一種用于TACS的列車運行間隔自適應調整方法

劉 歡，高 暢，王 旭，楊 劍，劉 旭

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130012）

我國各大中城市的快速發展增加了通勤距離，對城市軌道交通提出更大的運能需求，城市軌道交通網絡的規模和復雜度逐年遞增。同時，由難以預測的客流及設備故障給軌道交通網絡帶來的擾動，使得超強度運營及各種超常規運營成為了常態，要求城市軌道交通具備更靈活的運營能力，如支持潮汐通勤客流對靈活編組、快慢混行的需求，突發客流對任意站穿梭、編隊運行的需求，突發故障對任意點折返的需求等[1-2]。

列車自主運行系統（TACS，Train Autonomous Circumambulation System）以去中心化的“車車通信”實現車車的協同控制，減少了因軌旁中轉帶來的時間損失，提高了線路資源單位時間內利用率，使得列車間追蹤間隔更小，顯著提升了城市軌道交通運能[3]。文獻[4—6]都是基于車車通信思想研制的下一代軌道交通信號控制系統，是城市軌道交通對更高效、更靈活和更經濟的列運行車控制系統不懈追求的結果。我國TACS研制開發工作已開展了近十年，目前已進入商用階段。早在2015年，中車四方所聯合青島地鐵啟動了TACS研發工作，并于2017年在青島地鐵6號線開展示范應用。2020年3月，文獻[7]取得了基于車車通信的列控系統產品認證證書。文獻[8]在深圳首條無人駕駛線路—深圳地鐵20號線上實現載客運營，成為業內我國首個成功商用的TACS產品。2023年，文獻[9]中基于車車通信的TACS列車也成功落地，成為國內首個核心技術全自主化的TACS。

本文提出一種用于TACS的列車運行間隔自適應調整方法，在構建城市軌道交通客流數據分析系統的基礎上，實現全線站廳客流量動態監測，由控制中心根據全線路站廳擁擠度情況對運行列車進行調配，自適應地調整客流高峰期與非高峰期的列車運行間隔，使運力與客流量相匹配，提高城市軌道交通的運營效率。

1 TACS簡介

TACS是指列車基于運行計劃和實時位置實現自主資源管理并進行主動間隔防護的信號系統，通過列車與信號深度融合，將信號、牽引、制動、網絡、門控等系統納入一體化控制平臺。

1.1 TACS系統構成

TACS由控制中心、車站設備、車載設備構成。其中，控制中心主要包括列車自動監控系統（ATS，Automatic Train Supervision system）、維護支持系統（MSS，Maintain Support System）；車站設備主要包括現地工作站、目標控制器（OC，Object Controller）；車載設備主要包括車載控制器（OBC，On Board Control Unit）、對象控制單元（OCU，Object Control Unit）、人機接口（HMI，Human Machine Interface）；TACS系統架構如圖1所示[10-11]。

圖1 TACS系統架構示意

（1）控制中心ATS主要負責監視全線路列車運行狀態、編制列車運行時刻表等功能，可將預先設置的運行時刻表下發至列車的車載模塊，實現對列車的控制；同時，ATS與車站OC及現地工作站協同工作，實現對軌旁資源的合理分配，實現列車的自主進路、自主調整、自主運行等主要功能。

（2）控制中心MSS主要負責監測所有系統設備的工作狀態和故障，實現對OC及車載相關設備的監控，下發維護任務，并與控制中心ATS進行實時信息交互。

（3）車站目標控制器OC與現地工作站協同工作，負責軌旁資源狀態的實時更新，并實時將狀態信息傳輸至控制中心ATS與車載OBC，確保列車安全運行。

（4）車載控制器OBC集成了列車休眠喚醒模塊（AOM，Automatic Operation Module），可根據控制中心ATS傳輸的運行指令自動控制列車上線運行或下線休眠；列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）負責列車超速防護，保證列車運行安全；HMI提供人機交互界面，展示車輛狀態信息；OCU集成列車牽引、制動、網絡與信號系統的功能，并簡化了這些系統間通信接口，提高列車內部各系統間通信效率。

