CBTC系統(tǒng)列車混跑模式下非通信車跟蹤技術(shù)研究

宋 巖，屈永正，劉振玉

（湖南中車時代通信信號有限公司 北京分公司，北京 100079）

0 引言

基于通信的列車控制 (communication based train control，CBTC) 是基于移動閉塞理論發(fā)展而來的一種列車運(yùn)行控制技術(shù)，目前被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通信號控制領(lǐng)域。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1474.1 Standard for Communications-based Train Control (CBTC)Performance and Functional Requirements，由于運(yùn)營計劃要求或?yàn)楸苊馐蹸BTC相關(guān)設(shè)備故障影響，列車混跑模式必須作為CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行模式加以考慮[1]，即CBTC系統(tǒng)應(yīng)支持其管轄范圍內(nèi)處于不同運(yùn)行控制級別的列車混合運(yùn)行。

列車跟蹤功能是CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)移動閉塞、固定閉塞與站間聯(lián)鎖三級異步、無擾、多車混合運(yùn)營復(fù)雜協(xié)同[2]的基礎(chǔ)。其中，對報告列車進(jìn)行跟蹤比較容易實(shí)現(xiàn)；但對于無報告列車的跟蹤，無法僅依賴列車輔助定位實(shí)現(xiàn)，需要在此基礎(chǔ)上輔以一系列的邏輯判斷和處理策略，因此混跑跟蹤是CBTC系統(tǒng)的難點(diǎn)之一[3]。

目前針對列車混跑跟蹤的研究多基于調(diào)度系統(tǒng) 或列車混跑跟蹤結(jié)果[6-8]，而沒有對列車混跑跟蹤場景出現(xiàn)的原因及跟蹤列車之間的相互影響進(jìn)行分析。為此，本文從控制列車安全運(yùn)行間隔的角度，對無法通過自主定位而獲得安全包絡(luò)[9]的列車的識別、跟蹤管理及相關(guān)影響進(jìn)行分析研究，為列車混跑跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)提供參考。

1 列車跟蹤功能

為了實(shí)現(xiàn)移動閉塞下列車安全高效運(yùn)行，CBTC系統(tǒng)需要采用不同的列車定位方式實(shí)時掌握列車的位置和類型，進(jìn)而對其進(jìn)行控制和防護(hù)。

1.1 列車定位方式

地面列車自動防護(hù)（automatic train protection，ATP）系統(tǒng)采用兩種不同的方式獲得列車的位置信息：

（1）利用車載ATP系統(tǒng)定位。其通過車載ATP系統(tǒng)輸出的位置報告計算得到列車包絡(luò)信息。由于列車自身的定位誤差，地面ATP會根據(jù)車載ATP系統(tǒng)的輸入計算列車的所有可能位置，按照列車的運(yùn)行方向，列車的最大安全前端與列車最小安全后端組成了列車的安全包絡(luò)。

（2）利用列車占用檢測設(shè)備定位。其通過列車占用檢測設(shè)備，對列車位置進(jìn)行粗略定位，CBTC系統(tǒng)中列車占用檢測設(shè)備通常采用計軸系統(tǒng)。

根據(jù)地面ATP系統(tǒng)獲取列車位置的方式將列車分為通信車和非通信車兩種類型。對于通信車，地面ATP系統(tǒng)采用第一種方式確定列車的包絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對通信車的跟蹤管理。對于非通信車，地面ATP系統(tǒng)需結(jié)合兩種方式判斷列車的大致位置。由于第二種列車定位方式反映出的只是物理區(qū)段的一系列占用和空閑情況，不能完全確定是由于列車運(yùn)行造成的，因此地面ATP系統(tǒng)對非通信車的跟蹤管理，準(zhǔn)確而言，是識別出可能有非通信車占用的物理區(qū)段并將其視為列車不可通行的障礙區(qū)域。本文將該障礙區(qū)域稱為非通信障礙區(qū)域。

地面ATP系統(tǒng)需要安全、全面地管理線路上的所有列車，重點(diǎn)是識別出非通信車并對其進(jìn)行安全處理，以確保不會對其他列車的安全運(yùn)行造成不良影響。

1.2 列車篩選

列車篩選原則是：如果通信車緊鄰前方存在可疑車輛，則地面ATP系統(tǒng)不應(yīng)為其計算移動授權(quán)；如果通信車后方存在可疑車輛，則其他列車無法追蹤到該車車尾。

