基于車車通信的列車自主運行系統研究及應用

王學浩 劉瑞娟

(深圳地鐵建設集團有限公司， 518026， 深圳∥第一作者， 工程師)

國內城市軌道交通普遍應用的CBTC(基于通信的列車控制)系統采用“車-地-車”的信息傳輸方式和系統架構。CBTC系統承載FAO(全自動運行)功能后，需面對系統設備增多、接口復雜、列車運行對系統設備嚴重依賴等問題。此外，由于FAO復雜的硬件結構及高精度的安裝要求，導致項目的施工周期長、系統調試復雜、故障影響范圍大、維護成本高、系統間壁壘增加等問題，加大了城市軌道交通線路建設的難度及成本。

FAO技術的發展及其龐大的市場需求，迫使城市軌道交通信號系統急需進一步改進與優化。與傳統CBTC系統相比，TACS(列車自主運行系統)既能保證新的列車控制(以下簡稱“列控”)技術承接/保留既有安全性能，又能提供更高效、更多元化、更經濟的技術方案，因而備受業內專業人員的關注。本文重點對基于車車通信的TACS進行研究，結合深圳20號線一期工程項目實踐經驗，分析車車通信列控系統如何通過調整架構來提升系統效率，降低建設成本及運維成本，提高整體系統可用性。

1 傳統CBTC在我國的應用狀況及存在問題

目前，在我國城市軌道交通領域中應用最廣泛的列控系統是 CBTC 系統。該系統基于高性能通信功能，對區域內列車進行實時通信，計算列車安全行駛的移動授權終點，通過安全算法及列車的瞬時位置信息，實現列車自動高效運行及自動運行調度等自動化功能。

傳統的CBTC系統通過軌旁計算機經由無線傳輸子系統下發授權終點，并將授權終點信息傳給控制區域內的所有列車，以達到控制列車運行的目的。授權終點信息由軌旁計算機綜合控制區域內的列車信息變量、聯鎖信息變量、ATS(列車自動監控)子系統變量等數據匯總后計算所得。典型的CBTC信號系統的架構如圖1所示。

注：CI——計算機聯鎖；ZC——區域控制器；LEU——軌旁電子單元；ATO——列車自動運行；ATP——列車自動防護；DCS——數據通信子系統；OCC——運營控制中心;備用OCC的設備結構與OCC相同,或在OCC基礎上簡化配置。

傳統CBTC采用“ZC+ CI+車載計算機”的架構[1]，其主要特點是：①列車將實時位置及狀態信息發給ZC，ZC匯總管轄區域內所有列車的信息后進行列車移動授權計算，再將計算結果發送給列車，以進行列車移動授權；②CI負責軌旁設備(如軌道區段和道岔)的管理，并與ZC進行實時信息交互；③ZC完成列車位置移動授權的計算后，將計算結果與CI進行實時交互，ZC根據CI提供的設備資源使用狀態及列車實時位置信息為列車計算移動授權。

綜上可知，傳統CBTC系統設計方案以ZC和CI作為區域內列車運行控制的核心。此方案存在以下2個主要問題，導致傳統CBTC在可靠性、可用性及互聯互通等方面已無法滿足新一代列控系統發展的要求：

1) 傳統CBTC系統對列車的控制均需ZC、CI及車載計算機3個子系統進行實時信息的交互、處理和協調，列車移動授權每次計算均需經過ZC及CI雙核心的計算及信息交互，這導致了系統處理效率低下。為此,傳統CBTC系統一般會引入更多的請求/確認信息，以避免系統處理數據邏輯帶來的效率低下問題。這些請求/確認信息雖然改善了系統的性能，但也使得整個系統更加脆弱，對通信系統的性能及丟包率的要求也更為苛刻。系統易因通信系統宕機導致發生大面積的嚴重故障。

2) 對所有與安全相關的場景,傳統CBTC系統均須考慮CBTC和降級混跑兩種情況，并要求這兩種情況間可靈活切換，這大大降低了系統的可用性和可靠性。而在實際運用中，在故障情況下降級或切換時，設備降級和切換所需的時間往往會超過設備重啟時間，且需遵循繁雜苛刻的安全限制及操作步驟，這給設備故障處置帶來了一定的影響。

