列车自主运行系统降级方案工程适用性研究

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第1期

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傅佳伟

目前，随着城市轨道交通的不断发展和运营需求的不断提高，传统基于通信的列车自动控制系统(CBTC系统)受限于其系统原理及系统构架，很难进一步提高系统能力及行车灵活性。在既有CBTC线路改造时，由于其室内外设备相对较多，安装空间、电缆敷设存在很大困难，与既有系统过渡倒切过程复杂、难度大[1-4]。针对传统CBTC存在的不足，一种基于全新设计理念的列控系统-列车自主运行系统(TACS)应运而生。TACS以车载控制器为核心，减小了各子系统之间的耦合度，为信号系统的模块化、标准化、互联互通以及全自动运行提供了更优的解决方案，精简的轨旁设备更适用于既有线路信号系统的改造。

目前，列车自主运行系统已在部分城市的轨道交通中得到一定应用，正在逐步走向成熟：青岛地铁6号线采用TACS制式，于2024年4月26日全线全功能开通运营；深圳地铁20号线作为全球首条TACS商业运营线路，于2021年12月开通试运营；除此之外，在建的太原地铁1号线、成都地铁30号线、北京地铁13A、13B信号改造、上海地铁3/4号线信号改造等工程均采用TACS系统。近年来，已有部分学者针对TACS系统开展了相关研究，范永华等[1]从线路资源化理念出发，研究线路资源的划分和管理方式，并从基于车车通信的TACS层面分析线路资源管理的关键技术和主要功能。朱志伟等[2]基于TACS线路资源管理的列车折返设计方案，对列车进/出自动化区域、列车进/出试车线时的区域边界管理问题提出了相应的解决方案。朱力等[3]结合城市轨道交通TACS典型运行场景，对车车通信距离进行建模仿真计算与分析。陈凯[4]提出一种基于TACS的车辆、信号系统融合的虚拟重联方案。

刘振宇[5]使用STPA法对TACS系统关键设备(资源管理单元)的安全性进行研究。不同于传统CBTC，目前TACS系统在工程应用较少，TACS系统降级运行方案尚无统一标准，目前国内外相关研究内容较少。本文分析了TACS降级系统的必要性，从系统复杂性、追踪能力等层面对现有3种TACS降级方案进行对比研究，建立降级下列车追踪模型并进行TACS降级下追踪能力仿真分析。在此基础上，总结了TACS降级系统的关键条件，对3种降级方案的工程适用性、应用效果进行了研究分析，并提出部分改进建议，以期为未来列车自主运行系统(TACS)降级方案的工程应用以及标准化提供参考。

1降级系统必要性分析

1.1TACS功能及工作原理

列车自主运行系统主要由地面目标控制器(objectcontroller，OC)子系统、车载控制器(vehicleon-boardcontrdler，VOBC)子系统、列车自动监控(automatictrainsupervision，ATS)子系统、数据传输系统(datacommunicationsystem，DCS)子系统(含车地无线子系统)等构成，系统构成和工作原理如图1所示。

相较于传统的CBTC，列车自主运行系统的VOBC集成了区域控制设备(zonecontroller，ZC)的功能以及ATS的部分功能，引入线路资源管理的理念，将列车的移动授权计算、地面控制系统的功能集成到VOBC，确保列车根据运行计划及线路资源分配状态和采集的表示状态信息自主规划办理路径，正确实现进路、道岔、信号机的联锁关系[1]。

1.1.1TACS功能

1)ATS子系统：下发时刻表或人工调整调度命令。

2)车载VOBC子系统：根据ATS命令自主规划行车路径，根据行车路径内对资源的需求，向相邻列车发送线路资源申请和释放信息；VOBC在获得该资源后向OC发送对该资源的控制命令，同时接收OC发送的轨旁资源的状态表示信息；自主计算列车移动授权和控车速度曲线，对列车的安全运行进行防护。

