汪小勇

（1. 同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2. 卡斯柯信號有限公司，上海 200071）

信號作為軌道交通系統(tǒng)保證運行安全、提高運行效率的重要基礎(chǔ)裝備，一直在安全與效率之間尋求最優(yōu)解。得益于電子、信息和通信技術(shù)的發(fā)展，信號系統(tǒng)已由人工控制、繼電控制進入計算機和網(wǎng)絡(luò)化控制時代，系統(tǒng)的安全性和效率在不斷提升，如目前城市軌道交通領(lǐng)域均采用基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC），所采用的閉塞制式使列車運行間隔得以進一步縮短、運能有所提升［1］。但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，特別是都市圈和城市群的快速發(fā)展對軌道交通帶來巨大壓力，更加高效、智能的信號系統(tǒng)也被提上了日程。如何在保證行車安全的前提下，更有效地利用有限的線路和車輛資源，提高運能、減少運維成本，成為新一代城市軌道信號系統(tǒng)所要解決的問題。對此業(yè)內(nèi)提出了不同的建議，包括自適應(yīng)和多目標決策機制的智能化信號系統(tǒng)［2］、基于令牌網(wǎng)的列車運行控制系統(tǒng)［3］、以運營需求為導(dǎo)向的列車運行控制系統(tǒng)［4］等。在進行原理和技術(shù)研究的同時，法國阿爾斯通公司于2013年UITP 會議上正式提出列車為中心和車車通信的信號系統(tǒng)概念，并推出Urbalis Fluence 系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用于法國Lille，這是全球第1套列車為中心的車車通信信號系統(tǒng)［5］。當前，車車通信信號系統(tǒng)在我國也得到關(guān)注，并進行了相關(guān)研究與驗證，包括在上海地鐵3/4 號線現(xiàn)場完成多車無人駕駛模式的列車自主運行系統(tǒng)（TACS）驗證［6］、青島地鐵聯(lián)合相關(guān)供應(yīng)商在6 號線進行試驗研究［7］等。

1 信號系統(tǒng)現(xiàn)狀與機遇

目前城市軌道交通主流信號系統(tǒng)為CBTC 系統(tǒng)，采用移動閉塞制式，軌旁線路等資源都是由聯(lián)鎖子系統(tǒng)以進路的方式進行統(tǒng)一分配、鎖定和釋放。由于閉塞制式?jīng)Q定了追蹤間隔，因此從追蹤性能方面看，CBTC系統(tǒng)制式優(yōu)于之前的其他制式，但由于軌旁資源管理都是以進路方式進行的，使CBTC 系統(tǒng)在岔區(qū)的折返能力和部分特定區(qū)域的通過能力成為瓶頸，影響了整條線路的運能。

隨著國家對干線鐵路、城際鐵路、市域（郊）鐵路、城市軌道交通四網(wǎng)融合發(fā)展的推進［8］，軌道交通出行的優(yōu)勢越來越明顯，在公共交通中的占比也會越來越大，對軌道交通的建設(shè)、運營和維護提出了更高要求，這也成為信號系統(tǒng)發(fā)展的機遇。

（1）隨著運能的增長，城市軌道交通部分時段不得不處于超強度運營狀態(tài)。只有通過更高效能的信號系統(tǒng)縮短列車運行間隔、提高旅行速度、減少影響列車運行的系統(tǒng)故障并降低故障對運行的影響，才能真正保證在運能激增情況下的運營安全。

（2）城市規(guī)模的擴大導(dǎo)致通勤距離增加，都市圈和城市群的發(fā)展也加大了客流預(yù)測和管理的難度，運行計劃的調(diào)整會更加頻繁，超常規(guī)運營也將可能成為常態(tài)。這要求城市軌道交通信號系統(tǒng)具有更強的靈活性，如支持通勤潮汐客流對靈活編組、快慢混行的需求，突發(fā)客流對虛擬編組的需求等。

（3）隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，建設(shè)、運營、維護和改造升級的成本隨之攀升，另一方面國民生活水平的提升又進一步加劇了成本支出，成為未來城市軌道交通建設(shè)和運營的負擔(dān)。采用更高效能的信號系統(tǒng)減少建設(shè)的投入、降低運營和維護的成本、簡化改造升級的難度，將為城市軌道交通發(fā)展提供更好保障。

