列车自主运行系统（TACS）在青岛地铁5 号线的应用

彭晓璐

（中铁通信信号勘测设计院有限公司，北京 100000）

1 工程概况

青岛市地铁5 号线是位于东岸城区核心区的骨干线路，全线运营范围从麦岛站到沙子口站，线路长约40.04 km。5 号线分为一期工程和二期工程。其中，一期工程起于麦岛路站，止于云岭路站，线路长约32.65 km，设镇平路车辆段1 座，从环湾大道站接轨，主用控制中心设于辽阳东路控制中心，备用控制中心设于车辆段内。5 号线一期工程初期配属39 列车，车辆采用B 型车，初、近、远期均采用6 辆编组（4M2T），最高运行速度80 km/h，初期平均旅行速度33 km/h，近、远期大交路平均旅行速度35 km/h、小交路平均旅行速度33 km/h。采用双线、全封闭运营线路，右侧行车制，麦岛站到云岭路站方向为上行方向，云岭路园站到麦岛站方向为下行方向。本文将针对青岛市地铁5 号线一期工程信号系统设计展开探讨。

2 青岛地铁5 号线工程信号系统设计

2.1 方案比选

目前，青岛地铁已开通及在建项目的信号系统均采用移动闭塞制式，从技术的角度出发，移动闭塞能够满足工程建设需求，但为了提高信号设计水平，本工程将基于移动闭塞方式的ATC 系统（CBTC 系统）和列车自主运行系统（TACS）作为方案比选的主要对象。

CBTC 系统以地面设备为列车运行的控制核心，通过车地通信实施传递列车信息，控制列车运行，即前车将定位信息发送到地面，根据位置信息结合其他安全数据，判断后车运行安全，发送移动授权。

TACS 系统则不同，能够利用无线通信技术，实现车车通信，列车之间直接建立通信，后车可以获取前车相关信息，自主判断线路状态，计算移动授权和防护曲线。TACS 系统能够将传统的车地两层分布式列车控制系统与车载网络控制系统、牵引系统、制动系统等高度融合，不再以地面控制设备为核心，而是基于车载控制平台，实现列车自主前进、自主调整、自主防护等效果。

考虑到运营模式和自动化水平方面，青岛地铁5 号线按完全无人自动运行模式GOA4（UTO）设计，而TACS 系统能够很好地支持该模式，在通信质量、效率、安全、成本、智能等方面优势明显。除了理论上的可行性，还要加强实践验证，根据已完成TACS 试验线的系统测试、 既有线青岛1 号线正线测试、TACS 产品应用发布，验证了TACS 系统的安全性、可靠性、可用性。综合以上因素，本工程信号设计拟采用列车自主运行系统（TACS）。

2.2 系统架构

TACS 将传统CBTC 中的设备进行了集成，在系统架构、复杂程度等方面，实现了化繁为简的优化效果，减少了轨旁设备的应用，降低了建设、运营成本。列车自主运行系统将原信号系统与牵引、 制动、 车辆网络控制系统及防撞系统进行融合，主要由牵引系统、制动系统（含既有ATO）、车辆网络控制系统、防撞系统、车载信号子系统、轨旁OC 子系统、ATS 子系统、DCS 子系统、MMS 子系统以及轨旁基础设备共同组成，整体架构划分为列控系统、牵引系统、制动系统、车辆网络控制系统及防撞系统5 部分。TACS 系统设计将提高列车性能、控制寿命周期成本作为主要目标，更多的是从列车全系统的角度出发，实现了系统化、一体化设计，将各种子系统有机整合，通过一体化平台进行统一控制、管理。融合设计思路主要体现在车载网络融合、 硬线电路融合、HMI 与DMI 融合、 测速融合、ATO 融合等方面[1]。

2.3 列控系统

青岛地铁5 号线一期工程列控系统作为列车自主运行系统（TACS）的重要组成部分，主要包括车载子系统、轨旁子系统、ATS 子系统、DCS 子系统、维护监测子系统5 个子系统。

车载控制子系统包含车载列控及车地通信等设备，将所有列车控制相关设备作为节点纳入TCMS 网络进行管理，具备资源管理、车载ATP、车载ATO 等主要功能。

轨旁子系统主要包含OC 及轨旁基础设备。OC 设备主要完成列车注册以及通信状态管理、列车位置登记与查询、资源登记与查询、实体资源的驱动与采集、通信故障列车持有资源的回收、非通信车固定闭塞追踪管理等功能。

ATS 系统对整个地铁线路的运行进行监督和控制，提供调度管理级别必需的自动控制功能。ATS 监视并显示实际运营的列车位置，并能进行人工操作控制。ATS 系统设置中央和备用服务器，正常情况下，控制中心ATS 控制全线，如果控制中心ATS 发生故障，会自动切换到备用服务器，有效降低设备故障产生的负面影响。

数据通信子系统（DCS）实现的功能主要包括TACS 各子系统之间双向与可靠数据通信、网络安全、网络管理和维护。

结合青岛市智慧地铁的规划，本工程新设置信号智能运维子系统，实现TACS 列控系统设备的在线监测、数据分析、智能维护。线路级信号智能运维子系统的功能定位为线路级信号智能运维系统，应具备就地监测和远程报警、远程日志实时下载、数据存储和处理等功能。