通過列車篩選，地面ATP系統(tǒng)可以確定被篩選列車的前后是否存在可疑隱藏車輛。只有完成列車篩選的通信車才可能在CBTC控制級別下運(yùn)行。

列車篩選分為列車頭部篩選和列車尾部篩選。當(dāng)系統(tǒng)判定列車前方無隱藏列車時，稱為完成列車頭部篩選；否則稱為未完成列車頭部篩選或丟失頭部篩選。當(dāng)系統(tǒng)判定列車后方無隱藏列車時，稱為完成列車尾部篩選；否則稱為未完成列車尾部篩選或丟失尾部篩選。具體列車篩選原理可以參考文獻(xiàn)[10]。

2 非通信車跟蹤

當(dāng)CBTC管轄范圍內(nèi)出現(xiàn)非通信車時，需要立即識別并對其位置進(jìn)行判斷，進(jìn)而采取措施以減緩其對相鄰運(yùn)行列車的影響。

2.1 非通信障礙區(qū)域及其延伸

根據(jù)1.1節(jié)的描述，非通信障礙區(qū)域是指被認(rèn)為可能存在非通信車占用的物理區(qū)段，而非通信車的出現(xiàn)場景主要有以下兩種：

（1）經(jīng)過列車篩選升級為在CBTC控制級別下運(yùn)行的列車，由于某種故障，地面ATP系統(tǒng)判斷該車無法繼續(xù)按照列車安全包絡(luò)實(shí)現(xiàn)位置跟蹤，則將最后時刻計算的、列車可能運(yùn)行范圍內(nèi)覆蓋的、處于占用狀態(tài)的物理區(qū)段設(shè)置為非通信障礙區(qū)域。

（2）從外界進(jìn)入地面ATP系統(tǒng)控區(qū)范圍內(nèi)的非通信車，將其占用的物理區(qū)段設(shè)置為非通信障礙區(qū)域。通常，地面ATP系統(tǒng)控區(qū)是有明確邊界定義的區(qū)域；這里，外界既可能是相鄰控區(qū)，也可能是非CBTC控區(qū)。

非通信障礙區(qū)域一旦產(chǎn)生，則對相鄰的處于占用狀態(tài)的物理區(qū)段具有“傳染性”，這里稱之為非通信障礙區(qū)域的延伸。延伸的原則是以物理區(qū)段為單位，按照線路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、前后兩個方向進(jìn)行區(qū)域的延伸擴(kuò)展；停止延伸的條件是遇到處于空閑狀態(tài)的物理區(qū)段或者是遇到通信車的報告位置（圖1）。圖1中，運(yùn)行在CBTC控制級別下的列車B由于通信丟失而變?yōu)榉峭ㄐ跑?，此時其所占用的兩個物理區(qū)段上產(chǎn)生非通信障礙區(qū)域；然后，該區(qū)域向前后兩個方向進(jìn)行延伸，前方遇到處于空閑狀態(tài)的物理區(qū)段則停止延伸，后方遇到通信車A的報告位置則停止延伸；最終，非通信障礙區(qū)域?yàn)楹诎紫嚅g矩形區(qū)域所示。

圖1 非通信障礙區(qū)域的延伸原則Fig. 1 Prolongation principle of non-communication obstacle area

另外，非通信障礙區(qū)域處于道岔區(qū)段或者延伸過程中遇到道岔區(qū)段時，如果道岔失去表示且處于占用狀態(tài)，則整個道岔區(qū)段上均設(shè)置為非通信障礙區(qū)域，如圖2所示。圖中已有非通信障礙區(qū)域處于道岔區(qū)段，若道岔出現(xiàn)故障而失去表示時，則在道岔另一開向上也被設(shè)置為非通信障礙區(qū)域，且繼續(xù)沿該方向進(jìn)行延伸。

圖2 道岔區(qū)段的非通信障礙區(qū)域Fig. 2 Non-communication obstacle area of point track section

2.2 非通信障礙區(qū)域的影響

非通信障礙區(qū)域出現(xiàn)后，若按照延伸原則進(jìn)行延伸，則根據(jù)不同的運(yùn)行場景，可能會對附近其他正常運(yùn)行的列車造成影響。本節(jié)將對可能出現(xiàn)的場景進(jìn)行分析，包括列車丟失頭部篩選、丟失尾部篩選、移動授權(quán)回撤及邊界區(qū)段。

