一種用于TACS的列車運行間隔自適應調整方法

劉 歡，高 暢，王 旭，楊 劍，劉 旭

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130012）

我國各大中城市的快速發(fā)展增加了通勤距離，對城市軌道交通提出更大的運能需求，城市軌道交通網絡的規(guī)模和復雜度逐年遞增。同時，由難以預測的客流及設備故障給軌道交通網絡帶來的擾動，使得超強度運營及各種超常規(guī)運營成為了常態(tài)，要求城市軌道交通具備更靈活的運營能力，如支持潮汐通勤客流對靈活編組、快慢混行的需求，突發(fā)客流對任意站穿梭、編隊運行的需求，突發(fā)故障對任意點折返的需求等[1-2]。

列車自主運行系統(tǒng)（TACS，Train Autonomous Circumambulation System）以去中心化的“車車通信”實現(xiàn)車車的協(xié)同控制，減少了因軌旁中轉帶來的時間損失，提高了線路資源單位時間內利用率，使得列車間追蹤間隔更小，顯著提升了城市軌道交通運能[3]。文獻[4—6]都是基于車車通信思想研制的下一代軌道交通信號控制系統(tǒng)，是城市軌道交通對更高效、更靈活和更經濟的列運行車控制系統(tǒng)不懈追求的結果。我國TACS研制開發(fā)工作已開展了近十年，目前已進入商用階段。早在2015年，中車四方所聯(lián)合青島地鐵啟動了TACS研發(fā)工作，并于2017年在青島地鐵6號線開展示范應用。2020年3月，文獻[7]取得了基于車車通信的列控系統(tǒng)產品認證證書。文獻[8]在深圳首條無人駕駛線路—深圳地鐵20號線上實現(xiàn)載客運營，成為業(yè)內我國首個成功商用的TACS產品。2023年，文獻[9]中基于車車通信的TACS列車也成功落地，成為國內首個核心技術全自主化的TACS。

本文提出一種用于TACS的列車運行間隔自適應調整方法，在構建城市軌道交通客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的基礎上，實現(xiàn)全線站廳客流量動態(tài)監(jiān)測，由控制中心根據(jù)全線路站廳擁擠度情況對運行列車進行調配，自適應地調整客流高峰期與非高峰期的列車運行間隔，使運力與客流量相匹配，提高城市軌道交通的運營效率。

1 TACS簡介

TACS是指列車基于運行計劃和實時位置實現(xiàn)自主資源管理并進行主動間隔防護的信號系統(tǒng)，通過列車與信號深度融合，將信號、牽引、制動、網絡、門控等系統(tǒng)納入一體化控制平臺。

1.1 TACS系統(tǒng)構成

TACS由控制中心、車站設備、車載設備構成。其中，控制中心主要包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision system）、維護支持系統(tǒng)（MSS，Maintain Support System）；車站設備主要包括現(xiàn)地工作站、目標控制器（OC，Object Controller）；車載設備主要包括車載控制器（OBC，On Board Control Unit）、對象控制單元（OCU，Object Control Unit）、人機接口（HMI，Human Machine Interface）；TACS系統(tǒng)架構如圖1所示[10-11]。

圖1 TACS系統(tǒng)架構示意

（1）控制中心ATS主要負責監(jiān)視全線路列車運行狀態(tài)、編制列車運行時刻表等功能，可將預先設置的運行時刻表下發(fā)至列車的車載模塊，實現(xiàn)對列車的控制；同時，ATS與車站OC及現(xiàn)地工作站協(xié)同工作，實現(xiàn)對軌旁資源的合理分配，實現(xiàn)列車的自主進路、自主調整、自主運行等主要功能。

（2）控制中心MSS主要負責監(jiān)測所有系統(tǒng)設備的工作狀態(tài)和故障，實現(xiàn)對OC及車載相關設備的監(jiān)控，下發(fā)維護任務，并與控制中心ATS進行實時信息交互。

（3）車站目標控制器OC與現(xiàn)地工作站協(xié)同工作，負責軌旁資源狀態(tài)的實時更新，并實時將狀態(tài)信息傳輸至控制中心ATS與車載OBC，確保列車安全運行。

