城市轨道交通 CBTC 系统升级为TACS 系统的方案探讨

邢艳阳

（卡斯柯信号有限公司，上海 200071）

1 引言

2008年北京市轨道交通在国内率先启用基于通信的列车控制系统（CBTC），此后CBTC系统逐渐成为城市轨道交通列车控制的主流系统。早期启用的CBTC系统至今已投入运营13年，将陆续进入信号系统大修改造周期。随着城市轨道交通网络化运营发展，客流量快速增长，如何满足大城市核心区城市轨道线路的运能需求已成为城市轨道交通列车控制系统的关键研究方向 。而基于车车通信的列车自主运行系统（TACS）因其设备少、效能高等优点，适用于既有CBTC线路的升级改造。

2 CBTC 系统和 TACS 系统架构比较

2.1 典型 CBTC 系统架构

典型CBTC系统包括自动保护/自动驾驶子系统（ATP/ATO）、联锁子系统、列车自动监控子系统（ATS）、 数据通信子系统（DCS）和维护子系统，其中 ATP/ATO子系统含车载控制器和区域控制器两部分。

典型CBTC系统结构如图1所示，ATP/ATO子系统配置于设备集中站机房和车辆中，联锁子系统放置于设备集中站机房，ATS子系统和维护子系统配置于设备集中站机房和控制中心，各子系统通过有线和无线通信构建网络化CBTC系统。在CBTC系统中，转辙机、信号机、计轴、屏蔽门、站台紧急停车按钮、综合后备盘（IBP） 等轨旁设备通过联锁子系统接口；综合监控、旅客向导、广播、时钟、大屏等系统通过控制中心ATS子系统进行接口；车辆系统通过车载ATP/ATO接口。

图1 典型CBTC系统结构图

2.2 典型 TACS 系统架构

TACS系统包括ATP/ATO子系统、目标控制器子系统、ATS子系统、DCS子系统和维护子系统，其中ATP/ATO子系统含车载控制器和轨旁资源管理器两部分。

典型TACS系统结构如图2所示，ATP/ATO子系统配置于设备集中站机房和车辆中，目标控制器子系统放置于设备集中站设备机房，ATS子系统和维护子系统配置于设备集中站机房和控制中心，各子系统通过有线和无线通信构建网络化TACS系统。在TACS系统中，转辙机、信号机、计轴、屏蔽门、站台紧急停车按钮、IBP 等轨旁设备通过目标控制器子系统接口；综合监控、旅客向导、广播、时钟、大屏等系统通过控制中心ATS子系统接口；车辆系统通过车载ATP/ATO接口。

图2 典型TACS系统结构图

2.3 典型 CBTC 与 TACS 系统架构比较

CBTC系统是以轨旁设备为中心的列车控制系统，系统关键数据流汇集到轨旁的区域控制器，由区域控制器实时计算移动授权，控制列车运行安全间隔。TACS系统是以列车运行任务为中心的列车控制系统，系统关键数据流汇集到车载控制器，由车载控制器自主计算移动授权，自主控制列车运行安全间隔。

在CBTC系统中，车站层配置了联锁子系统，用以采集道岔、信号机、屏蔽门等状态信息，通过联锁逻辑计算建立或取消进路，从而开放或关闭信号机。联锁子系统将道岔、信号机、屏蔽门等状态信息发送给区域控制器，并由区域控制器计算列车的移动授权。在CBTC系统中，联锁子系统和区域控制器是轨旁集中式核心控制设备，列车移动授权是否可以越过道岔区域取决于联锁进路是否已建立。

TACS系统简化了系统架构，取消了轨旁联锁子系统，系统无需办理或取消进路，取而代之以精细化资源管理。车站层配置了目标控制器子系统，用以采集道岔、信号机、屏蔽门等设备状态信息，而控制命令则由轨旁资源管理器或车载控制器发送，通过目标控制器来控制轨旁设备。轨旁设备状态及资源分配状态信息发送给车载控制器，并由车载控制器自主计算本列车的移动授权。在TACS系统中，车载控制器是核心控制设备，列车按需自主申请和释放资源。

3 信号系统升级方案

由于信号系统架构不同，系统升级改造意味着子系统软硬件的升级。CBTC信号系统升级到TACS系统需要对既有的ATP/ATO子系统、联锁子系统和ATS子系统进行改造，同时取消联锁主机，将联锁的输入/输出（I/O）单元改造为目标控制器。DCS子系统和维护子系统与系统制式关联度较小，本文暂不做分析。为避免信号系统升级改造影响在线运营设备工作，系统需要设计一套安全高效的新老系统倒接装置，以便在运营结束后，快速倒接至新系统开展调试活动。这种升级方式需要设计比较复杂的切换装置，对既有系统配置改动较大。本方案探讨如何缩小改造范围、降低改造风险，确保新老系统平稳升级。

3.1 车载控制器升级

TACS系统的核心控制功能由ATP/ATO子系统的车载控制器实现，高性能车载安全平台是确保系统性能提升的关键。在系统升级改造过程中，可先期完成车载控制器设备的改造，在其他轨旁和中心设备不变的情况下，将CBTC系统车载控制器设备更换为更高性能的TACS系统车载控制器，为后续整体系统升级至TACS奠定基础。