2 TACS原理及架構設計

傳統CBTC上述問題的根本原因在于系統結構過于復雜，應通過優化該結構來構建新一代城市軌道交通信號系統[2]?；谲囓囃ㄐ偶夹g的TACS以列車自主計算為核心，采用了扁平化的系統架構，在確保傳統CBTC運行安全的基礎上，將CI及ZC的職責下沉至列車設備上，減少了系統的設備配置，優化了系統結構。

2.1 TACS的功能原理

如圖2所示，TACS主要分為3個部分：車載計算機、對象控制器及ATS。其中：①車載計算機在集成ZC、CI功能的前提下，通過與對象控制器、前車的通信獲得參數信息來進行本車的移動授權計算，同時根據本車的運行路徑及計劃目的地向軌旁資源管理器發出控制請求；②對象控制器設置在軌旁，用以采集計軸信息，并控制道岔、站臺門、緊急停車按鈕等設備；③ATS負責列車的運行計劃及運行監視，基于LTE-M(城市軌道交通車地綜合通信系統)的通信傳輸子系統負責車車、車地的無線數據通信。

TACS的功能原理主要如下：①ATS子系統將列車運行時刻表或人工進路命令直接下達至列車的車載控制機，車載控制機根據收到的列車時刻表主動觸發行車進路，列車根據觸發的進路自主運行；②線路資源控制器負責記錄所有在線列車列表，實時更新軌旁設備(如道岔、信號機等)的使用狀態信息，將該信息與列車進行實時交互，同時執行列車發來的操作軌旁設備的命令；③列車車載計算機根據進路需求向資源控制器發出資源請求，同時查詢軌旁設備資源的使用請求結果，資源控制器還同步接受其他列車釋放的資源；④列車通過資源控制器完成軌旁設備資源的更新登記后，經由執行機構對線路資源進行狀態采集；⑤列車在獲得的獨占軌道資源內計算列車移動授權終點，以防護列車安全運行；⑥基于LTE-M的車地無線通信子系統為TACS提供可靠的通信載體及通道，該子系統保留了傳統CBTC的設計方案，采用多級冗余的設計，在系統架構、接口銜接、網絡鏈路、系統供電等方面均考慮了多重冗余配置，以提升TACS下網絡系統的可靠性和可用性；⑦列控系統應用的通信協議為成熟且廣泛應用的安全通信協議，能最大程度地保障TACS高效、安全、靈活的運用。

注：CMSS——集中維護支持系統；AC——計軸；LATS——本地ATS；ATS-WS——ATS工作站；OC——目標控制器；DTI——發車表示器；LTE——長期演進；IBP——集中控制盤；ESB——緊急停車按鈕；SPKS——人員防護開關；PSD——站臺門；RB——信標；PM——轉轍機;I/O——輸入/輸出。

2.2 TACS的架構設計

TACS以LTE-M作為傳輸媒介基礎，對傳統CBTC的傳輸架構和功能進行了重新分配，保留了傳統CBTC通信子系統的功能，并對車載控制子系統、車輛的牽引子系統和制動子系統等進行整合。其設計核心是以列車自主運行為核心，將傳統CBTC系統的軌旁列控方式轉移至列車車載計算機上，以實現優化系統架構，減少軌旁設備的目的，并對設備功能分配方式進行優化。

如圖3所示，TACS取消了傳統CBTC的軌旁CI及ZC設備，將CI、ZC的功能下放至列車車載計算機。車載計算機承擔了CI、ZC的列車移動授權計算職責，同時負責將線路資源控制命令發生給OC，OC收到命令后對軌旁設備資源進行控制。TACS的架構方案減少了多余的信息傳遞，降低了接口的復雜程度，實現了行車資源的簡易交互。

注：A系、B系——獨立運算冗余車載設備的編號；除單箭頭外其它箭頭表示信息流的方向，圖4、圖5類同。

基于上述設計方案，TACS不再需要ZC、CI進行計算及安全信息授權，而將CI對軌旁資源的道岔、列車進路等的控制轉為由列車自主分散控制，從而提高了軌旁資源的利用率。同時，TACS將ZC集中管轄區域內列車移動授權的方式優化為列車分散自主計算的方式，實現了完全的以車載計算為核心的CBTC系統。列車能主動地觸發進路、計算防護距離和控制軌旁設備。對比傳統CBTC系統，TACS設備架構從集中型轉為分散、扁平型，實現了從列控中心集中控制到列車分布式控制、從列車自動運行向列車自主運行的技術轉變。

