基于车车通信的列车自主运行系统优化设计方案研究
时间：2023-06-25 17:45:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李 聪
基于车车通信的列车自主运行系统（Train autonomous control system，TACS），是以列车为核心，基于车车通信，采用资源管理的理念，实现列车自主运行的一种系统制式。相较于当前主流应用的CBTC系统，TACS系统突破了传统联锁进路的控制方式［1］，取消了对地面计轴、轨道电路等次级检测设备的依赖，采用颗粒度划分更为精细的线路资源管理方式，使线路资源利用率更高，更有利于提升系统的运行能力。
与联锁进路控制方式相比，TACS系统以车载设备为主导、地面设备共同参与的线路资源管理逻辑更为复杂。由于现阶段TACS系统工程应用经验较少，因此本文以原理分析为基础，依据系统特点，研究TACS系统走向工程应用的优化方向，增强系统的可靠性和可用性。
TACS系统采用自上而下的控制方式，以车载设备为核心，完成线路资源申请/释放、列车运行间隔防护等功能［2］，其控制原理示意见图1。
图1 TACS系统控制原理示意
车载ATP/ATO子系统依据ATS子系统发送的运行任务，自主规划列车的运行路径，并向地面ATP/ATO子系统申请运行所需的线路资源；
地面ATP/ATO子系统根据申请信息动作轨旁设备，并将线路资源分配状态反馈给对应列车的车载ATP/ATO子系统；
车载ATP/ATO子系统通过与相邻前车通信，综合线路资源状态、前车位置等信息计算移动授权，完成运行间隔防护［3］。
由图1可知，从资源管理的角度，TACS系统车载和地面子系统在控制结构上均未形成闭环。而车载子系统信息的有效性是线路资源有序占用的关键。TACS系统直接由列车自主确认出清状态并释放线路资源，相比常规CBTC系统进路控制方式，简化了地面设备对列车占用区段、列车位置的二次确认。相对于闭环控制的反馈校验环节所具备的容错机制，TACS系统更强调以系统整体的高可靠性来降低故障率。
基于TACS控制原理分析，进一步从控制模式、安全防护功能、资源管理方式3个方面与常规CBTC系统进行对比，分析TACS系统主要特点，为系统的工程应用提供优化方向。
2.1 控制模式
TACS系统由列车自主申请线路资源，ATS子系统直接下发运行任务至待命列车，列车在ATP子系统防护下自主运行［4］。由于运行任务直接由列车执行，因此TACS系统的控制模式表现为由ATS子系统实现的中央集中控制，以及中央控制下的人工介入。而CBTC系统由于是联锁执行进路排列命令，在中央级设备故障情况下，可由本地设备执行车站控制［5］。2种系统控制模式对比见表1。
表1 系统控制模式对比
因此，相对于CBTC系统二级控制方式，TACS系统的中央集中控制模式，对中央级ATS设备的可靠性要求更高。
2.2 安全防护功能
TACS系统的行车间隔防护、迎面冲突防护、超速防护等功能由车载设备实现；
而道岔控制、侧面冲突防护功能由地面ATP设备和车载设备共同完成。系统安全防护功能对比见表2。
由表2可知，CBTC系统的地面ATP设备故障后，可由联锁设备实施联锁级系统控制；
而TACS系统由地面ATP设备直接控制轨旁设备，地面ATP设备故障需由人工保障轨旁设备的正确锁闭状态。以道岔控制为例，若地面ATP设备故障，需钩锁道岔，由调度指挥人工驾驶列车通过道岔区域，列车运行效率受到影响。
表2 安全防护功能对比
考虑到TACS系统地面ATP设备故障影响范围较大，在系统设计过程中应注重提升地面ATP/ATO子系统的可靠性，或寻找其他降低设备故障影响的方式。
2.3 资源管理方式
相对于传统联锁进路控制，TACS的资源管理优势在于线路资源的申请和释放均由车载设备主导。资源管理和进路控制对比详见表3。
表3 资源管理和进路控制对比
TACS系统以列车位置为起点，可向两端任意方向申请线路资源，具有较高的灵活性［6］；
