卿建強(qiáng)，雷成健，梁 波

（湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

目前國內(nèi)外城市軌道交通領(lǐng)域普遍采用傳統(tǒng)的基于通信的列車控制（communication based train control, CBTC）系統(tǒng)[1]，其具有發(fā)車間隔小、運(yùn)營效率較高等優(yōu)勢，能夠滿足線路一定運(yùn)輸能力的需求。隨著國內(nèi)外城市軌道交通的大力發(fā)展和線路規(guī)模的不斷擴(kuò)大、軌道交通線路運(yùn)營能力的需求不斷提升，傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)已無法滿足運(yùn)營效率繼續(xù)提升、智能智慧城軌發(fā)展的要求。如何在保證行車安全的前提下大幅減少項(xiàng)目的建設(shè)和維護(hù)成本、同時最大限度地縮短列車運(yùn)行間隔并提升線路的運(yùn)能和運(yùn)量，是目前城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的技術(shù)研究方向。國外，法國阿爾斯通公司研發(fā)成功的Urbalis Fluence 系統(tǒng)目前正在法國里爾地鐵試用，該系統(tǒng)主要通過車－車通信、自主控車和資源細(xì)分等技術(shù)來提升地鐵運(yùn)能。國內(nèi)，中車青島四方車輛研究所有限公司和上海富欣智能交通控制有限公司等正在研發(fā)的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)將在青島6 號線進(jìn)行試用；交控科技股份有限公司提出基于車－車通信的以列車為中心的列車控制概念，正籌劃在北京大興國際機(jī)場線和港鐵迪斯尼線進(jìn)行現(xiàn)場測試；卡斯柯信號有限公司目前正在同北京交通大學(xué)及其他科研單位合作進(jìn)行基于車－車通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的研究和試驗(yàn)[2]。

列車自主運(yùn)行控制系統(tǒng)（train autonomous circumambulation system, TACS）以基于LTE-M（LTE Metro）的車-車通信為架構(gòu)，以列車自律為基礎(chǔ)，以列車自主運(yùn)行路徑、列車自主防護(hù)和列車自主運(yùn)行調(diào)整為特征。其將傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的軌旁核心控制功能移植至列車上，同時列車運(yùn)行控制系統(tǒng)與車輛網(wǎng)絡(luò)控制、牽引和制動等系統(tǒng)高度融合，減少軌旁設(shè)備數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)，有效減小列控信息通信傳輸時延，提高控制精度，縮短列車追蹤間隔，大大提高運(yùn)營效率，在節(jié)約建設(shè)成本和運(yùn)營維護(hù)成本的同時也使列車在安全、智能、高效、經(jīng)濟(jì)方面有了明顯的提升[3-4]，因此TACS是城市軌道交通列車控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)存在的問題

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)（圖1）采用連續(xù)的車－地－車雙向通信鏈路和控制架構(gòu)，通過不依賴軌旁列車占用檢測設(shè)備的列車主動定位技術(shù)，使地面和車載列車控制設(shè)備通過車－地?zé)o線通信實(shí)時交互數(shù)據(jù)、協(xié)同配合，為列車提供連續(xù)的自動控制服務(wù)。系統(tǒng)將線路按區(qū)域劃分為若干控制區(qū)，并在地面配置計算機(jī)聯(lián)鎖(computer interlocking, CI)系統(tǒng)、區(qū)域控制器(zone controller, ZC)系統(tǒng)、列車自動調(diào)度管理(automatic train supervision, ATS)系統(tǒng)等設(shè)備。列車上配置車載控制器（vehicle on-board controller, VOBC）系統(tǒng)，通過車－地?zé)o線通信持續(xù)與軌旁ZC交互數(shù)據(jù)；在區(qū)域控制分界處，車載VOBC持續(xù)與分界處兩側(cè)的ZC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制切換。線路軌旁配置次級列車占用檢測設(shè)備、轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號機(jī)、有源和無源應(yīng)答器等設(shè)備。

圖1 典型的傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 1 Typical architecture of traditional CBTC

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)采用“車－地－車”的結(jié)構(gòu)體系，存在如下主要問題[5-7]：