2.3 TACS的優勢分析

2.3.1 CI的優化

在傳統CBTC系統架構(見圖4)基礎上，TACS對ATC(列車自動控制)子系統進行了優化。列車授權終點的計算方式將傳統CBTC通過軌旁計算機下發改為列車接收來自軌旁計算機的變量后自行計算。由此，軌旁計算機的作用也隨之轉變，從原來的命令下發者改為各列車間、列車與設備間、區域內設備間的信息交互平臺。

圖4 傳統CBTC系統架構下數據傳輸與接口示意圖

如圖5所示，列車通過通信傳輸子系統實時獲取軌旁計算機發送過來的前車和本車的信息變量、軌旁設備信息變量及ATS子系統信息變量后，對本車的移動授權終點進行計算。ATO控制曲線仍與傳統ATC保持一致，只是ATP(列車自動防護)曲線的生成方式有所變更,由傳統CBTC的軌旁計算機授予更改為列車自行計算獲取。

2.3.2 系統運算變量的優勢

在TACS的扁平化系統架構下，TACS取消了CI，大大減少了ATC系統需要運算的變量種類及數量。同時，因移動授權終點的獲取方式改為由列車自行計算獲取，進一步減少了對計算機算力的要求。

圖5 TACS架構下數據傳輸與接口示意圖

計算機的算力瓶頸問題得到了有效解決，因運算變量帶來的設備購置及運維成本也隨之減少。

2.3.3 線路折返效率的提升

線路折返效率是線路運力的最主要影響因素。本文以上海軌道交通3號線、4號線共線區段的中潭路站、上海火車站站、寶山路站三站兩區間作為試點，對上海火車站站基于車車通信的TACS進行測試，利用專業牽引計算軟件對列車折返間隔進行分析。上?；疖囌菊镜木€型如圖6所示，列車在站后單股道折返。由圖6可知，基于車車通信的TACS在道岔控制上更高效，道岔控制不再需要遵循繁瑣的聯鎖關系。經實測，TACS下列車在上?；疖囌菊镜恼鄯敌时炔捎脗鹘yCBTC系統時約可提升20%。

a) 傳統CBTC下的列車折返

2.3.4 系統可靠性和靈活性的提高

系統可靠性方面，TACS扁平化的架構使得系統設備的獨立性更加突出，列車的控制均由自身完成，列車移動授權計算所需考慮的因素也較傳統CBTC少。因此,當單體設備故障時，列車受故障影響的概率也大為降低，系統的可靠性得以提升。

系統靈活性方面，TACS下的列控由列車自身根據參數及變量計算完成，不再需要考慮聯鎖關系，僅考慮目標區域內的線路資源及鄰近列車信息。因此,列車可實現實時換端/調頭等傳統CBTC不能實現的功能。

2.3.5 在工程實施及改造項目中的優勢

傳統CBTC實施最困難的階段主要是動車調試階段。在該階段中，為了保證系統的安全性，一般需要進行較長時間的列車低速測試驗證。基于車車通信的TACS與傳統CBTC在各個階段的調試要求是一致的，因TACS在結構進行了優化，減少了參數及變量，列車的低速測試不再需要考慮聯鎖關系和信號機等測試項，僅需考慮列車的線路資源控制及運行追蹤。所以，與傳統CBTC對比，基于車車通信的TACS在動車調試中的優勢非常明顯，減少了進路、信號機、聯鎖關系等現場測試工作，大大縮短了工程實施時間，提高了工程的可實施性。

此外，城市軌道交通線路列控系統的全壽命周期一般為15年。在列控系統需要改造時，改造的高成本、長時間、高風險是運營管理單位難以承受的。與傳統CBTC對比，基于車車通信TACS的架構更簡單，軌旁設備更少，改造時間更短，因而更適用于既有城市軌道交通線路信號系統的改造更新。

3 TACS的工程應用實踐

3.1 工程概況

本文以深圳地鐵20號線一期工程(以下簡稱“20號線一期工程”)為例,闡述TACS的應用效果。20號線一期工程全長8.43 km，均為地下線路，列車采用8節編組A型車。該工程范圍包括5座車站、1個車輛段、1個OCC，以及1處線路控制(以下簡稱“線控”)中心、1處培訓中心、1處維修中心等。該工程于2021年12月完成交付并投入載客運營。