线路资源划分无需分割物理区段，相比轨道区段对于岔区和无岔区域的资源划分更为精细，有利于提升线路通过能力［7］。
由于TACS系统不设置轨道区段占用检查设备，降级运行时需通过人工确认列车位置来进行资源申请和释放。列车降级运行包括2种情形：①非自动化区域内，受列车定位、车地通信等条件限制；
②设备故障、车地通信中断等非正常情况。因此，可以考虑从非自动化区域内系统可用性和非正常情况下列车降级运行2个方面来进行优化，提升系统运行效率。
依据TACS系统特点分析，从ATS子系统、地面ATP/ATO子系统和系统降级运行3个方面提出优化方案。
3.1 提升ATS子系统的可靠性
为提升TACS系统中央级控制模式的可靠性，在ATS子系统常规的双机热备冗余架构基础上［8］，增设一套具备全线控制功能的ATS设备来提升系统冗余度。所增设备宜设置在控制中心以外的正线或车辆基地，同步提升异地容灾能力。
线控级ATS设备配置调度员工作站、应用服务器和数据库服务器等，其功能与中央级设备相同，通过权限管理实现中央级和线控级设备的控制权限切换。优化后ATS系统冗余架构见图2。
图2 优化后ATS系统冗余架构
正常情况下，中央级和线控级ATS工作站分别连接各自的服务器，线控级ATS设备通过骨干网实时同步全线的控制状态和列车信息，处于只监不控的待命工作状态。
当中央级ATS工作站全部故障时，经行调授权后，由线控级ATS工作站连接中央级服务器接管全线控制权限；
中央级ATS服务器故障时，由中央级ATS工作站连接异地的线控ATS服务器进行运营管理；
中央级ATS工作站及服务器均故障时，经行调授权后，由线控级ATS工作站连接线控级ATS服务器进行运营管理。
3.2 地面ATP/ATO子系统优化方案
3.2.1 资源管理设备“n+1”布置方式
根据设备特性、接口方式，将地面ATP/ATO子系统设备划分为逻辑层和执行层。逻辑层包括资源管理设备，执行层包括目标控制设备、防雷分线柜及轨旁设备［9］。资源管理设备处理核心数据，包括轨旁设备状态、列车位置、列车控制信息、ATS控制信息等［10］。因此，提升地面ATP/ATO子系统可靠性的关键在于提高资源管理设备的可靠性。
结合ATP/ATO子系统采用骨干网进行数据传输的特点，在既有n个集中控制区基础上，增设一套资源管理设备进行应急处理。控制中心调度员工作站实时监测全线各控区资源管理设备工作状态，备用设备正常处于待机状态。当其中一个控区资源管理设备完全故障时，调度员切换至备用设备接管该控区，迅速恢复线路正常运营；
待故障处理完毕后，利用非运营时段再切换至原资源管理设备。资源管理设备“n+1”布置方式见图3。“n+1”的设备布置方式不仅有效提升地面ATP/ATO子系统可靠性，还能在单套设备故障时，由备用设备及时接管该控区，降低故障影响程度，对于设备数量较多的长大线路效果更为显著。
图3 资源管理设备“n+1”冗余布置方式
3.2.2 提升系统在非自动控制区的可用性
根据列车作业方式不同，ATP/ATO子系统控制区域分为自动和非自动控制区域。正线一般全部纳入自动控制区域管理，车辆基地划分为自动和非自动控制区。列车在自动控制区可实现高效的自动运行［11］；
在非自动控制区采用人工驾驶模式，列车位置确认、线路资源申请以及行车安全防护需通过人工介入完成，作业效率受限。
因此，可通过配置相应的轨旁设备以减少人工介入，提升系统在非自动控制区的作业效率。优化措施包括：①增设应答器，实现列车自主定位和库线内精确停车；
②增加车地无线网络覆盖，用于车车及车地通信，实现列车自主申请和释放线路资源，以及行车间隔自主防护。非自动控制区平面布置优化见图4。
2.儿童文学善于表现儿童生活的游戏行为。在儿童文学作品《小鹰的一个星期天》中，小鹰在星期天跟着伙伴一起上山采野果、挖鸟蛋。锁柱的星期天是去捉小兔（《锁柱的星期日》）。它们都充分表现了儿童生活的游戏行为。
