全球首条商业运营的车车通信线路-深圳市城市轨道交通20号线一期工程

　　一、总体介绍

　　深圳地铁四期工程建设初期，为响应国家关于交通强国的精神，广东省关于将20号线建设成为技术创新应用试验线的指示，深圳地铁力争将20号线一期工程打造深圳地铁的科技示范线，我院作为深圳地铁20号线一期工程的勘察设计总承包单位，本着人性化和节能环保为向导，以科技创新和数据融合为驱动，以提升设计品质为目标，打造智慧地铁、人文地铁、绿色地铁的设计思路，信号系统结合行业技术发展情况创新采用基于车车通信的列车自主运行系统，将20号线打造成了深圳首条智慧地铁和全自动运行线路，全球首条投入商业运营的基于车车通信的列车自主运行线路，以更安全、更高效、更灵活的信号系统保障全自动运行线路安全快速运行，行车间隔较传统CBTC系统提升30%。 深圳20号线一期工程于2021年12月开通，线路长约8.43km，设5座车站(机场北站、国展南站、国展站、国展北站、会展城站)，一座机场北车辆段，控制中心设置与深圳线网控制中心NOCC内，采用8辆编组的A型车，工程总投资为102.49亿元，其中信号系统投资约2.12亿元。

　　二、主要做法

　　(一) 系统架构 基于车车通信的列车自主运行系统(TACS系统)以列车与列车之间、列车与地面设备之间大容量信息交互为基础，以车载控制为核心，采用资源管理的理念，实现列车运行方式由自动化向自主化转变。深圳20号线采用的TACS系统由列车自动防护(ATP)子系统、列车自动驾驶(ATO)子系统、列车自动监控(ATS)子系统和数据传输(DCS)子系统组成，各子系统之间相互渗透，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运行调整、资源管理及无人驾驶功能为一体的列车自主运行系统(TACS)。系统取消了传统的联锁设备，由轨旁ATP设备(地面资源管理设备和目标控制设备)直接管理线路资源,轨旁仅设置用于道岔转换的转辙机和列车定位用的无源应答器。

　　(二)控制原理 TACS系统无须再由地面设备为列车排列进路，控制中心直接将运行任务下发至车载设备，车载设备根据运行任务向地面资源管理设备申请运行所需的线路资源，并通过车-车通信获取前车位置，车载设备根据获取的线路资源、前车位置等信息自主计算移动授权完成自动运行，整体信息控制流程如下图。

　　TACS系统和CBTC系统均属于移动闭塞制式，核心安全防护功能与传统CBTC系统一致，两者列车运行安全防护功能分配对比如下：
 

安全防护功能		功能划分	CBTC系统	TACS系统
防止列车脱轨	道岔锁闭（防道岔失控）	联锁功能	联锁+区域控制器	车载设备+资源管理设备
	线路限速（防超速脱轨）	超速防护	车载设备	车载设备
防止列车碰撞	防止追尾	闭塞功能	区域控制器	车载设备
	防止迎面碰撞	联锁功能	联锁+区域控制器	车载设备
	防止侧面碰撞	联锁功能	联锁	车载设备+资源管理设备
防止列车超速	防止列车超速	超速防护	车载设备	车载设备

　　(三)关键技术

　　TACS系统关键技术包括列车自主路径规划、线路资源管理以及列车自主间隔防护。

　　(1)列车自主路径规划。路径规划是列车进行线路资源申请的前提，车载设备存储线路电子地图信息，列车根据运行计划中的下一站、目的地等信息检索电子地图，自主完成规划行车路径。列车路径规划包括接收运行计划、运行路径规划和规划路径更新。 列车接收的运行计划信息包括车次信息、始发站、中间站、终点站、站停时间、跳停信息等。车载设备根据线路拓扑结构，自主确定运行计划起点至终点的运行路径，包括起终点、车站、途径道岔区域和区间无岔区域等。规划路径更新包括运行到终点后接收新的运行计划以及临时运行计划调整。临时运行计划调整可以是既有运行任务的部分改变，也可以是取消既有运行任务并下发新的运行任务。 列车自主规划运行路径具有一定的运营灵活性，对于一些特殊运行场景可以直接通过人工改变运行计划实现，如区间退行、列车救援、单线拉风箱式运行等。

