一種用于TACS的列車運(yùn)行間隔自適應(yīng)調(diào)整方法

劉 歡，高 暢，王 旭，楊 劍，劉 旭

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130012）

我國各大中城市的快速發(fā)展增加了通勤距離，對(duì)城市軌道交通提出更大的運(yùn)能需求，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和復(fù)雜度逐年遞增。同時(shí)，由難以預(yù)測的客流及設(shè)備故障給軌道交通網(wǎng)絡(luò)帶來的擾動(dòng)，使得超強(qiáng)度運(yùn)營及各種超常規(guī)運(yùn)營成為了常態(tài)，要求城市軌道交通具備更靈活的運(yùn)營能力，如支持潮汐通勤客流對(duì)靈活編組、快慢混行的需求，突發(fā)客流對(duì)任意站穿梭、編隊(duì)運(yùn)行的需求，突發(fā)故障對(duì)任意點(diǎn)折返的需求等[1-2]。

列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS，Train Autonomous Circumambulation System）以去中心化的“車車通信”實(shí)現(xiàn)車車的協(xié)同控制，減少了因軌旁中轉(zhuǎn)帶來的時(shí)間損失，提高了線路資源單位時(shí)間內(nèi)利用率，使得列車間追蹤間隔更小，顯著提升了城市軌道交通運(yùn)能[3]。文獻(xiàn)[4—6]都是基于車車通信思想研制的下一代軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)，是城市軌道交通對(duì)更高效、更靈活和更經(jīng)濟(jì)的列運(yùn)行車控制系統(tǒng)不懈追求的結(jié)果。我國TACS研制開發(fā)工作已開展了近十年，目前已進(jìn)入商用階段。早在2015年，中車四方所聯(lián)合青島地鐵啟動(dòng)了TACS研發(fā)工作，并于2017年在青島地鐵6號(hào)線開展示范應(yīng)用。2020年3月，文獻(xiàn)[7]取得了基于車車通信的列控系統(tǒng)產(chǎn)品認(rèn)證證書。文獻(xiàn)[8]在深圳首條無人駕駛線路—深圳地鐵20號(hào)線上實(shí)現(xiàn)載客運(yùn)營，成為業(yè)內(nèi)我國首個(gè)成功商用的TACS產(chǎn)品。2023年，文獻(xiàn)[9]中基于車車通信的TACS列車也成功落地，成為國內(nèi)首個(gè)核心技術(shù)全自主化的TACS。

本文提出一種用于TACS的列車運(yùn)行間隔自適應(yīng)調(diào)整方法，在構(gòu)建城市軌道交通客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全線站廳客流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測，由控制中心根據(jù)全線路站廳擁擠度情況對(duì)運(yùn)行列車進(jìn)行調(diào)配，自適應(yīng)地調(diào)整客流高峰期與非高峰期的列車運(yùn)行間隔，使運(yùn)力與客流量相匹配，提高城市軌道交通的運(yùn)營效率。

1 TACS簡介

TACS是指列車基于運(yùn)行計(jì)劃和實(shí)時(shí)位置實(shí)現(xiàn)自主資源管理并進(jìn)行主動(dòng)間隔防護(hù)的信號(hào)系統(tǒng)，通過列車與信號(hào)深度融合，將信號(hào)、牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、門控等系統(tǒng)納入一體化控制平臺(tái)。

1.1 TACS系統(tǒng)構(gòu)成

TACS由控制中心、車站設(shè)備、車載設(shè)備構(gòu)成。其中，控制中心主要包括列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS，Automatic Train Supervision system）、維護(hù)支持系統(tǒng)（MSS，Maintain Support System）；車站設(shè)備主要包括現(xiàn)地工作站、目標(biāo)控制器（OC，Object Controller）；車載設(shè)備主要包括車載控制器（OBC，On Board Control Unit）、對(duì)象控制單元（OCU，Object Control Unit）、人機(jī)接口（HMI，Human Machine Interface）；TACS系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[10-11]。