（1）列車與列車之間無法直接完成信息交互，不能自主計算行車許可范圍。車載VOBC須接收軌旁ZC及CI和中心ATS設(shè)備的控制信息，基于軌旁的控制信息才能保證列車的正常安全運(yùn)行；車載VOBC、軌旁ZC設(shè)備、ATS系統(tǒng)及CI系統(tǒng)之間均需進(jìn)行大量的交互數(shù)據(jù)通信，信息周轉(zhuǎn)及系統(tǒng)處理周期長，系統(tǒng)接口多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

（2）列車運(yùn)行對控制中心ATS系統(tǒng)和軌旁ZC設(shè)備依賴程度高。一旦ATS設(shè)備和ZC設(shè)備發(fā)生故障，列車則不能自動運(yùn)行。

（3）系統(tǒng)配置的地面控制設(shè)備和線路的軌旁設(shè)備數(shù)量眾多，不僅提高了建設(shè)和維護(hù)成本，而且增加了故障點(diǎn)。

（4）由于接口多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)存在項(xiàng)目施工周期長、調(diào)試過程繁雜、故障影響范圍大的缺點(diǎn)。

（5）系統(tǒng)基于傳統(tǒng)進(jìn)路對進(jìn)路內(nèi)的資源點(diǎn)（道岔、區(qū)段）集中管理，線路資源利用率低。由于進(jìn)路本身固有的屬性，只能將進(jìn)路內(nèi)的資源點(diǎn)集中分配和管理，這會導(dǎo)致其對線路資源的利用率相對較低，不利于列車運(yùn)行間隔以及線路運(yùn)能運(yùn)量的進(jìn)一步提升，同時也降低了列車運(yùn)營組織的靈活性。例如，對于對向運(yùn)行列車，只能通過進(jìn)路敵對沖突檢查進(jìn)行防護(hù)，確保兩敵對進(jìn)路不能同時建立，導(dǎo)致列車只能在允許對向運(yùn)行的特定范圍內(nèi)才能進(jìn)行對向運(yùn)行；而對于救援、任意位置折返運(yùn)行等特殊場景，系統(tǒng)則無法實(shí)現(xiàn)。此外，傳統(tǒng)進(jìn)路不能追蹤辦理折返進(jìn)路，不利于CBTC系統(tǒng)進(jìn)一步縮短折返時間、提升折返效率。

2 TACS原理

TACS基于對軌旁線路資源分散、細(xì)化管理的理念，以列車為核心，通過LTE-M通信技術(shù)與車－車間、車－地間無線通信，列車車載VOBC持續(xù)與相鄰列車、對象控制器 (object control, OC）交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)軌旁線路資源分散管理，完成列車自主資源管理、自主運(yùn)行調(diào)整及自主間隔防護(hù)等功能。

2.1 TACS架構(gòu)

TACS主要由中心ATS系統(tǒng)、車站軌旁O(shè)C[8]和車載VOBC設(shè)備組成（圖2）。系統(tǒng)在車載VOBC上集成了原CBTC系統(tǒng)地面控制設(shè)備CI與ZC系統(tǒng)的核心處理功能[9-11]，地面僅保留了ATS系統(tǒng)、軌旁O(shè)C設(shè)備，大大簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，減少了軌旁設(shè)備數(shù)量，優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，實(shí)現(xiàn)了列車的自主運(yùn)行。車載VOBC通過LTE-M通信技術(shù)與相鄰列車、OC交互數(shù)據(jù)，完成列車自主規(guī)劃運(yùn)行路徑、自主資源管理、自主運(yùn)行防護(hù)等功能；軌旁線路僅配置轉(zhuǎn)轍機(jī)、無源應(yīng)答器等設(shè)備。

圖2 列車自主運(yùn)行控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 2 Architecture of TACS

2.2 軌旁線路資源分散管理

TACS刪除了通過傳統(tǒng)進(jìn)路手段對進(jìn)路內(nèi)線路資源點(diǎn)集中管理的方式。系統(tǒng)基于對線路資源分散管理的理念[5-7]，對軌旁線路資源的顆粒度進(jìn)行更加細(xì)化處理，將線路上的道岔、站臺區(qū)段及保護(hù)區(qū)段都視為線路資源點(diǎn)，每一個資源點(diǎn)被視為最小的管理單元。

