基于列車自主運行系統(tǒng)的線路資源管理方案研究*

潘 亮 吳 杰 浦 倫 顧 鑫

(1.卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海； 2．上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235，上海∥第一作者，高級工程師)

在列車自主運行系統(tǒng)中引入線路資源管理方法，以重構城市軌道交通信號系統(tǒng)的功能，既可有效解決列車的正面沖突、側面沖突、追尾沖突及過岔脫軌等運營風險，避免列車與乘客間發(fā)生沖突，又可利用既有線路資源進一步提高線路運力、減少站場的改造成本。但是，因列車自主規(guī)劃路徑及申請線路資源可能會導致多列車運行任務并發(fā)一起競爭線路資源，進而引發(fā)線路資源死鎖及列車實際運行任務與運行計劃不匹配等問題，最終導致運營秩序紊亂。為此，需要對線路資源管理在列車自主運行的車車通信系統(tǒng)中應用時帶來的多車并發(fā)和線路資源死鎖問題加以分析和研究。

1 城市軌道交通線路資源的特點

城市軌道交通線路作為列車運行的基礎要素，主要功能體現(xiàn)在為列車提供線路空間資源。在規(guī)定時間內(nèi)通過空間資源的列車數(shù)量決定著城市軌道交通線路的通過能力。在引入線路資源管理后，需要結合城市軌道交通的運營需求，分析其線路資源管理的特點。城市軌道交通線路資源的特點主要包括以下方面：

1) 線路資源的獨占/共享。當前后列車在一段線路區(qū)域內(nèi)追蹤運行時，該線路區(qū)域需要為這兩列車分配線路資源。后車基于信號系統(tǒng)計算得到與前車尾部間的安全距離來追蹤前車運行。在此運營場景下，該區(qū)域線路資源的狀態(tài)為“共享”；當在一段線路區(qū)域內(nèi)僅允許一列車運行時，該段線路資源若未經(jīng)區(qū)域內(nèi)列車釋放，不得給其他列車使用，則該區(qū)域的線路資源狀態(tài)為“獨占”。

2) 線路資源的死鎖。當多列車同時觸發(fā)運行任務請求時，這些列車在互相等待對方釋放所擁有的線路資源，但這些并發(fā)運行任務在未獲得對方的線路資源前并不會主動釋放自己所擁有的線路資源，從而造成所有列車都無法獲得新的線路資源。將某線路區(qū)域內(nèi)多列車運行任務并發(fā)而因無法獲取線路資源，導致列車均不能繼續(xù)向前運行的狀態(tài)，稱為“線路資源死鎖”。

3) 線路資源的分時復用。城市軌道交通線路資源屬于可基于方向和順序循環(huán)重復使用的資源。在有限的軌道線路上，通過恰當?shù)倪\營調(diào)度策略、合理的資源劃分和分配機制，可在單位時段內(nèi)增加線路區(qū)段內(nèi)通過的列車數(shù)，以提高線路的運力。

綜上所述，城市軌道交通線路資源所具有的特點與計算機操作系統(tǒng)的算力資源和存儲資源特點非常相似。但在資源的調(diào)度管理上，兩者又有很多差異，其對比分析如表1所示。

在表1的基礎上，根據(jù)城市軌道交通的運營特點，本文重點研究與之相適應的線路資源管理方法。

表1 計算機操作系統(tǒng)與城市軌道交通在資源管理上的差異

2 城市軌道交通線路資源靜態(tài)分析

傳統(tǒng)城市軌道交通線路信號系統(tǒng)的列車側面沖突防護技術，因進路未經(jīng)過資源細化分解，而導致辦理進路時所需消耗的線路資源較大，消耗的安全空間余量也較大。采用資源管理方法后，根據(jù)列車運行過程中可能出現(xiàn)的風險，將相應的線路區(qū)域作進一步細分，以提升線路資源的利用率。

文獻[2]中提出，線路資源需通過細分來優(yōu)化列車占用線路資源時所消耗的空間安全余量。城市軌道交通線路的空間資源通過特定功能劃分為相應的邏輯分區(qū)。邏輯分區(qū)是列車運行空間與運行路徑的最小元素，其可分為兩種類型：道岔邏輯分區(qū)和無岔邏輯分區(qū)。

