易希為 趙媛媛 朱卓瑾

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車-車通信；TACS 列控系統(tǒng)；青島試驗線；全自動運行；資源管理

1 引言

目前，世界各國城市軌道交通信號系統(tǒng)普遍采用列車自動控制系統(tǒng)（CBTC），雖然其具有發(fā)車間隔小、運營效率較高等優(yōu)勢，但列車進路和安全防護等關(guān)鍵功能均是基于“車-地-車”的通信鏈路和控制架構(gòu)，仍存在局限和亟待優(yōu)化的方面。

傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)以地面設(shè)備為列車運行的控制核心，采用OBC-ZC/CBI 的集中式控制架構(gòu)，以“車-地-車”的通信鏈路進行數(shù)據(jù)交互，即前車將自身定位信息發(fā)送給區(qū)域控制器（ZC），區(qū)域控制器收到前車的位置報告，再結(jié)合聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）提供的軌道、信號機、轉(zhuǎn)轍機狀態(tài)等安全條件，為后車計算移動授權(quán)并將移動授權(quán)發(fā)送給后車。車車之間無法直接完成信息交互，須通過地面設(shè)備傳遞信息，數(shù)據(jù)流漫長且性能受限。系統(tǒng)對地面設(shè)備的依賴程度較高且控制方式不夠靈活，單點故障影響面廣，尤其在承載無人駕駛功能后，存在配置設(shè)備多、系統(tǒng)接口和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、列車運行對中心設(shè)備依賴大等缺點，以及因此導(dǎo)致的施工周期長、調(diào)試繁雜、故障影響范圍大、建設(shè)和維護成本高、互聯(lián)互通困難等問題。隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，第四代無線通信技術(shù)（TDLTE）在城市軌道交通中廣泛應(yīng)用，利用安全高速的LTE-M信息傳輸平臺，優(yōu)化傳統(tǒng)CBTC 系統(tǒng)的“車-地-車”結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)“車-車”之間的通信，支持列車安全、高密度、自動化運行，全生命周期成本明顯降低，這樣的新型列車自主運行系統(tǒng)必將成為未來技術(shù)發(fā)展方向[1]。

2 TACS 列控系統(tǒng)架構(gòu)

TACS 列控系統(tǒng)將傳統(tǒng)CBTC 信號系統(tǒng)的OBC-ZC/CBI的集中式控制架構(gòu)改為OBC-OBC、OBC-OC 的分散式控制架構(gòu)，如圖1所示：

圖1 TACS 列控系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

TACS 列控系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)（OBC）、目標控制器子系統(tǒng)（OC）、列車運行監(jiān)督子系統(tǒng)（ATS）、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）和維護支持子系統(tǒng)（MMS）構(gòu)成，各子系統(tǒng)功能概述如下：

OBC 子系統(tǒng)，作為TACS 列控系統(tǒng)控制核心，提供自動安全進路、自主運行和調(diào)整功能。

OC 子系統(tǒng)，提供軌旁基礎(chǔ)信號設(shè)備的驅(qū)動采集功能及管理員功能，登記列車狀態(tài)信息、實體資源、虛擬資源信息，并根據(jù)實體資源的控制權(quán)所有者的命令驅(qū)動軌旁設(shè)備。提供降級運行運行功能[2]。

ATS 子系統(tǒng)，實現(xiàn)列車進路的自動和人工辦理、列車運行監(jiān)督、列車跟蹤顯示、列車運營調(diào)整、信號設(shè)備集中監(jiān)控、臨時限速設(shè)置等功能。與綜合監(jiān)控（ISCS）協(xié)作實現(xiàn)無人駕駛運營模式下的綜合自動化的集中監(jiān)控功能。另外ATS 向其它子系統(tǒng)提供時鐘同步服務(wù)，用于非安全的時間顯示、事件記錄等場合。

DCS 子系統(tǒng)，主要分為有線網(wǎng)絡(luò)（含LTE 承載有線網(wǎng)）及LTE 無線網(wǎng)兩部分，在TACS 列控系統(tǒng)各設(shè)備之間提供雙向的、安全的數(shù)據(jù)交換，它提供開放的通信接口和體系架構(gòu)。應(yīng)用國際通行的協(xié)議：有線網(wǎng)使用IEEE 802.3 以太網(wǎng)標準，無線通信使用LTE 標準。

MMS 子系統(tǒng)，負責系統(tǒng)的維護支持，為維護人員提供系統(tǒng)的運行故障信息以及相關(guān)維護記錄，便于維護人員對系統(tǒng)進行維護維修。

2 TACS 列控系統(tǒng)工作原理

TACS 列控系統(tǒng)以車載控制器為核心，車車之間通過網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)據(jù)通信，采用基于資源管理的安全防護算法，列車運行計劃或進路命令可以直接下載到列車，由列車自主執(zhí)行進路并持有行車所需資源，資源是否能夠釋放完全由列車自主判斷，系統(tǒng)可自動駕駛列車，同時可根據(jù)計劃自主調(diào)整運行時間，從而實現(xiàn)列車自主進路、自主防護、自動駕駛、自主調(diào)整功能，最終實現(xiàn)列車的自主運行。其工作原理如圖2所示：