TACS中，控制中心ATS系統(tǒng)基于運(yùn)行計劃向車載VOBC發(fā)送計劃運(yùn)行路徑信息；車載VOBC基于接收到的計劃運(yùn)行路徑信息，識別出列車運(yùn)行前方一定距離范圍內(nèi)（可配置）線路資源點(diǎn)，依次向OC申請該范圍的線路資源；OC系統(tǒng)進(jìn)行線路資源沖突性安全校驗(yàn)，校驗(yàn)條件通過后，將該線路資源分配給申請列車，確保同一資源同一時刻只能供一列列車占有。

車載VOBC一旦獲取到資源，即擁有對該資源的占有和控制權(quán)，列車判斷使用完該資源后，及時向OC 發(fā)送該資源的釋放申請；OC接收到資源釋放申請指令后，立即收回該列車對該資源的占有和控制權(quán)，同時可將該資源重新分配給下一申請列車，從而最大限度地提高線路資源的利用率。

2.3 列車間側(cè)沖和侵限防護(hù)

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，列車間側(cè)沖和侵限防護(hù)是由CI系統(tǒng)通過進(jìn)路與進(jìn)路間敵對、保護(hù)區(qū)段與相鄰保護(hù)區(qū)段間敵對、保護(hù)區(qū)段與進(jìn)路間敵對的防護(hù)處理邏輯來保證的；同時ZC接收CI發(fā)送的進(jìn)路和保護(hù)區(qū)段的狀態(tài)信息，實(shí)時更新列車的移動授權(quán)（movement authority，MA），車載VOBC根據(jù)ZC發(fā)送的移動授權(quán)計算列車的速度控制曲線，防止列車發(fā)生側(cè)沖的風(fēng)險。

在TACS中，對軌旁線路資源的顆粒度進(jìn)行更加細(xì)化處理；同時，為保證列車間的運(yùn)行安全，避免在線列車發(fā)生追尾或側(cè)沖的風(fēng)險，線路上所有的道岔都被設(shè)置為單動道岔[7]，并且為每一道岔資源計算安全防護(hù)區(qū)，同時將道岔資源點(diǎn)都設(shè)置為獨(dú)占屬性，以確保同一資源同一時刻只能供一列列車占有。

當(dāng)車載VOBC獲取到某資源后，為列車計算的MA就可以進(jìn)入該資源防護(hù)區(qū)；若車載VOBC未獲取到該資源，那么為列車計算的MA就不能進(jìn)入該資源點(diǎn)防護(hù)區(qū)。

若兩相鄰道岔資源點(diǎn)防護(hù)區(qū)域間存在重疊區(qū)域，如圖3中渡線道岔1與道岔3防護(hù)區(qū)內(nèi)存在重疊防護(hù)區(qū)域時，可根據(jù)道岔間拓?fù)滏溄咏Y(jié)構(gòu)按需實(shí)時調(diào)整，將重疊防護(hù)區(qū)劃配至相應(yīng)的道岔防護(hù)區(qū)內(nèi)，列車基于資源點(diǎn)的獨(dú)占屬性來實(shí)時調(diào)整列車的MA終點(diǎn)和列車速度控制曲線，以防止列車間發(fā)生側(cè)沖風(fēng)險，從而保證列車的運(yùn)行安全。

圖3 道岔防護(hù)區(qū)域分段示意圖Fig. 3 Sectional diagram of switch protection area

2.4 列車與OC通信

TACS和傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)不同，其車載VOBC基于軌旁線路資源狀態(tài)信息自主計算移動授權(quán)，OC與OC之間不需要互傳行車許可信息，也沒有OC移交接管場景。車載VOBC除與列車車身所處的OC實(shí)時通信外，還可根據(jù)ATS下發(fā)的運(yùn)行計劃自主計算列車安全車頭位置向前延伸一定長度（可配置，以滿足列車的安全運(yùn)行和行車效率因素要求）后的終點(diǎn)位置，當(dāng)列車從該位置移至下一相鄰OC的邊界點(diǎn)時，開始主動與下一OC注冊申請鏈接，以獲得線路上車頭前安全距離范圍內(nèi)線路軌旁資源的狀態(tài)信息和障礙物信息，依此計算列車的MA。圖4示出列車與OC通信示意。

