列車安全防護(hù)包絡(luò)對CBTC列車影響的研究

石曉雯

(南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司,南寧 530000)

1 概述

CBTC系統(tǒng)，通過列車自動監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)、列車自動控制（ATC）系統(tǒng)、計算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）系統(tǒng)等子系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)以移動閉塞為原則，連續(xù)車—地雙向數(shù)據(jù)通信的安全可靠的列車自動控制。

其中，列車安全防護(hù)包絡(luò)的計算邏輯是ATC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，列車安全防護(hù)包絡(luò)的長度直接影響CBTC列車的安全運(yùn)行。列車安全防護(hù)包絡(luò)計算需考慮列車所處線路的位置、列車的通信狀態(tài)、列車實(shí)際速度、前方線路狀態(tài)等實(shí)際情況。在地鐵運(yùn)營中，前方進(jìn)路情況、列車狀態(tài)等運(yùn)行場景復(fù)雜多變，列車安全防護(hù)包絡(luò)長度實(shí)時變化。當(dāng)列車安全防護(hù)包絡(luò)性質(zhì)發(fā)生變化時，對車-車之間的安全防護(hù)、列車運(yùn)行控制、后續(xù)CBTC列車正常運(yùn)營造成影響。由此本文從列車安全防護(hù)包絡(luò)的計算原理、控制邏輯、現(xiàn)場實(shí)際情況等角度剖析并為故障下的運(yùn)營管理提供相關(guān)措施。

2 列車安全防護(hù)原理

列車運(yùn)行過程中，車載計算機(jī)（簡稱CC）通過軌旁信標(biāo)計算列車準(zhǔn)確定位，依靠編碼里程計完成兩個定位信標(biāo)之間列車位移計算。由于列車定位是一個運(yùn)動狀態(tài)，在運(yùn)行過程中編碼里程計測速、系統(tǒng)運(yùn)算均存在一定的誤差，導(dǎo)致列車運(yùn)動過程中產(chǎn)生定位誤差。為充分考慮誤差帶來的影響，CC計算的列車位置以可能的安全范圍代替一個確定的位置，以增加系統(tǒng)的安全性能。

如圖1所示，假設(shè)沿著列運(yùn)行方向線路公里標(biāo)逐漸增大，“車頭位置”、“車尾位置”為CC通過信標(biāo)、編碼里程計計算的，不考慮任何誤差的列車位置，分別記做H、L；“預(yù)估距離”為CC考慮設(shè)備計算誤差、測距誤差、速度、列車前后方不確定性等安全因素而計算的列車可能走過的距離，記做D；“最小車頭/尾位置”、“最大車頭/尾位置”是CC根據(jù)車頭/尾位置、預(yù)估距離計算的列車可能的最大車頭/車尾位置，即：

最小車頭/尾位置=H(L)-D;

最大車頭/尾位置=H(L)+D;

列車長度=H-L。

圖1 列車定位原理Fig.1 The principle of train positioning

因此，最小車尾位置、最大車頭位置之間的范圍則為列車有可能的位置，在此區(qū)域內(nèi)列車處于安全范圍。

如圖2所示，區(qū)域控制器（簡稱ZC）周期性收到包含CC計算的列車最小車尾位置、最大車頭位置、列車速度等信息的列車位置報告后，完成ZC識別管轄區(qū)域內(nèi)所有列車識別，分辨CBTC列車與非CBTC列車，并為每列車計算生成安全防護(hù)包絡(luò)（在ATC系統(tǒng)內(nèi)識別每列車的長度為列車安全防護(hù)包絡(luò)的長度），根據(jù)ZC區(qū)域內(nèi)的列車位置情況及進(jìn)路情況，為每列車授權(quán)可運(yùn)行終點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)移動閉塞。

圖2 列車防護(hù)包絡(luò)產(chǎn)生邏輯Fig.2 Generation logic for train protection envelope

3 列車安全防護(hù)影響機(jī)制

對于車地通信正常的列車，ZC周期根據(jù)列車的位置報告更新列車安全防護(hù)的終點(diǎn)，但對于非受控列車即車地通信異常或非CBTC列車，ZC無法獲取列車的位置報告，導(dǎo)致ZC無法識別列車的真實(shí)位置。為保護(hù)其他CBTC列車的安全運(yùn)行，此時ZC會根據(jù)聯(lián)鎖發(fā)送的區(qū)段占用狀態(tài)等線路條件計算，在其周圍（以計軸為界）延長列車防護(hù)包絡(luò)，形成一定距離（約480 m）的安全防護(hù)區(qū)域（簡稱“Buff er”區(qū)域），如圖 3所示。

