城市轨道交通列车自主运行系统后备模式研究

陈欣

在城市轨道交通普遍采用的基于“车-地-车”通信模式和系统架构的移动闭塞CBTC系统中，列车需执行轨旁和中心设备的指令，因轨旁设备多、系统接口复杂、列车运行对轨旁设备依赖性强等结构特点，导致施工周期长、调试繁杂、故障影响范围大、互联互通困难、建设和维护成本高等问题［1］。为简化系统结构、提升列车控制智能化水平、节省施工及调试时间，近年来，国内外信号厂商开展了下一代列控系统——列车自主运行系统（Train Autonomous Control System，TACS）的研发工作，目前该系统已经在深圳地铁20号线、青岛地铁6号线落地运用。

TACS系统主要通过车车通信和车载系统控制列车运行，当发生故障时，如何提高系统可用性具有重要研究意义。目前，已有学者对TACS系统的后备模式进行研究：文献［2］提出基于感知自主运行的后备模式，研究该后备模式与主控模式关系及运行场景；文献［3］设计一套智能轨旁对象控制器系统，为TACS系统后备模式提供列车自动运行基础数据，实现由OC和ATS控制列车的后备运行，保障行车安全；文献［4］通过分析车车通信系统的结构和功能，提出新型列控系统的后备模式，并利用有色Petri网建立模式切换模型，得出后备模式下不同时间间隔设计对列车运行的影响。而不同信号系统供货商采用的TACS系统后备模式技术不尽相同，本文针对国内城市轨道交通TACS系统的几种后备模式的设备配置、工作原理、运营场景进行分析，阐述优缺点，并提出相应的可行性建议。

1 TACS系统概述

TACS系统主要由列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，ATS）、数据通信系统（Data Communication System，DCS）、车载控制器（Carborne Controller，CC）、轨旁资源管理设备、轨旁目标控制器（Object Controller，OC）、轨旁列车管理设备等组成，并可根据需求配置不同的的后备系统［5］。TACS系统架构见图1。

图1 TACS系统架构

与传统CBTC系统相比，TACS系统精简了轨旁设备，取消了轨旁联锁（Computer based Interlocking，CI）和区域控制器（Zone Controller，ZC）设备，将大多数轨旁核心功能整合到车载设备中，由车载实现列车自动防护和列车自动运行功能，通过DCS子系统建立列车之间、列车与轨旁设备、列车与ATS的通信通道，实现以车载为核心的架构［6］。

TACS系统对传统CBTC系统功能进行重新分配及性能提升，主要包括以下几方面。

1）车载控制器：是TACS系统的核心，可获取前车速度、位置等信息，结合轨旁设备状态信息自主计算移动授权并控制列车自动运行。

2）轨旁资源管理设备：执行ATS进路办理命令，根据列车运行需求，接收列车的资源申请命令，并对轨旁资源进行分配，发送至轨旁目标控制器，同时将资源分配状态反馈给列车。

3）轨旁目标控制器：采用全电子执行单元与轨旁信号基础设备连接，用于实现对轨旁设备的信息采集和控制。

4）轨旁列车管理设备：负责全线临时限速存储和下发。

TACS系统控制下，由ATS向列车下发运营计划，列车根据运行任务主动向轨旁资源管理设备请求运行范围内的线路资源（包括道岔、线路末端、站台门、人员防护开关、紧急停车按钮等），通过车车通信获取前方列车信息，基于线路资源和前方列车信息，计算移动授权的终点位置，并在自主防护下实现自动运行，从而实现基于车车通信的移动闭塞防护［7］。

与传统CBTC系统相比，TACS系统轨旁设备大幅度减少，列车之间采用车车通信，轨旁资源的管理和列车间隔的防护由车载控制器进行处理，减少了设备的通信环节，缩短了信息的传输延迟，各系统高度融合，内部交互简洁，显著提高了运营效率，节约了建设成本和运营成本［8-9］。