圖4 列車與OC通信示意Fig. 4 Schematic diagram of communication among train and OCs

2.5 列車與相鄰列車通信

TACS中，車-車間直接通信并非為在線所有列車全部通信。TACS在保證列車間運(yùn)行安全的前提下，最大限度地減少系統(tǒng)間通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減小系統(tǒng)間的通信壓力，因此車載VOBC在基于中心ATS下發(fā)的運(yùn)行計劃自主地向OC申請規(guī)劃運(yùn)行路徑范圍內(nèi)的線路資源時，列車會與存在資源沖突的相鄰列車實(shí)時通信、交互信息，以獲取相鄰列車的位置、速度、方向及MA等信息，并自主計算MA和控車速度曲線，確保列車自身的運(yùn)行安全。圖5示出列車與相鄰列車通信示意。

圖5 列車與相鄰列車通信示意Fig. 5 Schematic diagram of communication among train and its adjacent trains

2.6 列車自主運(yùn)行

ATS將計劃運(yùn)行路徑信息提前下發(fā)至TACS列車，車載VOBC自主規(guī)劃運(yùn)行路徑，并向OC獲取規(guī)劃運(yùn)行路徑內(nèi)的線路資源；在獲得路徑內(nèi)資源點(diǎn)的占有權(quán)和控制權(quán)后，車載VOBC根據(jù)需求可向OC輸出對該資源的操控命令，并實(shí)時接收OC發(fā)送的資源設(shè)備狀態(tài)信息，同時會與存在資源沖突的相鄰列車實(shí)時通信，交互列車運(yùn)行狀態(tài)信息；基于以上信息，車載VOBC自主計算出MA（圖6）和控車防護(hù)速度曲線，控制列車在安全防護(hù)速度曲線下運(yùn)行。當(dāng)列車實(shí)際運(yùn)行與運(yùn)行計劃出現(xiàn)偏差時，車載VOBC依據(jù)ATS下發(fā)的運(yùn)行變更計劃或人工調(diào)整指令，實(shí)時自主地申請獲取或釋放計劃路徑內(nèi)的線路資源，實(shí)時調(diào)整列車運(yùn)行路徑、站停時間及區(qū)間運(yùn)行等級等參數(shù)，以控制列車牽引/制動指令以及級位等信息的輸出時機(jī)，重新計算列車的MA，從而控制列車按新計劃行車（圖7）。

圖6 列車自主計算MA時序示意圖Fig. 6 Sequence diagram of train autonomous computing MA

圖7 列車自主運(yùn)行調(diào)整時序示意Fig. 7 Sequence diagram of train autonomous operation adjustment

2.7 列車降級管理

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，由于軌旁設(shè)置信號機(jī)、次級列車占用檢測設(shè)備、有源應(yīng)答器等設(shè)備，系統(tǒng)可設(shè)置點(diǎn)式級別控制模式與聯(lián)鎖級別控制模式[12]。當(dāng)列車因與軌旁列控設(shè)備通信發(fā)生故障而降級后，其依據(jù)從有源應(yīng)答器接收的報文信息獲得點(diǎn)式MA信息，可繼續(xù)在有效MA范圍內(nèi)安全運(yùn)行。當(dāng)車載VOBC應(yīng)答器接收設(shè)備或應(yīng)答器本身故障時，由CI設(shè)備實(shí)現(xiàn)進(jìn)路的人工設(shè)置,司機(jī)將地面信號顯示作為行車憑證，人工駕駛列車運(yùn)行。

TACS原則上不在軌旁線路上布置信號機(jī)及有源應(yīng)答器等設(shè)備，因此系統(tǒng)不以傳統(tǒng)的點(diǎn)式級別控制模式與聯(lián)鎖級別控制模式作為后備控制模式。TACS列車以車-車間主動通信為基礎(chǔ)，通過列車與地面OC間實(shí)時交互線路資源及列車位置信息。OC接收所管轄區(qū)內(nèi)的所有受控通信列車的位置信息，實(shí)時維持通信鏈路，當(dāng)OC判斷與受控列車非正常注銷通信中斷或者接收到車載VOBC發(fā)送的列車完整性丟失、障礙物/脫軌故障信息有效時，為該故障列車自動觸發(fā)創(chuàng)建具有安全長度的防護(hù)區(qū)；同時OC將創(chuàng)建的防護(hù)區(qū)信息發(fā)送至管轄內(nèi)的所有受控列車。正常通信列車車載VOBC接收到防護(hù)區(qū)信息后，列車在計算移動授權(quán)時將該信息視為不能逾越的障礙點(diǎn)，將通信列車與降級故障列車進(jìn)行物理隔離，以確保列車間運(yùn)行安全（圖8）。