3)地面的OC设备：更新线路资源登记，设备实现对转辙机、信号机等轨旁设备的控制，以及轨旁设备信息的采集。

4)DCS系统：负责各子系统、设备间列控信息传输。DCS包括有线通信网络和车地无线通信网络两部分。

1.1.2TACS工作原理

1)VOBC接收到ATS下发的时刻表或人工调整命令，自主规划列车运行路径。

2)OC负责区域内的列车管理与轨旁资源管理，向VOBC发送轨旁设备状态信息，通过车-地无线通信接收来自VOBC的资源申请，根据资源申请控制轨旁设备。

3)VOBC根据行车路径内对资源的需求，向所需资源的持有列车主动建立通信，向其发送对该资源的释放申请，同时当前列车也接收其他列车发送的资源释放申请；VOBC使用完该资源，确认可以释放时，将该资源释放移交给请求申请列车。VOBC在获得该资源后即占有该资源，可以根据时机向OC发送对该资源的控制命令，同时接收OC发送的轨旁资源的状态表示信息。基于以上信息，VOBC可自主计算列车移动授权和控车速度曲线，对列车的安全运行进行防护[1]。

1.2TACS配置降级系统必要性

不同于传统CBTC，TACS系统采用基于线路资源管理运行理念。因此，TACS提升信号系统的集成程度，减少轨旁设备，可降低后期运维工作量，同时在折返、追踪能力上相较于传统CBTC有较大提升。但与此同时，由于TACS以VOBC为核心，资源申请和释放、移动授权计算、轨旁设备控制均由VOBC完成。一旦VOBC故障，列车将降级为非通信车，若不配置可靠的降级系统，将会出现以下情况。

1)降级列车无法自动进行资源申请和释放。由于列车降级为非通信车，将丢失与地面设备的通信，也无法与相邻列车建立通信。降级列车将无法进行资源的申请和释放，也无法向OC发送轨旁设备的控制命令，列车将无法计算移动授权。为保障安全，列车将制动停车，等待司机登乘处理。

2)地面无降级信号。地面不配置降级信号，降级列车仅能通过调度人员人工确认故障列车迁移线路资源空闲后，人工进行资源申请和占用，司机根据行调指令将故障列车迁移，列车迁移效率低，且司机驾驶风险高，列车运行安全由司机和调度人员共同保证。

3)相邻列车无法向故障列车进行线路资源申请和释放。相邻列车将无法从故障车辆获取移动授权，也无法申请线路资源。因此，只有当故障列车迁移出当前区间后，由调度人员人工释放线路资源，相邻列车方能恢复运行。由此可见，若TACS不配置可靠的降级系统，将会导致当前故障区间无法正常通行列车，故障恢复时间长，对运营影响较大。

2TACS降级方案

目前工程中TACS系统应用较少，截至2024年4月，已载客运营的TACS线路仅深圳地铁20号线，TACS系统架构、降级方案无统一标准，目前不同集成商TACS架构采用不同的降级方案，且部分降级方案尚未进行工程应用和验证。结合现有TACS技术架构，可以应用于TACS降级的有以下3种方案。

1)基于联锁的降级方案。目前，富欣智控和众合科技在青岛地铁6号线试验线中采用基于联锁的降级方案。通过具备联锁功能的目标控制器或者单独设置联锁设备实现联锁进路防护功能，通过列车区段占用检测设备(如计轴)实现联锁设备对列车位置的判断，如图2所示。

当列车降级后，车载子系统虽然无法自主实现资源申请和释放，但是仍旧可以依靠地面联锁实现对降级列车的进路防护：即司机登乘列车后，凭借地面降级信号驾驶列车运行。司机出清当前区段后，联锁向地面OC释放线路资源，后车可驶入当前释放的线路资源，从而保障一定的通信车和非通信车混行效率。

2)基于轨旁列车管理的降级方案。通过在地面设置降级列车管理器实现对故障列车的管理和跟踪，当列车降级时，降级列车管理器替代故障列车与相邻列车进行信息交互，实现线路资源的申请及释放。原理如图3所示。

该降级方案的核心是需要实现列车降级情形下的自主定位，并将定位信息发送至降级列车管理器，为降级列车释放线路资源提供依据。为避免列车车载设备故障影响定位信息发送，车载另外配置一套后备定位主机和通信单元，实现列车定位及传输模块的冗余。列车后备定位系统和TACS系统车载设备共享车载应答器天线，在原有车载设备基础上，配置额外的定位计算设备和车地通信设备，系统架构如图4所示。目前，卡斯柯在深圳地铁20号线中采用基于轨旁列车管理的降级方案，并预计在深圳地铁20号线二期工程、上海地铁3/4号线信号改造工程中应用列车后备定位设备。

