列車自主運行系統(tǒng)中列車間隔防護功能的實現(xiàn)

卿建強，俎云燕，雷成健，劉 澤

（湖南中車時代通信信號有限公司 北京分公司，北京 100070）

0 引言

列車間隔防護是列車控制（簡稱“列控”）系統(tǒng)中確保列車安全運行的重要功能之一。在傳統(tǒng)的固定閉塞模式的列控系統(tǒng)中，車、地間不能直接通信，系統(tǒng)通?；谲壍懒熊嚈z測設(shè)備的占用信息以及傳統(tǒng)聯(lián)鎖進路的敵對防護來實現(xiàn)列車間隔防護，司機以地面信號作為行車憑證，列車的運行安全由司機和地面計算機聯(lián)鎖（CBI）系統(tǒng)共同來保障。這種實現(xiàn)方式的線路資源利用率較低，嚴重影響了線路的運能運量。

隨著通信技術(shù)發(fā)展，在移動閉塞模式的列控系統(tǒng)［1］中，如基于通信的列車控制系統(tǒng)（communicationbased train control，CBTC），可以通過車-地-車連續(xù)通信，由地面列控設(shè)備（ZC）根據(jù)接收到的列車匯報的實時位置、地面信號設(shè)備狀態(tài)、進路狀態(tài)等信息為列控計算移動授權(quán)（MA），車載列控設(shè)備（vehicle on-board controller，VOBC）根據(jù)ZC為其計算的MA信息計算安全防護速度，控制列車安全運行。傳統(tǒng)r固定閉塞模式和基于CBTC的移動閉塞模式，都是基于傳統(tǒng)聯(lián)鎖進路、以進路為最小控制單元來集中管理進路內(nèi)的線路資源（道岔、軌道區(qū)段等）。這樣雖然能夠有效保證列車的運行安全，但是實踐證明，該方式不能最大限度地提高線路資源的利用率，限制了列車的追蹤折返間隔和線路的運能運量［2-3］。隨著城市軌道交通發(fā)車間隔的進一步縮小，基于傳統(tǒng)聯(lián)鎖進路的列車間隔防護方式弊端日益明顯。本文分析了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中列車間隔防護方式的弊端，提出一種基于列車自主運行控制系 統(tǒng)（train autonomous circumambulate system，TACS）、通過列車與列車間直接通信以及車地間列控設(shè)備間的協(xié)同控制方式實現(xiàn)的列車間隔防護解決方案。

1 傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中列車間隔防護策略

傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)是由地面計算機聯(lián)鎖（CBI）系統(tǒng)通過傳統(tǒng)固定式進路（進路的始終端位置以及進路范圍內(nèi)包含的線路資源固定不變）聯(lián)鎖來集中管理進路內(nèi)線路資源，以進路為單位對進路內(nèi)線路資源進行集中敵對限制管理，并通過地面ZC與車載VOBC間實時通信來交互列車位置和MA信息，通過協(xié)同控制進行列車的安全間隔防護［2-3］。

CBI通過配置靜態(tài)的聯(lián)鎖進路表，描述進路內(nèi)包含所有的線路資源點、進路的敵對進路、進路的敵對侵限區(qū)段、進路保護區(qū)段的敵對保護區(qū)段。CBI系統(tǒng)在建立進路時檢查聯(lián)鎖表中所有的限制條件，確保存在敵對限制的進路和保護區(qū)段不能同時建立。同時，CBI系統(tǒng)周期性地采集軌旁信號設(shè)備的狀態(tài)信息，并周期性地將進路狀態(tài)、進路的保護區(qū)段狀態(tài)以及軌旁信號設(shè)備狀態(tài)信息發(fā)送給軌旁ZC系統(tǒng)。

ZC系統(tǒng)周期性接收CBI系統(tǒng)和車載VOBC發(fā)送的軌旁設(shè)備狀態(tài)信息和列車實時位置信息，為所有正常通信列車計算MA。

