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,對城市軌道交通提出更大的運能需求,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,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,使得超強度運營及各種超常規(guī)運營成為了常態(tài),要求城市軌道交通具備更靈活的運營能力,如支持潮汐通勤客流對靈活編組、快慢混行的需求,突發(fā)客流對任意站穿梭、編隊運行的需求,突發(fā)故障對任意點折返的需求等[1-2]。
列車自主運行系統(tǒng)(TACS,Train Autonomous Circumambulation System)以去中心化的“車車通信”實現(xiàn)車車的協(xié)同控制,減少了因軌旁中轉(zhuǎn)帶來的時間損失,提高了線路資源單位時間內(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能[3]。文獻[4—6]都是基于車車通信思想研制的下一代軌道交通信號控制系統(tǒng),是城市軌道交通對更高效、更靈活和更經(jīng)濟的列運行車控制系統(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,目前已進入商用階段。早在2015年,中車四方所聯(lián)合青島地鐵啟動了TACS研發(fā)工作,并于2017年在青島地鐵6號線開展示范應(yīng)用。2020年3月,文獻[7]取得了基于車車通信的列控系統(tǒng)產(chǎn)品認證證書。文獻[8]在深圳首條無人駕駛線路—深圳地鐵20號線上實現(xiàn)載客運營,成為業(yè)內(nèi)我國首個成功商用的TACS產(chǎn)品。2023年,文獻[9]中基于車車通信的TACS列車也成功落地,成為國內(nèi)首個核心技術(shù)全自主化的TACS。
本文提出一種用于TACS的列車運行間隔自適應(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,實現(xiàn)全線站廳客流量動態(tài)監(jiān)測,由控制中心根據(jù)全線路站廳擁擠度情況對運行列車進行調(diào)配,自適應(yīng)地調(diào)整客流高峰期與非高峰期的列車運行間隔,使運力與客流量相匹配,提高城市軌道交通的運營效率。
TACS是指列車基于運行計劃和實時位置實現(xiàn)自主資源管理并進行主動間隔防護的信號系統(tǒng),通過列車與信號深度融合,將信號、牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)、門控等系統(tǒng)納入一體化控制平臺。
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監(jiān)控系統(tǒng)(ATS,Automatic Train Supervision system)、維護支持系統(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)、對象控制單元(OCU,Object Control Unit)、人機接口(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主要負責(zé)監(jiān)視全線路列車運行狀態(tài)、編制列車運行時刻表等功能,可將預(yù)先設(shè)置的運行時刻表下發(fā)至列車的車載模塊,實現(xiàn)對列車的控制;同時,ATS與車站OC及現(xiàn)地工作站協(xié)同工作,實現(xiàn)對軌旁資源的合理分配,實現(xiàn)列車的自主進路、自主調(diào)整、自主運行等主要功能。
(2)控制中心MSS主要負責(zé)監(jiān)測所有系統(tǒng)設(shè)備的工作狀態(tài)和故障,實現(xiàn)對OC及車載相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控,下發(fā)維護任務(wù),并與控制中心ATS進行實時信息交互。
(3)車站目標控制器OC與現(xiàn)地工作站協(xié)同工作,負責(zé)軌旁資源狀態(tài)的實時更新,并實時將狀態(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\行指令自動控制列車上線運行或下線休眠;列車自動防護(ATP,Automatic Train Protection)負責(zé)列車超速防護,保證列車運行安全;HMI提供人機交互界面,展示車輛狀態(tài)信息;OCU集成列車牽引、制動、網(wǎng)絡(luò)與信號系統(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)控制中心ATS預(yù)先編制列車運行時刻表,由ATS的列車運行調(diào)整單元將列車運行時刻表下發(fā)至全線路OC設(shè)備及所有TACS列車的車載系統(tǒng)。
(2)TACS列車上線運行后,整條線路上的OC實時監(jiān)測列車位置、速度等運行信息,并與控制中心ATS、車載OBC進行運行信息的實時交互。
(3)車載OCU自主計算列車到離站時間與列車運行時刻表的偏差,基于自身運行任務(wù)和當前位置,主動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授權(quán)(MA,Movement Authority)及控車曲線,計算生成本列車運行調(diào)整指令和預(yù)計的到離站時間,并將預(yù)計的到離站時間發(fā)送給ATS的列車運行調(diào)整單元,實現(xiàn)列車運行自主調(diào)整,增強了列車間隔防護的實時性。
