基于車車通信的列車自主運行系統優化設計方案研究

李 聰

基于車車通信的列車自主運行系統（Train autonomous control system，TACS），是以列車為核心，基于車車通信，采用資源管理的理念，實現列車自主運行的一種系統制式。相較于當前主流應用的CBTC系統，TACS系統突破了傳統聯鎖進路的控制方式［1］，取消了對地面計軸、軌道電路等次級檢測設備的依賴，采用顆粒度劃分更為精細的線路資源管理方式，使線路資源利用率更高，更有利于提升系統的運行能力。

與聯鎖進路控制方式相比，TACS系統以車載設備為主導、地面設備共同參與的線路資源管理邏輯更為復雜。由于現階段TACS系統工程應用經驗較少，因此本文以原理分析為基礎，依據系統特點，研究TACS系統走向工程應用的優化方向，增強系統的可靠性和可用性。

1 系統原理

TACS系統采用自上而下的控制方式，以車載設備為核心，完成線路資源申請/釋放、列車運行間隔防護等功能［2］，其控制原理示意見圖1。

圖1 TACS系統控制原理示意

車載ATP/ATO子系統依據ATS子系統發送的運行任務，自主規劃列車的運行路徑，并向地面ATP/ATO子系統申請運行所需的線路資源；地面ATP/ATO子系統根據申請信息動作軌旁設備，并將線路資源分配狀態反饋給對應列車的車載ATP/ATO子系統；車載ATP/ATO子系統通過與相鄰前車通信，綜合線路資源狀態、前車位置等信息計算移動授權，完成運行間隔防護［3］。

由圖1可知，從資源管理的角度，TACS系統車載和地面子系統在控制結構上均未形成閉環。而車載子系統信息的有效性是線路資源有序占用的關鍵。TACS系統直接由列車自主確認出清狀態并釋放線路資源，相比常規CBTC系統進路控制方式，簡化了地面設備對列車占用區段、列車位置的二次確認。相對于閉環控制的反饋校驗環節所具備的容錯機制，TACS系統更強調以系統整體的高可靠性來降低故障率。

2 系統特點

基于TACS控制原理分析，進一步從控制模式、安全防護功能、資源管理方式3個方面與常規CBTC系統進行對比，分析TACS系統主要特點，為系統的工程應用提供優化方向。

2.1 控制模式

TACS系統由列車自主申請線路資源，ATS子系統直接下發運行任務至待命列車，列車在ATP子系統防護下自主運行［4］。由于運行任務直接由列車執行，因此TACS系統的控制模式表現為由ATS子系統實現的中央集中控制，以及中央控制下的人工介入。而CBTC系統由于是聯鎖執行進路排列命令，在中央級設備故障情況下，可由本地設備執行車站控制［5］。2種系統控制模式對比見表1。

表1 系統控制模式對比

因此，相對于CBTC系統二級控制方式，TACS系統的中央集中控制模式，對中央級ATS設備的可靠性要求更高。

2.2 安全防護功能

TACS系統的行車間隔防護、迎面沖突防護、超速防護等功能由車載設備實現；而道岔控制、側面沖突防護功能由地面ATP設備和車載設備共同完成。系統安全防護功能對比見表2。

由表2可知，CBTC系統的地面ATP設備故障后，可由聯鎖設備實施聯鎖級系統控制；而TACS系統由地面ATP設備直接控制軌旁設備，地面ATP設備故障需由人工保障軌旁設備的正確鎖閉狀態。以道岔控制為例，若地面ATP設備故障，需鉤鎖道岔，由調度指揮人工駕駛列車通過道岔區域，列車運行效率受到影響。

表2 安全防護功能對比

考慮到TACS系統地面ATP設備故障影響范圍較大，在系統設計過程中應注重提升地面ATP/ATO子系統的可靠性，或尋找其他降低設備故障影響的方式。

2.3 資源管理方式

相對于傳統聯鎖進路控制，TACS的資源管理優勢在于線路資源的申請和釋放均由車載設備主導。資源管理和進路控制對比詳見表3。

表3 資源管理和進路控制對比

TACS系統以列車位置為起點，可向兩端任意方向申請線路資源，具有較高的靈活性［6］；線路資源劃分無需分割物理區段，相比軌道區段對于岔區和無岔區域的資源劃分更為精細，有利于提升線路通過能力［7］。