圖8 列車故障降級管理時序示意圖Fig. 8 Sequence diagram of train fault degradation management

此外，OC 提供降級列車的路徑設(shè)置功能，可為故障降級列車設(shè)置以列車為起點(diǎn)至前方目的停車區(qū)域的路徑，集中管理路徑內(nèi)的線路資源。當(dāng)事列車故障觸發(fā)緊急制動停車后，列車降級為限制人工駕駛（RM）或緊急非限制人工駕駛（EUM）模式, 由中心調(diào)度員為故障列車向OC 下發(fā)至前方站臺或目的正線存車線的路徑建立指令；OC進(jìn)行路徑建立條件檢查，當(dāng)檢查條件通過后（此路徑具體檢查邏輯不同于固定閉塞下的聯(lián)鎖進(jìn)路檢查條件，本文不再詳述），路徑建立成功，中心調(diào)度員可向故障列車司機(jī)下發(fā)發(fā)車授權(quán)；故障列車司機(jī)可結(jié)合障礙物主動識別技術(shù)，人工駕駛列車在ATP固定的低速防護(hù)下（降級列車為RM 模式時）運(yùn)行至前方站臺或目的正線存車線。

OC為故障列車設(shè)置路徑，正常通信TACS列車不能申請獲取到該路徑內(nèi)的線路資源，所以為列車計算的行車許可也不能延伸進(jìn)入該路徑范圍內(nèi)；當(dāng)故障列車運(yùn)行到達(dá)目的停車區(qū)域且經(jīng)中心調(diào)度員人工確認(rèn)后，可以下發(fā)取消路徑指令，OC取消為故障列車設(shè)置的路徑，系統(tǒng)立即恢復(fù)為TACS控制模式。

3 TACS典型核心功能

TACS是以列車為中心，以車－車、車－地間協(xié)作通信為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行方式由自動化向自主化轉(zhuǎn)變，其典型核心功能主要包括列車自主路徑、自主防護(hù)及自主運(yùn)行調(diào)整等。

3.1 列車自主路徑

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，由ATS根據(jù)運(yùn)行計劃和列車位置向CI下發(fā)進(jìn)路建立指令，由CI判斷進(jìn)路建立條件，輸出進(jìn)路內(nèi)的道岔控制指令及時機(jī)。CI檢查進(jìn)路建立條件，全部滿足后，鎖閉進(jìn)路，并將進(jìn)路鎖閉狀態(tài)信息實(shí)時發(fā)送給ZC設(shè)備，由ZC為列車計算移動授權(quán)。

TACS列車自主計算安全路徑。TACS列車車載VOBC提前接收ATS下發(fā)的計劃運(yùn)行路徑信息，主動向OC 提取計劃運(yùn)行路徑范圍內(nèi)的線路資源，列車基于線路資源的獲取狀態(tài)自主計算安全運(yùn)行路徑。通常情況下，若列車獲得某資源，為列車計算的安全運(yùn)行路徑終點(diǎn)就可以越過該資源點(diǎn)防護(hù)區(qū)，延伸至下一未獲得的線路資源點(diǎn)防護(hù)區(qū)邊界，再回撤一定的安全防護(hù)距離，從而周期地計算出列車的安全運(yùn)行路徑范圍。

3.2 列車自主防護(hù)

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)通過軌旁CI、ZC設(shè)備與車載VOBC協(xié)同控制列車安全運(yùn)行。其由軌旁CI系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)路內(nèi)的聯(lián)鎖邏輯檢查、進(jìn)路與進(jìn)路間的敵對聯(lián)鎖邏輯檢查，以進(jìn)行列車間的安全間隔防護(hù)；同時，軌旁ZC接收CI 發(fā)送的進(jìn)路狀態(tài)和軌旁設(shè)備狀態(tài)等信息，為受控列車計算MA；受控列車車載VOBC根據(jù)ZC為其計算的MA計算列車安全防護(hù)速度曲線，以確保列車間的安全間隔防護(hù)。

由于軌旁不設(shè)置信號機(jī)、次級列車占用檢測設(shè)備，因此TACS不能通過設(shè)置常規(guī)、傳統(tǒng)進(jìn)路方式來進(jìn)行列車運(yùn)行的安全防護(hù)，其將進(jìn)路演變?yōu)樾熊嚳臻g內(nèi)的路徑資源。