（4）車載控制器OBC集成了列車休眠喚醒模塊（AOM，Automatic Operation Module），可根據(jù)控制中心ATS傳輸?shù)倪\行指令自動控制列車上線運行或下線休眠；列車自動防護（ATP，Automatic Train Protection）負責列車超速防護，保證列車運行安全；HMI提供人機交互界面，展示車輛狀態(tài)信息；OCU集成列車牽引、制動、網絡與信號系統(tǒng)的功能，并簡化了這些系統(tǒng)間通信接口，提高列車內部各系統(tǒng)間通信效率。

1.2 列車運行控制基本流程

（1）控制中心ATS預先編制列車運行時刻表，由ATS的列車運行調整單元將列車運行時刻表下發(fā)至全線路OC設備及所有TACS列車的車載系統(tǒng)。

（2）TACS列車上線運行后，整條線路上的OC實時監(jiān)測列車位置、速度等運行信息，并與控制中心ATS、車載OBC進行運行信息的實時交互。

（3）車載OCU自主計算列車到離站時間與列車運行時刻表的偏差，基于自身運行任務和當前位置，主動與所有相鄰列車交互信息，并根據(jù)交互信息自主更新移動授權（MA，Movement Authority）及控車曲線，計算生成本列車運行調整指令和預計的到離站時間，并將預計的到離站時間發(fā)送給ATS的列車運行調整單元，實現(xiàn)列車運行自主調整，增強了列車間隔防護的實時性。

2 線路客流量實時監(jiān)測

2.1 客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

為提高城市軌道交通運營效率，本文提出建立整條線路的客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括控制中心客流分析服務器和部署在各車站上的客流數(shù)據(jù)采集接口設備；并在TACS現(xiàn)有技術架構基礎上，增加客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與控制中心ATS的接口，基于客流數(shù)據(jù)的列車運行間隔調整過程如圖2所示。

圖2 基于客流數(shù)據(jù)的列車運行間隔調整過程示意

（1）車站客流數(shù)據(jù)采集接口設備從車站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)（AFC，Automatic Fare Collection system）閘機等設備采集實時客流數(shù)據(jù)，并按固定時間間隔將客流量數(shù)據(jù)上傳給控制中心客流分析服務器；通過在站內候車區(qū)域合理布置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭，由車站客流數(shù)據(jù)采集接口設備利用智能視頻分析算法實時統(tǒng)計各站廳內候車的乘客數(shù)量；AFC閘機能夠實時統(tǒng)計各站進出站客流量；當二者統(tǒng)計的客流量都大幅增大時，表明當前時段進入客流高峰期。

（2）控制中心客流分析服務器接收各車站客流數(shù)據(jù)采集接口設備上傳的實時客流量數(shù)據(jù)，計算線路上各站站廳客流擁擠度，并據(jù)此判斷全線客流擁擠度狀態(tài)，將全線客流擁擠度狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給中心ATS的列車調整單元。

（3）控制中心ATS的列車調整單元依據(jù)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供的全線各車站站廳客流擁擠度動態(tài)數(shù)據(jù)，在客流高峰時段重新生成列車運行時刻表，并重新將時刻表傳輸至車載控制系統(tǒng)，喚醒必要的休眠列車進入運行狀態(tài)，或在非高峰期使部分列車退出運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)列車運行間隔的自適應調整。

2.2 站廳客流擁擠度

客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)站內候車乘客統(tǒng)計人數(shù)，計算各個車站站廳客流擁擠度。將單位面積內乘客人數(shù)定義為站廳客流擁擠度X，即有

其中，P為乘客人數(shù)，人；S為乘客可候車面積，m2；μ為擁擠度系數(shù)，為單位可候車面積所能承載最多乘客人數(shù)的倒數(shù)，可視車站站廳布局和設備配置情況取不同的數(shù)值，如安裝有站臺屏蔽門的站廳，μ可以取較小數(shù)值。

站廳客流擁擠度X∈[0，1]，其數(shù)值越大，表示站廳越擁擠。基于全天客流統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算站廳客流擁擠度，可生成站廳客流擁擠度曲線。以某地鐵站全天運營為例，圖3為該地鐵站運營期間站廳客流擁擠度曲線。

圖3 站廳客流擁擠度曲線示例

將站廳客流擁擠度X≤ 0.5確定為客流通暢，乘客舒適性較好；將X＞ 0.5確定為客流擁擠，乘客舒適性較差。客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將站廳客流擁擠度轉換為站廳客流數(shù)字量，即X≤ 0.5時客流數(shù)字量設置為0，X＞ 0.5時客流數(shù)字量設置為1。

