CBTC 系統(tǒng)計軸故障占用判定邏輯及應用分析

李 超，賈學祥，李 亮，姜慶陽

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，北京 100081）

市域軌道交通因其快速、舒適、準點率高等優(yōu)點，成為解決城市交通擁堵和居民出行問題的重要舉措[1]。 計軸設備是城市軌道交通中基于通信的列車運行控制（CBTC）系統(tǒng)的一個重要組成部分，作為車地通信中斷時CBTC 后備模式下的列車定位手段，計軸能夠提供區(qū)段的占用/空閑信息。 作為區(qū)段占用狀態(tài)檢測裝置，計軸設備安裝在計軸區(qū)段的兩端，對行駛過區(qū)段兩端計軸點的列車輪軸依次進行計數(shù)。 通過比對兩次計數(shù)是否一致，確定列車是否進入計軸設備對應的計軸區(qū)段并對列車的完整性做出判斷[2-6]。 計軸技術1913 年起源于歐洲，作為軌道電路應用之后，對軌道區(qū)段占用情況檢測的另一種有效手段，已廣泛應用于多數(shù)國家[7-8]。 經(jīng)過近一個世紀的發(fā)展，由機械式設備，逐漸發(fā)展為電磁式、電子式計軸設備。 對于駛過計軸點列車輪軸的計數(shù)模式， 也由機械式計數(shù)演變?yōu)槲C處理計數(shù)。日本近年來對計軸設備研發(fā)投入力度加大，計軸設備除區(qū)段占用檢測功能外，還能實現(xiàn)列車測速、列車長度計算等功能[9]。 法國主要采用阿爾卡特公司的AzLM 計軸系統(tǒng)，該計軸系統(tǒng)的研發(fā)基于最新的傳感器技術、計算機技術，是目前較為先進的計軸系統(tǒng)[10-11]。 我國在學習國外先進計軸設備技術基礎上，自主化研究的JZ1-H 型微機計軸設備，也已經(jīng)得到了廣泛應用。 盡管計軸設備的技術創(chuàng)新在不斷推進，但計軸設備容錯率不足、受環(huán)境干擾的問題依然存在[12-15]。 因此在計軸技術創(chuàng)新的同時，對于線路中計軸設備出現(xiàn)故障的情況也需要做出合理的處置，彌補計軸設備自身缺陷對于線路運營造成的不利影響。

目前國內應對計軸設備故障的處理方案主要有以下兩種:第一種方案是將發(fā)生計軸故障的區(qū)段設置為固定閉塞屬性區(qū)段， 車站值班員通過計軸復位按鈕對計軸進行復位操作， 列車降級為RM（限制人工駕駛）列車運行至下一站臺區(qū)段重新升級為CTC（連續(xù)式列車控制）等級列車[16]。在工程運用上，這種方案在國內地鐵線路中應用較為普遍。另一種方案采用了駕駛RM 列車運行通過計軸故障區(qū)段， 在確認區(qū)段內無障礙后恢復區(qū)段內限速的方法。 這兩種方案能有效解決計軸設備故障帶來的影響，但均存在不足。 第一種方案需要車站調度員人工介入操作，影響運營效率；第二種方案僅適用于應對單個計軸區(qū)段設備發(fā)生故障的情景，對于多個計軸區(qū)段設備出現(xiàn)故障這類復雜情景沒有做出論述。

針對上述問題， 本文提出一種新的ARB 狀態(tài)判定邏輯，彌補了上述方案的不足，有效降低計軸故障產(chǎn)生的不利影響，運用半實物仿真測試平臺對提出的ARB 判定邏輯進行仿真測試， 驗證了提出的ARB 判定邏輯方案對于列車在故障區(qū)間的運行效率有較大提升，對提高城市軌道交通線路的運營效率具有實際意義。

