城市軌道交通 CBTC 系統(tǒng)升級為TACS 系統(tǒng)的方案探討

邢艷陽

（卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

1 引言

2008年北京市軌道交通在國內(nèi)率先啟用基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），此后CBTC系統(tǒng)逐漸成為城市軌道交通列車控制的主流系統(tǒng)。早期啟用的CBTC系統(tǒng)至今已投入運營13年，將陸續(xù)進入信號系統(tǒng)大修改造周期。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化運營發(fā)展，客流量快速增長，如何滿足大城市核心區(qū)城市軌道線路的運能需求已成為城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的關(guān)鍵研究方向 。而基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）因其設(shè)備少、效能高等優(yōu)點，適用于既有CBTC線路的升級改造。

2 CBTC 系統(tǒng)和 TACS 系統(tǒng)架構(gòu)比較

2.1 典型 CBTC 系統(tǒng)架構(gòu)

典型CBTC系統(tǒng)包括自動保護/自動駕駛子系統(tǒng)（ATP/ATO）、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）、 數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)（DCS）和維護子系統(tǒng)，其中 ATP/ATO子系統(tǒng)含車載控制器和區(qū)域控制器兩部分。

典型CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，ATP/ATO子系統(tǒng)配置于設(shè)備集中站機房和車輛中，聯(lián)鎖子系統(tǒng)放置于設(shè)備集中站機房，ATS子系統(tǒng)和維護子系統(tǒng)配置于設(shè)備集中站機房和控制中心，各子系統(tǒng)通過有線和無線通信構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化CBTC系統(tǒng)。在CBTC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)轍機、信號機、計軸、屏蔽門、站臺緊急停車按鈕、綜合后備盤（IBP） 等軌旁設(shè)備通過聯(lián)鎖子系統(tǒng)接口；綜合監(jiān)控、旅客向?qū)АV播、時鐘、大屏等系統(tǒng)通過控制中心ATS子系統(tǒng)進行接口；車輛系統(tǒng)通過車載ATP/ATO接口。

圖1 典型CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 典型 TACS 系統(tǒng)架構(gòu)

TACS系統(tǒng)包括ATP/ATO子系統(tǒng)、目標(biāo)控制器子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)、DCS子系統(tǒng)和維護子系統(tǒng)，其中ATP/ATO子系統(tǒng)含車載控制器和軌旁資源管理器兩部分。

典型TACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，ATP/ATO子系統(tǒng)配置于設(shè)備集中站機房和車輛中，目標(biāo)控制器子系統(tǒng)放置于設(shè)備集中站設(shè)備機房，ATS子系統(tǒng)和維護子系統(tǒng)配置于設(shè)備集中站機房和控制中心，各子系統(tǒng)通過有線和無線通信構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化TACS系統(tǒng)。在TACS系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)轍機、信號機、計軸、屏蔽門、站臺緊急停車按鈕、IBP 等軌旁設(shè)備通過目標(biāo)控制器子系統(tǒng)接口；綜合監(jiān)控、旅客向?qū)АV播、時鐘、大屏等系統(tǒng)通過控制中心ATS子系統(tǒng)接口；車輛系統(tǒng)通過車載ATP/ATO接口。

圖2 典型TACS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 典型 CBTC 與 TACS 系統(tǒng)架構(gòu)比較

CBTC系統(tǒng)是以軌旁設(shè)備為中心的列車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流匯集到軌旁的區(qū)域控制器，由區(qū)域控制器實時計算移動授權(quán)，控制列車運行安全間隔。TACS系統(tǒng)是以列車運行任務(wù)為中心的列車控制系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流匯集到車載控制器，由車載控制器自主計算移動授權(quán)，自主控制列車運行安全間隔。

在CBTC系統(tǒng)中，車站層配置了聯(lián)鎖子系統(tǒng)，用以采集道岔、信號機、屏蔽門等狀態(tài)信息，通過聯(lián)鎖邏輯計算建立或取消進路，從而開放或關(guān)閉信號機。聯(lián)鎖子系統(tǒng)將道岔、信號機、屏蔽門等狀態(tài)信息發(fā)送給區(qū)域控制器，并由區(qū)域控制器計算列車的移動授權(quán)。在CBTC系統(tǒng)中，聯(lián)鎖子系統(tǒng)和區(qū)域控制器是軌旁集中式核心控制設(shè)備，列車移動授權(quán)是否可以越過道岔區(qū)域取決于聯(lián)鎖進路是否已建立。

