采用列車自主運行技術提升城市軌道交通網絡化運營能力

吳 昊

（上海富欣智能交通控制有限公司，201203，上?！胃呒壒こ處煟?/p>

隨著我國城市規模不斷擴大，城市軌道交通建設進入了高速發展階段，由此帶來了城市軌道交通由單條線路運營向網絡化運營發展。網絡化運營就是將城市軌道交通的多條獨立運營的線路，運用先進的管理運營方式整合在一起進行調度、協調和運營，滿足實時的客運需求，提高運營效率、提升對于乘客的服務水平。

在軌道交通實際的運行過程中，每個路網的特點和承擔的交通線路的功能不盡相同，每條線路的客流量分布特點也不一樣，這會增加網絡化管理的難度。比如列車運行方式不同、軌道線路的制式不同、線路之間的銜接調度復雜等。而在城市軌道交通由單線路運營向網絡化運營的轉變過程中，會出現客流量不斷增加、路網結構受到沖擊、客流組織和跨線車流矛盾等諸多問題，使得實現網絡化運營存在現實的困難。

當一條新的線路開通，對于現有的軌道交通網絡而言，其不僅在客流吸引范圍內帶來客流，也為與之銜接的線路帶去了換乘客流。同時，由于線路長度增加和線路通達性增強的原因，整個網絡的總客流量跳躍式增長和各線路上的客流分擔比率發生變化，從而出現網絡疊加效應，因而要求軌道交通擁有高效的網絡化協調運營機制，盡快實現客流疏解，保持客流處于流動狀態，避免客流在某一個節點阻塞而影響整個網絡的運輸效率，為乘客提供優質服務。

相比于單線運營，網絡化運營條件下的城市軌道交通系統具有路網狀態動態性、運營管理協調性、區域結構差異性、客流分布失衡性、風險因素多樣性、風險危害關聯性等特點。而網絡化運營也可根據其所提供的服務水平，分為淺層次和深層次的網絡化運營。

（1）淺層次的網絡化運營，指線路在形態和規模上形成網狀系統，但各條線路的運營列車只能在本線單獨運行，網絡功能主要通過乘客在換乘站的下車換乘實現。當前我國各城市軌道交通的網絡化運營均屬于此層次。

（2）深層次的網絡化運營，指由各條線路組成的運營線網間的互聯互通和服務標準的提高，不僅能實現運營列車在各條線路之間互聯互通運行，還能實現車輛、信號等系統設備全線網的互聯互通；不僅能夠行駛站站停的普通列車，還可行駛大站快車；為了減少乘客下車換乘次數及換乘站的換乘壓力，甚至可以靈活調整線路以適應城市客流的變化。

目前，我國各城市的軌道交通網絡化運營方式，主要采用的仍是換乘協調方式，通過乘客換乘的方式來實現不同線路之間的跨接，也就是淺層次的網絡化運營方式。軌道交通的建設方和運營方主要是通過優化設計換乘站和列車運行的間隔時間等方式，盡可能地減少乘客換乘需要的步行距離，減少候車時間，以提升出行效率，乃至實現多條線路甚至整個網絡的協調運營。采用的技術手段主要包括同站臺換乘、復線運營、網絡化布局、運行圖協調等。但是換乘協調的網絡化運營僅僅是從客流組織、列車銜接時間等方面研究，并沒有完全發揮出軌道交通網絡化運營可以帶來的高效和便捷。

為了達到深層次的網絡化運營，需在線路、土建、車輛、信號等多方面加以統一和適配，這其中列車運行控制系統的提升尤為關鍵。目前普遍采用的CBTC（基于通信的列車控制）信號系統雖然具有發車間隔小、運行效率高等優勢，但因其列車進路和安全防護等關鍵功能均是基于車-地-車的體系結構，存在ATS（列車自動監控）、車載、地面ATP（列車自動保護）及聯鎖子系統種類繁多，軌旁設備繁多；子系統之間耦合度過高，功能交叉、設備冗余、交互復雜；子系統之間需進行交互通信，信息周轉及系統處理周期長；對列車的移動授權在地面進行集中管理，單個設備故障則影響整個區域等問題，造成系統復雜度過高，對系統的可靠性和建設/運營/維護均帶來較多困難，也無法滿足未來對運營效率提升、互聯互通、大規模設備更換等需求。而以列車為核心構建的列車自主運行系統（Train Autonomous Circumambulation System，簡為“TACS”），其子系統種類和軌旁設備少，可充分利用LTE-M（用于地鐵的長期演進-第四代移動通信）這一安全高速的信息傳輸平臺，通過實現車-車之間的通信，支持列車安全、高密度、自動化運行，使全生命周期成本明顯降低。這樣的新型運行控制系統將為實現深層次的網絡化運營提供必要的技術支撐。