圖3 非受控列車防護(hù)包絡(luò)示意圖Fig.3 Schematic diagram of uncontrolled train protection envelope

ATC系統(tǒng)應(yīng)保證后續(xù)CBTC列車不侵入該安全保護(hù)區(qū)域或在此安全防護(hù)區(qū)域的CBTC列車應(yīng)施加緊急防護(hù)措施，以保證列車安全可控。當(dāng)列車由CBTC列車變?yōu)榉鞘芸亓熊嚂r，安全防護(hù)區(qū)域延長，后續(xù)CBTC列車的授權(quán)終點(diǎn)在Buffer區(qū)域之外，同時在Buffer區(qū)域內(nèi)的CBTC列車觸發(fā)緊急制動，列車無法繼續(xù)以CBTC模式運(yùn)行。

Buffer區(qū)域的延長距離以計軸點(diǎn)為界，向兩邊延伸。當(dāng)延伸至的下個計軸區(qū)段的長度超過480 m，則Buffer區(qū)域長度延長至下個計軸區(qū)段的計軸點(diǎn)；若下個計軸區(qū)段的長度小于480 m，則Buffer區(qū)域?qū)⒗^續(xù)往下一個計軸區(qū)段延伸，直至距離達(dá)到480 m，并以該計軸區(qū)段的計軸點(diǎn)為終點(diǎn)。

除上述規(guī)律外，Buffer區(qū)域的延長距離還受道岔位置影響，如圖4所示，假設(shè)G1區(qū)段的長度超過480 m，G3區(qū)段出現(xiàn)粉紅光帶，當(dāng)?shù)啦硖幱诙ㄎ粫r，G3區(qū)段粉紅光帶的影響范圍一直至G1區(qū)段的計軸點(diǎn)AC1。

圖4 當(dāng)?shù)啦硖幱诙ㄎ粫r的Buffer影響范圍Fig.4 Buffer influence range when turnout is in normal position

當(dāng)?shù)啦硖幱诜次粫r，如圖5所示，則G3區(qū)段粉紅光帶的影響范圍僅至G1區(qū)段的計軸點(diǎn)AC2。需要說明的是，在此情況下，若G1為站臺區(qū)域，G2為進(jìn)站進(jìn)路的延續(xù)防護(hù)區(qū)段，則CBTC列車無法正常進(jìn)站對標(biāo)。

圖5 當(dāng)?shù)啦硖幱诜次粫r的Buffer影響范圍Fig.5 Buffer influence range when turnout is in reverse position

4 實(shí)際情況

結(jié)合南寧地鐵2號線運(yùn)行情況，列車實(shí)際控制情況與理論研究相符。

案例一：當(dāng)?shù)啦砦恢锰幱诙ㄎ?，前方出現(xiàn)非通信列車時后續(xù)CBTC列車的運(yùn)行情況。

如圖6所示，P0101、P0104/P0105道岔均處于定位時，非通信列車A車占用G6區(qū)段，G6區(qū)段粉紅光帶，在A車兩側(cè)存在安全防護(hù)區(qū)域，其影響距離為480 m并以區(qū)段計軸點(diǎn)為界，即圖6中G3區(qū)段至G5區(qū)段為Buffer區(qū)段（AC3至AC6長度約為500 m），后方CBTC列車B車停在G2區(qū)段，前方移動授權(quán)距離為0 m，列車無速度碼，無法以CBTC模式運(yùn)行。

如圖7可知，當(dāng)G6區(qū)段由紅光帶變?yōu)榉峭ㄐ跑囌加玫姆奂t光帶時，隨著B車往前運(yùn)行，運(yùn)行至S0102信號機(jī)前時接收到ZC發(fā)送的前方可授權(quán)運(yùn)行的距離變?yōu)? m，列車目標(biāo)速度即列車速度碼為0 km/h，在B車無可運(yùn)行距離授權(quán)、無速度碼情況下，B車以CBTC-ATPM模式無法動車，當(dāng)前速度變?yōu)? km/h。當(dāng)A車由非通信列車恢復(fù)為通信列車后，安全防護(hù)包絡(luò)距離縮短，A車收到前方運(yùn)行授權(quán)并恢復(fù)速度碼。