由于TACS系統不設置軌道區段占用檢查設備，降級運行時需通過人工確認列車位置來進行資源申請和釋放。列車降級運行包括2種情形：①非自動化區域內，受列車定位、車地通信等條件限制；②設備故障、車地通信中斷等非正常情況。因此，可以考慮從非自動化區域內系統可用性和非正常情況下列車降級運行2個方面來進行優化，提升系統運行效率。

3 優化方案

依據TACS系統特點分析，從ATS子系統、地面ATP/ATO子系統和系統降級運行3個方面提出優化方案。

3.1 提升ATS子系統的可靠性

為提升TACS系統中央級控制模式的可靠性，在ATS子系統常規的雙機熱備冗余架構基礎上［8］，增設一套具備全線控制功能的ATS設備來提升系統冗余度。所增設備宜設置在控制中心以外的正線或車輛基地，同步提升異地容災能力。

線控級ATS設備配置調度員工作站、應用服務器和數據庫服務器等，其功能與中央級設備相同，通過權限管理實現中央級和線控級設備的控制權限切換。優化后ATS系統冗余架構見圖2。

圖2 優化后ATS系統冗余架構

正常情況下，中央級和線控級ATS工作站分別連接各自的服務器，線控級ATS設備通過骨干網實時同步全線的控制狀態和列車信息，處于只監不控的待命工作狀態。

當中央級ATS工作站全部故障時，經行調授權后，由線控級ATS工作站連接中央級服務器接管全線控制權限；中央級ATS服務器故障時，由中央級ATS工作站連接異地的線控ATS服務器進行運營管理；中央級ATS工作站及服務器均故障時，經行調授權后，由線控級ATS工作站連接線控級ATS服務器進行運營管理。

3.2 地面ATP/ATO子系統優化方案

3.2.1 資源管理設備“n+1”布置方式

根據設備特性、接口方式，將地面ATP/ATO子系統設備劃分為邏輯層和執行層。邏輯層包括資源管理設備，執行層包括目標控制設備、防雷分線柜及軌旁設備［9］。資源管理設備處理核心數據，包括軌旁設備狀態、列車位置、列車控制信息、ATS控制信息等［10］。因此，提升地面ATP/ATO子系統可靠性的關鍵在于提高資源管理設備的可靠性。

結合ATP/ATO子系統采用骨干網進行數據傳輸的特點，在既有n個集中控制區基礎上，增設一套資源管理設備進行應急處理。控制中心調度員工作站實時監測全線各控區資源管理設備工作狀態，備用設備正常處于待機狀態。當其中一個控區資源管理設備完全故障時，調度員切換至備用設備接管該控區，迅速恢復線路正常運營；待故障處理完畢后，利用非運營時段再切換至原資源管理設備。資源管理設備“n+1”布置方式見圖3。“n+1”的設備布置方式不僅有效提升地面ATP/ATO子系統可靠性，還能在單套設備故障時，由備用設備及時接管該控區，降低故障影響程度，對于設備數量較多的長大線路效果更為顯著。

圖3 資源管理設備“n+1”冗余布置方式

3.2.2 提升系統在非自動控制區的可用性

根據列車作業方式不同，ATP/ATO子系統控制區域分為自動和非自動控制區域。正線一般全部納入自動控制區域管理，車輛基地劃分為自動和非自動控制區。列車在自動控制區可實現高效的自動運行［11］；在非自動控制區采用人工駕駛模式，列車位置確認、線路資源申請以及行車安全防護需通過人工介入完成，作業效率受限。

因此，可通過配置相應的軌旁設備以減少人工介入，提升系統在非自動控制區的作業效率。優化措施包括：①增設應答器，實現列車自主定位和庫線內精確停車；②增加車地無線網絡覆蓋，用于車車及車地通信，實現列車自主申請和釋放線路資源，以及行車間隔自主防護。非自動控制區平面布置優化見圖4。

2.兒童文學善于表現兒童生活的游戲行為。在兒童文學作品《小鷹的一個星期天》中，小鷹在星期天跟著伙伴一起上山采野果、挖鳥蛋。鎖柱的星期天是去捉小兔（《鎖柱的星期日》）。它們都充分表現了兒童生活的游戲行為。