2 TACS系统后备模式

信号系统的后备模式是在主用系统出现故障无法维持主用模式运行时，能够支持在线列车保持一定运营秩序的技术手段。

传统CBTC系统多采用点式ATP或联锁作为后备模式，当车地通信故障时，车载系统通过轨旁设备有源应答器获得移动授权和控制命令，采用固定闭塞的运行方式。由于TACS系统采用车车通信方式，系统功能高度集中，任一设备发生故障都可能导致信号系统可用性大幅度下降，因此为了确保信号系统局部故障情况下地铁线路仍能够安全高效运营，不同厂家提出各自的TACS系统后备模式，总结起来大致有3种：配置列车智能感知系统、配置列车自主定位系统、配置降级联锁系统。

2.1 配置列车智能感知系统

列车智能感知系统（Train Intelligent Perception System，TIPS）主要由轨旁设备（标识牌）和车载设备（激光雷达、毫米波雷达、相机、TIPS主机）组成，其结构见图2。

图2中，标识牌可实现列车的初始定位和定位偏差的校准；激光雷达是实现障碍物可靠监测的核心传感器，可测量距前方障碍物的距离，精确绘制周边地图；毫米波雷达可提供测速信息，辅助进行高精度定位；相机可捕获图像数据，侦测前方列车、行人、障碍物及信号机状态；TIPS主机负责对输入数据进行安全校验，对激光雷达、毫米波雷达数据进行预处理，并将列车精确定位、列车运行前方障碍物、信号机状态等信息输出至车载ATP系统，由ATP系统实现降级场景下的列车安全防护。

当车地通信发生故障时（TACS系统中车车通信链路是通过列车-控制中心-列车实现的），因无法获取前方列车信息，车载ATP无法计算移动授权，列车将从主用模式切换至后备模式。车载ATP系统依靠列车智能感知系统获取列车当前精确位置、前方障碍物检测结果、信号机状态信息等，实时动态计算移动授权。故障消除后，列车无需进行筛选等操作，能够快速恢复至主用模式。

2.2 配置列车自主定位系统

TACS系统将传统的进路细化为线路资源进行申请和释放，减少了对轨道区段次级检测设备的依赖。对于全线取消了多个计轴设备的线路，当列车车载发生故障降级时，将会丢失定位，且无法主动向轨旁资源管理设备申请资源。为解决上述问题，可配置列车自主定位系统（Backup Location System，BLS）实现对降级列车的定位，同时由轨旁列车管理设备负责管理和跟踪故障列车。

在车载设备中增加一套BLS系统，BLS系统共享既有车载的应答器及无线天线等设备，通过轨旁无源应答器对列车进行定位，替代了计轴对降级列车的被动监测。列车正常运营时，轨旁列车管理设备持续对所有列车进行跟踪管理，当某一列车车载故障后，轨旁列车管理设备立即接手故障前列车已获得的线路资源，按降级列车的原则进行资源管理，代替降级列车向轨旁资源管理设备进行资源申请和释放，并与相邻列车进行信息交互［10］。资源分配后可根据需求开放信号机继续运行。

基于列车自主定位系统的后备模式运营场景示意见图3。

图3 基于列车自主定位系统的后备模式运营场景示意

2.3 配置降级联锁系统

对于全线采用了计轴和联锁设备的TACS线路，则系统故障时可降级至联锁系统后备模式，这时需设备和运营人员共同保证列车的运行安全。

联锁系统后备模式下，室内设置联锁设备，轨旁设置部分信号机、计轴等。通信列车执行TACS逻辑，降级列车执行联锁逻辑。当因车地通信故障，TACS系统降级为联锁系统后备模式时，列车通过人工驾驶，按信号机显示行车，联锁系统通过进路闭塞方式保证列车的行车间隔，每条进路中仅允许一列车运行，进路采用信号机至信号机的办理方式。基于联锁系统后备模式运营场景示意见图4。