圖2 TACS 列控系統(tǒng)工作原理示意圖

2.1 下發(fā)時刻表或?qū)崟r人工進路命令

ATS子系統(tǒng)對列車進路的控制包括自動控制和人工控制。正常情況下，ATS 系統(tǒng)將列車運行圖/時刻表信息發(fā)給列車，監(jiān)督在線列車運行。當運營列車故障時，中心調(diào)度員可人工介入控制，通過OC 辦理進路實現(xiàn)對故障列車的控制。

2.2 注冊列車并查詢資源

OBC 在OC 注冊后，周期性向OC 發(fā)送位置報告、行車資源以及位置和資源附著的軌道區(qū)段信息。

OBC 獲取ATS 下發(fā)的時刻表或進路命令后，向OC 發(fā)送行車路徑內(nèi)的關(guān)注列表，OC 據(jù)此向OBC 反饋行車資源持有者信息。

OBC 根據(jù)OC 反饋的信息，自行查找資源所有者。

2.3 OC 負責登記列車并轉(zhuǎn)發(fā)資源登記信息

所有列車將持有的行車資源狀態(tài)信息實時告知資源所在控區(qū)的OC，通過OC 轉(zhuǎn)發(fā)持有行車資源信息。列車根據(jù)自身行車資源需求以及OC 反饋的行車資源持有者信息，檢測行車資源持有者。

若列車行車路徑內(nèi)所需的行車資源不被其他列車持有，可直接從OC 獲取資源，并在OC 登記資源已被本車持有，拒絕其他列車的申請。OC 依照先到先得的原則登記資源。

確認資源前車的功能不發(fā)生資源交互，是非安全功能；當前車沒有所需行車資源時，OBC 重新執(zhí)行感知前車功能并和實際持有行車資源列車建立通信。

2.4 列車向資源持有者申請資源

OBC 獲取資源持有者后，嘗試與資源持有者建鏈，并向其申請行車資源。列車需要申請的資源，包括列車包絡(luò)下的未持有的資源和列車進路范圍內(nèi)的所需的未持有的資源。

2.5 資源持有者釋放資源，并在OC 更新登記實體資源

資源持有者在判斷所有擁有的行車資源不再使用時，向申請者移交資源，并更新登記實體資源，列車獲取到所需資源后使用該資源，認為被本車所持有。已申請但未使用的資源，如OBC 列車前進方向上的行車資源，不能直接移交，需完成相應(yīng)的確認流程。行車資源移交的過程是安全功能。

當列車完全駛出OC 區(qū)域，且無資源申請者時，向OC釋放不再使用的資源；

當列車與OC 通信中斷時，列車清空自己持有資源。OC通過相鄰車的資源持有情況，回收資源。

2.6 列車在獲得的獨占行車資源內(nèi)，列車計算制動曲線，防護列車運行

列車在獲得的獨占行車資源內(nèi)，生成移動授權(quán)，列車根據(jù)移動授權(quán)自主控制列車運行。TACS 列控系統(tǒng)中，在行車資源化的基礎(chǔ)上，列車本身就會負責本車的行車防護，進路不再是地面防護的一段區(qū)域而是指以車為主體的路徑。

列車在對進路路徑進行防護時，依據(jù)路徑軌道的資源，按照不同資源對象的屬性和規(guī)則進行行車防護，如進路上的道岔需要通過OC 移動并鎖閉到位。進行進路防護時，列車采用的防護措施是由近及遠地、連續(xù)式進行防護。因此在釋放時也是根據(jù)列車位置的移動實時釋放資源。對線路資源進行最有效的利用，OC 只對不同資源對象獨立進行一對一的管理，不再按照傳統(tǒng)聯(lián)鎖的方式對多個不同對象進行組合式的判斷處理[3]。

3 TACS 列控系統(tǒng)的特點

（1）以車為主：以車載控制器為核心的扁平化架構(gòu)，減少了設(shè)備種類，弱化中心設(shè)計，更利于系統(tǒng)部署和擴展，有利于降低運營維護成本。

（2）基于資源管理的安全防護算法：通過車車協(xié)作和車地協(xié)作，系統(tǒng)采用基于資源管理的安全防護算法，實現(xiàn)了完整的移動閉塞安全防護功能。

①車車協(xié)作：以車載時刻表為依據(jù)，結(jié)合當前行車意圖，由近及遠進行行車資源交互，實現(xiàn)行車間隔防護。

②車地協(xié)作：列車根據(jù)自主進路命令與OC 協(xié)作完成附屬資源的登記和鎖閉，確保行車路徑安全以及防護側(cè)沖風險。

（3）高可用性：列車自主運行時，除OBC 正常外，僅需無線網(wǎng)絡(luò)以及OC 設(shè)備無故障即可，不依賴于ATS 及ZC，依賴節(jié)點少；其次，車載故障只影響一列車，多車列控系統(tǒng)同時故障的概率低，影響范圍減小，大大降低整個系統(tǒng)發(fā)生區(qū)域性降級的可能性，可用性更高。