TACS系統(tǒng)簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，取消了軌旁聯(lián)鎖子系統(tǒng)，系統(tǒng)無需辦理或取消進路，取而代之以精細化資源管理。車站層配置了目標(biāo)控制器子系統(tǒng)，用以采集道岔、信號機、屏蔽門等設(shè)備狀態(tài)信息，而控制命令則由軌旁資源管理器或車載控制器發(fā)送，通過目標(biāo)控制器來控制軌旁設(shè)備。軌旁設(shè)備狀態(tài)及資源分配狀態(tài)信息發(fā)送給車載控制器，并由車載控制器自主計算本列車的移動授權(quán)。在TACS系統(tǒng)中，車載控制器是核心控制設(shè)備，列車按需自主申請和釋放資源。

3 信號系統(tǒng)升級方案

由于信號系統(tǒng)架構(gòu)不同，系統(tǒng)升級改造意味著子系統(tǒng)軟硬件的升級。CBTC信號系統(tǒng)升級到TACS系統(tǒng)需要對既有的ATP/ATO子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)和ATS子系統(tǒng)進行改造，同時取消聯(lián)鎖主機，將聯(lián)鎖的輸入/輸出（I/O）單元改造為目標(biāo)控制器。DCS子系統(tǒng)和維護子系統(tǒng)與系統(tǒng)制式關(guān)聯(lián)度較小，本文暫不做分析。為避免信號系統(tǒng)升級改造影響在線運營設(shè)備工作，系統(tǒng)需要設(shè)計一套安全高效的新老系統(tǒng)倒接裝置，以便在運營結(jié)束后，快速倒接至新系統(tǒng)開展調(diào)試活動。這種升級方式需要設(shè)計比較復(fù)雜的切換裝置，對既有系統(tǒng)配置改動較大。本方案探討如何縮小改造范圍、降低改造風(fēng)險，確保新老系統(tǒng)平穩(wěn)升級。

3.1 車載控制器升級

TACS系統(tǒng)的核心控制功能由ATP/ATO子系統(tǒng)的車載控制器實現(xiàn)，高性能車載安全平臺是確保系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵。在系統(tǒng)升級改造過程中，可先期完成車載控制器設(shè)備的改造，在其他軌旁和中心設(shè)備不變的情況下，將CBTC系統(tǒng)車載控制器設(shè)備更換為更高性能的TACS系統(tǒng)車載控制器，為后續(xù)整體系統(tǒng)升級至TACS奠定基礎(chǔ)。

TACS系統(tǒng)車載控制器維持既有車輛電氣接口，可通過升級車載控制器軟件、硬件和工程數(shù)據(jù)，平穩(wěn)升級至TACS系統(tǒng)的車載控制器。

3.2 軌旁 ATP/ATO 升級

CBTC系統(tǒng)軌旁配置了區(qū)域控制器，用于控制本區(qū)域內(nèi)列車的運行，而TACS系統(tǒng)軌旁配置了軌旁資源管理器，用于管理本區(qū)域內(nèi)線路的資源分配。本系統(tǒng)升級方案基于相同的軌旁安全硬件平臺，在既有軌旁硬件平臺上，既可以部署傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的區(qū)域控制器的軟件和數(shù)據(jù)，也可以部署TACS系統(tǒng)的軌旁資源管理器的軟件和數(shù)據(jù)。因此在項目改造時，可保持既有區(qū)域控制器硬件不變，通過升級軟件和數(shù)據(jù)將CBTC系統(tǒng)的區(qū)域控制器改造為TACS系統(tǒng)的軌旁資源管理器。

在信號系統(tǒng)升級方案設(shè)計中，可根據(jù)各系統(tǒng)設(shè)備運行年限不同，采用新增和利舊相結(jié)合的原則。考慮到網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)配置，這些利舊設(shè)備仍可以放在既有位置，無需移動。新增設(shè)備可集中放置，也可以分布放置于各車站設(shè)備房。

3.3 聯(lián)鎖設(shè)備升級

CBTC系統(tǒng)軌旁配置了聯(lián)鎖設(shè)備，分為主機和I/O單元兩部分，通過主機與區(qū)域控制器和ATS通信。TACS系統(tǒng)取消了軌旁聯(lián)鎖子系統(tǒng)，配置了小型化的目標(biāo)控制器子系統(tǒng)。

在TACS系統(tǒng)中，目標(biāo)控制器僅作為驅(qū)采單元，控制主機為軌旁資源管理器，因此可以復(fù)用聯(lián)鎖的I/O單元，通過升級軟件和數(shù)據(jù)將其改造為目標(biāo)控制器，同時取消聯(lián)鎖主機軟硬件配置，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聯(lián)鎖升級至目標(biāo)控制器

3.4 ATS 設(shè)備升級

ATS子系統(tǒng)的硬件配置相同，在信號系統(tǒng)升級方案設(shè)計中，可根據(jù)既有ATS設(shè)備運行狀況和新系統(tǒng)調(diào)試便捷性，配置一定數(shù)量的新設(shè)備，在TACS系統(tǒng)的ATS子系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)調(diào)試完成后，將其部署到相應(yīng)的ATS硬件設(shè)備。

