新一代信号系统优化方案研究与前瞻技术探索
新一代信号系统优化方案研究与前瞻技术探索
随着城市轨道交通逐渐迈向网络化运营，传统的信号系统因复杂的系统架构和冗余接口而面临兼容性与扩展性的迫切挑战。本文针对TACS系统架构、车载功能、设备配置及前沿技术展开研究，提出与系统运能相匹配、多专业数据流互通以及多系统融合的新一代信号系统优化思路，从而提升系统的效率和可靠性，降低系统成本，以满足日益增长的客流量和更高的安全标准。
新一代信号系统发展需求及必要性分析
国内城市轨道交通建设起步较早，其信号系统经历了从早期的数字轨道电路到后来的CBTC的演进。随着运营时间的推移，数字轨道电路系统和CBTC运营能力已逐渐接近瓶颈，以致部分城市轨道交通线路在运能提升上遇到困难。目前，城市轨道交通面临客流动态变化及时空分布不均衡、局部区域运力供给与客流需求不匹配的问题。为应对该问题，急需解决关键换乘点客流密集问题，以提高运输效率和乘客出行体验。同时，由于既有信号系统轨旁设备多，维护工作量大，控制方式主要采用地面集中式控制，因此，一旦地面设备发生故障，将导致运营能力显著下降。为应对该情况，急需解决在故障情发生况下如何确保列车自主运行并维持运营能力的问题。
TACS系统作为新一代信号系统，采用简化系统控制架构、缩短控制环节等方式实现基于车-车通信及资源管理的移动闭塞列车控制，突破了CBTC系统在行车间隔、故障恢复等一些关键性能指标的瓶颈。同时，针对不同城市、不同线路的需求和特点，TACS系统可以更好地适应复杂的运营需求，为实现更精准的列车控制和调度，缩短行车间隔，提高线路运力，可根据不同的运营场景和需求进行灵活配置和调整。
新一代信号系统优化方案
2.1系统架构优化方案
TACS系统架构主要划分为5个部分：列车自动监控系统（ATS）、车载控制器（OBC）、目标控制器（OC）、数据通信系统（DCS）以及维护管理系统（MMS）。该系统采用去中心化设计思想，以列车为中心构建自主系统架构，以信号车辆深度融合为特征，采用基于车-车通信的行车资源管理方式，精细化管理轨旁线路资源，实现列车运行方式由自动化向自主化转变。同时，系统以车载设备为核心，通过整合冗余硬件，取消联锁、区域控制器等复杂的轨旁设备，提高了列车控制性能和自动化程度，进一步增强了系统的运行效能及可靠性。TACS系统配置方案如图1所示。
TACS系统工作原理为ATS直接向列车下达运行计划，并进行运营监视，同时提供强大数据汇集及分析功能。在发生故障时，系统还提供人工介入的应急处理手段。OC负责轨旁物理设备资源的占有登记以及列车登记，确保列车之间通过资源竞争获得轨旁资源的唯一控制权。列车自动防护系统（ATP）结合线路资源状态计算本车的移动授权，并根据前车速度信息与本车运行状态，计算出列车运行及防护曲线，从而实现自主运行，实现流程如图2所示。
2.2车载融合优化方案
车载融合是以列车自主运行为目的将车辆与信号进行深度融合设计，融合过程中充分考虑区间能耗、全线冲动率、牵引制动转换次数以及停车精度等指标，并与牵引、制动系统进行充分的信息共享，优化车载网络结构，精简冗余硬件，整合冗余功能，以提升列车的整体运行效率和性能，其系统架构如图3所示。下文就车载网络、车载控车、I/O采集以及车载外设4个方面展开研究。
2.2.1车载以太网融合
车辆网络融合采用基于时间敏感协议（TSN）环网冗余设计架构，将车载信号网、制动内网融合到车辆控制网中，取消原车载信号系统内网和制动系统内网。通过该融合设计，可为列控设备提供2个互为冗余的独立工业级网络，此网络采用服务质量（QoS）机制，支持透明传输和虚拟局域网（VLAN）技术，该设计确保了信号系统设备可按照EN 50159标准实现所需的安全协议通信优先级需求，从而保障了列车运行的可靠性和安全性。
