CBTC系統(tǒng)中列車占用位置判斷方法

趙 鵬，耿 鵬

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

城市軌道交通中CBTC系統(tǒng)(communication based train control，基于通信的列車自動控制系統(tǒng))，實現(xiàn)了車-地雙向、實時、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，在保證運行安全的基礎上，提升了運營效率。CBTC信號系統(tǒng)中車載控制器(以下簡稱 VOBC)通過速度傳感器和雷達實時檢測并計算列車位置[1]，將位置信息周期性地發(fā)送給地面區(qū)域控制器(以下簡稱 ZC)，ZC根據(jù)列車位置信息，并結(jié)合計算機聯(lián)鎖(以下簡稱CI)提供的站場信息實現(xiàn)列車追蹤。當車地通信故障導致ZC無法獲取列車位置信息時，ZC依賴CI發(fā)送的計軸占用狀態(tài)判斷列車占用位置，作為對位置報告檢測方法的有效補充，提高了系統(tǒng)的可用性[2]。

ZC計算列車占用位置時，不能直接使用 VOBC發(fā)送的位置信息，必須考慮VOBC與ZC、CI與ZC之間存在的通信延時以及信息不同步問題。目前主流的實現(xiàn)方法是ZC收到VOBC發(fā)送的位置信息后，將VOBC與ZC間最大通信延時時間內(nèi)估計的列車運行距離，以及列車退行時產(chǎn)生的尾部最大可能位置，作為該列車最大可能的包絡范圍[3]。當車地通信中斷后，ZC若收到CI發(fā)送的計軸區(qū)段為占用狀態(tài)，需考慮CI與ZC之間存在通信延時，不能認為非通信列車一定在“占用”的計軸上，也可能在前方或后方相鄰“空閑”的計軸上，此時，“占用”計軸和“空閑”計軸均是列車可能的運行范圍。后方CBTC列車進行追蹤時，移動授權(quán)不能延伸進入“空閑”的計軸內(nèi)。該方法在判斷列車占用位置時保證了安全性，但一方面存在列車占用位置計算精度低的問題，尤其是CBTC混跑模式下效率較低，難以適應更小間隔、更高速度的線路應用需求[4]；另一方面存在可能將計軸設備故障(以下簡稱ARB)識別為非通信列車占用的問題。因此，現(xiàn)提出一種新方法實現(xiàn)列車占用位置判斷，對其進行改進。

1 軌旁控制設備融合

在目前設備分離設計的情況下，分布式“串聯(lián)”通信會給系統(tǒng)造成不利影響。以計軸占用狀態(tài)傳輸為例。ZC獲取計軸狀態(tài)信息需要經(jīng)歷計軸繼電信號采集時間、CI驅(qū)采單元采集時間、CI驅(qū)采單元至邏輯部通信時間、CI邏輯部處理時間、CI以太網(wǎng)板至ZC邏輯部時間，時間累計可達到“秒”量級[5]。

設備間存在通信延時是判斷列車占用位置必須考慮的因素，由于軌旁設備控制方式分離，缺乏統(tǒng)一的時鐘基準，因此若要提高列車占用位置判斷精度，必須盡可能減少網(wǎng)絡延時。軌旁控制設備ZC實現(xiàn)對列車的連續(xù)式控制，CI實現(xiàn)后備模式控制，這兩個設備從對外接口以及功能上具備融合的條件[6]，因此將ZC與CI進行融合，稱為新型區(qū)域控制器(以下簡稱TCS)。設備融合后，簡化了系統(tǒng)構(gòu)造與接口，促使原分配在不同設備上的系統(tǒng)功能更加協(xié)調(diào)，ZC與CI之間的通信延時消失，計軸設備的傳輸延時僅存在于繼電信號采集與TCS邏輯部之間，現(xiàn)基于ZC和CI設備融合基礎上，對列車占用位置判斷方法進一步分析。