1 ARB 占用狀態(tài)介紹

依據(jù)VOBC（車載控制器）向ZC（區(qū)域控制器）匯報的駕駛等級信息以及CI（聯(lián)鎖）向ZC 傳遞的計軸區(qū)段信息[17-18]，在ATS 現(xiàn)地工作站顯示界面中，計軸區(qū)段占用狀態(tài)可分為空閑、CTC 列車占用、非CTC 列車占用、以及ARB 占用四種狀態(tài)。

由于地鐵線路運營中存在接觸網(wǎng)強電干擾、金屬異物干擾計軸磁頭、 計軸設備板卡受環(huán)境污染致使接觸不良等原因， 計軸設備不可避免發(fā)生故障。 從而導致計軸區(qū)段占用信息異常，產(chǎn)生影響，如列車進路無法排列、 始端信號機不能正常開放等[19-20]。 當某一計軸區(qū)段的計軸設備發(fā)生故障時，按照故障導向安全原則， 該計軸區(qū)段的繼電器將處于落下的狀態(tài)， 表示此時計軸區(qū)段處于非空閑狀態(tài)。 如果列車控制系統(tǒng)無法及時識別該異常占用信息并判定為ARB 占用狀態(tài)， 會導致現(xiàn)地工作站顯示界面中的計軸區(qū)段處于非CTC 車占用狀態(tài)，致使后方的列車無法運行通過該計軸區(qū)段，將嚴重影響線路的正常運營。 此時需要ZC 經(jīng)過邏輯計算對計軸區(qū)段的占用狀態(tài)進行判斷， 若判定為ARB 狀態(tài)， 則允許后續(xù)滿足條件的列車運行通過該區(qū)段。

2 ARB 狀態(tài)判定邏輯

當某計軸區(qū)段顯示非CTC 列車占用狀態(tài)時，ZC 子系統(tǒng)通過聯(lián)鎖獲取計軸區(qū)段的占用狀態(tài)信息，并通過車地無線通信系統(tǒng)收到車載VOBC 發(fā)送的列車標識、列車運行方向以及速度等信息獲取列車的實時位置。 ZC 將計軸占用狀態(tài)信息與列車位置信息進行比對，判定該計軸區(qū)段占用狀態(tài)是否為ARB 占用狀態(tài)。

判定ARB 狀態(tài)的邏輯關系如圖1 所示。

圖1 計軸區(qū)段ARB 的判定邏輯Fig.1 Logic of ARB judgment in axle counter section

步驟1 ZC 通過聯(lián)鎖獲取待判計軸區(qū)段的占用狀態(tài)， 若待判計軸區(qū)段處于非CTC 列車占用狀態(tài)，且尾端篩選的列車已清掃該計軸區(qū)段，確認該區(qū)段內無障礙物， 則執(zhí)行步驟2 進行下一步判斷，否則維持該計軸區(qū)段的非CTC 列車占用狀態(tài)，禁止后方列車通過該計軸區(qū)段。

步驟2 ZC 通過聯(lián)鎖獲取待判計軸區(qū)段相鄰兩個計軸區(qū)段的占用狀態(tài)，若相鄰兩個區(qū)段均為空閑狀態(tài)，則可直接將待判計軸區(qū)段判定為計軸故障占用狀態(tài)，即ARB 狀態(tài)。 若不滿足該條件，則執(zhí)行步驟3 進行判斷。

步驟3 若聯(lián)鎖向ZC 匯報的相鄰兩個計軸區(qū)段的占用狀態(tài)也是非CTC 列車占用狀態(tài)，且已被完成尾端篩選的列車清掃，則3 個計軸區(qū)段將維持原來的非CTC 列車占用狀態(tài)，限制后方列車運行。 否則執(zhí)行步驟4 繼續(xù)進行判斷。

步驟4 若相鄰兩個計軸區(qū)段之一為非CTC列車占用狀態(tài)且被完成尾端篩選的列車清掃，另一計軸區(qū)段為空閑狀態(tài)，則匯報非CTC 列車占用狀態(tài)的兩個計軸區(qū)段都將被ZC 判定為ARB 狀態(tài)。 若不滿足條件則執(zhí)行步驟5。

