城市軌道TACS系統(tǒng)在運營調度中的安全性分析

摘 要：隨著城市軌道交通智能化發(fā)展，基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）成為提升運營效率的關鍵技術。然而，TACS系統(tǒng)的復雜性與高度集成化特征，使其在運營調度中面臨多重安全風險。文章以TACS系統(tǒng)的安全性為核心，從系統(tǒng)構成與功能出發(fā)，分析其在通信、設備、人為操作及外部環(huán)境四個維度的潛在安全風險，并提出針對性應對策略。通過系統(tǒng)性風險識別與策略優(yōu)化，為提升城市軌道TACS系統(tǒng)的安全性與可靠性提供理論支持，助力軌道交通智能化轉型。

關鍵詞：TACS 運營調度 軌道 安全風險

1 緒論

城市軌道交通作為現代城市公共交通的骨干網絡，其運營安全直接關系到公眾出行效率與社會穩(wěn)定性。隨著技術的不斷進步，列車自主運行系統(tǒng)TACS（Train Autonomous Circumambulation System，TACS）應運而生，它通過車車通信實現了列車的自主控制與協(xié)同，極大地提升了運營效率和靈活性，正逐漸在城市軌道領域廣泛應用。然而，TACS 系統(tǒng)在運營調度中面臨著諸多挑戰(zhàn)，安全性問題尤為突出。一旦系統(tǒng)出現故障，極有可能引發(fā)列車延誤、碰撞等嚴重事故，危及乘客生命財產安全，對城市交通秩序也會造成巨大沖擊。因此，深入研究城市軌道 TACS 系統(tǒng)在運營調度中的安全性，對于保障城市軌道交通的穩(wěn)定、可靠運行，具有極為重要的現實意義。

2 TACS系統(tǒng)的構成與功能

TACS的架構設計以車車通信為核心，通過多層級模塊化協(xié)同實現列車運行的自主化與智能化。系統(tǒng)主要由車載控制單元、分布式地面控制節(jié)點、高可靠通信網絡及環(huán)境感知單元四大核心模塊構成。車載控制單元作為列車本體的“智能中樞”，集成多源數據處理能力，負責實時解析運行指令、動態(tài)生成控制策略并協(xié)調車載設備聯(lián)動；分布式地面控制節(jié)點則摒棄傳統(tǒng)集中式架構，采用區(qū)域化部署模式，基于實時路況與列車狀態(tài)數據，對全局路網資源進行動態(tài)分配與沖突消解[1]。通信網絡作為信息交互的“神經脈絡”，需同時滿足低時延、高帶寬與強抗干擾需求，通過冗余信道設計與自適應路由優(yōu)化，確保車車、車地間控制指令與狀態(tài)反饋的實時同步。環(huán)境感知單元則依托激光雷達、視覺傳感器及慣性導航設備，構建列車運行環(huán)境的立體化數字孿生模型，為自主決策提供精準的物理空間映射。

TACS系統(tǒng)通過技術創(chuàng)新實現了傳統(tǒng)信號控制模式的顛覆性突破。在列車自主運行層面，系統(tǒng)基于車車直接通信技術，可實時共享相鄰列車的速度、位置及制動性能參數，動態(tài)生成最優(yōu)追蹤間隔控制曲線，顯著降低人為干預頻率。在協(xié)同調度層面，系統(tǒng)突破固定閉塞分區(qū)限制，依托動態(tài)資源分配算法，實現軌道區(qū)段占用狀態(tài)的實時更新與沖突預判，使多列車在復雜交匯場景下仍能保持高效協(xié)同。此外，TACS系統(tǒng)具備自愈與自適應能力，當檢測到局部設備異常或通信中斷時，可自主切換至降級運行模式，通過車載控制單元與相鄰列車的直接協(xié)商，維持基本運行秩序。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng)，其功能特性還體現在對突發(fā)事件的快速響應上，例如通過環(huán)境感知單元提前識別軌道障礙物，并聯(lián)動車載控制器觸發(fā)分級制動策略，將安全防護從被動響應升級為主動預判。

3 城市軌道TACS系統(tǒng)在運營調度中的安全風險

3.1 通信故障風險

TACS系統(tǒng)高度依賴車車、車地間的實時通信鏈路，通信故障可能成為威脅運營安全的核心誘因。一方面，無線信道易受多徑效應或電磁干擾影響，導致信號傳輸延遲或數據包丟失，進而引發(fā)列車控制指令的時序錯亂。例如，在高峰時段密集車流場景下，若相鄰列車無法實時同步速度與位置信息，動態(tài)間隔調整功能可能失效，誘發(fā)追尾風險。另一方面，多源異構數據的融合過程中，傳感器采集的環(huán)境信息與車載控制器生成的控制參數若因通信異常產生邏輯沖突，系統(tǒng)可能陷入決策僵局，觸發(fā)非預期的緊急制動或停車行為[2]。此外，通信協(xié)議的兼容性與冗余設計的局限性也可能加劇風險。當新舊設備混合組網時，協(xié)議版本差異可能導致數據解析錯誤，而過度依賴單一通信頻段或路由節(jié)點則可能因局部故障引發(fā)連鎖反應，使部分列車脫離系統(tǒng)管控，形成“信息孤島”。