圖6 道岔處于定位時的Buffer實(shí)際影響情況Fig.6 The actual impact of Buffer when turnout is in normal position

圖7 案例一B車數(shù)據(jù)情況Fig.7 Data of train B for Case 1

案例二：當(dāng)?shù)啦砦恢锰幱诙ㄎ?，前方出現(xiàn)非通信列車時后續(xù)CBTC列車的運(yùn)行情況。

如圖8所示，P0101道岔處于反位時，非通信列車A車占用G6區(qū)段，G6區(qū)段粉紅光帶，在A車兩側(cè)存在安全防護(hù)區(qū)域，其影響距離僅到AC5，即圖8中G5區(qū)段為Buffer區(qū)段（AC5至AC6長度小于480 m），后方CBTC列車B車停在B站站臺，列車無速度碼，無法以CBTC模式運(yùn)行。

圖8 道岔處于定位時的Buffer實(shí)際影響情況Fig.8 Actual impact of Buffer when turnout is in reverse position

如圖9分析可知，當(dāng)G6區(qū)段由紅光帶變?yōu)榉峭ㄐ跑囌加玫姆奂t光帶時，隨著B車往前運(yùn)行，運(yùn)行至B站站臺時接收到ZC發(fā)送的前方可授權(quán)運(yùn)行的距離變?yōu)? m，列車目標(biāo)速度即列車速度碼為0 km/h，在B車無可運(yùn)行距離授權(quán)、無速度碼情況下，B車以CBTC-ATPM模式無法動車，當(dāng)前速度變?yōu)? km/h，最終停在B站站臺區(qū)域但無法對標(biāo)停車，距離站臺停車點(diǎn)約7.5 m。當(dāng)A車由非通信列車恢復(fù)為通信列車后，安全防護(hù)包絡(luò)距離縮短，A車收到前方運(yùn)行授權(quán)并恢復(fù)速度碼。

圖9 案例二B車數(shù)據(jù)情況Fig.9 Data of train B for Case 2

5 優(yōu)化建議

由于此功能為保證列車安全、信號系統(tǒng)安全可靠而設(shè)計，但實(shí)際運(yùn)營過程中出現(xiàn)此類場景，若處理不當(dāng)時則會對運(yùn)營造成較大影響。因此，在滿足信號安全的前提下，為提高地鐵的運(yùn)行效率，提出以下故障管理控制措施。

當(dāng)線路中某個區(qū)段出現(xiàn)粉紅光帶時（非CBTC列車占用），該區(qū)段前后480 m會產(chǎn)生安全防護(hù)區(qū)域，若480 m達(dá)到了區(qū)段內(nèi)部，則擴(kuò)展到整個區(qū)段，建議后續(xù)CBTC列車以后備模式運(yùn)行，若在Buffer區(qū)域內(nèi)的列車，切換至后備模式運(yùn)行。

若粉紅光帶區(qū)段出現(xiàn)在站臺后方，CBTC列車可以ATO/ATPM模式進(jìn)站在距離停車點(diǎn)約7～8 m處自動落碼停車，后續(xù)將列車駕駛模式轉(zhuǎn)為RM模式進(jìn)站對標(biāo)。

通過以上兩點(diǎn)措施，在保證安全運(yùn)行的前提下可提高故障下的地鐵運(yùn)營效率。

6 結(jié)語

當(dāng)線路上出現(xiàn)非通信列車或計軸干擾導(dǎo)致粉紅光帶時，若處理不當(dāng)會對地鐵運(yùn)營產(chǎn)生較大影響。因此理解地鐵信號系統(tǒng)中Buffer區(qū)域的產(chǎn)生邏輯、影響范圍及對CBTC列車影響，有利于日常運(yùn)營故障處理，同時針對影響提供了兩點(diǎn)運(yùn)營管理建議，可有效降低由于安全防護(hù)對軌道交通產(chǎn)生的影響，提高軌道交通運(yùn)營效率。