基于 UPPAAL仿真軟件的CTCS-3級(jí)行車許可研究*

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?講師）

基于 UPPAAL仿真軟件的CTCS-3級(jí)行車許可研究*

黃秀玲原萍朱文良

（上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?講師）

行車許可是列車安全運(yùn)行的行車憑證,是無線閉塞中心通過與列車、聯(lián)鎖系統(tǒng)等設(shè)備的通信獲得相關(guān)的信息后,生成并發(fā)送給列車,最終車載設(shè)備根據(jù)行車許可信息計(jì)算安全防護(hù)曲線,確保列車安全運(yùn)行。因此,行車許可丟失或發(fā)生錯(cuò)誤都會(huì)影響列車運(yùn)行安全,而行車許可終點(diǎn)計(jì)算的合理性則會(huì)影響運(yùn)營(yíng)效率。分別分析了列車在接車、發(fā)車、區(qū)間運(yùn)行等3個(gè)階段的正常運(yùn)營(yíng)情況下和非正常運(yùn)營(yíng)情況下對(duì)行車許可的獲取及采取的相應(yīng)操作,然后用 UPPAAL仿真軟件中的時(shí)間自動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性。

行車許可;無線閉塞中心;時(shí)間自動(dòng)機(jī)

First-author’saddress College of Urban Railway Traffic and Transportation,Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

行 車 許 可 （Movement Authority,以 下 簡(jiǎn) 稱MA）,是指列車運(yùn)行的起始命令。此命令包含列車運(yùn)行的距離、速度等信息,即：允許列車以多高的限速開多遠(yuǎn)。

在運(yùn)營(yíng)條件正常的情況下,MA是由無線閉塞中心（Radio Block Center,以下簡(jiǎn)稱 RBC）發(fā)送給車載信號(hào)設(shè)備,車載設(shè)備根據(jù)獲得的 MA,計(jì)算列車運(yùn)行防護(hù)曲線,監(jiān)控列車安全運(yùn)行。MA終點(diǎn)受與本列車通信的 RBC控制區(qū)域內(nèi)的線路參數(shù)、列車參數(shù)、閉塞方式,以及通信設(shè)備等的影響。如：移動(dòng)閉塞系統(tǒng)和固定閉塞系統(tǒng)中的MA終點(diǎn)的計(jì)算依據(jù)不同;列車前方是否有道岔會(huì)影響 MA終點(diǎn)的計(jì)算;不 同 的 列 車 運(yùn) 行 控 制 系 統(tǒng) （Chinese Train Control System,以下間稱 CTCS）級(jí)別 MA 終點(diǎn)的確定也不同等。因此分析在不同的條件下MA的獲取,以及在故障狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)正確獲取 MA,對(duì)列車運(yùn)行的安全性具有積極的意義。

1 CTCS-3系統(tǒng)中列車對(duì) MA的接收與執(zhí)行

當(dāng)列車運(yùn)行在 CTCS-3系統(tǒng)中時(shí),列車通過車載設(shè)備向RBC發(fā)送 MA請(qǐng)求;RBC根據(jù)從聯(lián)鎖系統(tǒng)獲得 的 信 號(hào) 授 權(quán) （Signal Authorization,以 下 簡(jiǎn)稱SA）,以及列車發(fā)送給RBC的列車位置信息,最終計(jì)算分析得到 MA,并將生成的 MA、線路參數(shù)等信息發(fā)送給列車車載設(shè)備。其中,SA包括進(jìn)路類型、進(jìn)路狀態(tài)、降級(jí)狀態(tài)、進(jìn)路識(shí)別號(hào)、危險(xiǎn)點(diǎn)、溜入危險(xiǎn)等信息;列車位置信息包括本列車和前行列車發(fā)送的位置信息及列車數(shù)據(jù)等信息。列車控制車載設(shè)備根據(jù)獲得的 MA終點(diǎn)位置、當(dāng)前區(qū)間的閉塞方式、列車和線路的限速等信息,計(jì)算MA區(qū)域內(nèi)的列車防護(hù)曲線,監(jiān)控列車的安全運(yùn)行。