為提高城市軌道交通運營效率,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)、自動售檢票系統(tǒng)(AFC,Automatic Fare Collection system)閘機等設(shè)備采集實時客流數(shù)據(jù),并按固定時間間隔將客流量數(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時統(tǒng)計各站廳內(nèi)候車的乘客數(shù)量;AFC閘機能夠?qū)崟r統(tǒng)計各站進出站客流量;當二者統(tǒng)計的客流量都大幅增大時,表明當前時段進入客流高峰期。
(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)備上傳的實時客流量數(shù)據(jù),計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態(tài)數(shù)據(jù),在客流高峰時段重新生成列車運行時刻表,并重新將時刻表傳輸至車載控制系統(tǒng),喚醒必要的休眠列車進入運行狀態(tài),或在非高峰期使部分列車退出運行狀態(tài),從而實現(xiàn)列車運行間隔的自適應(yīng)調(diào)整。
客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)根據(jù)站內(nèi)候車乘客統(tǒng)計人數(shù),計算各個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)計數(shù)據(jù)計算站廳客流擁擠度,可生成站廳客流擁擠度曲線。以某地鐵站全天運營為例,圖3為該地鐵站運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時客流數(shù)字量設(shè)置為0,X> 0.5時客流數(shù)字量設(shè)置為1。
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)以上車站當前客流數(shù)字量X為1時,可認為整條線路客流量較大,即,當LP≥lptv時,認為線路出現(xiàn)客流高峰。
ATS列車運行調(diào)整單元根據(jù)客流數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)實時計算的全線所有車站客流數(shù)字量,自動判斷整條線路是否出現(xiàn)客流高峰,并據(jù)此向運營列車發(fā)送指令:喚醒上線、維持運行、列車下線,協(xié)同其它所有在線運行列車自適應(yīng)調(diào)整運行時間。
一旦ATS探測到線路出現(xiàn)客流高峰時,會立即喚醒休眠列車進入運行狀態(tài)來增加運力;同時,由車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)將線路客流數(shù)字量實時傳輸至車載系統(tǒng),所有在線運行列車根據(jù)接收的客流數(shù)字量信息,通過交互列車運行信息,自適應(yīng)調(diào)整列車運行時間間隔。
以圖3站廳客流擁擠度曲線為例,7:00~9:00、17:00~20:00這2個時間段內(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,列車運行間隔時間縮短為3 min,來增加列車運行頻次;其余時間段內(nèi)站廳乘客擁擠度X> 0.5的車站未超過半數(shù),使列車運行間隔時間恢復(fù)為6 min;對應(yīng)的列車運行時間間隔調(diào)整曲線如圖4所示。
圖4 列車運行時間間隔調(diào)整曲線示例
將列車運行頻次和列車載客量的乘積定義為車站運能σ(人次/h),即有
其中,H為列車載客量,人;y為列車運行頻次,次/h。在合理范圍內(nèi),列車運行頻次越高,車站運能越大。
站廳乘客擁擠度X與列車運行頻次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,要求列車運行頻次y越高。為此,在客流高峰期間,增加列車運行頻次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個時間段內(nèi),控制中心ATS的列車運行調(diào)整單元重新生成列車運行時刻表,運行時間間隔由6 min減少至3 min,將高峰時段站廳客流擁擠度保持在0.5左右;其它時間段客流擁擠度較低,列車按既有運行時刻表運行。
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)運行調(diào)整方法,在已有TACS系統(tǒng)列車運行自主調(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閘機采集客流數(shù)據(jù),實時監(jiān)測整條線路的客流量,當出現(xiàn)客流高峰時由ATS列車調(diào)整單元及時調(diào)整列車運行時刻表,喚醒休眠列車進入運行狀態(tài)來增加運力;所有在線運行列車根據(jù)ATS調(diào)整生成的最新列車運行時刻表,交互列車運行信息,自適應(yīng)調(diào)整列車運行時間間隔;通過在客流高峰時段縮短列車運行時間間隔,提高線路載客能力,在客流低峰時段延長列車運行時間間隔,降低線路運營能耗,可有效地提升線路運營效率。該方案原理簡單,技術(shù)上易于實現(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ATS列車調(diào)整單元模塊的功能進行擴展,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)計問題、如何配置上線列車數(shù)量使線路客流量與線路運能達到最優(yōu)配置,是目前存在的關(guān)鍵問題。下一步將對上述兩類問題做重點研究,進一步完善方案的完整可行性。