步驟5 若相鄰計軸區(qū)段內存在運行車輛，則需要結合列車的運行方向以及列車頭端、尾端篩選狀態(tài)進行判定。 若相鄰區(qū)段內列車運行方向為遠離待判定計軸區(qū)段，且該列車已完成尾端篩選，則可判定該計軸區(qū)段狀態(tài)為ARB 占用狀態(tài)； 若相鄰區(qū)段內列車運行方向為靠近待判定計軸區(qū)段，且該列車已完成頭端篩選， 則可判定該計軸區(qū)段狀態(tài)為ARB 占用狀態(tài)。

當一列沒有完成頭端篩選的列車在相鄰計軸區(qū)段以接近故障計軸區(qū)段的方向運行時，由于上述車輛頭端篩選未完成，ZC 不能計算出列車的包絡信息，列車的準確位置無法獲取。 此時兩個計軸區(qū)段均為占用狀態(tài)，ZC 將無法維持發(fā)生故障計軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)，將會切換為非CTC 列車占用狀態(tài)。沒有完成尾端篩選的列車在相鄰計軸區(qū)段以遠離故障計軸區(qū)段的方向運行時，ZC 同樣不能檢測列車的準確位置，故也無法維持發(fā)生故障計軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)，限制后方列車的運行。

3 計軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對后續(xù)列車運行的影響分析

ZC 經(jīng)上述邏輯分析將待判計軸區(qū)段判定為ARB 占用狀態(tài)之后，根據(jù)實際場景允許滿足條件的列車自動運行通過該計軸區(qū)段所在的進路。 以下運營場景包含了計軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對于列車運行影響的各種情況。

圖2 所示為進路內方第1 個計軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對于列車運行的影響。 在進路被尾端篩清的列車清掃完畢之后，重新排列該進路。 內方第1 個計軸區(qū)段因計軸設備故障被ZC 判定為ARB 狀態(tài)，聯(lián)鎖對點式進路的檢查條件中， 當點式進路內第1個計軸區(qū)段處于非空閑狀態(tài)時，始端信號機不能開放固定閉塞信號，ITC（點式列車控制）列車從有源應答器獲取紅燈禁止報文，不能以AM（自動模式）或CM（列車自動防護下的人工駕駛模式）通過該進路；而對于連續(xù)式進路，第1 個計軸區(qū)段的ARB 占用狀態(tài)則滿足聯(lián)鎖的檢查條件，當信號機外方有CTC 列車接近時，允許始端信號機開放移動閉塞信號，CTC 列車的連續(xù)移動授權得以延伸， 能以AM或CM 模式不減速運行通過該進路。 在進路內方第1 個計軸區(qū)段處于ARB 狀態(tài)時，進路內其他任一計軸區(qū)段同時處于ARB 占用狀態(tài)對列車運行的影響同上述運營場景所述。

圖2 進路內方第1 個計軸區(qū)段ARB 對運行的影響Fig.2 Influence of ARB in the first axle counter section on operation

圖3 進路內方第2，第3 軸區(qū)段ARB 對運行的影響Fig.3 Influence of ARB in the second and third axle counter section on operation

圖4 所示為進路內方除第1 個計軸區(qū)段的連續(xù)3 個計軸區(qū)段被判定為ARB 狀態(tài)對于列車運行的影響。 進路內方第2、第3、第4 個計軸區(qū)段被ZC 判定為ARB 占用狀態(tài)后， 由于連續(xù)3 個計軸區(qū)段的計軸設備均出現(xiàn)了故障，列車通過該進路的不確定性和危險性增加，很有可能會危及行車安全，導致安全事故發(fā)生?；诠收蠈虬踩瓌t，ZC 將無法維持該三個計軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)， 將區(qū)段占用狀態(tài)切換為非CTC 列車占用狀態(tài)，不滿足聯(lián)鎖對進路開放的檢查條件，禁止始端信號機開放移動閉塞信號和固定閉塞信號，CTC 及ITC 列車的移動授權終點被限制在始端信號機前方無法延伸， 無法以AM 或CM 模式運行通過該進路。