當(dāng)列車正常運(yùn)行時(shí),車載設(shè)備循環(huán)從RBC獲得向前延伸的MA。若在當(dāng)前MA范圍內(nèi)進(jìn)路的某區(qū)段已被占用,則聯(lián)鎖設(shè)備向RBC發(fā)送占用消息, RBC根據(jù)該占用消息生成有條件緊急停車消息（CEM）,并發(fā)送給車載設(shè)備;車載設(shè)備根據(jù) RBC和聯(lián)鎖發(fā)送的相關(guān)消息以及本列車的位置信息判斷生成CEM消息的原因,并作相應(yīng)的操作。當(dāng)車載設(shè)備發(fā)生故障致使列車緊急停車,或因其它原因RBC向列車控制車載設(shè)備發(fā)送緊急停車消息（UEM）或者縮短行車許可（SMA）的命令,原 MA 將被中止,并按新的MA安全行車。

一般情況,MA一旦生成并且發(fā)送給列車后,列車根據(jù)該MA執(zhí)行相應(yīng)的操作,直到 MA結(jié)束或者超時(shí)。

2 處于不同進(jìn)路中列車的MA

當(dāng)列車獲得 UEM信息后,需要根據(jù)列車當(dāng)前所處的位置不同而采取不同的操作;而且雖然同是延伸許可,列車所處的進(jìn)路不同,延伸許可也不同。因此以下分析列車在出站、區(qū)間運(yùn)行、進(jìn)站三個(gè)階段中接收延伸 MA、UEM等消息后所需采取的操作。

2.1 在發(fā)車進(jìn)路中列車獲得的 MA

列車進(jìn)入發(fā)車進(jìn)路前,需經(jīng)過的過程有：上電、注冊(cè)到RBC、按壓“啟動(dòng)”按鈕、車載設(shè)備正式投入工作、CTC（調(diào)度集中控制系統(tǒng)）控制聯(lián)鎖辦理發(fā)車進(jìn)路,從而使 RBC或軌道電路向車載設(shè)備發(fā)送發(fā)車MA。

2.1.1 列車處于圖1中的位置①時(shí)

若在發(fā)車進(jìn)路還未辦理時(shí),發(fā)車進(jìn)路中的道岔或其它站內(nèi)軌道區(qū)段發(fā)生故障,此時(shí)由于列車還未得到 MA,需請(qǐng)示調(diào)度員,并得到調(diào)度員確認(rèn)后方能發(fā)車進(jìn)入發(fā)車進(jìn)路。

當(dāng)列車接收到發(fā)車 MA后,此時(shí)前方進(jìn)路或道岔若發(fā)生故障,基于故障-安全原則,車站聯(lián)鎖將立即關(guān)閉出站信號(hào)機(jī) X3,并向 RBC發(fā)送發(fā)車進(jìn)路為“占用”狀態(tài);列車則接收到RBC發(fā)送的以X3信號(hào)機(jī)為目標(biāo)點(diǎn)的CEM,并執(zhí)行如下操作：

（1）通過列車的位置判斷列車前端是否已經(jīng)通過 X3信號(hào)機(jī)：若未通過,則“占用”狀態(tài)信息是因前方軌道是處于故障狀態(tài)或者是被其他列車不正常占用,此時(shí)列車需立即進(jìn)行制動(dòng)并停車;如果列車前端已經(jīng)通過信號(hào)機(jī)X3,則表明這個(gè)“占用”狀態(tài)是本列車占用該段軌道引起的（如圖1中列車處于位置②時(shí)的狀態(tài)）,列車將忽略該消息,繼續(xù)按原來的 MA前進(jìn)。

圖1 列車發(fā)車行車許可示意圖

（2）當(dāng)發(fā)生道岔失去表示故障時(shí),列車接收到CEM后,返回給 RBC一個(gè)確認(rèn)消息;RBC收到車載設(shè)備的確認(rèn)消息后,通知車站聯(lián)鎖發(fā)車進(jìn)路的MA狀態(tài)為“無行車許可”。通過計(jì)算后,列車若可以在信號(hào)機(jī)X3前停車,則停在出站信號(hào)機(jī) X3前;若不能,則列車先越過出站信號(hào)機(jī)X3,然后,車載設(shè)備觸發(fā)緊急制動(dòng);列車停車后,司機(jī)取得調(diào)度員的允許,并通過按壓越行鍵,以目視行車（On Sight,簡(jiǎn)為OS）模式繼續(xù)前進(jìn)。

2.1.2 當(dāng)列車處于圖1中位置④時(shí)

聯(lián)鎖向 RBC發(fā)送發(fā)車進(jìn)路（SA_121）“占用”狀態(tài)信息,RBC以出站信號(hào)機(jī)Sn為目標(biāo)點(diǎn),向列車發(fā)送CEM,此時(shí)列車因已通過信號(hào)機(jī)Sn而繼續(xù)前進(jìn),并接收到向區(qū)間延伸的MA。