所有列车控制相关的系统设备，如ATP、列车自动运行系统（ATO）均作为节点之一纳入统一网络管理，根据以太网大带宽、高实时的特征建立覆盖全列车的列车控制和管理系统（TCMS）。融合控制系统采用基于TSN的以太网的设计架构，将车辆控制、运维、车载信号网、制动内网及门控内网等融合到车辆控制网络中，同时取消各子系统内网，实现TSN的综合承载。各设备根据不同的功能进行集成，并通过集成中央控制单元、人机接口单元、车辆控制单元、TSN交换单元等组件，按实际应用需求灵活部署于不同的车辆中，使各系统间实现信息的充分共享，以达成优化车载网络布局及各子系统间接口，降低系统复杂度，提升系统实时性，提高列车性能和可靠性，达到基于统一平台对列车进行管理、控制和维护的目的，最终有效缩短系统间通信链路。
2.2.2车载控制融合
车辆TCMS整合了ATO功能，确保在ATP的安全保护下，列车能够实现自动驾驶。通过接收ATS子系统的指令，TCMS能够自动调整列车在区间内的运动，并有效实施节能运行控制策略。此外，ATO功能能够依据运行图所规定的时间段，精准控制列车的行驶，自动对列车的启动、加速、巡航、惰行、减速和制动等各个阶段进行合理的管理和控制。
在优化列车控制策略时，充分考虑区间能耗、全线冲动率、牵引制动转换次数、停车精度等关键指标，使其信号与牵引/制动系统进行充分的信息共享，并利用列车的载重数据、牵引/制动的能力和状态以及指令反馈等信息，优化目标曲线生成与跟踪策略，减少不必要的过牵引，减少频繁的牵引制动切换，缩短ATO闭环控制及控制超调的周期，并结合低速阶段电空制动转换特性优化停站精度，有效缩短列车的闭环控制周期，从而提高停车控制、运行控制相关性能。
2.2.3 I/O采集融合
通过TCMS系统的集中监控功能，在确保在行车安全的基础上，有效减少车辆布线数量，进一步优化I/O采集资源的配置。同时，取消信号系统中非安全的继电接口，改由TCMS系统进行统一驱动与采集，并借助网络通信实现信息的实时共享。此外，优化后的系统采用以太网替代传统的安全继电器、电流环以及多功能车辆总线，有效提升整个车辆控制系统的集成度，并大幅减少继电器和线缆的使用数量，使得整个系统在日常维护和升级中变得更加便捷和高效。
2.2.4车载外设融合
通过以太网线将部分信息与司机室人机接口（HMI）相融合，使主要车载设备的工作数据能够被连续采集，并实时传输至司机台的显示器，实现对主要车载设备的持续监控。一旦设备发生故障，系统会立即通知司机，并记录相关信息，以便司机能够迅速而精准地采取应对措施，及早发现并解决故障。此外，可进一步深化系统融合，将车地通信设备、非安全控制设备、日志设备等进一步融合，从而减少车载总成本。
2.3设备配置优化方案
TACS系统通过有效的资源管理，取消轨旁的区域控制器（ZC）、计算机联锁（CI）设备，增设目标控制器OC，以控制轨旁物理设备。同时，精简车站ATS设备，并对TCMS、车载ATO、车载ATS进行融合，将信号显示器与车辆HMI进行整合，其具体子系统或设备配置情况如表1所示。
除室内设备中的联锁、区域控制器以及线路电子单元（LEU）等相关设备被取消之外，轨旁也可相应减少配置，包括信号机、计轴器以及其配套电缆。同时，轨旁有源应答器设备及其配套的电缆也被取消，此外，在站台上，发车计时器和自动折返按钮也将不再使用。目前的城市轨道交通项目中，车站设置有车站控制室，控制室内设有综合后备（IBP）盘、ATS工作站、闭路电视监控系统（CCTV）控制工作站、数据采集与监视控制系统（SCADA）控制工作站、乘客信息系统（PIS）工作站等，中小运量信号系统宜持续致力于实现系统功能的轻量化。为实现这一目标，可以通过中心远程控制车站设备执行安全强制命令，同时采用控制中心集中控制，并取消车站控制室，改为设置远程IBP盘，从而降低运营成本。此外，为实现控制设备的集中化部署，控制中心设置列车自动监控工作站和联锁监控工作站，以确保监控工作的全面覆盖，在正线有岔车站和车辆段的控制室内设置应急控制盘，以构成系统的应急响应机制，确保在紧急情况下满足应急操作需求，从而进一步提升整个系统的可靠性和安全性。
