基于車車通信的地鐵列車自主運行系統線路資源管理方案研究

朱志偉 李 聰

(廣州地鐵設計研究院股份有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級工程師)

目前，CBTC(基于通信的列車控制)系統屬于城市軌道交通信號系統的主流制式，而其聯鎖系統在CBTC系統中主要負責管理軌旁信號設備，通過進路控制與ATP(列車自動防護)相結合，共同實現列車運行的安全防護。近年來迅速發展的基于車車通信的TACS(列車自主運行系統)，通過增強列車車載設備功能并增加列車之間的通信接口，實現線路列車群的分散自律運行，突破了既有CBTC系統的地面集中控制方式。TACS具有系統架構精簡、信息傳輸實時性高、系統能力強等優質特點，將既有聯鎖系統的進路控制方式轉變為資源管理方式，大幅精簡軌旁設備，由地面執行單元、資源管理設備、列車車載設備協同進行線路資源管理，完成列車運行路徑的安全防護。

1 城市軌道交通聯鎖進路與線路資源化理念

城市軌道交通聯鎖系統主要實現道岔、信號機、軌道區段間正確聯鎖關系及進路控制，通過次級檢測設備檢測列車位置，并基于列車位置的3點檢查完成聯鎖進路的解鎖，如圖1所示。根據IEEE Std 1474.4—2011 IEEE Recommended Practice for Functional Testing of a Communications-Based Train Control(CBTC)System，CBTC系統提供的聯鎖功能包括進路接近鎖閉、進路占用鎖閉、道岔區段占用鎖閉和區段解鎖等。CBTC系統中，ATP子系統計算移動授權，并基于已排列的進路范圍進行移動授權延伸。CBTC系統中為保證通信列車速度曲線連續性存在進路重疊情形，位于同一進路中的列車由移動授權保證列車安全運行間隔。

圖1 城市軌道交通聯鎖進路示意圖Fig.1 Interlocking route diagram of urban rail transit

CBTC系統是位于地面的一個獨立系統，聯鎖與CBTC系統通過接口實現CBTC模式下的進路功能。聯鎖系統的功能包括進路控制、信號控制、道岔控制等。行車安全防護主要由ATP設備實現。

進一步對CBTC模式下的聯鎖進路邏輯進行分析。針對CBTC模式下的進路排列，一般只檢查進路內部第1個區段的空閑條件。聯鎖表對于行車安全的防護主要體現在道岔正確鎖閉、敵對信號關閉，其他聯鎖條件滿足如站臺門關閉、緊急停車按鈕未按下等情況。CBTC模式下對于較長的物理區段，可進一步分解為若干邏輯區段，實現CBTC進路的快速響應。針對聯鎖模式下的進路，需對其檢查整個進路范圍內所有區段的空閑狀態。CBTC系統允許進路重疊覆蓋，通信列車的行車憑證源于車站設備而不再依賴于信號機顯示。

隨著通信技術的發展以及車地無線通信可靠性的提高，CBTC系統可考慮擺脫對聯鎖的依賴，通過對線路組成元素進行分解，提取必要的組成元素構成線路資源，并對線路資源重新整合，建立線路資源的使用邏輯，實現列車對于線路資源的有序占用，從而達到與聯鎖進路一致的安全防護目的。在無岔區段，列車可通過獲取前行列車信息進行間隔防護;在道岔區域，基于列車的連續定位信息控制道岔位置，解決列車在岔區可能發生的沖突場景。

相比于進路控制方式，線路資源管理方式通過合理利用線路元素，簡化復雜的物理區段劃分，著重處理具有沖突關系的線路資源。

2 線路資源管理方案研究

2.1 線路資源劃分

基于線路資源化理念，分析線路上的主要組成元素，并按專業進行分類，如表1所示。

表1 城市軌道交通線路元素分類Tab.1 Rail transit line element classification

表1中，對于線路軌道元素，由于TACS系統不依賴軌道區段次級檢測設備，不存在物理區段劃分，影響行車的主要元素為標志線路起終點的車擋，以及影響運行方向的道岔，須將這兩種元素納入線路資源管理。車擋狀態相對固定，而線路道岔具有定位、反位、四開等3種狀態。道岔區域是行車安全防護的重點，也是線路資源管理的重點。

站臺門、防淹門具有開、閉兩種狀態，站臺門、防淹門狀態均影響到行車安全，需將其納入線路資源管理。

信號設備均與行車安全相關，應納入線路資源管理范圍，而TACS系統不依賴聯鎖設備，因此，信號設備中作為線路資源的設備不包括信號機和計軸器。

供電設施、通信設備及其他設備均屬于固定設施，正常工作狀態下與行車安全不存在直接聯系，可不納入線路資源管理。

綜上所述，參與行車安全防護的線路資源主要包括車擋、道岔、站臺門、防淹門以及信號設備。

2.2 線路資源管理

線路資源管理由地面線路資源管理設備結合車載ATP設備共同完成。線路資源管理設備作為資源分配的主體，通過接收列車的控制指令完成線路資源的申請、鎖定和釋放。線路資源狀態可初步分為3種狀態:①資源空閑——表示資源未被分配，可申請狀態;②資源鎖定——表示資源已分配給列車;③資源故障——表示資源故障，須恢復后方可使用。