2.2 區(qū)間運(yùn)行的列車在不同的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景接收到的MA

當(dāng)列車出清發(fā)車進(jìn)路并進(jìn)入?yún)^(qū)間區(qū)段時(shí),當(dāng)前方無道岔則RBC循環(huán)向列車發(fā)送15個(gè)閉塞分區(qū)的MA,直到列車進(jìn)站;若前方15個(gè)閉塞分區(qū)內(nèi)有道岔,則 MA延伸到道岔處,當(dāng)列車靠近道岔并距離道岔40 s時(shí),延伸 MA到前方15個(gè)閉塞分區(qū)處,從而避免過早將道岔納入某列車的MA區(qū)域范圍而影響整條線路的運(yùn)營(yíng)效率;當(dāng)列車前方下一個(gè)閉塞區(qū)間含有道岔時(shí),將其視作站內(nèi)軌道區(qū)段處理。下面將分析 MA的獲取,即RBC切換過程、等級(jí)轉(zhuǎn)換過程,以及區(qū)間軌道非正常占用時(shí)的狀態(tài)。

2.2.1 RBC 切換過程中的 MA

當(dāng)同一列車運(yùn)行距離超出當(dāng)前RBC的管轄范圍并進(jìn)入下一個(gè) RBC管轄區(qū)域時(shí),需進(jìn)行 RBC1/ RBC2切換。為使列車安全且不減速越過RBC切換邊界,RBC1提供的 MA將在 RBC2管轄區(qū)域內(nèi)延長(zhǎng)一個(gè)40 s正常行駛距離（即車載設(shè)備與RBC1斷開連接,并與 RBC2建立通信會(huì)話并獲得新的MA的時(shí)間內(nèi)的行駛距離）+ 完整制動(dòng)距離的長(zhǎng)度,并且在RBC1/RBC2切換邊界前的一段距離處設(shè)置一個(gè)預(yù)切換應(yīng)答器組（LTA）。當(dāng)列車經(jīng)過該應(yīng)答器組時(shí),車載設(shè)備向 RBC1發(fā)送列車位置, RBC1則向車載發(fā)送RBC切換命令,同時(shí)向RBC2發(fā)送移交列車預(yù)告信息和包括MA終點(diǎn)距離的進(jìn)路請(qǐng)求信息,從而提前獲得 RBC2區(qū)域內(nèi)的 MA。并且,此時(shí)盡管列車還未進(jìn)入 RBC2管轄范圍,只要RBC2管轄范圍內(nèi)進(jìn)路發(fā)生變化,MA都需要發(fā)生變化,因此 RBC2需及時(shí)將進(jìn)路信息發(fā)送給RBC1,從而及時(shí)更新當(dāng)前車載設(shè)備的 MA,保護(hù)列車安全運(yùn)行。

2.2.2 等級(jí)轉(zhuǎn)換過程中行車許可的獲得

工作在CTCS-3級(jí)列車需有 CTCS-2級(jí)列車控制系統(tǒng)作為后備系統(tǒng),并且 CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)與CTCS-2級(jí)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行;只是當(dāng) CTCS-3級(jí)列車控制系統(tǒng)設(shè)備正常時(shí),CTCS-2級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不參與任何系統(tǒng)控制。因此當(dāng)某列車需進(jìn)行等級(jí)切換動(dòng)作時(shí),MA需發(fā)生變化。

為確保列車進(jìn)入轉(zhuǎn)換后的CTCS等級(jí)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能獲取正確的 MA,控制列車安全運(yùn)行,列車在進(jìn)行等級(jí)轉(zhuǎn)換前需保存線路信息、列車數(shù)據(jù)等信息。因此,在等級(jí)轉(zhuǎn)換邊界前設(shè)置一等級(jí)轉(zhuǎn)換預(yù)告應(yīng)答器組LTA。一般該應(yīng)答器設(shè)置在距離切換點(diǎn)前20 s（車載設(shè)備與RBC通信時(shí)間+ 司機(jī)確認(rèn)時(shí)間）列車走行的距離處。當(dāng)列車前端通過預(yù)告應(yīng)答器組LTA時(shí),車載設(shè)備向RBC報(bào)告列車所處進(jìn)路位置, RBC便可獲得準(zhǔn)確的進(jìn)路信息,并向車載設(shè)備發(fā)送MA及等級(jí)轉(zhuǎn)換命令。當(dāng)列車通過 CTCS-2/CTCS-3級(jí)邊界時(shí),車載設(shè)備使用已保存的 MA、前方進(jìn)路相關(guān)線路數(shù)據(jù)和本列車信息,計(jì)算列車運(yùn)行防護(hù)曲線,從而使列車運(yùn)行在安全的狀態(tài)下。