2 列車占用位置判斷

當TCS與VOBC通信正常時，TCS采用 VOBC發(fā)送的位置報告信息進行列車追蹤；當TCS與VOBC通信中斷后，TCS無法獲取列車位置，需要依靠計軸占用狀態(tài)進行位置判斷[7]。因此對通信列車和非通信列車的占用位置判斷方法分別進行闡述。

2.1 通信列車

當VOBC向TCS匯報位置信息后，由于車地之間存在通信延時，TCS對該位置信息進行處理時，列車可能已經(jīng)不在原來的位置，所以需要TCS在列車當前位置的基礎上，向前或者向后延伸一段距離，作為列車最大可能的包絡范圍，使其他列車根據(jù)該包絡范圍進行追蹤[8]，如圖 1所示。向后延伸的距離通常為最不利情況下列車退行距離，向前延伸的距離計算公式如下：

圖1 通信列車Figure 1 Communication Train

式中：ldis為列車的頭部最大可能位置；vmax為列車最高運行速度；tvobc-tcs為車地最大通信延時時間。

2.2 非通信列車

若車地通信中斷導致 TCS無法獲取列車位置信息，則 TCS只能根據(jù)計軸占用狀態(tài)判斷列車占用位置?？紤]通信延時以及信息不同步問題，對如下場景分別進行考慮。

假設計軸占用狀態(tài)由繼電信號采集至 TCS邏輯部的延時為tstde，列車最高運行速度為vmax，列車最短車長為ltrain，當前占用的計軸長度為lstde，列車懸垂長度為lxc，TCS至VOBC最大通信延時時間為ttcs-vobe，列車緊急制動加速度為aeb。

1) TCS與VOBC通信中斷前，TCS存儲了列車的位置信息和運行方向，當VOBC判斷通信中斷后施加緊急制動并且停車，TCS應考慮這段時間內(nèi)列車實際運行的距離。因此應在存儲的最后有效位置信息基礎上向前和向后分別延伸一段距離，作為列車最大可能的包絡范圍，如圖2所示。向后延伸的距離通常為最不利情況下列車退行距離。向前延伸的距離計算公式為

圖2 通信列車降級Figure 2 Non-communication Train

2) 列車降級并且施加緊急制動停下來之后，TCS無法確定該非通信列車的狀態(tài)，列車可能繼續(xù)前進，也可能保持靜止，因此需要依靠計軸占用狀態(tài)判斷非通信列車的可能運行范圍。如圖3所示，當非通信車所在計軸W2占用，相鄰計軸W1和W3均為空閑時，由于計軸設備繼電信號采集至 TCS邏輯部之間存在通信延時，列車實際位置可能在空閑的計軸內(nèi)。因此以W2左側(cè)端點為起點，向后考慮最不利情況下列車退行距離，以W2右側(cè)端點為起點，向前考慮獲取計軸設備占用狀態(tài)最大延時時間內(nèi)列車運行距離vmax×tstde作為列車最大可能的包絡范圍。

圖3 非通信列車占壓一個計軸Figure 3 A single axle counter occupied by a non-communication train

3) 當非通信車繼續(xù)前行順序占壓兩個計軸時，如圖4和圖5所示，根據(jù)占壓順序，將W2定義為駛出計軸，W3定義為駛?cè)胗嬢S。對于駛?cè)胗嬢SW3，考慮列車最后輪對剛剛駛出計軸W2，由于W2存在延時，TCS依然收到W2為占用狀態(tài)，因此非通信列車向前可能運行范圍為

圖4 駛?cè)胗嬢S的可能運行范圍Figure 4 The possible range of a driving-in axle counter

圖5 駛出計軸的可能運行范圍Figure 5 The possible range of a driving-out axle counter

對于駛出計軸 W2，考慮列車第一輪對剛剛駛?cè)胗嬢S W3，此時列車退行，由于W3存在延時，TCS依然收到W3為占用狀態(tài)，因此非通信車向后可能運行范圍為