　　(2)线路资源管理。TACS系统通过对轨道交通线路组成元素进行分解，提取必要的组成元素构成线路资源，并对线路资源的重新整合、建立线路资源的使用逻辑，实现列车对于线路资源的有序占用，从而达到与联锁进路一致的安全防护目的。线路资源具体包括轨道(无岔区域)、道岔、线路起终点、站台门、人员防护开关等。资源管理不受物理轨道区段划分限制，相比进路控制方式采用更精细的颗粒度划分，有利于减少线路资源占用时间、提升线路通过能力。 以下图所示的列车折返场景为例，资源管理方式在列车出清道岔冲突区域后即可释放道岔资源，前车出清应答器FB2后释放道岔1资源，后车可以提早征用道岔1资源节省资源办理时间，同理，在前车出清FB5后后车可获取进入折返轨资源，而对于CBTC系统前车需出清道岔区域后方能解锁折返进路，即前车出清交叉渡线后后车才能办理从站台进入折返轨进路。经系统仿真，相同折返模式下TACS系统站后折返能力相对CBTC系统能提升20s左右。

　　(3)列车自主间隔防护。TACS系统由列车自主计算移动授权完成运行间隔防护，列车间隔防护包括前车识别和移动授权计算两个主要功能。

　　前车识别主要完成追踪运行的目标列车确认，追踪运行的列车只有在互相确认列车相邻关系后，方能排除隐藏列车，实现线路列车安全、有序运行。前车识别包括识别相邻列车、建立追踪关系和追踪关系管理。

　　列车自主计算移动授权属于列车自主组织已分配的线路资源、线路各类障碍物信息计算ATP防护曲线终点的过程，移动授权在列车运行过程中不断向运行任务终点延伸。移动授权计算主要按运行场景划分，可分为单车运行、列车进站、区间追踪、列车折返等正常运行场景以及各类故障运行场景。

　　三、取得成效

　　深圳20号线一期工程按照GoA4级自动化等级高水平开通基于车车通信的全自动运行，信号系统各方面性能均优于运营指标要求，其中列车折返间隔、出入段间隔在设计技术指标基础上提升超过10%。无人驾驶与车车通信技术结合，提升了乘客出行效率和乘客乘坐体验，同时系统运行平稳、安全可靠，满足运营需要。

　　深圳20号线TACS系统相比CBTC系统的进路控制方式更为灵活，列车可根据运行任务在任意地点向前或向后申请线路资源，还可根据更新的运行任务随时改变运行方向，支持更为灵活的运营组织方式。

　　系统能力方面，根据工程实际测算数据，深圳20号线采用8节编组的A型车，TACS系统站前折返能力能够达到160秒以内、站后折返能力能够达到100秒以内，而常规CBTC系统的站前折返能力指标为180秒、站后折返能力指标为120秒，高效的折返能力可以提升线路旅行速度，进一步提升线路服务水平，因此TACS系统在客流强度大的线路具有较突出优势。

　　(一)社会效益

　　TACS系统在轨道交通体现了技术先进、效率优先、精准灵活、绿色节能等特点，成为轨道交通建设的迫切需求。

　　(1)轨道交通新技术发展，促进轨道交通产业升级，提高国家创新能力。

　　(2)TACS系统可靠性高，有利于提升轨道交通整体安全性，系统支持任意点折返和径路自主规划功能，提供灵活的运营组织方式，提升乘客满意度。

　　(3)TACS系统的实施，可进一步提高行车密度，可以实现全天不间断的运输服务，提高轨道交通运营效率，引领市民低碳出行，符合国家节能减排战略，提高社会满意度。

　　(二)环境效益

　　TACS系统在设计过程中贯彻“产品全寿命周期成本”的设备选型原则，在设计时就要求电子设备以及相关产品均应充分满足环保标准和要求;优先从线网的层面上考虑资源共享和互通应用、提升维修能力，促进联通联运的发展，信号机、转辙机、应答器等轨旁设备做到设备选型一致或兼容;执行单元选用免维护的全电子设备替代传统的继电设备，提升设备可靠性。