1.2 列車運行控制基本流程

（1）控制中心ATS預先編制列車運行時刻表，由ATS的列車運行調整單元將列車運行時刻表下發至全線路OC設備及所有TACS列車的車載系統。

（2）TACS列車上線運行后，整條線路上的OC實時監測列車位置、速度等運行信息，并與控制中心ATS、車載OBC進行運行信息的實時交互。

（3）車載OCU自主計算列車到離站時間與列車運行時刻表的偏差，基于自身運行任務和當前位置，主動與所有相鄰列車交互信息，并根據交互信息自主更新移動授權（MA，Movement Authority）及控車曲線，計算生成本列車運行調整指令和預計的到離站時間，并將預計的到離站時間發送給ATS的列車運行調整單元，實現列車運行自主調整，增強了列車間隔防護的實時性。

2 線路客流量實時監測

2.1 客流數據分析系統

為提高城市軌道交通運營效率，本文提出建立整條線路的客流數據分析系統，該系統主要包括控制中心客流分析服務器和部署在各車站上的客流數據采集接口設備；并在TACS現有技術架構基礎上，增加客流數據分析系統與控制中心ATS的接口，基于客流數據的列車運行間隔調整過程如圖2所示。

圖2 基于客流數據的列車運行間隔調整過程示意

（1）車站客流數據采集接口設備從車站的視頻監控系統、自動售檢票系統（AFC，Automatic Fare Collection system）閘機等設備采集實時客流數據，并按固定時間間隔將客流量數據上傳給控制中心客流分析服務器；通過在站內候車區域合理布置視頻監控系統的攝像頭，由車站客流數據采集接口設備利用智能視頻分析算法實時統計各站廳內候車的乘客數量；AFC閘機能夠實時統計各站進出站客流量；當二者統計的客流量都大幅增大時，表明當前時段進入客流高峰期。

（2）控制中心客流分析服務器接收各車站客流數據采集接口設備上傳的實時客流量數據，計算線路上各站站廳客流擁擠度，并據此判斷全線客流擁擠度狀態，將全線客流擁擠度狀態數據傳輸給中心ATS的列車調整單元。

（3）控制中心ATS的列車調整單元依據客流數據分析系統提供的全線各車站站廳客流擁擠度動態數據，在客流高峰時段重新生成列車運行時刻表，并重新將時刻表傳輸至車載控制系統，喚醒必要的休眠列車進入運行狀態，或在非高峰期使部分列車退出運行狀態，從而實現列車運行間隔的自適應調整。

2.2 站廳客流擁擠度

客流數據分析系統根據站內候車乘客統計人數，計算各個車站站廳客流擁擠度。將單位面積內乘客人數定義為站廳客流擁擠度X，即有

其中，P為乘客人數，人；S為乘客可候車面積，m2；μ為擁擠度系數，為單位可候車面積所能承載最多乘客人數的倒數，可視車站站廳布局和設備配置情況取不同的數值，如安裝有站臺屏蔽門的站廳，μ可以取較小數值。

站廳客流擁擠度X∈[0，1]，其數值越大，表示站廳越擁擠?；谌炜土鹘y計數據計算站廳客流擁擠度，可生成站廳客流擁擠度曲線。以某地鐵站全天運營為例，圖3為該地鐵站運營期間站廳客流擁擠度曲線。

圖3 站廳客流擁擠度曲線示例

將站廳客流擁擠度X≤ 0.5確定為客流通暢，乘客舒適性較好；將X＞ 0.5確定為客流擁擠，乘客舒適性較差?？土鲾祿治鱿到y將站廳客流擁擠度轉換為站廳客流數字量，即X≤ 0.5時客流數字量設置為0，X＞ 0.5時客流數字量設置為1。

