CBTC系統(tǒng)中列車安全包絡(luò)回縮的處理方法

劉魯鵬

(通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070)

1 概述

CBTC 系統(tǒng)為基于通信的列車控制系統(tǒng)，是通過不依賴軌旁列車占用檢測設(shè)備的列車主動(dòng)定位技術(shù)、連續(xù)車-地雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及能夠執(zhí)行安全功能的車載和地面處理器而構(gòu)建的連續(xù)式列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

CBTC 系統(tǒng)中，車載ATP 設(shè)備維護(hù)列車位置信息，并周期向地面區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送位置報(bào)告信息；ZC 設(shè)備根據(jù)車載ATP 發(fā)送的列車位置報(bào)告信息確定列車位置，計(jì)算區(qū)段占用狀態(tài)信息，并向聯(lián)鎖（CI）發(fā)送區(qū)段占用狀態(tài)等信息，用于CI進(jìn)行進(jìn)路控制。

車載ATP 維護(hù)列車位置時(shí)，由于速度傳感器誤差、校位設(shè)備安裝等因素，無法精確地確定列車位置。為保證系統(tǒng)安全，車載ATP 在計(jì)算時(shí)考慮校位誤差，計(jì)算列車可能存在的范圍，即列車安全包絡(luò)。

隨列車走行，列車安全包絡(luò)將增大。當(dāng)車載ATP 校位時(shí)，列車安全包絡(luò)將縮小。在列車安全包絡(luò)縮小時(shí)，可能出現(xiàn)安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段的情況，造成已被列車安全包絡(luò)占用的區(qū)段出清，可能導(dǎo)致CI 無法解鎖進(jìn)路、ZC 無法延伸MA 等問題。

本文提出幾種避免出現(xiàn)列車安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段的處理方法。

2 列車安全包絡(luò)簡介及安全包絡(luò)回縮可能產(chǎn)生的問題

列車安全包絡(luò)示意如圖1 所示。

圖1 列車安全包絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of train safety profile

圖1 中，“車頭估計(jì)位置”、“車尾估計(jì)位置”為車載ATP 在不考慮校位誤差情況下計(jì)算的列車位置，是“列車可能在的位置”；“過讀測距誤差”、“欠讀測距誤差”分別為車載ATP 計(jì)算的列車前方、后方可能的位置不確定性；車載ATP 根據(jù)“車頭估計(jì)位置”、“車尾估計(jì)位置”、“過讀測距誤差”、“欠讀測距誤差”計(jì)算出列車最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端位置，其中，最大安全前端、最小安全后端之間的范圍為列車安全位置，即“列車可能在的范圍”，車載ATP 應(yīng)保證在計(jì)算列車安全包絡(luò)的瞬間，列車的實(shí)際位置不超出此范圍。列車安全包絡(luò)信息包含列車最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端位置信息。

由于存在速度傳感器誤差等因素，列車走行過程中，隨著誤差累積，過讀測距誤差、欠讀測距誤差將不斷增大，故列車安全包絡(luò)將不斷增大。當(dāng)車載ATP 收到地面校位設(shè)備（以應(yīng)答器為例）信息后，車載ATP 將對(duì)列車位置進(jìn)行校正，消除過讀測距誤差、欠讀測距誤差中的累積誤差，故校位后，列車安全包絡(luò)將縮小。

車載ATP 向ZC 發(fā)送列車安全包絡(luò)信息，ZC據(jù)此計(jì)算列車位置、區(qū)段占用狀態(tài)等。

列車安全包絡(luò)進(jìn)入下一區(qū)段后，若此時(shí)車載ATP 發(fā)生校位，由于列車安全包絡(luò)縮小，可能出現(xiàn)列車安全包絡(luò)退回至前一區(qū)段的情況。在此情況下，ZC 判斷已占用的區(qū)段又出清，可能產(chǎn)生問題。示例如下。

初始場景如圖2 所示，CBTC 列車即將進(jìn)入進(jìn)路，列車安全包絡(luò)占用區(qū)段A、B。

圖2 初始場景Fig.2 Initial scene

列車前行，列車安全包絡(luò)進(jìn)入進(jìn)路，區(qū)段C 被列車安全包絡(luò)占用，如圖3 所示由于進(jìn)路內(nèi)區(qū)段被占用，故CI 關(guān)閉進(jìn)路始端信號(hào)機(jī)1。