列車基于自主計算的安全路徑，識別該安全路徑范圍內(nèi)的所有障礙物（包括前車），鎖定需要通信的相鄰目標(biāo)列車，并主動與目標(biāo)列車實(shí)時通信交互信息，以獲取目標(biāo)列車的位置、速度及方向等信息。列車基于安全路徑、從OC 接收到的軌旁設(shè)備狀態(tài)信息、列車位置信息以及通過車－車間直接通信方式獲取到的相鄰列車信息，自主計算移動授權(quán)和控車防護(hù)速度曲線，以確保列車間的安全間隔防護(hù)。

3.3 列車自主運(yùn)行調(diào)整

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)，若列車實(shí)際運(yùn)行的路徑和運(yùn)行時間與運(yùn)行計劃出現(xiàn)偏差時，由ATS根據(jù)預(yù)先設(shè)置的調(diào)整策略（如先到先服務(wù)、時刻表優(yōu)先）變更計劃，可采取兩種處理方式：

（1）調(diào)整運(yùn)行計劃或者人工設(shè)定目的地，并下發(fā)給目標(biāo)列車。

（2）采用ATS的沖突處理策略。對于后行列車，當(dāng)列車占壓進(jìn)路的觸發(fā)區(qū)段時，可限制為列車觸發(fā)辦理進(jìn)路的時機(jī)；同時列車根據(jù)調(diào)整的運(yùn)行計劃，調(diào)整列車的站停時間、區(qū)間運(yùn)行等級等參數(shù)。

而TACS，若列車在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)晚點(diǎn)或因列車故障導(dǎo)致與計劃運(yùn)行時刻表出現(xiàn)偏差時，目標(biāo)列車既可實(shí)時接收ATS自動下發(fā)的更新運(yùn)行計劃，也可以接收中心調(diào)度員人工下發(fā)的調(diào)整站停時間、區(qū)間運(yùn)行等級等指令。列車根據(jù)更新計劃或調(diào)整指令自主調(diào)整列車運(yùn)行路徑，自主申請或釋放線路資源，以控制列車輸出牽引、惰行、制動指令的大小和時機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)列車的自主運(yùn)行調(diào)整。

4 TACS特點(diǎn)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，更安全可靠

TACS在傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的“車－地－車”架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，車載VOBC集成了原地面的CI和ZC的核心功能以及ATS的部分功能，地面僅保留與現(xiàn)場設(shè)備接口的OC設(shè)備；同時，車載VOBC設(shè)備與車輛網(wǎng)絡(luò)、牽引、制動系統(tǒng)深度融合，大大降低了系統(tǒng)間接口的復(fù)雜度并減少了交互信息量，優(yōu)化了通信鏈路，有效減少了系統(tǒng)間列控信息通信傳輸時延，提高了系統(tǒng)控制精度，使列車在安全、可靠、智能方面有了明顯提升。

4.2 線路資源利用率高

TACS基于運(yùn)行計劃對線路上的資源點(diǎn)進(jìn)行有序分配和釋放管理，替代傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)通過進(jìn)路的手段對進(jìn)路內(nèi)的線路資源點(diǎn)集中管理；同時，將資源點(diǎn)都設(shè)置為獨(dú)占屬性，列車使用完某資源后立馬釋放，系統(tǒng)立馬可以將該資源分配給下一申請列車。因此，可以在同等線路配置條件下，盡量減少每一線路資源被每一列車占用的時間，從而大幅提升線路資源利用效率，也有利于縮短列車運(yùn)行間隔，提高列車的旅行速度。

4.3 提升列車追蹤折返效率

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，通過傳統(tǒng)進(jìn)路的方式對進(jìn)路內(nèi)的線路資源統(tǒng)一集中分配管理，也是通過進(jìn)路間侵限防護(hù)檢查來防止列車間的側(cè)沖、侵限風(fēng)險；同時，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)一般將物理上關(guān)聯(lián)渡線道岔設(shè)置為雙動道岔（只能同時操縱至定位或同時操縱至反位）。而TACS對線路資源進(jìn)行分散管理，同時將所有的道岔設(shè)置為單動道岔；列車獲取某道岔資源且判斷通過該道岔防護(hù)區(qū)后，可立馬釋放該道岔資源，因此，可大大縮短折返間隔時間，提升列車的折返效率[13]。