圖1 TACS系統(tǒng)架構(gòu)示意

（1）控制中心ATS主要負(fù)責(zé)監(jiān)視全線路列車運(yùn)行狀態(tài)、編制列車運(yùn)行時(shí)刻表等功能，可將預(yù)先設(shè)置的運(yùn)行時(shí)刻表下發(fā)至列車的車載模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的控制；同時(shí)，ATS與車站OC及現(xiàn)地工作站協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌旁資源的合理分配，實(shí)現(xiàn)列車的自主進(jìn)路、自主調(diào)整、自主運(yùn)行等主要功能。

（2）控制中心MSS主要負(fù)責(zé)監(jiān)測所有系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)和故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)OC及車載相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控，下發(fā)維護(hù)任務(wù)，并與控制中心ATS進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互。

（3）車站目標(biāo)控制器OC與現(xiàn)地工作站協(xié)同工作，負(fù)責(zé)軌旁資源狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，并實(shí)時(shí)將狀態(tài)信息傳輸至控制中心ATS與車載OBC，確保列車安全運(yùn)行。

（4）車載控制器OBC集成了列車休眠喚醒模塊（AOM，Automatic Operation Module），可根據(jù)控制中心ATS傳輸?shù)倪\(yùn)行指令自動(dòng)控制列車上線運(yùn)行或下線休眠；列車自動(dòng)防護(hù)（ATP，Automatic Train Protection）負(fù)責(zé)列車超速防護(hù)，保證列車運(yùn)行安全；HMI提供人機(jī)交互界面，展示車輛狀態(tài)信息；OCU集成列車牽引、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)與信號(hào)系統(tǒng)的功能，并簡化了這些系統(tǒng)間通信接口，提高列車內(nèi)部各系統(tǒng)間通信效率。

1.2 列車運(yùn)行控制基本流程

（1）控制中心ATS預(yù)先編制列車運(yùn)行時(shí)刻表，由ATS的列車運(yùn)行調(diào)整單元將列車運(yùn)行時(shí)刻表下發(fā)至全線路OC設(shè)備及所有TACS列車的車載系統(tǒng)。

（2）TACS列車上線運(yùn)行后，整條線路上的OC實(shí)時(shí)監(jiān)測列車位置、速度等運(yùn)行信息，并與控制中心ATS、車載OBC進(jìn)行運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)交互。

（3）車載OCU自主計(jì)算列車到離站時(shí)間與列車運(yùn)行時(shí)刻表的偏差，基于自身運(yùn)行任務(wù)和當(dāng)前位置，主動(dòng)與所有相鄰列車交互信息，并根據(jù)交互信息自主更新移動(dòng)授權(quán)（MA，Movement Authority）及控車曲線，計(jì)算生成本列車運(yùn)行調(diào)整指令和預(yù)計(jì)的到離站時(shí)間，并將預(yù)計(jì)的到離站時(shí)間發(fā)送給ATS的列車運(yùn)行調(diào)整單元，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自主調(diào)整，增強(qiáng)了列車間隔防護(hù)的實(shí)時(shí)性。

2 線路客流量實(shí)時(shí)監(jiān)測

2.1 客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

為提高城市軌道交通運(yùn)營效率，本文提出建立整條線路的客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括控制中心客流分析服務(wù)器和部署在各車站上的客流數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備；并在TACS現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)上，增加客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)與控制中心ATS的接口，基于客流數(shù)據(jù)的列車運(yùn)行間隔調(diào)整過程如圖2所示。

圖2 基于客流數(shù)據(jù)的列車運(yùn)行間隔調(diào)整過程示意

（1）車站客流數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備從車站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC，Automatic Fare Collection system）閘機(jī)等設(shè)備采集實(shí)時(shí)客流數(shù)據(jù)，并按固定時(shí)間間隔將客流量數(shù)據(jù)上傳給控制中心客流分析服務(wù)器；通過在站內(nèi)候車區(qū)域合理布置視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭，由車站客流數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備利用智能視頻分析算法實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各站廳內(nèi)候車的乘客數(shù)量；AFC閘機(jī)能夠?qū)崟r(shí)統(tǒng)計(jì)各站進(jìn)出站客流量；當(dāng)二者統(tǒng)計(jì)的客流量都大幅增大時(shí)，表明當(dāng)前時(shí)段進(jìn)入客流高峰期。