如圖7所示，20號線一期工程的列控系統采用基于車車通信的TACS，其系統架構采取分散控制式，整體系統架構扁平化?；谝苿娱]塞原則，基于車車通信的TACS由ATS、ATC、OC、DCS及CMSS等子系統構成，并配備了CI和計軸設備，以實現聯鎖級后備系統的降級功能。

注：WSIC——軌旁資源控制器；WSTC——軌旁列車控制器；CC——車載控制器；IPS——聯鎖處理系統；ACS——計軸系統。

20號線一期工程采用的列控系統組成架構與上文所述基于車車通信的TACS架構一致。該線設置了2套WSIC及1套WSTC，列車車載計算機為CC。該線TACS的與傳統CBTC的主要區別如下：

1) CI的區別：與傳統CBTC的CI相比，20號線一期工程的CI由兩部分設備組成，分別為負責執行軌旁設備動作命令的OC及負責聯鎖邏輯計算的IPS，其中，OC是軌旁設備控制的執行單元。TACS模式下，OC接受WSIC的控制命令，并對軌旁設備進行直接控制。但是,OC不參與邏輯計算，此時IPS也不參與TACS模式下系統的計算及執行。當系統處于聯鎖后備模式時，OC與IPS連接，接收IPS的執行命令,并對軌旁設備進行控制及操作。

2) 與傳統ATC的區別：傳統ATC下列車的移動授權終點由ZC進行集中控制及集中計算，列車通過與ZC實時通信來獲取/上傳本車的相關安全信息和運行信息。

如圖8所示，20號線一期TACS采用扁平架構，列車通過通信傳輸子系統獲取本車相鄰列車的信息，通過WSIC獲取相鄰軌旁設備的使用狀態。在此基礎上,TACS結合相鄰列車信息對本車的移動授權進行計算，并根據列車運行計劃發布線路資源命令等。

圖8 深圳地鐵20號線一期工程WSIC、CC及OC的接口示意圖

3.2 20號線一期工程實測數據優勢分析

1) 軌旁設備單點控制帶來了更為高效的運行效率。20號線一期工程列車折返追蹤間隔的設計值為不大于180 s，其實測列車折返追蹤間隔為146 s，較設計值提升了18%。同時，該線的旅行速度設計值為不低于50.0 km/h，實測的旅行速度在上行方向為55.5 km/h，在下行方向為為55.9 km/h，均滿足設計值的要求。

2) 降級模式下影響更小，克服了傳統CBTC關鍵核心部件故障時影響面廣、系統恢復時間長等問題。由于移動授權的計算功能下放至列車，且軌旁設備不再進行邏輯計算，僅保留執行單元，軌旁設備故障時并不影響列車的移動授權計算，對系統整體的影響較??；當列車故障時，TACS能識別降級列車，此時WSTC替代降級列車進行軌旁資源控制及進路辦理，故障僅影響該列車及相鄰后車，對全線或本區域的其它列車影響均較小。與傳統CBTC的ZC或CI發生故障帶來全系統或全區域的系統降級相比，TACS的可用性和可靠性大大提高。當TACS發生多點故障時，TACS仍可以降級為聯鎖模式，對系統進行降級控制。

4 結語

基于車車通信的TACS是目前國際軌道交通業內應用于載客的列控系統最前沿的技術。國內外關于車車通信列控系統雖然在技術特點上存在區別，但從技術發展路線、系統原理架構、可實現功能等方面是一致的：均是基于扁平化的架構設計；列車均能主動計算進路、列車移動授權、安全防護距離、運行速度等參數；在保證系統安全的前提下，可進一步提高列控系統的可靠性和運行效率，降低設備數量及接口信息，減少不必要的、重復的信息傳遞，降低建設和運營維護成本。

基于車車通信TACS的系統架構和功能創新是在確保系統安全性和可靠性的基礎上，為平衡全生命周期成本、滿足目前城市軌道交通行業發展而進行的大膽嘗試。在該系統后續的優化及技術推進上，需結合更多的應用經驗和理論數據進行進一步的論證分析，以避免系統性能的倒退。