图4 基于联锁系统后备模式运营场景示意

3 后备模式分析

1）基于列车智能感知系统的后备模式优势在于，车地通信故障情况下列车仍可继续自动驾驶，避免列车因故长时间停滞于区间，同时具备ATP防护功能。但列车在进路内方发生车地通信故障停车时，需人工确认本进路内前方道岔位置是否正确、是否有临时限速、紧急关闭按钮是否激活等信息；该后备模式在列车进站时无法实现车门/站台门联动，需由司机或站务人员打开车门和站台门；同时，由于相机、雷达等设备的探测结果会受到天气等外界因素的影响，因此，在高架线路或车辆段（场）使用列车智能感知系统具有一定的局限性。

2）配置BLS作为后备模式，其优点在于TACS系统可以无缝切换到该后备模式，不用增加轨旁设备，可减少建设和维护成本，便于运营人员操作。不足之处在于列车降级时仍需要车地无线通信将列车位置传至轨旁列车管理单元，对于车地通信故障的列车，则无法探测到其准确的位置。该后备模式高度依赖车地无线通信，对车地无线通信的可靠性提出了更大的挑战。

3）配置降级联锁系统，需增加计轴等轨旁设备，其优点是车地通信丢失时仍能探测到列车的位置，但线路的建设和维护成本会提高，不能充分发挥TACS系统减少轨旁设备的优势。

4 应用场景分析

后备模式的提出是为了提高主用系统的可用性并满足不同的运营需求，主要的应用场景如下。

场景1线路运营初期，客流量不大，为了节约投资或者信号系统不具备一次性开通TACS系统的条件时，考虑后备模式作为运营线路临时过渡方案。

场景2轨旁设备发生局部故障，如车地无线通信中断、轨旁设备发生故障，而联锁系统正常时，需要线路具备一定的运营效率，列车可继续运行。

场景3车载设备发生故障时，故障列车能够快速出清区段，恢复地铁正常运营。

场景4为救援列车、工程车，以及非运营时段调车、维修作业的行车等提供一定程度的安全保障。

不同后备模式适用场景分析：

1）若TACS主用系统额外配置了计轴和联锁系统，则联锁系统后备模式可应用于场景1～场景4中。

2）目前，信号系统的轨旁设备多采用冗余配置，故障率低，但由于无线环境复杂，受干扰的情况较多，故仍会发生无线通信故障。列车智能感知系统主要应用在车地无线通信故障的场景下，同时也可以作为工程车等非装备列车的辅助设备，实现障碍物监测、测速测距、列车定位等功能。因此，列车智能感知系统可应用于场景2和场景4中。

3）若TACS系统未使用计轴和联锁设备，则可采用列车自主定位系统作为后备模式。考虑到此方案高度依赖车地无线通信系统，因此该方案可应用于场景3和场景4中。

5 结论及建议

配置列车智能感知系统优势在于列车降级时仍然具备ATP防护功能，但存在信号机识别距离短、线路的弯道半径可能超出感知设备的检测上限等使用限制；配置列车自主定位系统最大的优势是取消了计轴，减少了大量轨旁设备，但是它高度依赖车地无线通信；配置降级联锁系统不仅未减少轨旁设备，反而增加了联锁设备和区域控制器，未能充分发挥TACS系统的降配增效优势。鉴于TACS系统工程开通的业绩较少，各种后备模式的可靠性、可用性及安全性还待进一步实践验证。

表1 3种TACS系统后备模式与传统CBTC设备配置对比

当然，随着通信技术的发展及车地无线通信可靠性的提高，TACS系统主用模式的可靠性进一步提高，借鉴国外城市轨道交通的经验，也可以通过办理前方运行线路的区段封锁，人工保证降级列车运行的安全，从而达到简化系统结构、节约投资、降低维护工作量的目的。

综上所述，与现阶段TACS技术发展水平相适应，需综合考虑工程情况及运营需求，合理选择适合工程的TACS系统后备模式。