4 升級方案特點

本文闡述的方案是基于相同的硬件平臺，通過切換軟件和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)系統(tǒng)平滑升級。

4.1 成熟的硬件安全平臺

硬件平臺的成熟度是系統(tǒng)運行穩(wěn)定性的重要保障。本方案中，TACS系統(tǒng)的軌旁資源管理器和CBTC系統(tǒng)的區(qū)域控制器基于同一安全硬件平臺，TACS系統(tǒng)的目標(biāo)控制器和CBTC系統(tǒng)的聯(lián)鎖I/O單元基于同一安全硬件平臺，而車載控制器也是既有車載安全平臺的升級版本。

通過成熟硬件平臺的應(yīng)用，TACS既縮短了新系統(tǒng)的研發(fā)周期，又傳承了既有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.2 便于設(shè)備利舊

城市軌道交通線路一般分為幾期建設(shè)，在投入運營后通過修建延伸線繼續(xù)擴展延伸。因此對于同一條線路，其在線運營設(shè)備使用年限存在數(shù)年的差別。在系統(tǒng)升級改造時，需要考慮系統(tǒng)設(shè)備的延壽，避免投資的浪費。本方案特點是沿用既有硬件平臺，通過升級軟件和數(shù)據(jù)實現(xiàn)系統(tǒng)改造，可以最大限度利用既有系統(tǒng)設(shè)備，節(jié)約投資。

4.3 安裝空間需求低

既有線路的設(shè)備機房面積通常是在當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)備機柜數(shù)量的基礎(chǔ)上預(yù)留一定的空間，主要考慮項目建設(shè)過程中的一些不確定因素而導(dǎo)致的機柜數(shù)量的增減，并不考慮系統(tǒng)大修周期階段新系統(tǒng)增加的設(shè)備機柜數(shù)量。這種配置方式導(dǎo)致機房內(nèi)可用于新增系統(tǒng)設(shè)備機柜的空間極其有限，系統(tǒng)大修改造階段需要另設(shè)用以布置新系統(tǒng)設(shè)備的機房。

TACS系統(tǒng)既精簡了軌旁聯(lián)鎖設(shè)備，又可以利舊在線運營的軌旁ATP/ATO子系統(tǒng)設(shè)備，對設(shè)備集中站機房面積要求更低，更適合舊系統(tǒng)的升級改造。

4.4 系統(tǒng)過渡的平穩(wěn)性

對于線路里程長、運營間隔小的大客流城市軌道交通線路，信號系統(tǒng)改造難度更高，基于相同硬件平臺的分步改造方案將降低系統(tǒng)改造的風(fēng)險。車載子系統(tǒng)是改造工作的難點之一，可首先完成兼容性車載設(shè)備的改造，第一階段將既有車載設(shè)備更換為升級版車載設(shè)備，在高性能車載硬件平臺上運行老系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)；第二階段在高性能車載硬件平臺上部署TACS系統(tǒng)軟件和數(shù)據(jù)，車載設(shè)備升級到TACS系統(tǒng)的車載控制器。

軌旁改造采用既有CBTC成熟的硬件設(shè)備，通過更新軟件和數(shù)據(jù)完成新系統(tǒng)的升級。必要時，系統(tǒng)可快速恢復(fù)至原有版本的軟件和數(shù)據(jù)，降低項目改造的風(fēng)險。

5 結(jié)語

CBTC系統(tǒng)成為城市軌道交通主流列車控制系統(tǒng)已有10多年，越來越多的CBTC城市軌道交通項目將陸續(xù)進入信號系統(tǒng)的大修改造周期。改造項目將受設(shè)備機房安裝空間、投資額、運營服務(wù)水平、系統(tǒng)性能等方面約束，因此軌旁設(shè)備減少、硬件平臺成熟、對運營影響小、效能更高的系統(tǒng)將成為改造項目首選系統(tǒng)。

TACS系統(tǒng)精簡和利舊軌旁集中控制設(shè)備，設(shè)備集中站的新增機柜數(shù)量較少，有利于新系統(tǒng)設(shè)備的部署并降低設(shè)備能耗。軌旁ATP/ATO和目標(biāo)控制器采用成熟的安全平臺，確保新系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，降低項目改造風(fēng)險。結(jié)合TACS系統(tǒng)以車載為控制核心特點，車載采用了升級版安全平臺，在繼承成熟平臺的基礎(chǔ)上大幅提升了車載控制的性能，滿足大客流線路對高效能列車控制系統(tǒng)的運營需求。因此TACS系統(tǒng)可以滿足城市軌道信號系統(tǒng)的改造需求，實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)升級。