2.2.3 區(qū)間軌道非正常占用情況下的 MA

如圖2所示,列車在35信號(hào)點(diǎn)防護(hù)區(qū)段運(yùn)行, MA已延伸至41信號(hào)點(diǎn)。此時(shí),車載設(shè)備將忽略接收到的CEM消息,繼續(xù)按原來的 MA前進(jìn);即使35 G軌道電路故障,列車仍按原 MA運(yùn)行。但當(dāng)出現(xiàn)以下兩種情況的非正常占用時(shí),該列車的 MA將發(fā)生變化。

圖2 列車區(qū)間行車許可示意圖

（1）若39信號(hào)點(diǎn)的防護(hù)區(qū)段被另一列車非正常闖入或者軌道電路故障而導(dǎo)致39 G進(jìn)路區(qū)段為“占用”狀態(tài)的情況,按照在 MA范圍內(nèi)的進(jìn)路上只允許包含一列車的原則,此時(shí)RBC將向列車發(fā)送一個(gè)以39信號(hào)點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)的CEM。車載設(shè)備接收到該消息后新生成一個(gè)以39信號(hào)點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)的SMA,從而確保列車的安全運(yùn)行。

（2）當(dāng)列車在39信號(hào)點(diǎn)前停車后,根據(jù)運(yùn)行規(guī)則,列車在信號(hào)防護(hù)點(diǎn)前停車2 min,司機(jī)通過按壓“越行”按鈕,使列車自動(dòng)轉(zhuǎn)入OS模式,并按固定限速40 km/h監(jiān)控列車運(yùn)行。列車以 OS模式越過39信號(hào)點(diǎn)進(jìn)入39 G故障軌道區(qū)段。當(dāng)列車經(jīng)過參考位置應(yīng)答器并到達(dá)工作正常且鎖閉的41 G軌道區(qū)段時(shí),向 RBC 報(bào)告有效的位置。當(dāng)新的進(jìn)路占用與列車報(bào)告位置的時(shí)間間隔在6 s以內(nèi)時(shí),并且RBC通過判斷前方無其它列車后,向列車發(fā)送新的完全監(jiān)控 MA,MA的終點(diǎn)向前延伸;否則列車將繼續(xù)以O(shè)S模式駛向前方軌道區(qū)段。

2.3 在接車進(jìn)路中列車獲得的 MA

列車在進(jìn)站過程中,接車進(jìn)路中軌道區(qū)段隨列車的順序占用和出清逐段解鎖,因此列車處于如圖3中的4個(gè)不同的位置時(shí)所接收到的MA不同。當(dāng)列車停穩(wěn)計(jì)時(shí)結(jié)束后,接車進(jìn)路狀態(tài)無效,MA縮短到列車前端位置。

2.3.1 正常情況下的接車進(jìn)路中的 MA

如圖3所示,當(dāng)列車在位置①時(shí),列車已得到以出站信號(hào)機(jī) X3為終點(diǎn)的 MA,并繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)列車行至位置②時(shí),RBC以進(jìn)站信號(hào)機(jī) X為目標(biāo)點(diǎn),向列車發(fā)送CEM。但經(jīng)過判斷,該CEM消息乃是由于本列車進(jìn)入 X_S3區(qū)段引起的,因此列車忽略該CEM繼續(xù)前行。

圖3 列車接車行車許可示意圖

當(dāng)列車進(jìn)入到位置③處時(shí),聯(lián)鎖又向RBC發(fā)送進(jìn)路被占用的狀態(tài)信息,并且啟動(dòng)股道判斷列車停穩(wěn)計(jì)時(shí),直到列車進(jìn)入位置④,列車停車后,RBC向聯(lián)鎖報(bào)告列車速度為零的信息;等到計(jì)時(shí)40 s后判斷列車停穩(wěn),接車股道進(jìn)路被解鎖,聯(lián)鎖向 RBC發(fā)送接車進(jìn)路“無進(jìn)路（No Route）”信息;RBC收到該“無進(jìn)路”信號(hào)后,向列車發(fā)送到列車前端的MA,于是列車將 MA縮短至列車前端,使列車保持停車狀態(tài)。

