TACS系统在城市轨道交通信号系统更新改造工程中的应用研究

摘要

地铁信号系统更新改造工程如何有效提升线路运能、降低改造风险、缩短改造周期是一个较大的课题。结合TACS系统结构简单、高效、灵活性强、易部署等特点，对TACS系统在改造项目中的应用进行了研究，包括室内设备、轨旁设备和车载信号系统的改造等;阐述了TACS系统在改造应用中的优势，可供设计和建设单位参考。

根据交通运输部 2019 年发布的《城市轨道交通设施设备运行维护管理办法》(交运规[2019] 8 号)[1]规定，城市轨道交通信号系统整体使用寿命一般不超过20年，对于车辆、供电、信号等涉及行车安全的关键设备，达到使用年限的应及时更新；对于未达使用年限，但符合以下条件之一的设施设备，可提前更新： ①故障率较高，严重影响运营安全和客运服务的; ②存在重大安全隐患，经维修后仍无法消除的; ③原设计功能、性能与当前运营要求严重不符等。对需要更新改造的信号系统，除了主流的CBTC系统，列车自主运行系统也是一种新的选择。目前TACS以其高效的性能逐步开始商业应用，上海地铁3/4号线信号系统改造便采用了TACS系统。

1 TACS系统架构

典型TACS系统由ATS子系统组成，并可根据项目需求配置用于后备列车定位的BLS子系统[2]，TACS系统架构见图1。

其中车载ATP/ATO子系统根据计划进行线路资源请求及释放，自主计算移动授权并进行列车自动控制；轨旁ATP子系统包括轨旁资源管理器、轨旁列车管理器和目标控制器。

1) 轨旁资源管理器接收来自列车的资源申请命令，并将线路资源分配与回收指令发送至目标控制器，同时将资源分配状态反馈给列车。

2) 轨旁列车管理器负责管理及跟踪故障列车，当列车降级无法申请资源时，由轨旁列车管理器接管故障列车进行资源申请及释放，并与相邻列车进行列车位置交互。

3) 目标控制器采用全电子执行单元与轨旁设备直接连接，用于实现轨旁设备状态采集及驱动。

2 TACS与CBTC的主要区别

TACS系统是基于运行计划和实时位置实现自主资源管理和主动间隔防护的信号系统，是目前全球轨道交通重点攻关的列控技术。与传统基于车地通信的列车控制系统CBTC相比，采用TACS系统的线路列车运行间隔更小、运能更大、运营组织灵活性更强。TACS系统与传统CBTC系统的主要区别如下[3-7]：

1) TACS系统不设置计算机联锁和区域控制器设备，而由车载 ATP/ATO子系统与轨旁资源管理器共同实现基于车地协同的联锁管理，基于车车通信实现主动的间隔防护。

2) TACS系统中ATS子系统直接与车载ATP/ATO子系统进行无线通信，将列车运行命令直接发送给车载ATP/ATO子系统。

3) 车载设备根据列车运行命令，直接控制道岔的转动、资源申请、移动授权的计算等与轨旁相关的安全功能，实现自主资源管理、主动间隔防护、自动驾驶、自主调整。

3 TACS系统在更新改造线路中的应用

作为新一代的列车运行控制系统，TACS系统用于改造线路时，可以有效提升线路运能、降低改造风险、缩短改造周期等，支持全自动无人驾驶的升级需求[8]。

1) 架构精简，所需的设备机房面积减少，安装调试工作量是传统CBTC系统的60%。

2) 高效的资源管理，与CBTC系统相比，列车折返能力提升约20%。

对于信号系统更新改造，主要应解决室内设备、车载设备和轨旁设备的改造或倒切。

3.1 室内设备改造

如果是将既有信号系统改造为CBTC系统，需要与既有系统或设备发生较多的联系 (共用或倒切)，主要包括道岔、信号机、次级检测设备、继电组合等。如果是采用TACS系统，由于其架构较为精简，减少了联锁设备、次级检测设备，因此可以不与既有系统发生关联，仅需对轨旁道岔和信号机等在线盘进行切换控制，典型的改造方案见图2，图中虚线部分为TACS新增设备及新增的设备连接。

1) 控制中心新增一套ATS子系统，用于根据时刻表给列车发送运行任务，并显示线路和列车状态。

2)设备集中站新增轨旁资源管理器和目标控制器，轨旁资源管理器用于接收列车的资源申请和释放请求，并发送至目标控制器执行。

3) 全线配置一套轨旁列车管理器，用于管理降级列车。

除了目标控制器与轨旁设备通过电缆接口外，其它设备均采用网络接口，且设备少，安装方便，在没有新机房的情况下，可以在既有机房进行设备安装。通过倒接开关实现新旧系统对室外设备的控制，新旧系统倒切原理见图3。

为了缩短倒接时间、避免调试倒接过程中的人为误操作，集中站倒接开关采用安全型继电器的倒接方式 (本文以继电器倒接为例介绍)，继电器吸起时为夜间调试模式，继电器落下时为白天运营模式，即使在设备失电的情况下也能确保继电器是落下状态。

道岔采用加强接点型JWXC-480继电器作为倒接设备，其他可采用铁路中常用的安全无极继电器(如 JWXC-1700 型)作为倒接设备。JWXC-480安全型继电器有2组加强型接点和2组非加强型接点，道岔控制线均通过2组加强型接点倒接，对于道岔的表示回线可采用非加强型接点。

每个集中站电源屏提供两路冗余的直流24V电源 (KZ1/KF1、KZ2/KF2)，为倒接继电器的励磁电路供电。在倒接组合柜上为每路 24V电源设置一个总断路器，并分别在每层组合上为每路24V 电源设置一个断路器。两路冗余的直流24V电源分别接继电器2个线圈，当其中的一路24V电源因故障断电时，另一路应能保证继续为倒接继电器供电。