圖4 進路內方連續(xù)3 個區(qū)段ARB 對運行的影響Fig.4 Influence of ARB in continuous three axle counter sections on operation

4 半實物仿真測試驗證

利用中國鐵道科學研究院的CBTC 系統(tǒng)半實物仿真測試平臺對計軸故障占用功能進行仿真測試。在CBTC 系統(tǒng)半實物仿真測試平臺中，駕駛臺、軌旁和區(qū)域控制器采用仿真設備，聯(lián)鎖、車載控制器及ATS（列車自動監(jiān)督系統(tǒng)）均采用真實設備，設備之間根據(jù)子系統(tǒng)間的通信協(xié)議進行通信。 仿真測試工況選取重慶地鐵9 號線自興科大道站至頭塘站8個站臺，7 個運行區(qū)間，區(qū)間線路數(shù)據(jù)見表1。

表1 區(qū)間距離數(shù)據(jù)Tab.1 Distance data of metro sections

以青崗坪ZC 控區(qū)為例進行仿真驗證， 仿真測試場景見圖5。首先在軌旁仿真上加載一輛列車，完成尾端篩選之后運行通過進路S2404-S2312， 在軌旁仿真中將2310G 設置為計軸故障后，CI 將線路中區(qū)段占用狀態(tài)信息向ZC 傳輸，ZC 結合線路中列車的位置報告信息通過計軸故障占用判斷邏輯將2310G 判定為ARB 狀態(tài)， 計軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)在圖中顯示為粉光帶占用。 隨后在軌旁仿真上加載一輛列車升級為CTC 等級后向進路S2404-S2312 運行， 在列車接近該進路的始端信號機S2404 過程中，S2404 開放移動閉塞信號，CTC 列車的移動授權延伸，可運行通過該進路。

圖5 仿真測試場景Fig.5 Simulation test scenario

仿真分析可知，區(qū)間長度，故障計軸長度，邏輯判斷處理時間以及列車限速等4 個因素對列車在發(fā)生計軸故障的區(qū)間中運行時間影響較大，區(qū)間長度、 故障計軸長度越長和邏輯判斷處理時間越慢，列車在發(fā)生計軸故障的區(qū)間中運行時間越長，而列車限速越高，列車通過運行區(qū)間越快。 仿真測試結果見圖6。 測試結果表明，采用本文提出的CBTC 系統(tǒng)計軸故障占用判定邏輯，較之于目前國內普遍采用的應對計軸設備故障處理方案，列車在計軸設備故障的區(qū)間中運行時間縮短大約30%，線路運營效率有較大提升。

圖6 不同方案運行時間對比Fig.6 Running time in different schemes

5 結論

計軸設備故障普遍存在于城市軌道交通運輸系統(tǒng)中，計軸故障很可能會引起列車晚點，降低線路的運營效率。 本文總結了國內對于計軸故障的處理方案，提出了一種新的ARB 狀態(tài)判定邏輯，并通過半實物仿真測試平臺進行驗證測試，得到結論如下：

1） 相比于國內目前普遍采用的計軸故障處理方案， 采用本文提出的計軸故障占用判定邏輯，能夠縮短列車在計軸故障區(qū)間的運行時間，提高列車區(qū)間運行效率大約30%。

2） 對于計軸故障區(qū)段的相鄰區(qū)段有占用的場景，原有的方案中沒有相應的處理策略。 本文在提出的計軸故障占用判定邏輯中加入上述場景作為判斷檢查條件，能更加全面地對不同情況下發(fā)生的計軸設備故障做出合理的邏輯分析和處置。