TACS系统车载控制器维持既有车辆电气接口，可通过升级车载控制器软件、硬件和工程数据，平稳升级至TACS系统的车载控制器。

3.2 轨旁 ATP/ATO 升级

CBTC系统轨旁配置了区域控制器，用于控制本区域内列车的运行，而TACS系统轨旁配置了轨旁资源管理器，用于管理本区域内线路的资源分配。本系统升级方案基于相同的轨旁安全硬件平台，在既有轨旁硬件平台上，既可以部署传统CBTC系统的区域控制器的软件和数据，也可以部署TACS系统的轨旁资源管理器的软件和数据。因此在项目改造时，可保持既有区域控制器硬件不变，通过升级软件和数据将CBTC系统的区域控制器改造为TACS系统的轨旁资源管理器。

在信号系统升级方案设计中，可根据各系统设备运行年限不同，采用新增和利旧相结合的原则。考虑到网络化系统配置，这些利旧设备仍可以放在既有位置，无需移动。新增设备可集中放置，也可以分布放置于各车站设备房。

3.3 联锁设备升级

CBTC系统轨旁配置了联锁设备，分为主机和I/O单元两部分，通过主机与区域控制器和ATS通信。TACS系统取消了轨旁联锁子系统，配置了小型化的目标控制器子系统。

在TACS系统中，目标控制器仅作为驱采单元，控制主机为轨旁资源管理器，因此可以复用联锁的I/O单元，通过升级软件和数据将其改造为目标控制器，同时取消联锁主机软硬件配置，具体结构如图3所示。

图3 联锁升级至目标控制器

3.4 ATS 设备升级

ATS子系统的硬件配置相同，在信号系统升级方案设计中，可根据既有ATS设备运行状况和新系统调试便捷性，配置一定数量的新设备，在TACS系统的ATS子系统软件和数据调试完成后，将其部署到相应的ATS硬件设备。

4 升级方案特点

本文阐述的方案是基于相同的硬件平台，通过切换软件和数据来实现系统平滑升级。

4.1 成熟的硬件安全平台

硬件平台的成熟度是系统运行稳定性的重要保障。本方案中，TACS系统的轨旁资源管理器和CBTC系统的区域控制器基于同一安全硬件平台，TACS系统的目标控制器和CBTC系统的联锁I/O单元基于同一安全硬件平台，而车载控制器也是既有车载安全平台的升级版本。

通过成熟硬件平台的应用，TACS既缩短了新系统的研发周期，又传承了既有系统的稳定性。

4.2 便于设备利旧

城市轨道交通线路一般分为几期建设，在投入运营后通过修建延伸线继续扩展延伸。因此对于同一条线路，其在线运营设备使用年限存在数年的差别。在系统升级改造时，需要考虑系统设备的延寿，避免投资的浪费。本方案特点是沿用既有硬件平台，通过升级软件和数据实现系统改造，可以最大限度利用既有系统设备，节约投资。

4.3 安装空间需求低

既有线路的设备机房面积通常是在当前系统设备机柜数量的基础上预留一定的空间，主要考虑项目建设过程中的一些不确定因素而导致的机柜数量的增减，并不考虑系统大修周期阶段新系统增加的设备机柜数量。这种配置方式导致机房内可用于新增系统设备机柜的空间极其有限，系统大修改造阶段需要另设用以布置新系统设备的机房。

TACS系统既精简了轨旁联锁设备，又可以利旧在线运营的轨旁ATP/ATO子系统设备，对设备集中站机房面积要求更低，更适合旧系统的升级改造。

4.4 系统过渡的平稳性

对于线路里程长、运营间隔小的大客流城市轨道交通线路，信号系统改造难度更高，基于相同硬件平台的分步改造方案将降低系统改造的风险。车载子系统是改造工作的难点之一，可首先完成兼容性车载设备的改造，第一阶段将既有车载设备更换为升级版车载设备，在高性能车载硬件平台上运行老系统软件和数据；第二阶段在高性能车载硬件平台上部署TACS系统软件和数据，车载设备升级到TACS系统的车载控制器。

轨旁改造采用既有CBTC成熟的硬件设备，通过更新软件和数据完成新系统的升级。必要时，系统可快速恢复至原有版本的软件和数据，降低项目改造的风险。

5 结语

CBTC系统成为城市轨道交通主流列车控制系统已有10多年，越来越多的CBTC城市轨道交通项目将陆续进入信号系统的大修改造周期。改造项目将受设备机房安装空间、投资额、运营服务水平、系统性能等方面约束，因此轨旁设备减少、硬件平台成熟、对运营影响小、效能更高的系统将成为改造项目首选系统。

TACS系统精简和利旧轨旁集中控制设备，设备集中站的新增机柜数量较少，有利于新系统设备的部署并降低设备能耗。轨旁ATP/ATO和目标控制器采用成熟的安全平台，确保新系统的安全稳定运行，降低项目改造风险。结合TACS系统以车载为控制核心特点，车载采用了升级版安全平台，在继承成熟平台的基础上大幅提升了车载控制的性能，满足大客流线路对高效能列车控制系统的运营需求。因此TACS系统可以满足城市轨道信号系统的改造需求，实现系统的平稳升级。