（2）控制中心客流分析服務(wù)器接收各車站客流數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備上傳的實(shí)時(shí)客流量數(shù)據(jù)，計(jì)算線路上各站站廳客流擁擠度，并據(jù)此判斷全線客流擁擠度狀態(tài)，將全線客流擁擠度狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給中心ATS的列車調(diào)整單元。

（3）控制中心ATS的列車調(diào)整單元依據(jù)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供的全線各車站站廳客流擁擠度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，在客流高峰時(shí)段重新生成列車運(yùn)行時(shí)刻表，并重新將時(shí)刻表傳輸至車載控制系統(tǒng)，喚醒必要的休眠列車進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，或在非高峰期使部分列車退出運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行間隔的自適應(yīng)調(diào)整。

2.2 站廳客流擁擠度

客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)站內(nèi)候車乘客統(tǒng)計(jì)人數(shù)，計(jì)算各個(gè)車站站廳客流擁擠度。將單位面積內(nèi)乘客人數(shù)定義為站廳客流擁擠度X，即有

其中，P為乘客人數(shù)，人；S為乘客可候車面積，m2；μ為擁擠度系數(shù)，為單位可候車面積所能承載最多乘客人數(shù)的倒數(shù)，可視車站站廳布局和設(shè)備配置情況取不同的數(shù)值，如安裝有站臺(tái)屏蔽門的站廳，μ可以取較小數(shù)值。

站廳客流擁擠度X∈[0，1]，其數(shù)值越大，表示站廳越擁擠?；谌炜土鹘y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算站廳客流擁擠度，可生成站廳客流擁擠度曲線。以某地鐵站全天運(yùn)營為例，圖3為該地鐵站運(yùn)營期間站廳客流擁擠度曲線。

圖3 站廳客流擁擠度曲線示例

將站廳客流擁擠度X≤ 0.5確定為客流通暢，乘客舒適性較好；將X＞ 0.5確定為客流擁擠，乘客舒適性較差。客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將站廳客流擁擠度轉(zhuǎn)換為站廳客流數(shù)字量，即X≤ 0.5時(shí)客流數(shù)字量設(shè)置為0，X＞ 0.5時(shí)客流數(shù)字量設(shè)置為1。

3 列車運(yùn)行時(shí)間間隔自適調(diào)整

將線路客流數(shù)字量LP定義為

其中，N為線路車站總數(shù)，座；Xi為車站i的客流數(shù)字量。

控制中心ATS設(shè)置整條線路客流量閾值lptv，如半數(shù)以上車站當(dāng)前客流數(shù)字量X為1時(shí)，可認(rèn)為整條線路客流量較大，即，當(dāng)LP≥lptv時(shí)，認(rèn)為線路出現(xiàn)客流高峰。

ATS列車運(yùn)行調(diào)整單元根據(jù)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算的全線所有車站客流數(shù)字量，自動(dòng)判斷整條線路是否出現(xiàn)客流高峰，并據(jù)此向運(yùn)營列車發(fā)送指令：喚醒上線、維持運(yùn)行、列車下線，協(xié)同其它所有在線運(yùn)行列車自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間。

一旦ATS探測到線路出現(xiàn)客流高峰時(shí)，會(huì)立即喚醒休眠列車進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)來增加運(yùn)力；同時(shí)，由車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將線路客流數(shù)字量實(shí)時(shí)傳輸至車載系統(tǒng)，所有在線運(yùn)行列車根據(jù)接收的客流數(shù)字量信息，通過交互列車運(yùn)行信息，自適應(yīng)調(diào)整列車運(yùn)行時(shí)間間隔。