圖3 列車安全包絡(luò)進(jìn)入進(jìn)路Fig.3 Schematic diagram of train safety profile entering route

之后，車載ATP 校位，列車安全包絡(luò)回縮至B區(qū)段，如圖4 所示。此時(shí)由于信號(hào)機(jī)1 已關(guān)閉，可能導(dǎo)致ZC 計(jì)算的MA 無法延伸至進(jìn)路內(nèi)方，造成列車緊急制動(dòng)。

圖4 列車安全包絡(luò)回縮Fig.4 Train safety profile retraction

要說明的是，列車安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段的情況，可能影響區(qū)段占用判斷、信號(hào)機(jī)關(guān)閉、進(jìn)路解鎖、MA 計(jì)算等多個(gè)功能。由于地面設(shè)備（ZC、CI 等）的處理邏輯不同，可能的情況及造成的后果也不同，需結(jié)合地面設(shè)備處理邏輯逐一分析。

為提高系統(tǒng)可用性，可采取下列方案避免列車安全包絡(luò)回縮。

3 解決方案

3.1 通過應(yīng)答器部署避免包絡(luò)回縮

通過對(duì)列車安全包絡(luò)回縮的原因分析可見，列車安全包絡(luò)回縮發(fā)生在車載ATP 收到應(yīng)答器信息后，對(duì)列車位置進(jìn)行校正時(shí)。因此，可通過應(yīng)答器的部署，保證列車安全包絡(luò)回縮時(shí)，不會(huì)回縮至前一區(qū)段。具體來說，應(yīng)保證線路上所有應(yīng)答器的部署滿足條件1 或條件2。

條件1：車載ATP 收到應(yīng)答器信息時(shí)，列車最大安全前端不會(huì)越過該應(yīng)答器所在區(qū)段邊界。

條件2：若車載ATP 收到應(yīng)答器信息時(shí)，列車最大安全前端已越過該應(yīng)答器所在區(qū)段邊界，則應(yīng)保證車載ATP 進(jìn)行校位后，列車最大安全前端不會(huì)回縮至前一區(qū)段。

由于車載ATP 進(jìn)行校位時(shí)，應(yīng)答器位置為BTM 天線位置，故此時(shí)列車最大安全前端必然在應(yīng)答器位置的前方，即不會(huì)回縮至應(yīng)答器所在區(qū)段之前的區(qū)段內(nèi)。當(dāng)條件1 滿足時(shí)，校位前，列車最大安全前端最遠(yuǎn)可能位置在該應(yīng)答器所在區(qū)段上。校位后，列車最大安全前端最近可能位置在該應(yīng)答器所在區(qū)段上。故校位后，必然不會(huì)發(fā)生列車最大安全前端回縮至前一區(qū)段的情況。

當(dāng)條件1 不滿足時(shí)，即車載ATP 收到應(yīng)答器信息，列車最大安全前端已越過該應(yīng)答器所在區(qū)段邊界，則需滿足條件2，即保證車載ATP 進(jìn)行校位后，列車最大安全前端不會(huì)回縮至前一區(qū)段。

具體對(duì)兩個(gè)條件的計(jì)算原則進(jìn)行分析。

車載ATP 進(jìn)行校位前，列車安全包絡(luò)達(dá)到最大，此時(shí)，可估計(jì)的欠讀測距誤差D1=I×k+Dmin。其中，I 為前一個(gè)校位應(yīng)答器距本應(yīng)答器的距離（需注意的是，前一個(gè)校位應(yīng)答器不一定是前一個(gè)應(yīng)答器，考慮到車載ATP 允許丟失一個(gè)應(yīng)答器，前一個(gè)校位應(yīng)答器可能為前一個(gè)應(yīng)答器之前的應(yīng)答器）；k 為車載測速測距裝置的誤差（通常不大于2%，可按照最大值計(jì)算）；Dmin為車載ATP 完成校位后，欠讀測速誤差的最小值。不可估計(jì)的欠讀測距誤差D2主要為空轉(zhuǎn)、打滑等補(bǔ)償，可取最大值，欠讀誤差D=D1+D2。若BTM 天線位置到車鉤距離為L，應(yīng)答器位置到該應(yīng)答器所在區(qū)段前方邊界距離為S，則當(dāng)S>D+L 時(shí)，可確保條件1 滿足。