2.4优化小结
优化后的新一代信号系统TACS，通过在系统构成、设备接口、控制逻辑和通信协议等进行规范化和标准化处理，降低了系统间的耦合性，精简了轨旁设备，并优化了车载设备配置，这一系列改进预计可减少30%的现场安装调试时间、约30%的维护工作量、约10%的设备数量以及约15%的设备用房面积，从而有效减轻运维压力。与传统CBTC系统相比，TACS系统的全生命周期成本预计降低约10%。优化后方案与传统方案对比如表2所示。
前瞻技术探索
在TACS系统的设计开发过程中，针对安全隐患和设计错误的问题仍在持续进行解决和验证。目前，该系统技术方案对通信数据传输的安全性和可靠性提出极高的要求。同时，当列车因故需要降级运行时，其运营恢复过程相对复杂。为解决以上问题，业内提出一种基于多种新型自主感知技术的创新路线。该创新通过融合北斗时空网、二次雷达、视觉惯导和无源信标等技术，构建了一个智能感知技术体系，成功取代传统信号系统中的应答器和计轴系统。此新型技术体系实现车辆与信号系统的深度融合，打造了一个一体化控制平台，从而提升了系统的整体性能和可靠性。
基于TACS系统的主动障碍物感知技术后备系统采用激光雷达、长焦相机和短焦相机相结合的方式，搭建一台多源信息融合的障碍物检测系统。该系统以主动感知替代计轴，有效减少轨旁设备布置，进而降低成本。系统还可精准判断是否存在影响行车的侵限障碍物，并在发现时立即发出报警，远期实现列车制动控制功能，从而减轻或避免侵限障碍物对列车安全造成的影响。当列车降级时，系统将自动设置降级车防护区域。如图4所示，通信车可开启障碍物探测防护模式，进入降级车所在区段限速运行，该设计兼顾了系统的安全性与高效性。
检测系统具体功能包括以下2个方面。
（1）障碍物检测。列车在行进过程中，可根据激光雷达与相机检测到的侵限障碍物，为司机提供详细的障碍物位置信息和相应的报警信息。障碍物检测子系统的主要功能涵盖激光雷达和图像数据融合、列车可行驶区域检测和障碍物识别三大功能。其中，激光雷达与图像数据融合功能主要用于传感器标定、拼接和融合子模块。列车可行驶区域检测功能主要用于轨道区域检测、道岔识别以及信号机识别。障碍物识别功能则主要用于检测并输出车辆障碍物、行人及其他物体的相关信息。此外，当故障列车的后方有其他列车时，该故障车在施加紧急制动后，可以启用列车自主障碍物检测系统，以不超过该系统计算的最高允许速度继续运行，从而提高故障恢复效率。
（2）列车行驶区域检测。轨道区域检测功能主要通过深度卷积神经网络和计算机视觉技术实现。首先，系统对轨道区域进行像素级图像标注，在获得初步的轨道区域后，结合激光雷达数据对错误区域进行一定的过滤，完成最终轨道区域检测。在岔道和信号机检测方面，系统引入轻量级网络模型，利用回归算法实现信号机的准确检测。同时，系统根据列车行驶规则设计信号机检测方案，即红灯标记岔道不会有列车驶入，从而实现岔道的间接检测。
结论
鉴于当前传统城市轨道交通信号系统面临的挑战，包括高昂的建设、运营和维护成本，各系统独立建设导致的资源浪费，系统架构复杂、接口繁多，以及行车故障和应急场景下调度管理和效率问题，TACS系统以其结构简单、功能完备、专业融合度高、低成本的特点，已成为行业发展的必然趋势。TACS系统通过去中心化的设计，实现列车间的协同控制，有效结合了与运能相匹配、多专业数据流互通、多系统充分融合的优势。然而，传统的CBTC系统降级模式无法完全体现TACS系统的这些特征。为确保新型列控系统在车-车通信故障情况下行车的安全与效率，基于智能感知技术体系的降级模式已成为业内研究的焦点。本文对降级后备模式下障碍物检测技术进行探索性分析，旨在为TACS系统的持续优化升级提供设计思路和参考。
本文原文来自"现代城市轨道交通"