下面通過TACS與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)下的列車追蹤進(jìn)行站后折返作業(yè)時的場景來對比描述。如圖9所示（線路上的信號機(jī)、計軸點(diǎn)都是虛擬設(shè)備），TACS下列車Train1和Train2按照圖中黑色路徑進(jìn)行站臺折返作業(yè)，TACS將所有的道岔設(shè)置為單動道岔。先行列車Train1從接車站臺進(jìn)行站后折返作業(yè)，Train1獲取到線路上期望位置的道岔1和道岔2資源后，計算的MA終點(diǎn)延伸至折返軌，列車出站發(fā)車前行。當(dāng)列車運(yùn)行出清道岔1防護(hù)區(qū)域后，立即釋放道岔1資源。OC系統(tǒng)可接受后行列車Train2對道岔1位置的申請，立即將道岔1分配給Train2，OC輸出相應(yīng)的道岔控制指令，將道岔1操縱至反位；同時，為防止列車間側(cè)沖風(fēng)險，根據(jù)2.3節(jié)介紹的列車側(cè)沖防護(hù)原理，Train2自主計算的MA終點(diǎn)不能越過道岔1和道岔2之間的重疊防護(hù)區(qū)的邊界點(diǎn)（相對于Train2的接近端），確保Train2不會與從折返軌折出運(yùn)行的列車Train1發(fā)生側(cè)沖，在保證列車運(yùn)行安全的同時又大大提高了折返效率。

圖9 TACS的站后追蹤折返示意Fig. 9 Schematic diagram of tracking and turning back after station for TACS

如圖10所示，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)下列車Train1和Train2按照圖中黑色路徑進(jìn)行站后折返作業(yè)，系統(tǒng)為前行列車Train1辦理S2-S1的折入進(jìn)路，將道岔1/道岔2操縱至反位，列車Train1的MA終點(diǎn)延伸至折返軌后，列車發(fā)車前行。當(dāng)列車運(yùn)行至折返軌完全出清道岔1和道岔2，道岔1和道岔2才能徹底解鎖。但是為規(guī)避折返作業(yè)時列車憋車的場景，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)不允許追蹤辦理折返進(jìn)路，所以只能等待，為列車Train1繼續(xù)辦理S1-S3的折出進(jìn)路；將道岔1/道岔2重新操縱至定位，Train1 折出運(yùn)行完成、出清道岔2后，系統(tǒng)才能徹底釋放解鎖道岔1/道岔2，此時才能為后行列車Train2辦理S2-S1的折入進(jìn)路；又將道岔1/道岔2重新操縱至反位，依次反復(fù)進(jìn)行折返作業(yè)。顯然，傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)列車折返效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TACS系統(tǒng)列車的。

圖10 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的站臺追蹤折返示意圖Fig. 10 Schematic diagram of tracking and turning back after station for traditional CBTC system

4.4 提高系統(tǒng)運(yùn)營組織的靈活性

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)通過進(jìn)路保證列車運(yùn)行安全；同時由于進(jìn)路的限制，對于雙車對向運(yùn)行作業(yè)，通過敵對進(jìn)路沖突檢查來進(jìn)行防護(hù)。進(jìn)路沖突時，無法成功辦理進(jìn)路，列車只能在允許對向運(yùn)行的特定范圍內(nèi)對向運(yùn)行，既無法滿足在特殊需求下的對向運(yùn)行，也無法滿足突發(fā)或異常場景的更高效的應(yīng)對（如救援列車的高效安全運(yùn)行），運(yùn)行靈活性較低。

TACS系統(tǒng)對線路資源的更精細(xì)化管理，可為運(yùn)營提供更加靈活和多樣化的運(yùn)輸組織方案。例如，系統(tǒng)可以為故障列車設(shè)置以列車為起點(diǎn)、任意方向的至前方目的停車區(qū)的路徑，以提高應(yīng)急救援處理效率；系統(tǒng)支持列車在線路區(qū)間任意點(diǎn)折返換端運(yùn)行、列車以無人駕駛模式對向運(yùn)行等場景。

4.5 大大提高了系統(tǒng)可用性

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，ZC對控制區(qū)域內(nèi)的列車進(jìn)行集中管理，收集所有列車的位置信息及控制區(qū)域內(nèi)的進(jìn)路狀態(tài)，為每一列車計算移動授權(quán)；當(dāng)ZC發(fā)生故障時，整個控制區(qū)域內(nèi)的CBTC列車都會受到影響。