（4）高靈活性：基于資源的安全防護算法，可在任意位置為列車建立任意方向安全進路，可提供更好的運營靈活性。

①緊急情況下靈活的運營調(diào)度；

②作業(yè)靈活雙向運行；

③雙向拉箱式運行。

（5）系統(tǒng)融合：與車輛各子系統(tǒng)采用融合設(shè)計，削減冗余功能、整合冗余硬件，優(yōu)化車載網(wǎng)絡(luò)布局，減低系統(tǒng)復(fù)雜度，提高系統(tǒng)實時性和列車控制性能、提高自動化程度以及更加高效節(jié)能。

（6）互聯(lián)互通：支持互聯(lián)互通共線和跨線運行。利用TACS 列控系統(tǒng)特有的架構(gòu)，可在現(xiàn)有的互聯(lián)互通產(chǎn)品更近一步，做到目前的互聯(lián)互通項目未實現(xiàn)的特性。比如：車載列控系統(tǒng)的互換、地面OC 設(shè)備的互換。

（7）完整的降級防護功能：提供進路降級防護功能，可實現(xiàn)正常TACS 列車和降級列車混跑。

4 TACS 列控系統(tǒng)應(yīng)用實踐

TACS 列控系統(tǒng)在青島試驗線進行應(yīng)用實踐，開展基于車載控制平臺的列車自主運行控制系統(tǒng)總體方案研究、產(chǎn)品平臺開發(fā)、試驗與測試平臺開發(fā)、標準/規(guī)范體系制定及應(yīng)用示范線建設(shè)，為廣泛地鐵應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。試驗線測試和驗證主要功能包括：

（1）列車自主運行功能：實現(xiàn)以列車主動進路、自主防護、自主調(diào)整、自動駕駛為特點的列車自主運行。

（2）車載控制系統(tǒng)深度融合功能：采用實時以太網(wǎng)構(gòu)建覆蓋全車主要控制設(shè)備的控制網(wǎng)絡(luò)，信號的列車控制設(shè)備作為節(jié)點之一納入該網(wǎng)絡(luò)，與列車原有的控制系統(tǒng)如牽引、制動控制功能并行管理，并將傳統(tǒng)的車載列控數(shù)據(jù)采集和輸出設(shè)備與車輛設(shè)備進行融合。

（3）全自動駕駛功能：實現(xiàn)TACS 列控系統(tǒng)采用GOA3級有人值守的全自動運行模式運行的功能和驗證，實現(xiàn)自動駕駛、自動折返、自動開關(guān)門等。

（4）接口功能：實現(xiàn)TACS 列控系統(tǒng)與其他主要系統(tǒng)（車輛、站臺門）的接口功能的測試和驗證。

（5）降級運行功能：TACS 系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可根據(jù)實際情況自動或人工轉(zhuǎn)為降級模式，一定程度上維持系統(tǒng)的運營能力。當單車故障時，主系統(tǒng)級別不受影響，只針對故障車進行處理。當?shù)孛娴淖酉到y(tǒng)出現(xiàn)故障時，該子系統(tǒng)覆蓋的區(qū)域整體降級，司機在車載防撞系統(tǒng)輔助下人工行車，行車安全由運營管理制度及ATS 調(diào)度員、司機人工保證。

（6）跨線互聯(lián)互通功能：①軌旁設(shè)備都由同一家信號集成商提供，裝備不同信號集成商車載設(shè)備的列車在TACS 模式下同時在線混合運行；②軌旁不同區(qū)域的OC 分別由兩家信號集成商提供，裝備不同信號集成商車載設(shè)備的列車在TACS模式下同時在線混合運行。

5 結(jié)語

基于車車通信的TACS 列控系統(tǒng)研究和實施，將實現(xiàn)軌道交通列車從信號控制運行向列車自主運行的技術(shù)跨越，為中國各地城市軌道交通的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)和運營提供示范，提升城市軌道交通系統(tǒng)自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化水平，推動和引領(lǐng)全球軌道交通產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展?！败?車”通信的分散式控制架構(gòu)具有互聯(lián)互通天然的優(yōu)勢，同一條線上可實現(xiàn)子系統(tǒng)級別的互通互換，對于項目延伸，各子系的選擇用戶可任意組合，不受既有系統(tǒng)制約。TACS 列控系統(tǒng)采用分散控制代替集中控制的創(chuàng)新實踐，為列車控制提供了更為靈活的手段，有利于列車安全、智能、節(jié)能、高效的運行，是未來城市軌道交通的發(fā)展趨勢。