3.2 车载设备改造

对于车载设备改造，需考虑TACS系统车载设备的安装、驾驶台改造以及新旧设备倒接等，与传统CBTC系统改造工作量基本相同。TACS系统车载设备改造示意见图4，图中虚线部分为TACS新增设备及新增的设备连接。

对于车载设备改造，由于改造期间不能中断既有线的运营，因此需要在列车上设置新系统的安装位置，改造期间新旧2套车载系统共存。既有车载系统和TACS系统没有任何共用的硬件设备，机械接口上不需要任何的特殊方案，主要是进行车辆接口改造。

为满足新旧2套车载系统共存需求，2套车载采用倒切开关进行切换，切换原理见图5，配合轨旁倒切开关进行调试。在硬件电路上，车辆无需关注目前是哪一套系统在控车;对于输出方式不同的信号，车辆需要在软件逻辑上进行切换。

3.3 轨旁设备改造

TACS系统取消了传统信号系统的联锁设备和计轴设备，因此，轨旁设备改造内容较少。新系统所用的轨旁信号机和车站站台紧急关闭按钮，由于安装较方便，且安装过程不影响既有系统的正常运营，建议重新设置，只需要对轨旁转辙机和站台门设备进行切换。

TACS系统资源管理颗粒度相比于传统CBTC系统更为精细，每一组道岔可作为独立的资源处理，以提高进路选择的效率和灵活性。由于既有线道岔是按双动道岔配置，因此，需要将双动道岔同时控制方式改为单独控制方式。以ZD6双动道岔为例，可以在新系统倒接调试开始前对既有系统进行改造，完成拆分，然后再进行新旧系统倒接。

4 TACS系统应用优势

4.1 提升运能

对于既有线信号系统的更新改造，应通过系统的更新迭代提高运输能力。对于开通较早的线路(一般采用固定闭塞或准移动闭塞制式)，如果升级为CBTC系统，运能提升约20%;如果已经是CBTC 制式的线路，再通过更新CBTC设备提升运能几乎不可行。而 TACS系统较CBTC系统整体性能提升30%，可以有效解决运能瓶颈，以适应未来客流增长的需求。根据文献[9-10]，TACS系统折返能力在90s以内。按规定的典型车辆参数和图6所示的站后折返站型，TACS 系统折返时间见表1。通过仿真计算折返追踪间隔为86s，远低于传统CBTC系统折返追踪间隔不大于108s的要求。相较于传统CBTC系统折返能力提升20%。

4.2 缩短改造工期

改造工期是既有线改造所面临的一个痛点问题，考虑到所有施工作业均在夜间停运后进行，一般仅有3~4 h的施工时间，而在同等条件下，由于TACS系统车站及轨旁设备大大少于传统的CBTC系统，因此，与CBTC系统信号系统改造工期相比，采用TACS系统可以将改造工期缩短1/3。

4.3 降低对配线长度的需求

对于既有线路，在信号系统升级改造过程中一般没有条件对线路进行改造，而对于既有车辆基地停车列检库的配线长度，一般不能满足无人驾驶模式自动停车需求，对于需要升级为CBTC制式的全自动无人驾驶模式将有一定的困难。而TACS系统对于配线长度要求更低，可以利用既有配线完成全自动无人驾驶模式精确停车，这主要得益于TACS系统较CBTC系统所要求的安全防护距离更短。因此，既有线可以在不增加原有配线长度的情况下升级为 DTO(有人值守的全自动运行)或UTO(无人值守的全自动运行)运营模式。

4.4 降低改造风险

对既有线路的信号系统更新改造，其改造风险与所改造的设备数量、关联度直接相关。风险高低与接口数量、改造工期、调试项的多少成正比例关系，如接口数量越多，风险越大，其它的风险基本相同。

而采用TACS 系统，由于轨旁倒切设备只有转辙机、站台门等，同时采用了全电子执行单元，可直接通过分线盘与室外转辙机、信号机及站台门接口，彻底消除了大量继电器接口改造和调试所带来的风险。

4.5 减少对既有线运营影响

既有线路的信号系统更新改造，不能对既有线运营造成影响是一个重要的考核指标。由于TACS 系统的设备精简，因此需要倒切的设备数量相对较少;同时TACS 系统不再配置联锁设备，因此现场调试的项目大大减少，这些因素都使得信号系统升级改造为TACS 系统时的风险将大大降低，最大程度减少对既有线运营的影响。

5 结语

本文通过对TACS系统在轨道交通更新改造工程项目中的应用研究，阐述了采用TACS系统进行信号系统更新改造能够提升线路运输能力、降低系统改造风险、缩短系统改造周期等方面的优势。本文研究可为国内既有轨道交通信号系统不停运更新改造在制式选择、工程实施和风险控制等方面提供一定的参考。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部. 交运规[2019]8号城市轨道交通设施设备运行维护管理办法[S]. 2019.

[2] 上海轨交无人驾驶工程技术中心 . 列车自主运行系统(TACS)技术规范(征求意见稿) [EB/OL].[2021-09-17]. https://mp.weixin.qq.com/s/P3Jw2nu_jVu5K0UZUAzInQ.

[3] xystation. TACS (基于车车通信的列车自主运行系统)[EB/OL]. [2021-01-28]. https://baike. baidu. com/item/TACS/53975153.

[4] 汪小勇, 陈绍文,杨海东 .一种轨道交通资源的管理方法及装置: CN109878556B[P].2021-06-08.