3 列車運行時間間隔自適調整

將線路客流數(shù)字量LP定義為

其中，N為線路車站總數(shù)，座；Xi為車站i的客流數(shù)字量。

控制中心ATS設置整條線路客流量閾值lptv，如半數(shù)以上車站當前客流數(shù)字量X為1時，可認為整條線路客流量較大，即，當LP≥lptv時，認為線路出現(xiàn)客流高峰。

ATS列車運行調整單元根據(jù)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實時計算的全線所有車站客流數(shù)字量，自動判斷整條線路是否出現(xiàn)客流高峰，并據(jù)此向運營列車發(fā)送指令：喚醒上線、維持運行、列車下線，協(xié)同其它所有在線運行列車自適應調整運行時間。

一旦ATS探測到線路出現(xiàn)客流高峰時，會立即喚醒休眠列車進入運行狀態(tài)來增加運力；同時，由車地無線傳輸系統(tǒng)將線路客流數(shù)字量實時傳輸至車載系統(tǒng)，所有在線運行列車根據(jù)接收的客流數(shù)字量信息，通過交互列車運行信息，自適應調整列車運行時間間隔。

以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，7：00～9：00、17：00～20：00這2個時間段內全線路上站廳客流擁擠度X＞ 0.5的車站超過半數(shù)，表明整條線路站廳客流量較大，列車運行間隔時間縮短為3 min，來增加列車運行頻次；其余時間段內站廳乘客擁擠度X＞ 0.5的車站未超過半數(shù)，使列車運行間隔時間恢復為6 min；對應的列車運行時間間隔調整曲線如圖4所示。

圖4 列車運行時間間隔調整曲線示例

4 列車運行時間間隔調整效果分析

將列車運行頻次和列車載客量的乘積定義為車站運能σ（人次/h），即有

其中，H為列車載客量，人；y為列車運行頻次，次/h。在合理范圍內，列車運行頻次越高，車站運能越大。

站廳乘客擁擠度X與列車運行頻次y成正比關系，即有X∝σ，或X∝H·y。站廳客流擁擠度X越大，要求列車運行頻次y越高。為此，在客流高峰期間，增加列車運行頻次y，可充分緩解站廳乘客擁擠程度。以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，列車運行頻次調整前后站廳客流擁擠度變化曲線如圖5所示。

圖5 列車運行頻次調整前后站廳客流擁擠度變化曲線

由圖5 可以看出：7：00～9：00、17：00～20：00這2個時間段內，控制中心ATS的列車運行調整單元重新生成列車運行時刻表，運行時間間隔由6 min減少至3 min，將高峰時段站廳客流擁擠度保持在0.5左右；其它時間段客流擁擠度較低，列車按既有運行時刻表運行。

5 結束語

本文提出一種用于城市軌道交通TACS系統(tǒng)的列車自適應運行調整方法，在已有TACS系統(tǒng)列車運行自主調整的技術架構上，通過建設客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及增加該系統(tǒng)與ATS的客流數(shù)據(jù)接口，利用車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和AFC閘機采集客流數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測整條線路的客流量，當出現(xiàn)客流高峰時由ATS列車調整單元及時調整列車運行時刻表，喚醒休眠列車進入運行狀態(tài)來增加運力；所有在線運行列車根據(jù)ATS調整生成的最新列車運行時刻表，交互列車運行信息，自適應調整列車運行時間間隔；通過在客流高峰時段縮短列車運行時間間隔，提高線路載客能力，在客流低峰時段延長列車運行時間間隔，降低線路運營能耗，可有效地提升線路運營效率。該方案原理簡單，技術上易于實現(xiàn)，僅需增加客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)服務器和車站客流數(shù)據(jù)采集接口設備、調整車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭布置以及對ATS列車調整單元模塊的功能進行擴展，不影響TACS系統(tǒng)現(xiàn)有結構和性能。

如何解決客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計問題、如何配置上線列車數(shù)量使線路客流量與線路運能達到最優(yōu)配置，是目前存在的關鍵問題。下一步將對上述兩類問題做重點研究，進一步完善方案的完整可行性。