線路資源狀態之間的轉換如圖2所示。

圖2 線路資源狀態轉換示意圖Fig.2 State transition diagram of wayside infrastructure

從信號系統能力角度分析，線路資源分配應能適應系統最大運行能力。針對圖2描述的線路資源狀態，可對資源鎖定狀態進一步劃分為資源共享鎖定狀態和資源獨占鎖定狀態。以圖3所述場景為例，為確保B車在A車出清站臺區域時可及時進站，B車應能申請以道岔2作為進站保護區段，此時A車尚未釋放道岔2的資源，在這種場景中道岔2可由A車、B車共同使用，這種可由后續列車繼續申請的資源鎖定形式為共享鎖定。

圖3 共享資源場景示意圖Fig.3 Shared resource scene diagram

對于資源獨占鎖定，鎖定資源僅可供已分配獨占資源的列車使用，在資源釋放前無法再分配給其他列車。以圖4 a)所述場景為例，設A車在車站進行站前折返作業，則A車申請道岔1、道岔2的獨占資源，資源申請成功后，后續B車無法再申請道岔2的資源;當A車出清道岔2后，可釋放道岔2的資源(TACS取消聯鎖的聯動道岔形式，線路道岔均定義為單動形式)，此時道岔1的資源依舊由A車獨占，B車可申請道岔2的資源，如B車計劃經道岔直向進站，可直接申請至車站內停車所需的線路資源，如圖4 b)所示。

圖4 獨立資源場景示意圖Fig.4 Exclusive resource scene diagram

綜上在對資源鎖定場景進行分析的基礎上，對圖2中的線路資源鎖定狀態進行細化。如圖5所示，列車根據運行計劃自主確定申請的資源形式，對于已申請的共享鎖定資源可在資源釋放前繼續分配給其他列車，而獨占鎖定資源則需在資源釋放后方可另行分配。這種資源分配和釋放機制，主要依靠車載設備和地面線路資源管理設備配合實現，可大幅提高線路資源使用效率，有利于提升系統能力。

圖5 優化后的線路資源狀態轉換示意圖Fig.5 Optimized state transition diagram of wayside infrastructure

2.3 非通信列車的線路資源管理

TACS采用地面列車管理設備統一管理非通信列車，地面列車管理設備承擔非通信列車的線路資源申請功能。經司機向行車調度員確認非通信列車位置，由行車調度員根據列車運行計劃，在人機界面輸入非通信列車位置、目的地等信息后，由列車管理設備為非通信列車申請當前位置到目的地之間所需的線路資源。對于已分配的線路資源，經人工確認出清后，系統根據人工輸入的非通信列車位置自行釋放非通信列車的線路資源。

3 線路資源管理在基于車車通信的TACS中的應用

3.1 線路資源管理關鍵技術

線路資源的申請和釋放實際上是一種自組織形式，與智能交通中應用的物聯網技術類似，通過統一的、去中心化的方式實現列車之間的有序、安全、可靠運行。根據實際運行環境，列車自組織網絡中的通信主要包括列車與地面線路資源管理設備的通信和列車之間的通信。其中，列車為移動節點，地面設備為固定節點，節點之間利用車地無線通信網絡進行通信。

列車群的自主運行核心在于列車間智能行為的協作與協調。在復雜多變的線路運行環境中，每列列車都具有高度的自主性，列車自主申請和釋放資源的行為隨著運行環境動態變化，是實現線路資源有序分配、解決列車運行沖突場景的關鍵。

從資源管理層面分析，每列列車均屬于一個具有自主行為的個體。其核心構成包括線路資源庫、線路資源控制邏輯以及通信模塊。線路資源管理的整體自組織結構體系如圖6所示。

圖6 線路資源管理結構體系示意圖Fig.6 Structure and system diagram of wayside infrastructure administration

3.2 線路資源管理設備功能需求

1)線路資源存儲、動態更新維護功能。線路資源管理設備通過數據庫形式對于靜態的線路數據進行統一管理，針對不同線路資源在數據庫中建立相應的鏈表進行分類存儲。線路資源管理設備應具備系統維護功能，維護信息以數據表、圖、日志分析等形式進行存儲，以便于維護人員進行日常管理，及時對故障進行修復、更新。

2)適應各類運營場景的線路資源分配和釋放功能。類似于聯鎖系統中聯鎖表的建立和執行，系統設計過程中針對線路資源的分配和釋放，應結合線路參數、道岔類型、車輛模型等進行統籌考慮，尋找線路資源利用率和系統運行能力的平衡點。

3)接口信息功能。線路資源管理設備之間，以及線路資源管理設備與軌旁執行單元、地面列車管理單元、車載設備之間具備接口通信功能。通過線路資源管理設備與軌旁執行單元的接口完成資源狀態信息的匯總，并通過與車載設備接口將匯總信息傳輸到列車車載設備，根據列車運行需求對列車進行資源分配及資源釋放。

4 結語

線路資源管理屬于基于車車通信的列車自主運行系統的核心功能，其對于城市軌道交通的行車安全防護、行車效率均有重大影響。本文系統闡述了線路資源管理的基礎方案，以及其在信號系統中的主要功能。可為基于車車通信的列車自主運行系統的系統設計、工程應用提供借鑒。