2.1 道岔邏輯分區(qū)

如圖1所示，道岔邏輯分區(qū)可分為道岔可動區(qū)和道岔側防區(qū)。其中：道岔可動區(qū)對應的邏輯分區(qū)用于規(guī)避列車過岔脫軌風險；道岔側防區(qū)對應的邏輯分區(qū)可分為道岔定位側防區(qū)和道岔反位側防區(qū)，用以規(guī)避列車側面沖突風險。

圖1 道岔區(qū)域邏輯分區(qū)示意圖

2.2 無岔邏輯分區(qū)

無岔邏輯分區(qū)需根據(jù)對應的風險源進行劃分。例如：為避免乘客在站臺候車時的風險，需定義站臺門對應的邏輯分區(qū)；為避免區(qū)間內(nèi)逃生乘客與列車發(fā)生沖突，需定義乘客逃生區(qū)段對應的邏輯分區(qū)；為避免通風井處因多列車進入而阻滯了有害空氣的疏散，需定義通風井邏輯分區(qū)；等等。

2.3 邏輯分區(qū)的特點分析

邏輯分區(qū)具有方向屬性。多列車征用同一個邏輯分區(qū)的線路資源時，應通過列車運行方向確定列車之間的沖突關系。對于某一個邏輯分區(qū)，若前后車運行任務經(jīng)過該邏輯分區(qū)的方向一致且道岔位置一致，則可同時共享該邏輯分區(qū)的線路資源。此時應通過前后車實時交互列車定位信息計算兩列車的安全位置，以確保前后車跟馳運行安全。若一個邏輯分區(qū)內(nèi)所有列車都已經(jīng)出清，則應立即釋放該邏輯分區(qū)的線路資源。

根據(jù)相應的風險源，邏輯分區(qū)具備線路資源“獨占”的特點。若該邏輯分區(qū)內(nèi)前后車的運行方向不一致、道岔位置不一致，或者該邏輯分區(qū)內(nèi)僅允許一列車通行，則該邏輯分區(qū)的線路資源只能分配給一列車。只有邏輯分區(qū)方向的鎖閉狀態(tài)解除后，方可將該獨占的邏輯分區(qū)資源分配給后續(xù)列車。

3 城市軌道交通線路資源動態(tài)分析

3.1 線路資源死鎖

由表1可知，與計算機操作系統(tǒng)一樣，線路資源管理在執(zhí)行過程中也存在死鎖現(xiàn)象。一旦發(fā)生死鎖，基于線路資源管理的整個系統(tǒng)都無法繼續(xù)正常運轉，因此需要通過對線路資源進行靜態(tài)和動態(tài)分析，以研究規(guī)避死鎖的方法。圖2和圖3為兩個典型的線路資源死鎖導致列車實際運行與運行計劃不匹配的場景。這兩個場景共同特點是：折返線為前后兩列車的沖突區(qū)域，前車(A車)申請折返線所需的第二段運行任務線路資源的時機均滯后于后車(B車)到達折返線執(zhí)行運行任務的觸發(fā)時機。

a) 列車大小交路站后折返路線示意圖

b) 圖定計劃

c) 實際運行

a) 列車大小交路站后折返路線示意圖

b) 圖定計劃

Fig.2 Mismatch between actual turn-back operation and fixed plan after full-length and short-length routing stations

對于圖2所示的站后折返場景，若A車和B車均自主申請前方運行任務的線路資源，軌旁線路資源管理器不作干涉，則可能會導致B車先于A車進入乙站。這雖然不會導致兩列車之間的死鎖，但卻與圖定計劃不符，導致運行秩序紊亂。

對于圖3所示的站前折返場景，若前車(A車)和后車(B車)分別基于運行任務自主申請折返線的線路資源，軌旁線路資源管理器若加以防范，雖然可滿足正常折返的運營需求，但在前車(A車)故障時，不能滿足與相鄰列車連掛后救援的運營需求；若線路資源管理器不做干涉，則會導致A車無法完成折返，造成線路資源死鎖，產(chǎn)生如圖3 c)所示的情況。