TACS相對于傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)是一個分布式交互控制系統(tǒng)，列車自主運(yùn)行時，僅需無線網(wǎng)絡(luò)且OC設(shè)備無故障即可。單列車故障時，并不會影響其他正常TACS列車正常運(yùn)行，對運(yùn)營影響范圍小且能快速恢復(fù)，可用性更高。

4.6 降低項(xiàng)目成本

與傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)相比，TACS簡化了系統(tǒng)架構(gòu)，軌旁線路上刪除了有源應(yīng)答器和大部分計軸設(shè)備和信號機(jī)設(shè)備，車站去除了ZC 和CI設(shè)備；同時車載VOBC系統(tǒng)與車輛電氣系統(tǒng)深度融合，車載信號系統(tǒng)與車輛間的非安全硬線/繼電器通過列車控制與監(jiān)測系統(tǒng)（train control and monitoring system，TCMS）實(shí)現(xiàn)，也優(yōu)化了各子系統(tǒng)間接口，大大降低了系統(tǒng)項(xiàng)目的建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)成本，系統(tǒng)的項(xiàng)目工程施工和調(diào)試更容易，施工周期也大大縮短。

依據(jù)CBTC工程項(xiàng)目中設(shè)備成本估算，TACS相比于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)工程項(xiàng)目，信號設(shè)備成本可減少20%，項(xiàng)目建設(shè)、運(yùn)營及維護(hù)成本可降低20%～30%，項(xiàng)目工程施工、調(diào)試周期可縮短20%～30%。

4.7 有利于舊線改造

TACS 地面系統(tǒng)僅保留了OC、ATS系統(tǒng)設(shè)備，軌旁線路僅設(shè)置轉(zhuǎn)轍機(jī)和無源應(yīng)答器，列車運(yùn)行路徑、移動授權(quán)以及列車的控車速度曲線等核心功能都被移植且集成至車上，軌旁設(shè)備簡單，大大降低系統(tǒng)間接口的復(fù)雜度和工程調(diào)試難度。這些特征非常有利于舊線列車控制系統(tǒng)升級改造，同時也有利于新舊系統(tǒng)倒切時系統(tǒng)的快速恢復(fù)，系統(tǒng)切換的安全風(fēng)險大大降低。

5 結(jié)語

TACS優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車－地－車”系統(tǒng)架構(gòu)，充分利用LTE-M 這一安全高速的信息傳輸平臺，使列車間可以直接通信交互信息，并將系統(tǒng)的列車控制主體轉(zhuǎn)移到列車車載控制器上，實(shí)現(xiàn)了列車的自主運(yùn)行。同時，通過對線路資源的精細(xì)化管理，TACS實(shí)現(xiàn)了線路資源利用最大化，大大縮短了列車追蹤折返間隔時間，提升了列車出庫入庫能力，提高了線路的運(yùn)能運(yùn)量，系統(tǒng)的運(yùn)輸組織更靈活高效。系統(tǒng)也減少了軌旁線路的信號設(shè)備數(shù)量，大大降低了項(xiàng)目的建設(shè)和維護(hù)成本。

未來，TACS將朝著更安全、高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展：

（1）在精確定位的基礎(chǔ)上，通過對道岔等線路資源的精細(xì)化管理，以列車車載設(shè)備自主控制方式實(shí)現(xiàn)高效能的列車控制，進(jìn)一步縮短列車追蹤、折返間隔，以提升線路運(yùn)能。

（2）以全自動無人駕駛FAO為核心的智能軌道交通將包含智能調(diào)度、智能運(yùn)維等功能，以及智能化車站和智能化車場，使智能軌道交通發(fā)展到一個新的高度；為保障列車安全、快捷運(yùn)營，TACS在設(shè)備無故障條件下以FAO模式運(yùn)行，有效提升了線路運(yùn)能，同時TACS為“故障－安全運(yùn)行”的系統(tǒng)設(shè)計理念提供了實(shí)現(xiàn)手段。

（3）隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云平臺等各種新技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)運(yùn)行能力的提升，列車控制設(shè)備的進(jìn)一步整合和簡化也將成為一個趨勢，如軌旁設(shè)備的整合、車載信號設(shè)備與車輛電氣系統(tǒng)設(shè)備的整合等，列控系統(tǒng)的架構(gòu)和接口將更為簡單和合理。