（4）在四網(wǎng)融合的過程中，如何實現(xiàn)鄰接網(wǎng)絡(luò)間的互通運營或運行；在不等壽命周期的項目延伸、改造和升級過程中，如何規(guī)避或減少對既有運營系統(tǒng)的干擾，實現(xiàn)平滑過渡、無擾改造、新舊兼容。這些問題對信號系統(tǒng)的兼容性和易部署性均提出了更高要求。

綜上所述，城市軌道交通的發(fā)展對高效能信號系統(tǒng)提出了更多更高的需求，特別是在系統(tǒng)性能、運營靈活性、經(jīng)濟性、兼容性和易部署性等方面。

2 TACS系統(tǒng)基本原理與技術(shù)特征

為實現(xiàn)城市軌道交通發(fā)展對信號系統(tǒng)更多更高的需求，需要信號系統(tǒng)更精細地管理軌旁資源、盡可能以去中心化的設(shè)計實現(xiàn)列車間協(xié)同控制、精簡系統(tǒng)架構(gòu)和信息流路徑以提升系統(tǒng)的實時性、將車載控制和軌旁控制進行解耦以實現(xiàn)更好的兼容性和易部署性，這些正是新一代高效能TACS系統(tǒng)的基本技術(shù)特征。

2.1 基本原理

TACS 系統(tǒng)是基于列車運行計劃實現(xiàn)自主資源管理并進行主動間隔防護［9］的列車運行控制系統(tǒng)。TACS系統(tǒng)將傳統(tǒng)信號系統(tǒng)中以進路方式實現(xiàn)的聯(lián)鎖功能升級為以列車為中心基于資源點的自主資源管理功能，將傳統(tǒng)信號系統(tǒng)以軌旁為主進行列車間隔防護的閉塞功能升級為車車協(xié)同的主動間隔防護功能，這2個功能的基本原理及其與傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的差別如下：

（1）自主資源管理。TACS 車載信號子系統(tǒng)基于調(diào)度子系統(tǒng)下發(fā)的運行計劃，根據(jù)當前位置生成列車的運行任務(wù)，自主計算對軌旁資源的需求，擇機向軌旁資源管理子系統(tǒng)申請，獲得分配后使用并盡快釋放資源。調(diào)度系統(tǒng)向列車發(fā)出運動計劃指令后，列車自主計算后向軌旁控制器申請資源，資源被分配后將再次提供給列車的車載使用，使用后車載釋放資源。在資源管理的全過程中信息流采用單一路徑（見圖1（a））。

對于傳統(tǒng)信號系統(tǒng)，軌旁資源管理由聯(lián)鎖負責(zé)，調(diào)度系統(tǒng)將運行計劃進行拆解并根據(jù)列車位置向軌旁聯(lián)鎖發(fā)出進路建立的命令，同時給列車發(fā)送列車運行任務(wù)的命令，命令分別通過2條路徑進行傳遞（見圖1（b））。在這種資源管理方式中，以進路方式對列車運行所需多個資源進行打包，采用一次性分配進路并鎖閉進路的方式，釋放進路/區(qū)段解鎖時可以根據(jù)列車位置按區(qū)段釋放（即3 點檢查解鎖方式），資源的利用效率相對較低。另一方面，命令通過不同路徑傳遞，由于網(wǎng)絡(luò)延時或系統(tǒng)阻塞等因素，不可避免地存在列車運行任務(wù)和軌旁建立的進路方向不一致的情況，雖然沒有安全問題但會導(dǎo)致運營秩序受到影響。

（2）主動間隔防護。TACS 車載信號子系統(tǒng)基于自身的運行任務(wù)和當前位置，主動與相鄰列車交互信息，并根據(jù)交互信息自主更新移動授權(quán)，調(diào)整列車的運行狀態(tài)。TACS 系統(tǒng)實現(xiàn)列車A 與列車B 之間信息的直接交互，增強了列車間隔防護的實時性（見圖2（a））。

對于傳統(tǒng)信號系統(tǒng)，列車間隔防護系統(tǒng)由軌旁設(shè)備區(qū)域控制器完成，所有列車將自身的位置發(fā)送給區(qū)域控制器，由區(qū)域控制器在考慮列車位置不確定性及時延后形成列車包絡(luò)，按此基礎(chǔ)為各請求列車提供移動授權(quán)信息（見圖2（b））。相比于TACS 系統(tǒng)基于車車協(xié)同的主動間隔防護方式，傳統(tǒng)信號系統(tǒng)基于軌旁閉塞設(shè)備進行間隔防護的方法，降低了間隔防護的實時性，進而影響到列車追蹤間隔。