若條件1 無法滿足時(shí)，則應(yīng)保證回縮后的列車最大安全前端未回縮至前一區(qū)段，即Dmin+L>S，即可保證條件2 滿足。

綜上所述，應(yīng)答器安裝位置應(yīng)滿足公式（1）或（2）。

其中，S 為應(yīng)答器位置到該應(yīng)答器所在區(qū)段前方邊界距離，I 為前一個(gè)校位應(yīng)答器距本應(yīng)答器的距離，kmax為車載測速測距裝置的誤差最大值，Dmin為車載ATP 完成校位后，欠讀測速誤差的最小值，D2max為不可估計(jì)欠讀測距誤差的最大值，L 為BTM 天線位置到車鉤距離。

此方案通過應(yīng)答器的部署實(shí)現(xiàn)，對(duì)設(shè)備功能無要求，但對(duì)應(yīng)答器的布置提出要求，增加了集成設(shè)計(jì)的工作量，可能存在部分線路條件無法滿足應(yīng)答器安裝條件。

3.2 通過車載ATP功能避免包絡(luò)回縮

由于列車安全包絡(luò)回縮為車載ATP 校位時(shí)產(chǎn)生，故可通過車載ATP 在校位時(shí)進(jìn)行特殊處理，避免發(fā)生包絡(luò)回縮至前一區(qū)段的情況。

車載ATP 在進(jìn)行校位時(shí)，對(duì)校位前后的列車安全包絡(luò)進(jìn)行判斷。若校位前后的列車最大安全前端不在同一區(qū)段上，則可對(duì)校位結(jié)果進(jìn)行處理，將校位后的列車最大安全前端置為校位前最大安全前端所在軌道區(qū)段的邊界。

要注意的是，車載ATP 進(jìn)行校位時(shí)，在縮小列車安全包絡(luò)的同時(shí)，還會(huì)對(duì)列車位置進(jìn)行校正，故列車最大安全前端在校位時(shí)不一定回縮，可能會(huì)前移。若列車安全包絡(luò)前移，則不能進(jìn)行上述處理。故需判斷校位時(shí)，列車最大安全前端發(fā)生了回縮。這里以校位后的列車最大安全前端位置在校位前的列車安全包絡(luò)范圍內(nèi)作為判斷條件。當(dāng)滿足此條件時(shí)，校位后的列車最大安全前端必然在校位前的列車最大安全前端之后，故可認(rèn)為最大安全前端發(fā)生了回縮；同時(shí)，若最大安全前端發(fā)生回縮，由于回縮后的最大安全前端不可能在校位前的最小安全后端之后（否則表示列車校位后的可能位置與校位前的可能位置無重疊區(qū)域，說明位置有誤），故必然在校位前的列車安全包絡(luò)范圍內(nèi)。

綜上所述，具體方案為：車載ATP 在進(jìn)行校位時(shí)，對(duì)校位前后的列車安全包絡(luò)進(jìn)行判斷：若校位后，列車最大安全前端位置在校位前的列車安全包絡(luò)范圍內(nèi)，且校位前后的列車最大安全前端不在同一區(qū)段上，則車載ATP 應(yīng)將校位后的列車最大安全前端置為校位前最大安全前端所在軌道區(qū)段的邊界。

此方案通過車載ATP 功能實(shí)現(xiàn)，適用于所有線路，對(duì)地面設(shè)備功能、線路布置均無約束，但對(duì)車載ATP 線路地圖內(nèi)存儲(chǔ)的區(qū)段與地面設(shè)備所要求的區(qū)段劃分有要求，且對(duì)互聯(lián)互通線路來說，要求各家車載均具備此功能方可實(shí)現(xiàn)。