（1）列車丟失頭部篩選

兩輛處于CBTC控制級別下的列車正常運(yùn)行時，按照移動閉塞原理進(jìn)行追蹤，后車的移動授權(quán)可以延伸到前車的尾部。當(dāng)兩輛列車運(yùn)行間隔距離較近時，即兩車運(yùn)行在同一物理區(qū)段或相鄰物理區(qū)段時，如果前車丟失通信，將產(chǎn)生非通信障礙區(qū)域，由于后方區(qū)段處于占用狀態(tài)，且有通信車報告其位置，該區(qū)域向后延伸至列車A（后車）車頭位置停止，此時列車A由于車頭前方可能隱藏可疑車輛而導(dǎo)致丟失頭部篩選，進(jìn)而降級為非CBTC控制級別的列車（圖3）。

圖3 丟失頭部篩選Fig. 3 Head sieve losing

（2）列車丟失尾部篩選

兩輛處于CBTC控制級別下的列車正常運(yùn)行且間隔距離較近時，如果后車丟失通信，將產(chǎn)生非通信障礙區(qū)域。由于前方區(qū)段處于占用狀態(tài)且有通信車報告其位置，該區(qū)域向前延伸至列車A（前車）車尾位置停止；此時列車A由于車尾后方可能隱藏可疑車輛而導(dǎo)致丟失尾部篩選，雖然這對自身行車不會產(chǎn)生影響，仍可按照既有移動授權(quán)行駛，但是由于丟失尾部篩選，即使后車恢復(fù)正常也無法追蹤到列車A尾部，因此列車A在后續(xù)運(yùn)行過程中需要重新進(jìn)行尾部篩選。列車A此時位置報告正常，在列車A未完成尾部篩選前，非通信障礙區(qū)域會跟隨列車A尾部位置進(jìn)行延伸；當(dāng)后方區(qū)段空閑，列車A完成尾部篩選時，之前跟隨延伸的非通信障礙區(qū)域也將被消除。該過程如圖4所示。

圖4 丟失尾部篩選Fig. 4 Tail sieve losing

（3） 移動授權(quán)回撤

兩輛處于CBTC控制級別下的列車正常運(yùn)行且間隔距離較遠(yuǎn)時，如果前車丟失通信，將產(chǎn)生非通信障礙區(qū)域，該區(qū)域?qū)⒃噲D向前后兩個方向進(jìn)行延伸。為了避免出現(xiàn)第1種“列車丟失頭部篩選”的情況，當(dāng)移動授權(quán)回撤時，應(yīng)該選擇空閑區(qū)段的始端而非終端作為移動授權(quán)回撤點(diǎn)。如果選擇空閑區(qū)段的終端作為移動授權(quán)回撤點(diǎn)，一旦列車A駛?cè)肭胺娇臻e區(qū)段，將立即丟失頭部篩選，如圖5所示。

圖5 移動授權(quán)回撤Fig. 5 Shortened movement authority

（4）邊界區(qū)段情況

當(dāng)區(qū)段邊界為CBTC控區(qū)與非CBTC控區(qū)的邊界且本控區(qū)內(nèi)的邊界區(qū)段上確定沒有通信車且物理區(qū)段狀態(tài)由空閑變?yōu)檎加脮r，認(rèn)為該占用是由非通信車駛?cè)朐斐傻?，此時應(yīng)將邊界區(qū)段設(shè)置為非通信障礙區(qū)域，如圖6所示。

圖6 CBTC控區(qū)與非CBTC控區(qū)邊界Fig. 6 Border between CBTC area and Non-CBTC area

當(dāng)邊界為CBTC兩個相鄰控區(qū)邊界時，非通信障礙區(qū)域的判斷與圖6所示情況類似，只是可以通過兩個控區(qū)間的接口獲取對方邊界區(qū)段上的具體占用情況。例如當(dāng)CBTC控區(qū)1告知CBTC控區(qū)2自身邊界區(qū)段存在非通信障礙區(qū)域時，如果CBTC控區(qū)2邊界區(qū)段出現(xiàn)占用情況，則CBTC控區(qū)2邊界區(qū)段應(yīng)延伸為非通信障礙區(qū)域，如圖7所示。