以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，7：00～9：00、17：00～20：00這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)全線路上站廳客流擁擠度X＞ 0.5的車站超過半數(shù)，表明整條線路站廳客流量較大，列車運(yùn)行間隔時(shí)間縮短為3 min，來增加列車運(yùn)行頻次；其余時(shí)間段內(nèi)站廳乘客擁擠度X＞ 0.5的車站未超過半數(shù)，使列車運(yùn)行間隔時(shí)間恢復(fù)為6 min；對(duì)應(yīng)的列車運(yùn)行時(shí)間間隔調(diào)整曲線如圖4所示。

圖4 列車運(yùn)行時(shí)間間隔調(diào)整曲線示例

4 列車運(yùn)行時(shí)間間隔調(diào)整效果分析

將列車運(yùn)行頻次和列車載客量的乘積定義為車站運(yùn)能σ（人次/h），即有

其中，H為列車載客量，人；y為列車運(yùn)行頻次，次/h。在合理范圍內(nèi)，列車運(yùn)行頻次越高，車站運(yùn)能越大。

站廳乘客擁擠度X與列車運(yùn)行頻次y成正比關(guān)系，即有X∝σ，或X∝H·y。站廳客流擁擠度X越大，要求列車運(yùn)行頻次y越高。為此，在客流高峰期間，增加列車運(yùn)行頻次y，可充分緩解站廳乘客擁擠程度。以圖3站廳客流擁擠度曲線為例，列車運(yùn)行頻次調(diào)整前后站廳客流擁擠度變化曲線如圖5所示。

圖5 列車運(yùn)行頻次調(diào)整前后站廳客流擁擠度變化曲線

由圖5 可以看出：7：00～9：00、17：00～20：00這2個(gè)時(shí)間段內(nèi)，控制中心ATS的列車運(yùn)行調(diào)整單元重新生成列車運(yùn)行時(shí)刻表，運(yùn)行時(shí)間間隔由6 min減少至3 min，將高峰時(shí)段站廳客流擁擠度保持在0.5左右；其它時(shí)間段客流擁擠度較低，列車按既有運(yùn)行時(shí)刻表運(yùn)行。

5 結(jié)束語

本文提出一種用于城市軌道交通TACS系統(tǒng)的列車自適應(yīng)運(yùn)行調(diào)整方法，在已有TACS系統(tǒng)列車運(yùn)行自主調(diào)整的技術(shù)架構(gòu)上，通過建設(shè)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及增加該系統(tǒng)與ATS的客流數(shù)據(jù)接口，利用車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和AFC閘機(jī)采集客流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測整條線路的客流量，當(dāng)出現(xiàn)客流高峰時(shí)由ATS列車調(diào)整單元及時(shí)調(diào)整列車運(yùn)行時(shí)刻表，喚醒休眠列車進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)來增加運(yùn)力；所有在線運(yùn)行列車根據(jù)ATS調(diào)整生成的最新列車運(yùn)行時(shí)刻表，交互列車運(yùn)行信息，自適應(yīng)調(diào)整列車運(yùn)行時(shí)間間隔；通過在客流高峰時(shí)段縮短列車運(yùn)行時(shí)間間隔，提高線路載客能力，在客流低峰時(shí)段延長列車運(yùn)行時(shí)間間隔，降低線路運(yùn)營能耗，可有效地提升線路運(yùn)營效率。該方案原理簡單，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，僅需增加客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)服務(wù)器和車站客流數(shù)據(jù)采集接口設(shè)備、調(diào)整車站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的攝像頭布置以及對(duì)ATS列車調(diào)整單元模塊的功能進(jìn)行擴(kuò)展，不影響TACS系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和性能。

如何解決客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)中客流數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)問題、如何配置上線列車數(shù)量使線路客流量與線路運(yùn)能達(dá)到最優(yōu)配置，是目前存在的關(guān)鍵問題。下一步將對(duì)上述兩類問題做重點(diǎn)研究，進(jìn)一步完善方案的完整可行性。