3)基于环境自主感知的降级方案。自主感知系统配置激光雷达、毫米波雷达、摄像头等设备，用于采集线路环境信息。配置车载自主环境感知主机，存储经样本训练后的线路特征数据，系统架构示意如图5所示。

当信号车载计算机(carbornecontroller，CC)故障时，自主感知系统通过机器视觉和激光雷达对周围环境感知，并与线路特征数据进行比对，实现高精度列车自主定位，并将位置信息通过车地无线通信设备发送至地面列车自动防护系统(automatictrainprotection，ATP)，地面ATP根据降级列车位置释放线路资源、开放信号，提升通信车和非通信车的混行效率。同时，对信号灯或前方障碍物(车辆、人或其他物体)进行持续识别，并与ATP系统接口，当发现障碍物或紧急情况时，提供预警信息并施加紧急制动，提高无人值守下的列车自动运行(unattendedtrainoperation，UTO)的安全等级。目前交控科技基于环境自主感知的降级系统已通过SIL4安全完整性等级认证，拟在成都地铁30号线、太原地铁1号线等在建线路应用，截至目前，尚未在开通运营线路得到工程验证。

3降级方案比较分析

以上3种降级方案均具备对非通信列车的安全防护功能，并且为相邻列车提供了资源申请和释放方式，保障了一定的通信车和非通信车的混行效率，但在系统复杂性以及降级后运营能力等方面存在差异。

3.1降级方案特点分析

1)基于联锁的降级方案在传统CBTC中广泛应用，优点是成熟可靠，可通过进路联锁关系保证降级列车的运行安全。但对于未发生降级的列车，TACS系统以车载设备为核心，其基于线路资源管理的列车控制理念与联锁系统存在差异，无法与TACS车载设备适配。降级列车的迁移安全由司机凭借地面信号保证，不具备列车防护功能，降级列车区间的运行效率受降级列车迁出区间的影响。同时，其在系统构成方面需要增加联锁主机、联锁接口设备、列车占用检测设备等大量地面设备，系统构成复杂[6-9]。

2)基于轨旁列车管理的降级方案可以实现降级列车下的自主定位，并通过车地无线系统实时将降级列车位置提供给轨旁，由轨旁设备代替故障车辆完成资源的申请和释放。该降级方案需要在地面配置降级列车管理器，车载需要配置列车后备定位系统，系统构成较简单，且符合TACS技术架构，可提升通信车和非通信车的混行效率，但无法对降级列车进行安全防护，降级列车的运行安全由司机和调度人员共同保证。在该方案下，降级列车的资源释放需依赖可靠的车地无线通信，将降级列车位置信息实时传送至轨旁，以释放线路资源。若降级列车车地无线通信故障，则需降级列车驶出当前区间后，由司机告知行调列车位置信息，行调人工进行资源释放。

3)基于环境自主感知的降级方案能够实现降级列车的安全防护，在设备构成方面，主要增加了车载设备，系统构成精简，符合TACS以车载为核心的控制理念。降级列车能够实现实时定位，并及时释放线路资源，提升通信车和非通信车的混行效率。但系统依赖于采用基于图像分析的列车控制逻辑，其安全性和可靠性需进行进一步验证。同时，当列车行驶在弯道等非开阔区域时，该降级方案的性能也会受到影响。

3.2降级方案追踪能力分析

3.2.1TACS降级下列车追踪模型

由于目前TACS只能实现“撞硬墙”追踪防护，本文采用“撞硬墙”追踪间隔模型对降级下列车追踪情况进行分析，即追踪间隔仅考虑当前位置信息，不考虑前车的速度和制动距离[10]。采用基于联锁的降级方案时，仅当降级列车出清当前计轴区段后，方能释放当前计轴区段的线路资源，因此资源释放点应为列车出清的最后一个计轴点，如图6所示。

后车将资源释放点作为ATP防护打靶点，计算速度-距离曲线防护列车运行。只有当降级列车出清下一个计轴点时，后车才能更新线路资源，驶入下一个计轴区段。采用基于轨旁列车管理、环境自主感知的降级方案时，由于降级列车可将实时定位信息通过车地无线通信发送至轨旁，因此资源释放点应为前车的尾端，如图7所示。