圖7 CBTC控區(qū)之間邊界Fig. 7 Border between two CBTC areas

2.3 非通信障礙區(qū)域的消除

當(dāng)非通信障礙區(qū)域內(nèi)的物理區(qū)段狀態(tài)由占用變?yōu)榭臻e時，意味著該物理區(qū)段上不可能存在車輛占用情況，此時應(yīng)將該物理區(qū)段上的非通信障礙區(qū)域消除掉。

3 非通信障礙區(qū)域的輔助功能

在第2節(jié)的分析中，將非通信車的識別和位置跟蹤問題轉(zhuǎn)化成對非通信障礙區(qū)域的管理問題，包括非通信障礙區(qū)域的產(chǎn)生、延伸以及消除的過程。對非通信障礙區(qū)域的確定除可解決CBTC系統(tǒng)混跑模式下對非通信車的跟蹤問題外，還可以進(jìn)一步拓展，輔助完成一些相關(guān)功能的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

3.1 計軸故障判斷

若非通信障礙區(qū)域內(nèi)的非通信車?yán)^續(xù)向前行進(jìn)，會存在兩種特殊情況：（1）非通信車完整性丟失，一部分駛出原計軸區(qū)段，一部分留在原計軸區(qū)段，而原計軸區(qū)段仍處于占用狀態(tài)；（2）原計軸區(qū)段故障占用，即使非通信車保持列車完整性并且實(shí)際已經(jīng)駛出原計軸區(qū)段，但原計軸區(qū)段仍處于占用狀態(tài)。由于地面ATP系統(tǒng)無法區(qū)分這兩種情況，所以此時非通信障礙區(qū)域不能消除，需要借助列車清掃的方式對以上兩種情況進(jìn)行排查。

通過為非通信障礙區(qū)域添加一個清掃屬性，將非通信障礙區(qū)域分為未清掃狀態(tài)和已清掃狀態(tài)。這樣輔以列車清掃的邏輯處理，可以對計軸區(qū)段故障占用情況進(jìn)行區(qū)分。如果計軸區(qū)段處于占用狀態(tài)，但其范圍內(nèi)的非通信障礙區(qū)域已經(jīng)過列車清掃過程變?yōu)橐亚鍜郀顟B(tài)，則可以判定該占用為計軸區(qū)段故障占用，如圖8所示。地面ATP系統(tǒng)為即將通過的列車計算移動授權(quán)時，可跨過該占用區(qū)段。

圖8 列車清掃Fig. 8 Train swept

3.2 輔助列車排序

地面ATP系統(tǒng)對其管轄范圍的列車進(jìn)行動態(tài)管理，是CBTC地面系統(tǒng)中對列車位置信息的“總代理”。為配合聯(lián)鎖系統(tǒng)或列車自動監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)，需要地面ATP系統(tǒng)告知列車位置信息，此時列車需按照控制等級進(jìn)行分類：CBTC控制等級列車和非CBTC控制等級列車。依照本文第1.2節(jié)和第2節(jié)內(nèi)容分析，CBTC控制等級列車包括完成列車頭部和尾部篩選的通信車和僅完成列車頭部篩選的通信車；非CBTC控制等級列車包括未完成列車頭部篩選的通信車和非通信車。

地面ATP系統(tǒng)按照以上列車的分類確定列車在線路上運(yùn)行的先后關(guān)系，并將其映射到對應(yīng)的物理區(qū)段上或邏輯區(qū)段上，進(jìn)而按照需要告知聯(lián)鎖系統(tǒng)或ATS系統(tǒng)列車的位置信息。

4 結(jié)語

本文對CBTC系統(tǒng)混跑模式下非通信車位置跟蹤問題進(jìn)行了研究，使用非通信障礙區(qū)域的概念判定非通信車位置，分析了非通信車出現(xiàn)后對相鄰運(yùn)行車輛可能造成的影響，并探討了相關(guān)功能，可為基于移動閉塞的列車混跑技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

由于列車混跑模式場景復(fù)雜，在后續(xù)的研究中可以對非通信車出現(xiàn)場景進(jìn)行更細(xì)致的分析，結(jié)合更多可用條件，例如移動授權(quán)信息，對非通信障礙區(qū)域進(jìn)行更為精確的判定并縮小其影響范圍，以期在保證安全的前提下提高混跑模式下列車的運(yùn)行效率。