城市轨道交通基于车车通信的列车自主运行系统探讨

汪小勇

（1. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2. 卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

信号作为轨道交通系统保证运行安全、提高运行效率的重要基础装备，一直在安全与效率之间寻求最优解。得益于电子、信息和通信技术的发展，信号系统已由人工控制、继电控制进入计算机和网络化控制时代，系统的安全性和效率在不断提升，如目前城市轨道交通领域均采用基于通信的列车控制系统（CBTC），所采用的闭塞制式使列车运行间隔得以进一步缩短、运能有所提升［1］。但随着经济的发展，特别是都市圈和城市群的快速发展对轨道交通带来巨大压力，更加高效、智能的信号系统也被提上了日程。如何在保证行车安全的前提下，更有效地利用有限的线路和车辆资源，提高运能、减少运维成本，成为新一代城市轨道信号系统所要解决的问题。对此业内提出了不同的建议，包括自适应和多目标决策机制的智能化信号系统［2］、基于令牌网的列车运行控制系统［3］、以运营需求为导向的列车运行控制系统［4］等。在进行原理和技术研究的同时，法国阿尔斯通公司于2013年UITP 会议上正式提出列车为中心和车车通信的信号系统概念，并推出Urbalis Fluence 系统，该系统将用于法国Lille，这是全球第1套列车为中心的车车通信信号系统［5］。当前，车车通信信号系统在我国也得到关注，并进行了相关研究与验证，包括在上海地铁3/4 号线现场完成多车无人驾驶模式的列车自主运行系统（TACS）验证［6］、青岛地铁联合相关供应商在6 号线进行试验研究［7］等。

1 信号系统现状与机遇

目前城市轨道交通主流信号系统为CBTC 系统，采用移动闭塞制式，轨旁线路等资源都是由联锁子系统以进路的方式进行统一分配、锁定和释放。由于闭塞制式决定了追踪间隔，因此从追踪性能方面看，CBTC系统制式优于之前的其他制式，但由于轨旁资源管理都是以进路方式进行的，使CBTC 系统在岔区的折返能力和部分特定区域的通过能力成为瓶颈，影响了整条线路的运能。

随着国家对干线铁路、城际铁路、市域（郊）铁路、城市轨道交通四网融合发展的推进［8］，轨道交通出行的优势越来越明显，在公共交通中的占比也会越来越大，对轨道交通的建设、运营和维护提出了更高要求，这也成为信号系统发展的机遇。

（1）随着运能的增长，城市轨道交通部分时段不得不处于超强度运营状态。只有通过更高效能的信号系统缩短列车运行间隔、提高旅行速度、减少影响列车运行的系统故障并降低故障对运行的影响，才能真正保证在运能激增情况下的运营安全。

（2）城市规模的扩大导致通勤距离增加，都市圈和城市群的发展也加大了客流预测和管理的难度，运行计划的调整会更加频繁，超常规运营也将可能成为常态。这要求城市轨道交通信号系统具有更强的灵活性，如支持通勤潮汐客流对灵活编组、快慢混行的需求，突发客流对虚拟编组的需求等。

（3）随着城市轨道交通网络规模的扩大，建设、运营、维护和改造升级的成本随之攀升，另一方面国民生活水平的提升又进一步加剧了成本支出，成为未来城市轨道交通建设和运营的负担。采用更高效能的信号系统减少建设的投入、降低运营和维护的成本、简化改造升级的难度，将为城市轨道交通发展提供更好保障。

（4）在四网融合的过程中，如何实现邻接网络间的互通运营或运行；在不等寿命周期的项目延伸、改造和升级过程中，如何规避或减少对既有运营系统的干扰，实现平滑过渡、无扰改造、新旧兼容。这些问题对信号系统的兼容性和易部署性均提出了更高要求。

综上所述，城市轨道交通的发展对高效能信号系统提出了更多更高的需求，特别是在系统性能、运营灵活性、经济性、兼容性和易部署性等方面。

2 TACS系统基本原理与技术特征

为实现城市轨道交通发展对信号系统更多更高的需求，需要信号系统更精细地管理轨旁资源、尽可能以去中心化的设计实现列车间协同控制、精简系统架构和信息流路径以提升系统的实时性、将车载控制和轨旁控制进行解耦以实现更好的兼容性和易部署性，这些正是新一代高效能TACS系统的基本技术特征。