3.1.1 引發(fā)線路資源死鎖的條件

根據(jù)表1的分析及圖3的場景分析，可以總結出引發(fā)資源死鎖的條件，主要包括以下4個方面：

1) 互斥條件。線路資源不能同時被多列車同時分配或使用，對多列車所需的資源需要進行排他性控制，即“獨占”控制。敵對防護和側沖防護涉及的運營場景主要包括圖4 a)的交匯運行、圖4 b)的分岔運行、圖4 c)的側面沖突敵對運行、圖4 d)的交叉運行及圖4 e)的敵對運行等場景，還包括需要獨占相關線路資源(如通風井區(qū)域等)的其它運營場景。

a) 交匯運行

b) 分岔運行

c) 側面沖突敵對運行

d) 交叉運行

e) 敵對運行

2) 不剝奪條件。對于已為當前列車分配的線路資源，在該資源未獲得釋放前，不可將此資源強行分配給其他列車；只有在該資源被當前列車釋放后，才允許為其他列車分配。

3) 接近觸發(fā)逐段申請。將列車運行任務分解為若干個短任務，列車在獲取當前任務后，基于當前車速觸發(fā)申請下一個短任務所需的線路資源;在等待申請新資源的同時，列車仍保持對已分配得到線路資源的占用狀態(tài)。

4) 環(huán)路死鎖條件。由于多列車均自主申請任務，可能形成任務的循環(huán)鏈，鏈中的每一個列車運行任務應獲得相應的線路資源。與此同時，該資源也是下一個運行任務所需申請的線路資源，進而造成線路資源死鎖環(huán)路等待。圖5為線路資源死鎖環(huán)路等待的4類典型運營場景。

3.1.2 規(guī)避線路資源死鎖的技術措施

若要防止列車之間發(fā)生如圖3、圖5所示場景下的線路資源死鎖，需要在技術上采取有效的措施，以規(guī)避引發(fā)線路資源死鎖的條件。

3.1.2.1 線路資源死鎖的靜態(tài)預防

基于環(huán)路死鎖條件和互斥條件的站型拓撲關系，將有沖突關系的死鎖防護區(qū)域合并為1個道岔邏輯分區(qū)。在制定運行計劃前，計算列車通過該死鎖防護區(qū)的時間，以確定該死鎖防護區(qū)的最大負荷量，進而確定該死鎖防護區(qū)域的列車通過能力。在此基礎上，合理規(guī)劃前后兩列車運行線之間的時序關系，在編制運行計劃層面上規(guī)避圖5所示的線路資源死鎖環(huán)路等待的4類場景。

a) 第一類資源死鎖環(huán)路等待

b) 第二類資源死鎖環(huán)路等待

c) 第三類資源死鎖環(huán)路等待

d) 第四類資源死鎖環(huán)路等待

3.1.2.2 線路資源死鎖的動態(tài)預防

傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的進路申請采用“整段申請、整段鎖閉”方式，即在規(guī)定的進路檢查條件滿足時才鎖閉整段進路。為了防止線路資源死鎖，本文提出動態(tài)申請和分配線路資源，采用的方式為“整段申請、逐段分配”，即：列車運行任務中的任意一段線路區(qū)域在相關聯(lián)鎖安全防護條件滿足的情況下，可以立即為列車分配該區(qū)段的所有線路資源。此時列車在匯總線路資源分配情況、前車安全位置、當前列車運行方向等信息，以及線路資源情況后，通過車車協(xié)同控制完成跟馳運行。

信號系統(tǒng)采用動態(tài)申請和動態(tài)分配線路資源的方式，在分配資源前根據(jù)運行計劃安排的順序，對列車當前運行任務所需要的線路資源進行一次性申請，完成資源排序后對該排序予以確認和校驗，用以規(guī)避引發(fā)線路資源死鎖的第3個條件——接近觸發(fā)逐段申請。如對于圖2、圖3所示的兩種運營場景，ATS(列車自動監(jiān)控)在為前車發(fā)布第一段運行任務時，軌旁線路資源管理器將前車后續(xù)折返任務所覆蓋的所有邏輯分區(qū)設為死鎖防護模式，并將該折返區(qū)域內(nèi)所有的邏輯分區(qū)和第一段任務所需的線路整合成一個資源集合。待線路資源管理器確認將前車所需的資源集合排入資源序列后，ATS再向后車發(fā)布運行任務。當前車進入折返線且第二段運行任務已確認觸發(fā)，再解除該折返區(qū)域內(nèi)邏輯分區(qū)的死鎖防護模式，將折返線至乙站的線路資源分配給后車。這樣，既可避免發(fā)生線路資源死鎖的情況，又能確保前后車的運行任務與運行計劃一致。