3.2 設備故障風險

TACS系統(tǒng)的設備可靠性直接決定運營調度的安全性，硬件與軟件層面的潛在故障均可能引發(fā)系統(tǒng)性風險。硬件方面，車載控制器的核心芯片若因長期高負荷運行出現老化或過熱，可能導致控制邏輯計算錯誤，例如錯誤釋放制動指令或誤判前方障礙物距離。地面控制節(jié)點的服務器集群若因電源波動或散熱不足發(fā)生宕機，將導致區(qū)域調度功能癱瘓，迫使列車降級為人工模式運行，顯著增加人為操作失誤概率。軟件層面的風險則更為隱蔽且難以預測，算法邏輯缺陷可能在特定場景下被激活，例如動態(tài)路徑規(guī)劃模塊在極端密集車流中因計算資源不足而生成沖突路徑，或環(huán)境感知單元因目標識別算法誤判而忽略真實障礙物。

3.3 人為操作風險

盡管TACS系統(tǒng)以自動化為主導，但人為因素仍是安全鏈條中的薄弱環(huán)節(jié)。調度人員的誤操作可能直接破壞系統(tǒng)運行邏輯，例如在臨時調整運行圖時，若未充分校驗線路資源沖突便強制下發(fā)指令，可能引發(fā)多列車路徑交叉或進路鎖閉失效。此外，應急場景下的人機協(xié)同失效風險尤為突出，當系統(tǒng)因故障切換至半自動模式時，若操作人員對降級運行規(guī)則理解不足或應急處置流程不熟練，可能延誤故障恢復時機，甚至因錯誤干預加劇系統(tǒng)紊亂。另一方面，系統(tǒng)設計階段的人因工程缺陷也可能埋下隱患，例如人機交互界面信息過載或告警提示不直觀，可能導致調度員在高壓環(huán)境下忽略關鍵告警信號。更為深層次的風險源于人員培訓體系的不足，若缺乏針對TACS系統(tǒng)特有功能的模擬演練，操作人員可能對新型控制邏輯的邊界條件認知模糊，無法在突發(fā)情況下有效履行監(jiān)督職責，致使局部風險向全局擴散。

3.4 外部環(huán)境風險

TACS系統(tǒng)的運行環(huán)境開放性使其易受外部不可控因素的干擾，此類風險往往具有突發(fā)性與不可預測性。極端天氣條件可能嚴重削弱系統(tǒng)可靠性，例如強降雨或冰雪覆蓋可能造成軌旁通信設備進水短路，而雷擊浪涌則可能通過接地系統(tǒng)侵入車載電路，引發(fā)電子元件損毀。此外，高溫環(huán)境下設備散熱效率下降可能導致控制芯片性能劣化，低溫則可能使傳感器響應遲滯，影響環(huán)境感知精度。異物侵入是另一類高發(fā)風險，輕質漂浮物或小型動物進入軌道區(qū)域可能被環(huán)境感知單元誤判為臨時障礙物，觸發(fā)非必要緊急制動，造成運營中斷；而大型異物如工程機械侵入限界時，若系統(tǒng)因視覺識別算法局限未能及時預警，可能直接導致碰撞事故[3]。不僅如此，城市環(huán)境中的多重干擾源可能形成復合風險，例如高架線路周邊的高壓輸電線路可能引發(fā)電磁干擾，地下隧道內的粉塵聚集可能加速設備老化，這些因素相互疊加時，系統(tǒng)安全防護機制的負荷將顯著增加，容錯閾值隨之降低。

4 應對TACS系統(tǒng)在城市軌道運營調度中安全風險的策略

4.1 應對通信故障風險的策略

為確保TACS系統(tǒng)通信鏈路的可靠性，需構建多層次、高容錯的通信防護體系。首先，采用異構網絡融合技術，將無線局域網、蜂窩通信與光纖傳輸進行有機整合，形成多通道并行通信架構。當某一信道因干擾或物理損壞導致傳輸質量下降時，系統(tǒng)可基于實時信道狀態(tài)評估算法自動切換至備用鏈路，避免單點失效引發(fā)全局通信中斷。其次，強化數據交互過程的完整性校驗機制，在車車通信中引入動態(tài)加密協(xié)議與時間戳同步技術，確保控制指令的時序性與真實性。對于多源數據融合場景，可部署分布式一致性校驗節(jié)點，通過交叉驗證消除因數據丟包或篡改導致的邏輯沖突[4]。此外，需針對復雜電磁環(huán)境設計自適應抗干擾方案，例如通過智能頻譜感知技術動態(tài)避開擁堵頻段，或在隧道等封閉空間內部署中繼增強設備，補償信號衰減。在系統(tǒng)升級迭代過程中，應建立嚴格的協(xié)議兼容性測試流程，確保新舊設備混合組網時通信接口的無縫對接，同時預留帶寬資源以應對未來車聯(lián)網規(guī)模擴展需求。