圖4 非自動化區域平面布置優化

3.3 系統降級運行優化

在不配備相關降級設備的情況下，TACS系統支持以人工調度的方式指揮降級列車運行。降級列車的資源申請和釋放需由人工進行列車重定位，不僅增加了司機和調度員的勞動強度，也存在誤操作風險。

通過配置降級設備實現降級列車的位置檢測，取代人工重定位操作，可以提升系統在降級運行模式下的可用性，其運行原理見圖5。地面ATP設備通過降級設備獲取列車位置信息，并結合資源分配狀態開放地面信號；當檢測到列車駛入信號機內方后，自動關閉入口信號機。

圖5 TACS系統降級運行原理

根據列車位置檢測方式不同，降級運行可采用區段占用檢測和列車自主位置匯報2種方案。

3.3.1 區段占用檢測

采用計軸或軌道電路劃分物理軌道區段，通過計軸器計算的車輪數變化，或軌道電路電平變化判斷軌道區段占用狀態；地面ATP設備根據區段占用狀況管理線路資源，實現降級列車與自動運行列車以固定閉塞方式追蹤運行，其運行示意見圖6。系統根據運行任務為降級列車分配S2—S4信號機范圍內線路資源；當列車進入4G時，地面ATP設備更新線路資源占用狀態，自動關閉防護該段線路資源的S2信號機。

基于區段占用檢測的降級運行方式，需增加地面ATP設備與次級檢測設備接口；次級檢測設備故障不影響系統正常運行，可實現整個控制區域內所有降級列車以固定閉塞方式運行。

在列車上配置熱備的降級設備，列車降級后，由車載降級設備將定位信息通過車地無線發送到地面設備，地面設備根據定位信息為列車申請/釋放線路資源。車載降級設備有2種配置方式。

1）基于車載激光雷達的自主環境感知系統。通過車頭的激光雷達、毫米波雷達、攝像頭等設備采集線路環境信息，經樣本訓練形成線路特征數據庫，存儲在車載自主環境感知主機設備；列車運行時，由自主環境感知主機設備將線路環境與特征數據庫進行匹配，實現高精度列車定位，并將位置信息通過車地無線發送到地面ATP設備，地面ATP設備以此為降級列車分配線路資源、開放信號。

2）基于應答器的主動定位系統。在列車上配備一套主動定位系統，與TACS系統車載設備共享車載應答器天線，利用線路既有應答器實現列車定位，并將位置信息發送到地面ATP設備，由地面ATP設備為降級列車開放信號，其運行示意見圖7。采用應答器劃分的軌道區段匹配降級列車位置，地面ATP設備根據區段占用狀態、列車運行任務為降級列車分配S2—S4信號機范圍線路資源；列車進入S2信號機時，接收應答器位置信息并發送到地面ATP設備，地面ATP設備根據列車位置更新區段占用狀態，并關閉入口信號機。

圖7 基于列車自主定位的降級列車運行示意

基于列車自主位置匯報的降級運行方案無需在軌旁設置次級檢測設備，通過配置車載降級設備主動與地面ATP設備通信，由地面ATP設備實現對應降級列車的管理。

上述2種降級運行方案均能自動為降級列車提供地面信號，實現固定閉塞，工程應用可根據實際需求進行選擇。

4 結論

為提高TACS系統工程應用能力，從系統設計角度出發，注重TACS系統與傳統CBTC系統控制結構的區別，提出了對應的優化方案。

1）提升ATS子系統可靠性。在控制中心外增設線控級ATS設備，增強系統在單一中央級控制模式下的持續工作能力，強化中央級設備是目前列車運行控制系統中央集中化的發展方向。

2）提升地面ATP/ATO子系統可靠性。通過資源管理設備“n+1”布置方式，降低單個控區設備故障對正常運營的影響；優化非自動化區域設備布置，提升列車在非自動控制區的運行效率。

3）提升系統降級運行效率。分析了區段占用檢測和列車自主匯報2種降級運行方案的配置方式、原理及適用性。當前行業內尚未形成適用于TACS系統的統一的降級運行方案，青島示范工程的TACS系統采用區段占用檢測進行降級列車的資源管理；上海3、4號線信號系統改造工程中，采用自主位置匯報方式實現列車降級運行。TACS系統的降級運行配置方案較為靈活，隨著進一步的工程應用，降級運行方案將趨于成熟。