基于通信的列車控制系統(tǒng)移動(dòng)閉塞下固定閉塞追蹤控制方法研究

耿 鵬

(通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司， 100070， 北京∥高級(jí)工程師)

城市軌道交通列車控制系統(tǒng)廣泛采用CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)、全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，并逐漸衍生出基于車車通信的列車控制系統(tǒng)、基于云平臺(tái)的信號(hào)系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)都是以移動(dòng)閉塞控制制式為基礎(chǔ)[1]。在城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中，列車在線路上可能會(huì)因土建、自然條件或系統(tǒng)故障等原因無(wú)法按移動(dòng)閉塞制式正常運(yùn)行，列車須改為固定閉塞制式運(yùn)行。此時(shí)線路中可能同時(shí)存在著移動(dòng)閉塞和固定閉塞2種運(yùn)行制式，這對(duì)移動(dòng)閉塞和固定閉塞混合的列車追蹤提出了新的需求[2]。與通常所講的CBTC移動(dòng)閉塞后備模式不同[3]，本文將固定閉塞的設(shè)計(jì)思想與移動(dòng)閉塞制式相結(jié)合，提出一種支持移動(dòng)閉塞和固定閉塞同時(shí)運(yùn)行的混合追蹤的行車控制方法，以保障列車的運(yùn)行安全。

1 運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景分析

固定閉塞制式以固定的閉塞分區(qū)為單位作為追蹤列車間的安全間隔。傳統(tǒng)的固定閉塞制式下，信號(hào)系統(tǒng)無(wú)法獲取列車的準(zhǔn)確位置，因而劃分出固定的區(qū)域，對(duì)列車的運(yùn)行范圍進(jìn)行模糊控制。本文在移動(dòng)閉塞制式下對(duì)固定閉塞的定義進(jìn)行延展，即以1個(gè)固定區(qū)域內(nèi)的列車數(shù)量作為控制手段，通過(guò)移動(dòng)授權(quán)對(duì)列車的運(yùn)行范圍進(jìn)行控制[4]，進(jìn)而提供更靈活的運(yùn)營(yíng)組織方式。固定閉塞場(chǎng)景的設(shè)定可分為兩種：一是由于某種預(yù)先設(shè)定的固定因素引發(fā)的場(chǎng)景，稱為靜態(tài)場(chǎng)景；二是在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隨機(jī)出現(xiàn)的場(chǎng)景，稱為動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。

1.1 靜態(tài)場(chǎng)景

靜態(tài)場(chǎng)景主要指土建、自然條件等客觀因素引發(fā)的固定閉塞控制場(chǎng)景。

1) 橋梁等有承重限制的特殊線路區(qū)域。若線路需經(jīng)過(guò)橋梁，由于橋梁對(duì)承重有限制，需對(duì)同時(shí)在橋梁上通行的列車數(shù)量進(jìn)行限制，以免引發(fā)橋梁垮塌等安全事故。

2) 道岔等有防止側(cè)沖的特殊線路區(qū)域。列車經(jīng)過(guò)道岔區(qū)域時(shí)，需防止與其他方向運(yùn)行的列車產(chǎn)生側(cè)沖風(fēng)險(xiǎn)，避免發(fā)生列車脫軌或相撞。

3) 車庫(kù)等有停放列車數(shù)量限制的特殊線路區(qū)域。由于線路設(shè)計(jì)的約束，在某一特定區(qū)域內(nèi)(如停車庫(kù))，只能同時(shí)停放一定數(shù)量的列車。

4) 車站內(nèi)等有固定閉塞追蹤需求特定線路區(qū)域。例如，部分車站若同一方向線路上有其他列車時(shí)，要求后車不允許駛?cè)胝九_(tái)區(qū)。

1.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景是依據(jù)運(yùn)營(yíng)組織的變化或設(shè)備故障等臨時(shí)性因素引發(fā)的固定閉塞控制場(chǎng)景。例如，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中若發(fā)生列車在區(qū)間意外停車，需實(shí)施聯(lián)動(dòng)控制，禁止其他列車駛?cè)朐搮^(qū)間。與靜態(tài)場(chǎng)景相比，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景具有隨機(jī)性，通常對(duì)運(yùn)營(yíng)組織的影響更大。

2 移動(dòng)閉塞制式下的固定閉塞控制設(shè)計(jì)