經(jīng)過Tstde時間后，若計軸W2和W3依然保持占用狀態(tài)，則TCS無法確定非通信列車的狀態(tài)，以W2左側(cè)端點為起點，向后考慮最不利情況下列車退行距離，以W3右側(cè)端點為起點，向前考慮獲取計軸設備占用狀態(tài)最大延時時間內(nèi)列車運行距離vmax×tstde作為列車最大可能的包絡范圍。

4) 當 TCS收到駛?cè)胗嬢S為占用狀態(tài)，駛出計軸為空閑狀態(tài)時，如圖6所示。非通信列車最后輪對剛剛駛出計軸 W2至第一輪對剛剛駛出計軸W3的時間為

圖6 列車完全駛?cè)胂乱挥嬢SFigure 6 The train fully driving into the next axle counter

考慮計軸 W2占用傳輸延時，最不利情況下TCS認為非通信列車最后輪對剛剛駛出計軸W2至第一輪對剛剛駛出計軸W3的時間為

則從TCS收到計軸W2由占用狀態(tài)變?yōu)榭臻e狀態(tài)時刻，T2時間內(nèi)該非通信車向前一定不會超出計軸W3范圍，向后考慮列車最大退行距離，作為列車可能的運行范圍。

5) 經(jīng)過T2時間后，TCS無法確定非通信列車的狀態(tài)，則以計軸W3的左側(cè)端點為起點，向后考慮最不利情況下列車退行距離，以計軸W3的右側(cè)端點為起點，向前考慮計軸占用最大延時時間內(nèi)列車可能運行范圍vmax×tstde作為列車最大可能的包絡范圍，如圖7所示。

圖7 非通信列車占壓一個計軸Figure 7 Single axle counter occupied by a non-communication train

綜上所述，TCS以存儲的與VOBC通信中斷前的最后有效位置和運行方向為基準，通過計軸設備的占用順序?qū)Ψ峭ㄐ帕熊嚨恼加梦恢眠M行管理，在保證安全性的基礎上提高了系統(tǒng)效率。

3 方案對比

通過實驗對改進方案與原方案進行比較，其中，各延時參數(shù)取值為最大延時時間。計軸占用狀態(tài)由繼電信號采集至TCS邏輯部延時時間tstde=3 s；列車最高運行速度vmax=33 m/s；最短運營列車車長ltrain=60 m；計軸W1、W2、W3、W4的長度均為lstde=500 m；列車懸垂長度lxc=3.32 m；TCS至VOBC最大通信延時時間ttcs-vobc=6 s；列車緊急制動減速度為aeb=1.2 m/s2；最不利情況下列車退行距離為15 m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對列車運行過程進行分析。列車在計軸W2上以CBTC等級運行時，向TCS發(fā)送的車尾和車頭的位置報告記為[(W2，30 m)，(W2，100 m)]，計軸偏移量按照從左向右方向描述，則考慮車地通信延時因素，TCS計算的列車包絡范圍為[(W2，15 m)，(W2，298 m)]。

當發(fā)生車地通信中斷，記為T1時刻，TCS存儲的最后一包接口有效位置為[(W2，30 m)，(W2，100 m)]，列車施加緊急制動并且停下來經(jīng)歷的時間Δt1=27.5 s。則考慮車地通信延時因素，當TCS判斷通信中斷后，Δt1時間內(nèi)，計算的列車包絡范圍為[(W2，15 m)，(W3，251.75 m)]。

Δt1時間后，記為t2時刻，若計軸 W3保持為空閑狀態(tài)，則考慮計軸占用采集延時因素，TCS計算的列車包絡范圍為[(W1，485 m)，(W3，99 m)]。

非通信車繼續(xù)前行至同時占壓W2和W3，記為t3時刻，則在計軸出清采集最大延時時間 3 s內(nèi)，TCS計算的列車包絡范圍為[(W2，428.32 m)，(W3，155.68 m)]。

經(jīng)過計軸出清采集最大延時時間后，記為t4時刻，若計軸W2和W3依然保持占用狀態(tài)，則列車可能停在該位置或者計軸故障占用。從安全角度考慮，TCS計算的列車包絡范圍可為[(W1，485 m)，(W4，99 m)]。