3.3 通過ZC功能避免包絡(luò)回縮

當(dāng)列車安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段時(shí)，也可通過ZC 對(duì)位置報(bào)告中的安全包絡(luò)進(jìn)行處理。若發(fā)生回縮，則不采用避免發(fā)生回縮。

ZC 更新列車位置時(shí)，不直接采用列車位置報(bào)告中的安全包絡(luò)，而是根據(jù)新收到位置報(bào)告中的列車運(yùn)行方向（有效駕駛端的方向：上行/下行）和速度方向（車輪旋轉(zhuǎn)的方向：前向/后向）信息確定列車預(yù)計(jì)方向（上行/下行），并將新位置報(bào)告中的車頭、車尾位置與當(dāng)前的列車位置進(jìn)行對(duì)比，若新位置相對(duì)當(dāng)前位置的方向與列車預(yù)計(jì)方向相同，則采用新位置。否則，保留當(dāng)前位置。

具體步驟為：

1) ZC 收到有效位置報(bào)告后，對(duì)列車預(yù)計(jì)方向進(jìn)行判斷：若車輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，則列車預(yù)計(jì)方向與位置報(bào)告中的列車運(yùn)行方向相同；若車輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉聪?，則列車預(yù)計(jì)方向與位置報(bào)告中的列車運(yùn)行方向相反；

2) 更新最大安全前端，方案如下：

若ZC 無列車當(dāng)前位置（收到第一包位置報(bào)告），或新收到位置報(bào)告中的車輪轉(zhuǎn)向與當(dāng)前存儲(chǔ)的車輪轉(zhuǎn)向不一致（為了避免丟包—停車—退行—收到，收到的位置比丟包時(shí)向前的情況），則將此位置報(bào)告中的列車最大安全前端位置作為列車的最大安全前端；

若ZC 已有列車當(dāng)前位置且新收到位置報(bào)告中的車輪轉(zhuǎn)向與當(dāng)前存儲(chǔ)的車輪轉(zhuǎn)向一致，則對(duì)新收到的位置報(bào)告與列車當(dāng)前位置中列車最大安全前端位置的相對(duì)方向（當(dāng)前位置指向新位置，相同則置為列車預(yù)計(jì)方向，簡稱“相對(duì)方向”）進(jìn)行判斷：若相對(duì)方向與預(yù)計(jì)方向一致，或相對(duì)方向與預(yù)計(jì)方向相反且位置報(bào)告中的車輪轉(zhuǎn)向?yàn)榉聪颍瑒t將位置報(bào)告中的列車最大安全前端作為新的最大安全前端位置。否則，保留當(dāng)前最大安全前端位置。

3) 將位置報(bào)告中的車輪轉(zhuǎn)向存儲(chǔ)為當(dāng)前車輪轉(zhuǎn)向。

在此處理下，列車越過應(yīng)答器時(shí)，車載ATP向ZC 發(fā)送的車輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎颍亓熊囘\(yùn)行方向，最大安全前端后退。由于車輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎?，故ZC 判斷列車預(yù)計(jì)方向?yàn)槲恢脠?bào)告中的列車運(yùn)行方向。ZC 判斷車輪旋轉(zhuǎn)方向未發(fā)生改變，最大安全前端的相對(duì)方向?yàn)榱熊囘\(yùn)行方向的反方向，與預(yù)計(jì)方向相反，由于收到的車輪旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎颍蔤C 保留當(dāng)前最大安全前端位置。可見，越過應(yīng)答器時(shí)，ZC 保留之前的最大安全前端位置，避免了安全包絡(luò)回縮。同時(shí)，ZC 內(nèi)部的列車安全包絡(luò)能覆蓋ATP 計(jì)算的列車安全包絡(luò)，可保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)論

CBTC 系統(tǒng)中，當(dāng)車載ATP 校位時(shí)，列車安全包絡(luò)將縮小，若出現(xiàn)安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段的情況，可能造成系統(tǒng)的可用性問題。本文提出3 種處理安全包絡(luò)回縮的方案，均可避免安全包絡(luò)回縮至前一區(qū)段?？筛鶕?jù)線路、系統(tǒng)的具體情況選用，以提高系統(tǒng)的可用性。