VOBC依據(jù)ZC為其計算的MA信息周期性地計算列車安全控車防護速度，確保列車運行安全。

通過設(shè)置傳統(tǒng)固定式進路聯(lián)鎖和車載VOBC協(xié)同控制的方式，雖能確保列車間的安全間隔防護，防止列車發(fā)生追尾、對沖、側(cè)沖的事故，但不能最大限度地提高線路資源的利用率，影響列車的追蹤折返能力和車輛段（或場內(nèi)）列車出入庫能力，限制線路的運能運量。傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)及交互數(shù)據(jù)示意如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)CBTC信號系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the traditional CBTC signal system architecture

2 TACS間隔防護功能

2.1 TACS組成

TACS優(yōu)化了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的“車-地-車”系統(tǒng)架構(gòu)，其通過車-車、車-地-車通信系統(tǒng)架構(gòu)，并充分利用LTE-M或安全高速的5G信息傳輸平臺，以列車為中心，基于對線路資源分散管理的理念，通過車地聯(lián)鎖，實現(xiàn)列車的自主線路資源管理、自主計算移動授權(quán)和自主運行調(diào)整。系統(tǒng)在大大提高安全性、可靠性、可用性、可維護性的同時，也能大幅提升線路的運能運量，使系統(tǒng)的運營組織更加靈活、高效［4-5］。

TACS主要由列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、軌旁對象控制器（OC）和車載VOBC設(shè)備組成。其取消了傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的地面CBI和ZC設(shè)備，車載VOBC系統(tǒng)集成了原CBTC系統(tǒng)地面CBI與ZC設(shè)備的軌旁核心控制功能［6-7］，地面僅設(shè)置OC、ATS設(shè)備，軌旁僅配置轉(zhuǎn)轍機、無源應答器及一些軌旁相關(guān)按鈕（例如緊急停車按鈕、站臺開關(guān)門按鈕、SPKS開關(guān)等）等設(shè)備。TACS的架構(gòu)如圖2所示。

圖2 TACS架構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of TACS architecture

2.2 TACS中列車間隔防護的原理

為保證列車運行的安全，對TACS進行車-地一體化設(shè)計，以規(guī)避在線列車發(fā)生追尾、對沖、側(cè)沖的風險。同時，TACS的設(shè)計基于線路資源分散管理的理念，對軌旁線路資源的顆粒度更加細化處理［8-10］，從而最大限度地提高線路資源的利用率。系統(tǒng)為所有線路資源點都計算了安全防護區(qū)域，且將所有的線路資源點都設(shè)置為獨占屬性。

TACS列車基于ATS下發(fā)的列車運行計劃來管理線路資源，并主動向地面OC系統(tǒng)順序申請計劃運行路徑范圍內(nèi)的線路資源。OC系統(tǒng)接收到TACS列車發(fā)送的資源征用申請時，對線路資源分配沖突檢測進行統(tǒng)籌管理，完成資源的分配及回收，確保資源使用唯一性，即同一資源同一時刻只能供一列列車使用［11-12］。

TACS列車基于線路資源的獲取情況、資源的防護區(qū)范圍以及相鄰前車位置信息，自主計算出列車安全運行路徑范圍。根據(jù)線路資源的獲取情況，所計算的安全運行路徑范圍逐步往前延伸。列車若已獲取某線路資源點，為列車計算的安全路徑的終點可以延伸至下一個未獲取到的線路資源點防護區(qū)邊界，再考慮回撤一定的安全防護距離；列車若沒有獲取到某線路資源點，為列車計算的安全路徑的終點則不能進入或越過該資源防護區(qū)［13-14］。