2.1 固定閉塞區(qū)域的設(shè)定

在CBTC系統(tǒng)的地面控制設(shè)備ZC(區(qū)域控制器)中對(duì)靜態(tài)場(chǎng)景相關(guān)的固定閉塞區(qū)域進(jìn)行預(yù)先設(shè)定。1個(gè)ZC內(nèi)可設(shè)定若干個(gè)固定閉塞區(qū)域，1個(gè)固定閉塞區(qū)域由1組閉塞分區(qū)組成。閉塞分區(qū)是ZC電子地圖的最小“線段”單元，以邏輯區(qū)段和道岔岔尖作為邊界進(jìn)行劃分。原則上不限定2個(gè)岔尖之間的閉塞分區(qū)，可以劃分為1個(gè)，也可以劃分為2個(gè)，本文推薦劃分為2個(gè)。固定閉塞區(qū)域的范圍以信號(hào)平面圖作為輸入依據(jù)。

靜態(tài)場(chǎng)景的固定閉塞區(qū)域，由行車調(diào)度員通過(guò)ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)終端選擇是否激活，無(wú)需逐個(gè)設(shè)定。靜態(tài)場(chǎng)景下固定閉塞區(qū)域的劃分原則為：

1) 1個(gè)固定閉塞區(qū)域包含的閉塞分區(qū)必須是1個(gè)連續(xù)的區(qū)域，不連續(xù)的區(qū)域應(yīng)劃為不同的固定閉塞區(qū)域。

2) 不同的固定閉塞區(qū)域不應(yīng)重疊。

3) 固定閉塞區(qū)域的管轄范圍應(yīng)由內(nèi)向外取整擴(kuò)大。固定閉塞區(qū)域的邊界為最左端閉塞分區(qū)及其偏移量，以及最右端閉塞分區(qū)及其偏移量。在復(fù)雜的道岔區(qū)域，其最左端和最右端的閉塞分區(qū)可能有多個(gè)。偏移量是以厘米為單位，基于閉塞分區(qū)的左側(cè)端點(diǎn)，采用信號(hào)平面圖標(biāo)識(shí)的公里標(biāo)進(jìn)行相減計(jì)算。最左端閉塞分區(qū)的偏移量取厘米的整數(shù)位(即不足1 cm的長(zhǎng)度應(yīng)舍棄)，最右端閉塞分區(qū)的偏移量取厘米的整數(shù)位且再增加1 cm(即不足1 cm的長(zhǎng)度應(yīng)按照1 cm計(jì)算)。

4) 不同的固定閉塞區(qū)域可單獨(dú)設(shè)定最大可追蹤進(jìn)入的列車數(shù)量(即列車最大配置數(shù))。

對(duì)于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的固定閉塞區(qū)域，由行車調(diào)度員通過(guò)ATS終端進(jìn)行設(shè)定，采用二次確認(rèn)的方式下達(dá)給ZC。動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的固定閉塞區(qū)域應(yīng)是1個(gè)連續(xù)的區(qū)域，并采用1組完整的閉塞分區(qū)進(jìn)行描述。

2.2 固定閉塞區(qū)域的取消

靜態(tài)場(chǎng)景中，預(yù)先設(shè)定的固定閉塞區(qū)域不可取消。若工程設(shè)計(jì)發(fā)生改變時(shí)，應(yīng)通過(guò)修改數(shù)據(jù)配置的方式，對(duì)固定閉塞區(qū)域進(jìn)行調(diào)整。

與靜態(tài)場(chǎng)景相比，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的固定閉塞區(qū)域調(diào)整更為靈活。由行車調(diào)度員通過(guò)ATS終端界面進(jìn)行人工設(shè)定并下達(dá)給ZC，ZC確認(rèn)下達(dá)成功后則可取消該固定閉塞區(qū)域的設(shè)定。

3 移動(dòng)閉塞制式下的固定閉塞追蹤控制方法

本文對(duì)上述移動(dòng)閉塞制式下的固定閉塞追蹤場(chǎng)景的控制方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。該控制方法通過(guò)行車調(diào)度員在ATS終端下達(dá)設(shè)置或取消固定閉塞區(qū)域的方式，由信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并控制列車追蹤運(yùn)行?？刂铺囟ň€路區(qū)域內(nèi)通過(guò)的通信列車數(shù)不得超過(guò)該區(qū)域的列車最大配置數(shù)。列車最大配置數(shù)可以在工程應(yīng)用階段預(yù)先確定，也可以由調(diào)度員人工靈活設(shè)定，因而適用于不同運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，更具有普遍適用性。

固定閉塞區(qū)域控制流程如圖1所示。

注：ATP——列車自動(dòng)防護(hù)。圖1 固定閉塞區(qū)域控制流程圖Fig.1 Control flow chart of fixed block area