圖2 TACS系統(tǒng)主動間隔防護示意圖

2.2 技術(shù)特征

TACS 系統(tǒng)技術(shù)特征見圖3，至少包括安全平臺優(yōu)化（Powerful Platform）、系統(tǒng)架構(gòu)簡化（Simple System）和資源管理細化（Refined Resource），這些特征分別從軟硬件基礎(chǔ)、系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用管理3 個層面對TACS 系統(tǒng)進行定義，以下分別從P-S-R三個維度加以闡述。

圖3 TACS系統(tǒng)技術(shù)特征

（1）安全平臺優(yōu)化（P）。優(yōu)化的安全平臺是整個系統(tǒng)的基石。以列車為中心的資源管理和間隔防護使大量的安全功能被分配到車載子系統(tǒng)，增加了車載的運算量，需要更加強勁的車載安全平臺支撐，否則，TACS 系統(tǒng)分配的功能將無法實現(xiàn)或?qū)崿F(xiàn)效率非常低，無法達到預(yù)期的目標。

（2）系統(tǒng)架構(gòu)簡化（S）。精簡的系統(tǒng)架構(gòu)是系統(tǒng)實時性、可靠性和經(jīng)濟性的保障。傳統(tǒng)信號系統(tǒng)軌旁集中控制設(shè)備較多、數(shù)據(jù)流傳輸復(fù)雜、安全控制信息更新慢，導(dǎo)致系統(tǒng)運行效率受制約。TACS 系統(tǒng)精簡了軌旁集中控制設(shè)備，縮短了數(shù)據(jù)流傳輸鏈的路徑，實現(xiàn)了系統(tǒng)的扁平化。

（3）資源管理細化（R）。細化的資源管理是整個系統(tǒng)的靈魂。傳統(tǒng)信號系統(tǒng)基于進路的管理方式，使線路和道岔資源被打包分配，資源的空間利用率低；間隔防護采用軌旁統(tǒng)一管理的方式，人為降低了信息的實時性，資源的時間利用率差。TACS 系統(tǒng)從時間和空間維度對資源進行精細化管理，并在強勁的安全平臺和精簡的系統(tǒng)架構(gòu)支撐下，實現(xiàn)了系統(tǒng)性能的提升和功能的增強。

3 功能與性能分析

TACS 系統(tǒng)以其獨有的技術(shù)特征，具有更好的功能與性能表現(xiàn)，在應(yīng)對軌道交通發(fā)展帶來的機遇和挑戰(zhàn)方面也有著更多優(yōu)勢。

（1）更加精細地管理軌旁的線路和道岔資源，可以在同等線路配置條件下運行更多的列車，以縮短列車運行間隔的方式提升了資源在單位空間內(nèi)的利用效率。更多的運行列車帶來的運能增長，可以減少因此而需要建設(shè)的新線投資；同時列車運行間隔的縮短可讓“小編組高密度”方式替代“長大編組”方式解決運能問題成為可能，進而可以縮短列車編組、減少站臺的長度及由此產(chǎn)生的相關(guān)機電設(shè)備投入；更精細的資源管理還可使列車安全防護距離得以縮短，相應(yīng)減少這部分的土建投資。因此更精細的資源管理對于既有線而言，可以有效提升線路的運能，對于線網(wǎng)規(guī)劃和新線建設(shè)可以提升其經(jīng)濟性。

（2）去中心化的設(shè)計可以避免因單個設(shè)備故障對運營帶來的大面積影響，提高了系統(tǒng)的可用性，降低了因系統(tǒng)故障對運營的影響。同時，去中以化的設(shè)計可使軌旁資源的集中化管理變?yōu)橹苯咏灰?，降低了資源交易的成本，提升了資源在單位時間內(nèi)的利用效率。TACS 系統(tǒng)以去中心化的車車通信（在此注意“車車通信”應(yīng)理解為列車之間的直接信息交互，類似于2部手機之間的通話，并非“列車之間無線連接的直接建立”）實現(xiàn)了車車的協(xié)同控制，減少了因軌旁中轉(zhuǎn)帶來的時間損失。資源在單位時間內(nèi)利用效率的提高，使列車追蹤間隔更小，提升了系統(tǒng)的運能。TACS 系統(tǒng)通過列車之間位置和牽引制動狀態(tài)的實時交互，有效地提高了能饋制動的利用率，降低了能耗指標，使軌道交通更加綠色節(jié)能。