3 列車運行時間間隔自適調整

將線路客流數字量LP定義為

其中，N為線路車站總數，座；Xi為車站i的客流數字量。

控制中心ATS設置整條線路客流量閾值lptv，如半數以上車站當前客流數字量X為1時，可認為整條線路客流量較大，即，當LP≥lptv時，認為線路出現客流高峰。

ATS列車運行調整單元根據客流數據分析系統實時計算的全線所有車站客流數字量，自動判斷整條線路是否出現客流高峰，并據此向運營列車發送指令：喚醒上線、維持運行、列車下線，協同其它所有在線運行列車自適應調整運行時間。

一旦ATS探測到線路出現客流高峰時，會立即喚醒休眠列車進入運行狀態來增加運力；同時，由車地無線傳輸系統將線路客流數字量實時傳輸至車載系統，所有在線運行列車根據接收的客流數字量信息，通過交互列車運行信息，自適應調整列車運行時間間隔。

以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，7：00～9：00、17：00～20：00這2個時間段內全線路上站廳客流擁擠度X＞ 0.5的車站超過半數，表明整條線路站廳客流量較大，列車運行間隔時間縮短為3 min，來增加列車運行頻次；其余時間段內站廳乘客擁擠度X＞ 0.5的車站未超過半數，使列車運行間隔時間恢復為6 min；對應的列車運行時間間隔調整曲線如圖4所示。

圖4 列車運行時間間隔調整曲線示例

4 列車運行時間間隔調整效果分析

將列車運行頻次和列車載客量的乘積定義為車站運能σ（人次/h），即有

其中，H為列車載客量，人；y為列車運行頻次，次/h。在合理范圍內，列車運行頻次越高，車站運能越大。

站廳乘客擁擠度X與列車運行頻次y成正比關系，即有X∝σ，或X∝H·y。站廳客流擁擠度X越大，要求列車運行頻次y越高。為此，在客流高峰期間，增加列車運行頻次y，可充分緩解站廳乘客擁擠程度。以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，列車運行頻次調整前后站廳客流擁擠度變化曲線如圖5所示。

圖5 列車運行頻次調整前后站廳客流擁擠度變化曲線

由圖5 可以看出：7：00～9：00、17：00～20：00這2個時間段內，控制中心ATS的列車運行調整單元重新生成列車運行時刻表，運行時間間隔由6 min減少至3 min，將高峰時段站廳客流擁擠度保持在0.5左右；其它時間段客流擁擠度較低，列車按既有運行時刻表運行。

5 結束語

本文提出一種用于城市軌道交通TACS系統的列車自適應運行調整方法，在已有TACS系統列車運行自主調整的技術架構上，通過建設客流數據分析系統及增加該系統與ATS的客流數據接口，利用車站視頻監控系統和AFC閘機采集客流數據，實時監測整條線路的客流量，當出現客流高峰時由ATS列車調整單元及時調整列車運行時刻表，喚醒休眠列車進入運行狀態來增加運力；所有在線運行列車根據ATS調整生成的最新列車運行時刻表，交互列車運行信息，自適應調整列車運行時間間隔；通過在客流高峰時段縮短列車運行時間間隔，提高線路載客能力，在客流低峰時段延長列車運行時間間隔，降低線路運營能耗，可有效地提升線路運營效率。該方案原理簡單，技術上易于實現，僅需增加客流數據分析系統服務器和車站客流數據采集接口設備、調整車站視頻監控系統的攝像頭布置以及對ATS列車調整單元模塊的功能進行擴展，不影響TACS系統現有結構和性能。

如何解決客流數據分析系統中客流數據統計問題、如何配置上線列車數量使線路客流量與線路運能達到最優配置，是目前存在的關鍵問題。下一步將對上述兩類問題做重點研究，進一步完善方案的完整可行性。