移動(dòng)閉塞制式下的固定閉塞追蹤控制方法的具體步驟如下：

1) 行車調(diào)度員設(shè)定或調(diào)整運(yùn)行計(jì)劃。ATS根據(jù)預(yù)設(shè)的線路運(yùn)行計(jì)劃，向ZC發(fā)送固定閉塞區(qū)域列表。該固定閉塞區(qū)域列表包括ZC管轄的閉塞分區(qū)編號(hào)和列車最大配置數(shù)。

2) ZC根據(jù)固定閉塞區(qū)域列表進(jìn)行邏輯處理，檢測(cè)閉塞分區(qū)編號(hào)是否屬于本ZC管轄范圍。當(dāng)檢測(cè)到邏輯區(qū)段屬于固定閉塞區(qū)域列表時(shí)，設(shè)置基于固定閉塞區(qū)域列表的防護(hù)區(qū)域信息。ZC以固定閉塞區(qū)域列表內(nèi)的最左端和最右端閉塞分區(qū)為邊界，建立固定閉塞區(qū)域。

3) 列車向ZC實(shí)時(shí)報(bào)告位置。ZC記錄該列車的位置信息，并根據(jù)列車當(dāng)前位置、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、牽引制動(dòng)參數(shù)等信息，在當(dāng)前線路向列車運(yùn)行方向搜索列車可能運(yùn)行的所有路徑。ZC根據(jù)列車位置及列車運(yùn)行趨勢(shì)推算出其可能進(jìn)入的固定閉塞區(qū)域。

4) 若列車可能進(jìn)入的閉塞分區(qū)處于固定閉塞區(qū)域，且該固定閉塞區(qū)域內(nèi)的通信列車或隱藏列車總數(shù)已經(jīng)達(dá)到了列車最大配置數(shù)，則為該列車計(jì)算的移動(dòng)授權(quán)不能延伸進(jìn)入該閉塞分區(qū)。反之，則為該列車計(jì)算的移動(dòng)授權(quán)可以延伸進(jìn)入該閉塞分區(qū)。

5) 列車位置按照列車的最大包絡(luò)進(jìn)行評(píng)估，若列車的位置與該固定閉塞區(qū)域有重疊部分，則認(rèn)為該列車為該固定閉塞區(qū)域內(nèi)的列車。ZC存儲(chǔ)的固定閉塞區(qū)域列表一直處于生效狀態(tài)，直到采用ATS人工方式取消該固定閉塞區(qū)域列表。

6) ZC向在固定閉塞區(qū)域內(nèi)的通信列車正常發(fā)送移動(dòng)授權(quán)，向在固定閉塞區(qū)域外的通信列車發(fā)送不能進(jìn)入該固定防護(hù)區(qū)域的移動(dòng)授權(quán)。假設(shè)設(shè)定的固定閉塞區(qū)域內(nèi)最多允許1列車駛?cè)?，CBTC移動(dòng)閉塞下的固定閉塞列車追蹤如圖2所示。如圖2 a)所示，在固定閉塞區(qū)域設(shè)定成功后，當(dāng)固定閉塞區(qū)域內(nèi)有車時(shí)，后車移動(dòng)授權(quán)不允許進(jìn)入該固定閉塞區(qū)域。如圖2 b)所示，在設(shè)定的固定閉塞區(qū)域取消后，后車移動(dòng)授權(quán)允許進(jìn)入該固定閉塞區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

ZC是城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)地面核心安全控制設(shè)備，當(dāng)列車在運(yùn)行線路上因土建、自然條件或系統(tǒng)故障等原因無(wú)法按移動(dòng)閉塞制式正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序和效率產(chǎn)生影響。本文提出了移動(dòng)閉塞制式下的固定閉塞追蹤控制方法，該方法由行車調(diào)度員通過(guò)ATS終端下發(fā)特定區(qū)域固定閉塞追蹤的運(yùn)行調(diào)整命令，靈活配置固定閉塞追蹤條件的方式，用于信號(hào)系統(tǒng)控制列車在特定區(qū)域按固定閉塞制式運(yùn)行，而該固定閉塞區(qū)域以外的其他區(qū)域內(nèi)列車仍按移動(dòng)閉塞制式運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)閉塞和固定閉塞混合運(yùn)行下的列車追蹤，在保障列車運(yùn)行安全的同時(shí)有效提升了運(yùn)營(yíng)效率。

a) 固定閉塞區(qū)域內(nèi)列車達(dá)到最大列車配置數(shù)時(shí)的列車追蹤

b) 固定閉塞區(qū)域取消后的列車追蹤圖2 CBTC移動(dòng)閉塞下的固定閉塞列車追蹤示意圖Fig.2 Schematic diagram of fixed block train tracking under CBTC moving block