TACS的主要設計思想是：以基于LTE-M的車-車通信為基礎，將傳統的車地兩層列車控制系統進行重新架構和功能分配，并與車載網絡控制系統、牽引系統、制動系統等進行高度融合，從運營管理的角度出發，圍繞列車安全與高效運行這一核心，采用一體化設計思想，實現支持列車主動進路、自主防護的新型列車自主運行系統，以達到提高系統安全性、可靠性和運行效率，降低建設和運營維護成本的目的。同時TACS還支持FAO（全自動無人駕駛）及自動化車輛段。

TACS是軌道交通安全運營的關鍵業務，可靠性要求極高。TACS取消了傳統CBTC信號系統的軌旁聯鎖（CBI）和區域控制器（ZC）設備，優化了傳統CBTC系統的車-地-車結構，列車車載控制單元（OBCU）集成了原CBTC軌旁的CBI與ZC的功能，軌旁僅保留與現場設備接口的目標控制器（OC），減少了控制環節與接口復雜度，并通過車-車通信方式實現行車資源的交互。兩者架構圖［1］的對比如圖1所示。

圖1 傳統CBTC架構圖與TACS架構圖的對比

在TACS中，ATS將時刻表或人工進路命令下發給列車；列車上的車載ATS根據收到的時刻表自主觸發進路，進行自主運行；OC負責登記列車列表并更新軌旁設備（如道岔、信號機等）的資源登記，將軌旁設備的狀態發送給列車，并執行列車所發來的操作軌旁設備的命令；列車車載控制器根據進路需求向OC登記并查詢資源登記結果，并向前車申請資源，接受其他車輛申請釋放資源的請求；列車在OC更新登記實體資源，并對現場設備進行驅動采集；列車在獲得的獨占軌道資源內計算制動曲線，防護列車運行；基于LTE-M的車地無線通信網絡負責提供可靠的車-車與車-地通信通道。LTE-M通過多級冗余的可靠性設計，在系統架構、網絡鏈路、設備供電等方面采取了多種保障措施，以提升系統的可靠性和可用性，且車-車以及車-地之間的應用通信協議采用成熟并廣泛應用的安全通信協議，確保了車-車通信的高可靠性和安全性。

TACS的設計具有更多優勢：基于列車自主進路和自主防護的理念，可以減少對ATS子系統可靠性的依賴；將傳統CBTC中采用的ZC集中式管理一個控區移動授權的方式改為資源的交互在列車之間分布式控制，單個列車故障影響面小，運營恢復速度快（移動故障車后再慢慢處理故障）；通過將行車路徑虛擬為一段資源，行車間隔的安全防護依賴于列車自主性的“獨占”資源和移交機制，簡化了進路的設計及接口數據，并能更好地支持反向行駛、列車對開、往返行駛等行車方式，提高了運營組織的靈活性，尤其是在應急情況下豐富了行車路線的選擇，有利于提高行車指揮水平；通過優化系統結構，將線路資源管理及移動授權功能由軌旁系統移至車載系統，減少了系統控制數據交互次數，降低了系統設備和接口的復雜度，進一步提高了系統可靠性，而車載控制數據流直達控制對象，提高了系統的實時性，有助于減小列車追蹤間隔、提高系統性能；后車可通過直接與前車通信，獲取前車更多信息，如速度、加速度、位置等，生成平穩的追蹤速度曲線，提高乘坐舒適度。

TACS的主要功能集中在列車上。TACS給出了列控主要功能工廠化調試的可能性，系統在地面設備部分僅保留了基礎信號設備及OC等少量設備，有利于對已建線路的升級改造和分期開通的延伸線路的實施，為線網級的互聯互通和網絡化運營創造了充分的技術條件。

由此不難看出，采用TACS，車-地子系統之間的通信從數量和通信內容上都有了極大的簡化。列車成為城市軌道交通運行控制系統的控制主體后，TACS的車-車通信方案使得同一區域多列車之間協商運行成為可能。這有利于豐富日漸龐大的地鐵網絡的行車組織方式，降低運營組織的復雜度，提高運營組織的靈活性。TACS的特點和優勢，使其成為新一代具有更高可靠性和運行效率、更低全生命周期成本的列車運行控制系統，將為城市軌道交通實現深層次網絡化運營提供極大的支撐。

參考文獻

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（收稿日期：2018-03-28）

湖南省委書記杜家毫五一假期乘地鐵調研

五一國際勞動節上午，湖南省委書記、省人大常委會主任杜家毫輕車簡從，在客流高峰期乘坐地鐵1、2號線和長株潭城際鐵路出行，分別在地鐵五一廣場站換乘地鐵，在開福寺站換乘城際鐵路，實地考察調研地鐵、城際鐵路運營管理情況。他指出，要始終堅持以人民為中心的發展思想，進一步完善管理體制，優化運營機制，改善配套設施，有序推進長株潭城鐵小編組、高密度運行，加快推進城鐵和地鐵、公交一卡通，實現換乘無縫對接，提高運營管理效率，更好地方便群眾出行，助推長株潭城市群一體化發展。