2.4 牵引系统

牵引控制子系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，经受流器输入的DC1500V 直流电由VVVF 逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向异步牵引电动机供电，当刚性接触网电压在1 000~1 800 V 变化时，主电路能正常工作，并方便地实现牵引—制动的无接点转换。牵引系统主要由司机控制器、牵引逆变器系统（VVVF）、牵引控制单元（DCU）、牵引电动机、传感器、列车电气连接器、主电路电器等组成。牵引控制子系统接受来自列车网络与硬线的信号，通过内部逻辑运算，实现对列车牵引子系统的控制，最基本的功能包括牵引控制功能和电制动控制功能。前者又包括牵引力施加、紧急牵引、救援、洗车模式、防空转等功能，制动控制功能主要包括电制动力施加和防滑行功能[2]。

2.5 制动系统

在制动控制子系统设计时，每列车头尾的第一个转向架各安装1 台融合了ATO 功能的主阀，这两台主阀设备互为冗余，正常工作时，只有1 台主阀能够成为主控制主阀，负责整列车的制动管理与控车工作，当主控制主阀发生故障时，另1台主阀将自动成为主控制主阀，其他转向架各安装1 台辅阀，辅阀不具有ATO 板卡，其他硬件与主阀相同。整列车设定为一个制动控制单元，主阀接收辅阀以及自己的状态信息进行制动管理，辅阀接收主阀的指令信息进行制动的施加与缓解，以及防滑控制工作。为了防止主辅阀之间数据交互不稳定，主辅阀均预留了MVB 总线接口，当现车验证发现主辅阀之间通信不稳定并且短时间内无法解决时，制动系统将考虑采用MVB 总线进行制动内部数据交互。主辅阀均有硬件输入输出接口，用于控制紧急制动施加、远程缓解等工作。制动控制子系统具有制动控制功能和ATO 控车功能，其中，制动控制功能是主阀根据制动指令对列车实施制动，包括制动指令管理、制动力分配、制动控制、防滑控制等子功能，并分为电制动、空气制动以及电空复合制动几种不同形式；ATO 控车功能是主阀根据当前的车辆状态、轨道线路情况等信息，对车辆进行相应控制，可以进一步分解为列车运行控制、运行等级调整、全自动运行、全自动折返、站台扣车、跳停、列车精准停车、门管理、自动发车等子功能。

2.6 网络控制系统

车辆网络控制系统依据相关规范标准设计，采用冗余传输思路，以提高数据传输的安全性、稳定性、可靠性。车辆网络控制系统（简称TCMS）中，对控制网和列控系统网进行并网处理，可以达到多网融合的目的，提供独立的工业级网络。列车控制及监控系统包括车载硬件、控制软件、操作系统、监视软件、诊断软件、维护工具等。车辆各设备与TCMS 系统之间采用网络通信或硬线连接，对于与行车安全有关的输入输出信号，采用网络加硬线的冗余设计，即网络冗余加硬线的连接，当某些列车级控制发生故障，通过冗余的硬件电路，使列车能够维持安全运营至终点站。TCMS 主要负责完成牵引和制动控制、列车运行信息采集、主要设备状态的监视和列车诊断，为相关人员进行操控、维修提供支持，可进一步分解为网络通信、入网设备状态监督、牵引系统管理、辅助系统管理、制动系统管理、空调系统管理、列车检查管理等子功能。

2.7 防撞系统

青岛地铁5 号线采用的是列车自主运行系统（TACS），当车载信号系统出现故障或车地无线通信失效时，故障列车和故障区域内的列车将不能正常运行，此外，当发生区域或全线车地无线通信出现故障时，中心ATS 系统仅能通过轨旁计轴设备获得列车的位置信息，不能识别同一个计轴区段内有多个列车的场景。因此，采用TACS 系统的地铁线路，应该采用必要的技术手段确保上述故障场景下，故障列车能够顺利地退出运营，故障区域内的列车可顺利地导出，全线故障时能够提供基本的应急运行。

青岛地铁5 号线TACS 配置列车防撞系统，车载ATC 故障的列车、车载ATC 被切除的列车、无线通信故障的列车可利用防撞系统检测本车与前车之间的距离，并结合列车速度，对综合运营人员进行预警或报警，并输出紧急制动。列车防撞系统由车载设备、轨旁设备、中心设备共同组成，其作为信号系统的后备系统，当信号系统发生故障时，防撞系统会自动启动。防撞系统通过TCMS 获得列车速度，并结合速度对前后车距进行安全评估，系统将按照常用制动率、最大常用制动率、紧急制动率生成3 种不同制动条件下的预警曲线。影响曲线的因素有列车速度、列车制动率、前车距离、司机反应时间、测距误差、测速误差、制动力建立时间、安全余量、线路坡度等，当车距“触碰”到任一预警曲线时，系统均将输出报警。

3 结语

综上所述，地铁在青岛交通系统中占据着重要地位。随着工程建设规模的持续扩张以及建造技术的不断成熟，地铁设计水平越来越高。在青岛地铁5 号线一期工程信号设计中，列车自主运行系统体现出更好的适用性，能够充分发挥信号系统功能，实现与相关专业的协调工作，满足全自动运行系统要求，提高地铁自动化、智能化运行水平。