4.2 應對設備故障風險的策略

設備故障風險的消解需從全生命周期管理維度切入，構建預防、監(jiān)測與快速恢復相結合的技術體系。硬件層面，推行基于狀態(tài)感知的預測性維護模式，在車載控制器與地面節(jié)點中嵌入多參數傳感器網絡，實時采集溫度、振動、電流等關鍵指標，結合機器學習算法建立設備健康度評估模型，提前識別潛在故障征兆。對于核心控制單元，采用雙機熱備與動態(tài)負載均衡設計，當主控設備異常時，備用系統(tǒng)可在毫秒級時間內無縫接管控制權，避免列車運行狀態(tài)突變。軟件層面，建立多層次驗證機制，通過形式化驗證確保控制算法邏輯完備性，利用數字孿生技術構建高保真仿真環(huán)境，對極端工況下的軟件行為進行壓力測試。針對分布式架構特性，可設計局部故障隔離策略，當設備發(fā)生故障時，系統(tǒng)自動重構控制拓撲，將受影響范圍限制在最小單元內[5]。同時，完善備品備件智能調度體系，基于設備故障率與維修歷史數據優(yōu)化倉儲布局，確保關鍵部件更換的時效性，最大限度降低設備宕機對運營調度的影響。

4.3 應對人為操作風險的策略

降低人為操作風險需從制度規(guī)范、人機交互與能力培養(yǎng)三方面協(xié)同發(fā)力。構建標準化操作流程時，應融入防錯設計理念，例如在調度指令下發(fā)環(huán)節(jié)設置多重邏輯校驗關卡，強制要求操作人員對沖突進路、資源占用狀態(tài)進行可視化確認，防止誤觸發(fā)風險。人機界面設計需遵循認知工效學原則，采用分層信息展示與情境化告警提示，通過色彩編碼與空間分區(qū)降低信息過載壓力，確保調度員在應急狀態(tài)下仍能快速定位關鍵參數。在人員能力建設方面，建立分階段、差異化的培訓體系，初期通過虛擬現實技術模擬典型故障場景，強化操作人員對系統(tǒng)降級模式的處置能力；后期引入強化學習平臺，通過歷史案例復盤與決策推演，提升其在復雜非標場景下的態(tài)勢研判水平。此外，需構建多維度考核機制，將應急響應時效、誤操作率等指標納入績效評估，并定期開展跨崗位聯(lián)合演練，促進調度、維護、應急等多部門協(xié)同能力的螺旋式提升。

4.4 應對外部環(huán)境風險的策略

外部環(huán)境風險的防控需構建“感知-預警-防護”一體化防御鏈條。在環(huán)境感知層面，部署智能傳感網絡與氣象雷達聯(lián)動系統(tǒng)，實時監(jiān)測軌道沿線的風速、降水、溫度等參數，結合歷史災害數據建立風險預測模型，提前發(fā)布強對流天氣或極端溫度預警。針對異物侵入風險，可采用多模態(tài)融合檢測技術，將激光雷達掃描、視頻智能分析與聲波探測相結合，提升障礙物識別的準確率與響應速度，同時設置分級報警閾值，區(qū)分落葉等輕微干擾與大型侵入物的處置優(yōu)先級。在設備防護層面，對軌旁通信模塊實施三防處理，采用耐腐蝕殼體與防水密封設計，并在供電回路中加裝浪涌保護裝置，抵御雷擊等瞬態(tài)過電壓沖擊。對于電磁干擾問題，可通過屏蔽線纜敷設與接地系統(tǒng)優(yōu)化，降低外部強電設備對控制信號的耦合干擾。此外，需建立跨部門應急聯(lián)動機制，與市政、氣象、公安等部門共享風險信息，協(xié)同制定軌道清障、客流疏散等聯(lián)合預案，確保突發(fā)情況下資源調配與處置行動的高效協(xié)同。

5 結語

綜上所述，城市軌道 TACS 系統(tǒng)依托獨特的構成與功能，革新了運營調度模式，在提升運營效率與靈活性上成效顯著。然而，通信故障、設備故障、人為操作失誤以及外部環(huán)境干擾等風險，時刻威脅著系統(tǒng)的安全運行。針對這些風險所制定的應對策略，涵蓋通信冗余設計、設備可靠性提升、人員操作規(guī)范以及環(huán)境防護等多維度措施，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行筑牢防線。未來，隨著城市軌道交通規(guī)模的持續(xù)擴張與技術的迭代升級，TACS 系統(tǒng)安全性研究仍需不斷深入，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)性能，以應對日益復雜的運營環(huán)境，為城市軌道交通安全、高效運營提供堅實保障。

參考文獻：

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