当前车降级运行时，不断将降级列车的位置传输至轨旁和后车，实时释放线路资源，后车根据线路资源占用情况实时计算速度-距离曲线防护列车运行。图6和图7中，列车的追踪间隔Str可以表示为：

式中，Sbd为制动命令施加延迟过程后车的行走距离；Sse为后车实际制动后初始速度v0制动到零速的行走距离；Ssa为后车与降级下前车资源释放点的安全距离。其中，制动命令施加延迟过程后车的行走距离Sbd可以表示为：

式中，Tre为车载设备反应时间；Tex为牵引切除时间；Tbr为常用制动建立时间。假设列车采用匀减速度abr追踪，实际制动后到零速的行走距离Sse可以表示为：

后车与降级下前车资源释放点的安全距离Ssa由测距误差Ler、安全裕量Lpr、通信时延导致的运行距离de组成，可以表示为：

假设列车采用匀减速度abr追踪，通信时延Tde导致的运行距离de可以表示为：( 

那么后车与降级车之间的追踪时间间隔Ttr可以表示为：

式(6)中，v(s)表示后车在位置s下列车的行驶速度，可以表示为：

3.2.2不同降级方案下追踪能力仿真分析

根据3.2.1节中TACS降级下列车追踪模型，对基于联锁、轨旁列车管理、环境自主感知3种TACS降级方案追踪能力进行仿真。模拟一个站间距为3km的区间，前车在出清车站1后，随即发生降级。后车采用TACS模式，按照最大能力追踪，仿真方案如图8所示。

部分主要仿真参数如表1所示。根据式(1)～式(7)，仿真计算出3种TACS方案的最小追踪间隔Ttr。

1)基于联锁的降级方案。针对不同降级列车行驶速度、计轴布置间隔，对降级下列车追踪时间间隔Ttr进行仿真，仿真结果如图9所示。由仿真结果可以看出，通信车和非通信车混行效率受降级列车行驶速度、计轴布置方案影响：降级列车运行速度越高，计轴区段越短(计轴布置越密集)，追踪能力越高。

2)基于轨旁列车管理的降级方案。针对不同降级列车行驶速度、应答器布置间隔，对降级下列车追踪时间间隔Ttr进行仿真，仿真结果如图10所示。仿真结果表明：通信车和非通信车混行效率受应答器布置间隔、降级列车行驶速度影响，应答器布置越密，降级列车行驶速度越快，越能更快地实现降级列车后备定位，追踪能力越高。

3)基于环境自主感知的降级方案。基于自主感知的降级方案能实现列车定位，并根据定位实时释放线路资源。针对不同降级列车行驶速度，对降级下列车追踪时间间隔Ttr进行仿真，仿真结果如图11所示。

仿真结果表明：基于自主感知的方案降级下追踪能力受降级列车行驶速度影响，降级列车行驶速度越快，追踪能力越高。

4结论

本文根据TACS技术架构，探讨了配置降级系统的必要性，并针对现有3种降级方案分析了降级方案特点和能力，得出以下结论。

1)TACS降级系统关键有两点：一是保证降级列车的运行安全；二是能够快速实现降级列车资源的释放，从而提升后车运行效率。

2)TACS采用车载为核心的技术理念，基于联锁的降级方案虽然成熟可靠，但其需要增加大量的地面设备，与TACS系统技术理念相悖，同时其降级能力受制于计轴区段布置，不建议作为TACS的降级方案。

3)基于轨旁列车管理的降级方案符合TACS的技术理念，且对于降级后通信车和非通信车的混行效率有较大提升。但该方案需依赖车地无线通信可靠运行，实时将降级列车位置信息传送至轨旁以释放线路资源。因此，在工程实施时建议考虑构建备用车地无线通信网络，以提高降级方案的可用性。4)基于环境自主感知的降级方案采用图像分析的列车控制逻辑，其性能受图像分析精度、工程条件等因素影响，安全性和可靠性需要进一步工程论证。目前，TACS系统降级方案尚未形成统一标准，不同供应商TACS系统对各降级方案的兼容性不同。但随着北京地铁11号线、上海地铁3/4号线信号改造项目、成都地铁30号线、太原地铁1号线等TACS项目陆续开通，工程进一步应用，TACS降级方案将趋于成熟。