2.3.2 列車進(jìn)出站過程中站內(nèi)軌道故障時(shí)的 MA

當(dāng)站內(nèi)軌道發(fā)生故障時(shí),由于在接發(fā)車過程中所采取的方法一致,因此,經(jīng)過分析,概括了接車過程中站內(nèi)軌道非正常占用和道岔失去表示情況下列車 MA的獲得,并歸納如表1所示。

表1 站內(nèi)軌道非正常占用/道岔失去表示情況下MA分析

3 仿真設(shè)計(jì)分析

根據(jù)分析,利用UPPAAL軟件對(duì)列車在不同的狀態(tài)下獲得的MA,以及獲得MA后的對(duì)應(yīng)操作進(jìn)行仿真。設(shè)計(jì)包含以下3個(gè)仿真模型的自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)：

System={EVC,RBC,iLock}

圖4、圖5、圖6分別是列車車載（EVC）模型、RBC模型、聯(lián)鎖（iLock）模型,表2為 EVC 模型的位置、通道、函數(shù)及變量定義。通過對(duì)該自動(dòng)機(jī)網(wǎng)絡(luò)仿真得出當(dāng)列車按以上原則進(jìn)行操作后,列車能安全發(fā)車到進(jìn)站停車。為使系統(tǒng)能遍歷全部的結(jié)點(diǎn),在設(shè)計(jì)激勵(lì)條件時(shí)采用一些變量。如圖4中變量signal_out是用來區(qū)分當(dāng)列車獲得 CEM 后是否能在信號(hào)機(jī)或道岔前制動(dòng)停車：當(dāng)signal_out為奇數(shù)時(shí),認(rèn)為其可以直接制動(dòng)停車;當(dāng)signal_out為偶數(shù)時(shí),認(rèn)為列車不能在信號(hào)機(jī)或道岔前制動(dòng)停車,需繼續(xù)前行越過信號(hào)機(jī)或道岔并制動(dòng)停車。

圖4 EVC模型

圖5 RBC模型

圖6 iLock模型

4 結(jié)語

MA的正確獲取在列車防護(hù)曲線的正確計(jì)算以及保證列車安全運(yùn)行方面發(fā)揮著重要的作用。因此,列車無論在接車、發(fā)車以及區(qū)間段中運(yùn)行,都必須獲得正確的 MA,確認(rèn)本列車的 MA范圍內(nèi)無其它列車且能正常接收到下一下區(qū)段的 MA信息,否則導(dǎo)致列車進(jìn)入錯(cuò)誤進(jìn)路或其它危險(xiǎn)區(qū)段,從而引起列車相撞等事故。同時(shí)MA的獲取需要避免列車因本列車占用軌道而誤判斷前方進(jìn)路有其它列車存在,使列車制動(dòng),從而影響列車的正常運(yùn)行和線路的運(yùn)營(yíng)密度。鑒于MA在列車安全運(yùn)行以及軌道交通運(yùn)營(yíng)密度中起到的重要作用,本文以 CTCS-3級(jí)中不同狀況下的列車獲得的 MA為例,對(duì)不同狀態(tài)下MA的獲取進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究分析,并用UPPAAL軟件對(duì)本文的分析進(jìn)行仿真,從而驗(yàn)證本文分析的正確性。希望這一分析對(duì)今后關(guān)于MA的研究有一定的參考意義。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)總體技術(shù)方案（V1.0）［S］.2008.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)需求功能規(guī)范（FRS）（V1.0）［S］.2008.

［3］ 中華人民共和國(guó)鐵道部科學(xué)技術(shù)司.CTCS技術(shù)規(guī)范總則（暫行）［S］.2004.

［4］ 譚耿.基于 UPPAAL的 RBC系統(tǒng)控車流程建模分析［D］.北京：北京交通大學(xué),2008.

Analysis of CTCS 3 Grade Driving License Based on UPPAAL Simulation Software

Huang Xiuling,Yuan Ping,Zhu Wenliang

Driving license（DL）is the guarantee for railway safe operation.To communicate with the train,the interlock system and other equipment like RBC（radio block center）will generate and send DL information to the train, the equipment on the train will calculate the safety protection curve to ensure the train operation safety.Any loss or error happens in DL will directly affect the safety of train running,and the rationality in DL terminal calculation also has impact on the operational efficiency of railway.In this paper,the acquisition of DL and the corresponding operation in the departure,receiving and section running steps when the train is in normal or abnormal operation scenarios are analyzed respectively,a time automata in UPPAAL simulation software is used to verify the result of analysis.

driving license;radio block center;timed automata

U 292

2012-10-25）