號(hào)機(jī)X1，司機(jī)將列車運(yùn)行模式切換到人工駕駛模式，并將列車駛?cè)敕亲詣?dòng)化區(qū)域內(nèi)。列車由非自動(dòng)化區(qū)域進(jìn)入自動(dòng)化區(qū)域時(shí)，經(jīng)列車管理設(shè)備獲取自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)換軌線路資源后，OC子系統(tǒng)開放進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌的信號(hào)機(jī)S1，列車在轉(zhuǎn)換軌完成初始化定位后進(jìn)入ATO模式。S2信號(hào)機(jī)位于轉(zhuǎn)換軌的另一端，用于指示非通信列車在自動(dòng)化區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

2.2.2 列車進(jìn)/出試車線

與自動(dòng)化區(qū)域和非自動(dòng)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(hào)系統(tǒng)與車輛基地信號(hào)系統(tǒng)相互獨(dú)立。試車線范圍內(nèi)的線路資源不能同時(shí)由車輛基地信號(hào)系統(tǒng)管理，因此，列車進(jìn)/出試車線時(shí)需要進(jìn)行控制權(quán)限切換。為保證TACS控制范圍的連續(xù)性，信號(hào)控制的分界點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱“分界點(diǎn)”)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(jìn)/出試車線時(shí)的信號(hào)機(jī)設(shè)置方式，信號(hào)機(jī)X內(nèi)方為試車線信號(hào)系統(tǒng)的管轄范圍，信號(hào)機(jī)S內(nèi)方為車輛基地信號(hào)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(jì)劃為測(cè)試車下發(fā)運(yùn)行至分界點(diǎn)的運(yùn)行任務(wù)，并設(shè)定分界點(diǎn)往車輛基地線路方向?yàn)樽詣?dòng)化區(qū)域。若測(cè)試車為通信列車，則命令列車根據(jù)運(yùn)行任務(wù)自主運(yùn)行至分界點(diǎn)信號(hào)機(jī)X前停穩(wěn)。若測(cè)試車為非通信列車，則由人工駕駛列車至分界點(diǎn)信號(hào)機(jī)X前停穩(wěn)。試車線信號(hào)系統(tǒng)為處于分界點(diǎn)待命的測(cè)試車準(zhǔn)備進(jìn)入試車線的線路資源，資源分配后開放信號(hào)機(jī)X。司機(jī)根據(jù)信號(hào)機(jī)指示，駕駛測(cè)試車進(jìn)入試車線站臺(tái)。此時(shí)，車輛基地對(duì)測(cè)試車的控制權(quán)限完全移交給試車線信號(hào)系統(tǒng)。

圖7 列車進(jìn)/出試車線平面布置示意圖

試車結(jié)束后，試車線信號(hào)系統(tǒng)為測(cè)試車辦理至分界點(diǎn)的線路資源，資源分配后司機(jī)人工駕駛列車至分界點(diǎn)信號(hào)機(jī)S前停穩(wěn)。車輛基地ATS系統(tǒng)為測(cè)試車準(zhǔn)備由分界點(diǎn)至車輛基地轉(zhuǎn)換軌的線路資源。資源分配后信號(hào)機(jī)S開放，列車進(jìn)入車輛基地轉(zhuǎn)換軌。此時(shí)，試車線釋放線路資源，測(cè)試車的控制權(quán)限移交給車輛基地信號(hào)系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于車車通信的TACS的應(yīng)用重點(diǎn)在于揚(yáng)長(zhǎng)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(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，使系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在正常的運(yùn)行狀態(tài)下；另一方面通過細(xì)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(jí)運(yùn)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(diǎn)，針對(duì)其在應(yīng)用過程中重點(diǎn)關(guān)注的問題進(jìn)行研究，并探討了相應(yīng)的解決方案，可為TACS的實(shí)際應(yīng)用提供一定借鑒和參考。