图4 非自动化区域平面布置优化
3.3 系统降级运行优化
在不配备相关降级设备的情况下，TACS系统支持以人工调度的方式指挥降级列车运行。降级列车的资源申请和释放需由人工进行列车重定位，不仅增加了司机和调度员的劳动强度，也存在误操作风险。
通过配置降级设备实现降级列车的位置检测，取代人工重定位操作，可以提升系统在降级运行模式下的可用性，其运行原理见图5。地面ATP设备通过降级设备获取列车位置信息，并结合资源分配状态开放地面信号；
当检测到列车驶入信号机内方后，自动关闭入口信号机。
图5 TACS系统降级运行原理
根据列车位置检测方式不同，降级运行可采用区段占用检测和列车自主位置汇报2种方案。
3.3.1 区段占用检测
采用计轴或轨道电路划分物理轨道区段，通过计轴器计算的车轮数变化，或轨道电路电平变化判断轨道区段占用状态；
地面ATP设备根据区段占用状况管理线路资源，实现降级列车与自动运行列车以固定闭塞方式追踪运行，其运行示意见图6。系统根据运行任务为降级列车分配S2—S4信号机范围内线路资源；
当列车进入4G时，地面ATP设备更新线路资源占用状态，自动关闭防护该段线路资源的S2信号机。
基于区段占用检测的降级运行方式，需增加地面ATP设备与次级检测设备接口；
次级检测设备故障不影响系统正常运行，可实现整个控制区域内所有降级列车以固定闭塞方式运行。
在列车上配置热备的降级设备，列车降级后，由车载降级设备将定位信息通过车地无线发送到地面设备，地面设备根据定位信息为列车申请/释放线路资源。车载降级设备有2种配置方式。
1）基于车载激光雷达的自主环境感知系统。通过车头的激光雷达、毫米波雷达、摄像头等设备采集线路环境信息，经样本训练形成线路特征数据库，存储在车载自主环境感知主机设备；
列车运行时，由自主环境感知主机设备将线路环境与特征数据库进行匹配，实现高精度列车定位，并将位置信息通过车地无线发送到地面ATP设备，地面ATP设备以此为降级列车分配线路资源、开放信号。
2）基于应答器的主动定位系统。在列车上配备一套主动定位系统，与TACS系统车载设备共享车载应答器天线，利用线路既有应答器实现列车定位，并将位置信息发送到地面ATP设备，由地面ATP设备为降级列车开放信号，其运行示意见图7。采用应答器划分的轨道区段匹配降级列车位置，地面ATP设备根据区段占用状态、列车运行任务为降级列车分配S2—S4信号机范围线路资源；
列车进入S2信号机时，接收应答器位置信息并发送到地面ATP设备，地面ATP设备根据列车位置更新区段占用状态，并关闭入口信号机。
图7 基于列车自主定位的降级列车运行示意
基于列车自主位置汇报的降级运行方案无需在轨旁设置次级检测设备，通过配置车载降级设备主动与地面ATP设备通信，由地面ATP设备实现对应降级列车的管理。
上述2种降级运行方案均能自动为降级列车提供地面信号，实现固定闭塞，工程应用可根据实际需求进行选择。
为提高TACS系统工程应用能力，从系统设计角度出发，注重TACS系统与传统CBTC系统控制结构的区别，提出了对应的优化方案。
1）提升ATS子系统可靠性。在控制中心外增设线控级ATS设备，增强系统在单一中央级控制模式下的持续工作能力，强化中央级设备是目前列车运行控制系统中央集中化的发展方向。
2）提升地面ATP/ATO子系统可靠性。通过资源管理设备“n+1”布置方式，降低单个控区设备故障对正常运营的影响；
优化非自动化区域设备布置，提升列车在非自动控制区的运行效率。
3）提升系统降级运行效率。分析了区段占用检测和列车自主汇报2种降级运行方案的配置方式、原理及适用性。当前行业内尚未形成适用于TACS系统的统一的降级运行方案，青岛示范工程的TACS系统采用区段占用检测进行降级列车的资源管理；
上海3、4号线信号系统改造工程中，采用自主位置汇报方式实现列车降级运行。TACS系统的降级运行配置方案较为灵活，随着进一步的工程应用，降级运行方案将趋于成熟。