2.1 基本原理

TACS 系统是基于列车运行计划实现自主资源管理并进行主动间隔防护［9］的列车运行控制系统。TACS系统将传统信号系统中以进路方式实现的联锁功能升级为以列车为中心基于资源点的自主资源管理功能，将传统信号系统以轨旁为主进行列车间隔防护的闭塞功能升级为车车协同的主动间隔防护功能，这2个功能的基本原理及其与传统信号系统的差别如下：

（1）自主资源管理。TACS 车载信号子系统基于调度子系统下发的运行计划，根据当前位置生成列车的运行任务，自主计算对轨旁资源的需求，择机向轨旁资源管理子系统申请，获得分配后使用并尽快释放资源。调度系统向列车发出运动计划指令后，列车自主计算后向轨旁控制器申请资源，资源被分配后将再次提供给列车的车载使用，使用后车载释放资源。在资源管理的全过程中信息流采用单一路径（见图1（a））。

对于传统信号系统，轨旁资源管理由联锁负责，调度系统将运行计划进行拆解并根据列车位置向轨旁联锁发出进路建立的命令，同时给列车发送列车运行任务的命令，命令分别通过2条路径进行传递（见图1（b））。在这种资源管理方式中，以进路方式对列车运行所需多个资源进行打包，采用一次性分配进路并锁闭进路的方式，释放进路/区段解锁时可以根据列车位置按区段释放（即3 点检查解锁方式），资源的利用效率相对较低。另一方面，命令通过不同路径传递，由于网络延时或系统阻塞等因素，不可避免地存在列车运行任务和轨旁建立的进路方向不一致的情况，虽然没有安全问题但会导致运营秩序受到影响。

（2）主动间隔防护。TACS 车载信号子系统基于自身的运行任务和当前位置，主动与相邻列车交互信息，并根据交互信息自主更新移动授权，调整列车的运行状态。TACS 系统实现列车A 与列车B 之间信息的直接交互，增强了列车间隔防护的实时性（见图2（a））。

对于传统信号系统，列车间隔防护系统由轨旁设备区域控制器完成，所有列车将自身的位置发送给区域控制器，由区域控制器在考虑列车位置不确定性及时延后形成列车包络，按此基础为各请求列车提供移动授权信息（见图2（b））。相比于TACS 系统基于车车协同的主动间隔防护方式，传统信号系统基于轨旁闭塞设备进行间隔防护的方法，降低了间隔防护的实时性，进而影响到列车追踪间隔。

图2 TACS系统主动间隔防护示意图

2.2 技术特征

TACS 系统技术特征见图3，至少包括安全平台优化（Powerful Platform）、系统架构简化（Simple System）和资源管理细化（Refined Resource），这些特征分别从软硬件基础、系统设计和应用管理3 个层面对TACS 系统进行定义，以下分别从P-S-R三个维度加以阐述。

图3 TACS系统技术特征

（1）安全平台优化（P）。优化的安全平台是整个系统的基石。以列车为中心的资源管理和间隔防护使大量的安全功能被分配到车载子系统，增加了车载的运算量，需要更加强劲的车载安全平台支撑，否则，TACS 系统分配的功能将无法实现或实现效率非常低，无法达到预期的目标。

（2）系统架构简化（S）。精简的系统架构是系统实时性、可靠性和经济性的保障。传统信号系统轨旁集中控制设备较多、数据流传输复杂、安全控制信息更新慢，导致系统运行效率受制约。TACS 系统精简了轨旁集中控制设备，缩短了数据流传输链的路径，实现了系统的扁平化。

（3）资源管理细化（R）。细化的资源管理是整个系统的灵魂。传统信号系统基于进路的管理方式，使线路和道岔资源被打包分配，资源的空间利用率低；间隔防护采用轨旁统一管理的方式，人为降低了信息的实时性，资源的时间利用率差。TACS 系统从时间和空间维度对资源进行精细化管理，并在强劲的安全平台和精简的系统架构支撑下，实现了系统性能的提升和功能的增强。