非通信車繼續(xù)前行至W2空閑時，記為t5時刻。則非通信列車最后輪對剛剛駛出計軸W2至第一輪對剛剛駛出計軸W3的時間Δt2=10.5 s。Δt2時間內(nèi)，TCS計算的列車包絡范圍為[(W3，0 m)，(W3，500 m)]。

Δt2時間后，記為t6時刻，TCS無法確定非通信車的狀態(tài)，則考慮計軸占用采集延時因素，TCS計算的列車包絡范圍為[(W2，485 m)，(W4，99 m)]，重復上述t2時刻過程。

當計軸 W4占用時，記為t7時刻，重復上述t3時刻過程，以此類推。

上述為通信列車降級至非通信列車順序走行的完整周期。對于正常通信列車，原方案和改進方案對列車占用位置判斷無區(qū)別。列車降級后，原方案將非通信車占用計軸以及前后相鄰計軸均作為列車可能占用位置，改進方案明顯提高了列車占用位置精度。對比分析見表1。

表1 列車占壓范圍對比Table 1 Comparison of train occupation ranges m

表1中，“占壓范圍”指的是列車可能占用位置的區(qū)間長度。在計軸長度均為500 m情況下，改進方案對列車占用位置的判斷精度提高了44.3%。列車占用位置精度提高后，后方CBTC列車追蹤間隔更加緊密，同時可以提高計軸ARB判斷準確度。其中，后車MA安全防護點回縮距離和計軸ARB判斷對比分別見表2和表3。

表2 MA 回縮距離對比Table 2 Comparison of movement authority retraction distances m

表3 ARB 判斷對比Table 3 Comparison of ARB justification

表2中，“MA回縮距離”指的是后方CBTC列車MA安全防護點距離前方第一個非通信車占用計軸的距離。原方案中，后車MA安全防護點與前方非通信車占用計軸間隔一個空閑計軸。改進方案后，后車MA安全防護點可延伸進入非通信車占用計軸，為了防止發(fā)生MA回縮，可統(tǒng)一將后車MA安全防護點延伸到前方第一個非通信車占用計軸入口處，并回縮列車最大退行距離。

表3中，“ARB判斷”指的是能否識別計軸故障占用狀態(tài)。通過方案對比，改進方案可提高 ARB判斷的準確度，提高系統(tǒng)的可用性。

4 思考與展望

在判斷非通信列車的可能占用位置時，受通信延時影響，現(xiàn)有技術方案中將占用計軸的兩側(cè)空閑計軸均作為非通信列車可能運行范圍，現(xiàn)對該方案進行了改進，提出了非通信列車占用位置的精細化管理方法，一方面可提高列車追蹤效率，另一方面可提高計軸ARB判斷的準確度[9-10]；提出將ZC和CI設備進行融合，主要是為了減少網(wǎng)絡延時，即使分離控制，計算方法依然適用。除此之外，在闡述列車降級時，僅考慮了網(wǎng)絡通信中斷原因和一列CBTC車降級的場景，從安全角度考慮，ZC認為列車降級時刻至VOBC真正降級，還應考慮雙向通信延時時間。比如VOBC->ZC方向數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生阻塞，ZC->VOBC方向數(shù)據(jù)鏈路正常，則ZC判斷通信中斷后，VOBC仍需等待通信超時時間后才會真正降級，因此公式(2)應考慮2倍車地通信超時時間。當一個計軸內(nèi)同時存在多列CBTC車降級時，位置管理更為復雜，從安全角度考慮，此場景可按原方案處理。因此，對列車占用位置的精細化管理還需要進行更深入地研究。

5 結(jié)語

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)了列車移動閉塞模式追蹤，提高了列車運營效率，但是也存在一定的問題。如何進一步提高列車運營速度，設備故障后如何降低對運營的影響等，是需要考慮的問題。筆者從軌旁控制設備融合以降低網(wǎng)絡延時，列車降級后精細化管理列車占用位置兩個方面進行了闡述，對提升CBTC系統(tǒng)的可靠性與可用性具有一定的參考價值。