3.2 與圖定運行計劃不匹配

文獻[3]中闡明了利用接近觸發(fā)逐段申請資源的方式和采用動態(tài)規(guī)劃模型分配線路資源的策略，通過求解最優(yōu)值函數(shù)來決策兩列車從當前位置觸發(fā)至都通過道岔區(qū)域的最小耗時，以確定前后列車通過道岔的順序。其模型目標是在多列車之間建立協(xié)同運行機制，使列車能更快地通過道岔區(qū)域，但該模型并未考慮列車通過道岔順序與圖定運行計劃的匹配性。因此，受制于各列車實際運行過程的各種不確定性，前后車在交匯運行時易發(fā)生實際運行與圖定運行計劃不匹配的現(xiàn)象，導致運行秩序混亂，進而引發(fā)與其他在線運行列車間的線路資源死鎖問題，以及換乘樞紐站內(nèi)該線路與其他線路間客流銜接能力降低等問題。

圖6為大小交路混合或兩個交路交匯下的運營場景，仍采用圖2 a)的折返路線。如圖6 a)所示，前車(A車)和后車(B車)均需執(zhí)行到達乙站下行站臺的運行任務，設ta1,t、tb1,t分別為圖定計劃中A車從乙站上行站臺出發(fā)的時刻和B車從丙站下行站臺出發(fā)的時刻，ta2,t、tb2,t分別為A車、B車到達乙站下行站臺的時刻，Ta,t、Tb,t分別A車和B車運行的時間段?；趫D定運行計劃，A車需滿足ta1,t≥tb1,t。圖中的ta2,t≤tb2,t，B車執(zhí)行任務耗時較長，因此Tb,t完全包含在Ta,t內(nèi)，即前車插入后車任務范圍，實際運行情況與圖定運行計劃是一致的。

a) 圖定計劃

b) 實際運行

如圖6 b)所示，前車(A車)和后車(B車)均需執(zhí)行到達乙站下行站臺的運行任務，設ta1,s、tb1,s分別為實際運行時A車到達乙站上行站臺的時刻和B車到達丙站下行站臺的時刻，ta2,s、tb2,s分別為A車、B車到達乙站下行站臺的時刻，Ta,s、Tb,s分別A車和B車運行的時間段。由于ta1,s≥tb1,s，若列車基于任務自主申請原則采用列車接近觸發(fā)逐段申請線路資源或在動態(tài)規(guī)劃模型申請線路資源，通過最優(yōu)決策判斷兩列車通過道岔區(qū)域的最小耗時，則導致乙站下行站臺被B車先行征用，進而產(chǎn)生ta2,s≥tb,s的情況，此時Tb,s不能完全包含Ta,s，即B車先于A車到達乙站下行站臺，最終導致前后車運行順序與運行計劃不匹配的現(xiàn)象。

圖6中，由于不能確定多列車獲得的運行任務順序是否與運行計劃要求的順序一致，應采用線路資源死鎖靜態(tài)預防和動態(tài)預防相結合的原則，建立合理的線路資源排序機制，以規(guī)避上述問題。

4 結語

在列車運行過程中，因列車運行任務并發(fā)導致線路資源死鎖及與運行計劃不匹配問題，是列車自主運行控制系統(tǒng)帶來的一個常見且復雜的問題。本文通過對比計算機操作系統(tǒng)資源管理特點與城市軌道交通線路資源管理特點的異同，分析了線路資源死鎖產(chǎn)生的條件，提出了解決線路資源死鎖問題的技術思路及措施，以期在有效減少系統(tǒng)復雜度及系統(tǒng)運作成本的前提下，對線路資源進行動態(tài)劃分及分配，以提高線路資源的利用率，確保在各種情況下行車組織均能高效、安全地完成目標任務。