3 功能与性能分析

TACS 系统以其独有的技术特征，具有更好的功能与性能表现，在应对轨道交通发展带来的机遇和挑战方面也有着更多优势。

（1）更加精细地管理轨旁的线路和道岔资源，可以在同等线路配置条件下运行更多的列车，以缩短列车运行间隔的方式提升了资源在单位空间内的利用效率。更多的运行列车带来的运能增长，可以减少因此而需要建设的新线投资；同时列车运行间隔的缩短可让“小编组高密度”方式替代“长大编组”方式解决运能问题成为可能，进而可以缩短列车编组、减少站台的长度及由此产生的相关机电设备投入；更精细的资源管理还可使列车安全防护距离得以缩短，相应减少这部分的土建投资。因此更精细的资源管理对于既有线而言，可以有效提升线路的运能，对于线网规划和新线建设可以提升其经济性。

（2）去中心化的设计可以避免因单个设备故障对运营带来的大面积影响，提高了系统的可用性，降低了因系统故障对运营的影响。同时，去中以化的设计可使轨旁资源的集中化管理变为直接交易，降低了资源交易的成本，提升了资源在单位时间内的利用效率。TACS 系统以去中心化的车车通信（在此注意“车车通信”应理解为列车之间的直接信息交互，类似于2部手机之间的通话，并非“列车之间无线连接的直接建立”）实现了车车的协同控制，减少了因轨旁中转带来的时间损失。资源在单位时间内利用效率的提高，使列车追踪间隔更小，提升了系统的运能。TACS 系统通过列车之间位置和牵引制动状态的实时交互，有效地提高了能馈制动的利用率，降低了能耗指标，使轨道交通更加绿色节能。

（3）采用精简系统架构和信息流路径以提升系统的实时性，使系统的反应更加灵敏，列车紧急制动的触发时间可由CBTC 标准中定义的0.75 s［10］缩短到0.50 s，更快地响应紧急情况，更加及时地触发安全防护；对于ATO 系统而言，系统可实时地使列车旅行速度得到进一步提升，节约由此需购置的列车数、减少列车的空驶里程；系统架构的精简还可减少设备种类和数量，减少维护工作量，降低全寿命周期的运维成本。

（4）将车载控制和轨旁控制进行解耦的实现方式，使系统具有更好的兼容性和易部署性。传统系统和轨旁紧密关联，轨旁的延伸或不同类型列车的加入运行，需要进行全系统数据的更新，兼容性和易部署性差。轨旁和车载的解耦将有利于车载和轨旁的分开部署，同时结合去中心化的设计使线路延伸、增加不同类型的列车及系统的改造升级简单化、易于部署；解耦后系统更容易实现多种制式的融合，增加了系统的兼容性；解耦后的去中心化将方便系统未来根据需要朝着边缘计算或云化的方向演进，为未来更新一代信号系统迭代提供了条件。

4 现场验证

为验证TACS系统的实际功能和性能情况，2020年6 月28 日在上海地铁3/4 号线以宝山路为中心的区域，全国知名信号和运营专家、业主代表对TACS 系统全自动无人驾驶模式下的主要功能和性能进行实际控车测试验证。多车无人驾驶模式（UTO）实测验证的结果表明，TACS 系统与既有系统现场实测数据相比，关键性能指标提升27.03%以上，与CBTC 仿真结果比较，TACS系统提升19.75%以上。现场实际功能测试也验证了TACS 系统列车可以在任意站穿梭运行、在任意点折返掉头的功能，这些灵活的运行功能为更加高效的运营组织应对提供了条件。同时与会专家确认上海地铁3/4 号线验证项目所采用的TACS 系统是基于无线车车通信的列车自主运行系统，系统结构合理、设备配置简洁，已获得系统级独立第三方通用应用安全认证。经中国科学院查新，该项目是首个在实际运营线路上实现高速动车测试的TACS 系统，在安全多核车载控制器、资源精准管理、TACS 和CBTC 共用硬件平台、与既有系统的安全隔离等方面具有创新性，系统高效灵活，便于无扰升级和多制式混合运行［11］。

5 结束语

TACS 系统作为新一代城市轨道交通高效能信号系统，主要目标是实现系统轻量化且高效能运行，而复杂的列车运行环境中又注定需要考虑各种故障模式、非预期列车和非预期运动等各类非正常场景。在增加针对这些场景的降级设计后，又与当初确定的轻量化目标存在一定差距，这就是系统设计必须面对的两难选择，而系统边界的不确定性更为这种选择增加了难度。因此，需要通过工程实践，进一步深化相关问题的研究。