（3）采用精簡系統(tǒng)架構(gòu)和信息流路徑以提升系統(tǒng)的實時性，使系統(tǒng)的反應(yīng)更加靈敏，列車緊急制動的觸發(fā)時間可由CBTC 標準中定義的0.75 s［10］縮短到0.50 s，更快地響應(yīng)緊急情況，更加及時地觸發(fā)安全防護；對于ATO 系統(tǒng)而言，系統(tǒng)可實時地使列車旅行速度得到進一步提升，節(jié)約由此需購置的列車數(shù)、減少列車的空駛里程；系統(tǒng)架構(gòu)的精簡還可減少設(shè)備種類和數(shù)量，減少維護工作量，降低全壽命周期的運維成本。

（4）將車載控制和軌旁控制進行解耦的實現(xiàn)方式，使系統(tǒng)具有更好的兼容性和易部署性。傳統(tǒng)系統(tǒng)和軌旁緊密關(guān)聯(lián)，軌旁的延伸或不同類型列車的加入運行，需要進行全系統(tǒng)數(shù)據(jù)的更新，兼容性和易部署性差。軌旁和車載的解耦將有利于車載和軌旁的分開部署，同時結(jié)合去中心化的設(shè)計使線路延伸、增加不同類型的列車及系統(tǒng)的改造升級簡單化、易于部署；解耦后系統(tǒng)更容易實現(xiàn)多種制式的融合，增加了系統(tǒng)的兼容性；解耦后的去中心化將方便系統(tǒng)未來根據(jù)需要朝著邊緣計算或云化的方向演進，為未來更新一代信號系統(tǒng)迭代提供了條件。

4 現(xiàn)場驗證

為驗證TACS系統(tǒng)的實際功能和性能情況，2020年6 月28 日在上海地鐵3/4 號線以寶山路為中心的區(qū)域，全國知名信號和運營專家、業(yè)主代表對TACS 系統(tǒng)全自動無人駕駛模式下的主要功能和性能進行實際控車測試驗證。多車無人駕駛模式（UTO）實測驗證的結(jié)果表明，TACS 系統(tǒng)與既有系統(tǒng)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相比，關(guān)鍵性能指標提升27.03%以上，與CBTC 仿真結(jié)果比較，TACS系統(tǒng)提升19.75%以上?，F(xiàn)場實際功能測試也驗證了TACS 系統(tǒng)列車可以在任意站穿梭運行、在任意點折返掉頭的功能，這些靈活的運行功能為更加高效的運營組織應(yīng)對提供了條件。同時與會專家確認上海地鐵3/4 號線驗證項目所采用的TACS 系統(tǒng)是基于無線車車通信的列車自主運行系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、設(shè)備配置簡潔，已獲得系統(tǒng)級獨立第三方通用應(yīng)用安全認證。經(jīng)中國科學(xué)院查新，該項目是首個在實際運營線路上實現(xiàn)高速動車測試的TACS 系統(tǒng)，在安全多核車載控制器、資源精準管理、TACS 和CBTC 共用硬件平臺、與既有系統(tǒng)的安全隔離等方面具有創(chuàng)新性，系統(tǒng)高效靈活，便于無擾升級和多制式混合運行［11］。

5 結(jié)束語

TACS 系統(tǒng)作為新一代城市軌道交通高效能信號系統(tǒng)，主要目標是實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化且高效能運行，而復(fù)雜的列車運行環(huán)境中又注定需要考慮各種故障模式、非預(yù)期列車和非預(yù)期運動等各類非正常場景。在增加針對這些場景的降級設(shè)計后，又與當初確定的輕量化目標存在一定差距，這就是系統(tǒng)設(shè)計必須面對的兩難選擇，而系統(tǒng)邊界的不確定性更為這種選擇增加了難度。因此，需要通過工程實踐，進一步深化相關(guān)問題的研究。