TACS列車周期性地識別安全路徑范圍內(nèi)的所有障礙物（包括前車）以及相鄰目標列車，主動與目標列車注冊建鏈、建立通信、交互信息，以獲取相鄰目標列車的位置、速度、方向等運行信息。TACS列車基于自主計算的安全路徑、軌旁信號設(shè)備狀態(tài)、障礙物信息以及相鄰列車位置及運行信息計算列車移動授權(quán)和安全控車防護速度，確保列車運行安全。

列車使用完某資源后，可向OC系統(tǒng)申請釋放該資源；OC回收該資源，可將其分配給下一列申請列車。

TACS基于線路資源分散管理的理念實現(xiàn)列車自主間隔防護，其處理數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 TACS系統(tǒng)列車自主間隔防護流程示意Fig.3 Schematic diagram of the train autonomous interval protection process in TACS

2.3 TACS列車間隔防護解決方案

TACS將線路資源由傳統(tǒng)固定進路集中式管理轉(zhuǎn)為分散式管理。列車車載VOBC向地面OC系統(tǒng)順序、逐個申請列車計劃運行路徑內(nèi)的線路資源；OC系統(tǒng)進行線路資源的分配沖突檢測管理，檢查條件通過，則將該資源分配給申請列車使用。列車自主計算的安全路徑終點根據(jù)線路資源的獲取情況逐步往前延伸，列車自主計算的安全路徑為可變式（路徑的始終端位置以及路徑范圍內(nèi)包含的線路資源是可變的）路徑，因此不能像傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)那樣以進路為控制對象，通過配置靜態(tài)的聯(lián)鎖進路表來管理進路間的敵對限制關(guān)系、防護列車間的運行間隔。TACS通過對線路資源點間的敵對限制管理來實現(xiàn)列車間隔防護，同時又能提升線路資源的利用率。

2.3.1 線路資源分配管理

TACS對線路資源進行分散式精細化管理，將線路上道岔和停車區(qū)域都視為線路資源點，并且對線路資源點進行獨占式管理。OC系統(tǒng)對線路資源分配沖突檢測進行統(tǒng)籌管理。當OC系統(tǒng)接收到TACS列車發(fā)送的資源征用申請時，分配沖突校驗條件通過后，方可將該資源分配給申請列車使用，以確保資源使用的唯一性。

資源分配沖突檢測條件主要包括：（1）接收到車載VOBC下發(fā)的該資源征用申請；（2）系統(tǒng)未處于上電鎖閉狀態(tài)；（3）該資源未處于分配狀態(tài)；（4）該資源未處于有效安全防護區(qū)域內(nèi)或封鎖區(qū)域內(nèi)；（5）若有道岔資源，道岔處于單鎖閉狀態(tài)時，只能接受道岔既有位置的征用申請。

2.3.2 線路資源防護區(qū)域的計算

為提高線路資源的利用率，TACS將線路上的道岔都設(shè)置為單動道岔，同時將道岔和停車區(qū)域都計算出固定長度的安全防護區(qū)域范圍。其中，為道岔設(shè)置的防護區(qū)示意如圖4所示。

圖4 道岔防護區(qū)邊界點設(shè)置示意Fig.4 Schematic diagram of boundary points of switch protection zone

TACS為道岔設(shè)置的防護區(qū)包括岔前防護區(qū)、岔后正向防護區(qū)、岔后側(cè)向防護區(qū)3部分。

在線路拓撲圖中，根據(jù)道岔的警沖標至其岔心的距離，計算出由該道岔警沖標位置分別映射到該道岔岔后直向股和岔后側(cè)向股上的位置；再往外延伸L1距離（可根據(jù)項目的實際情況設(shè)置，原則上L1≥5 m），該位置為岔后防護區(qū)邊界點位置；從岔尖往外延伸L2距離（可根據(jù)項目的實際情況設(shè)置，原則上L2≥3 m），該位置為岔前防護區(qū)邊界點位置。

停車區(qū)域資源防護區(qū)范圍可以與自身區(qū)段范圍保持一致。

2.3.3 存在重疊防護區(qū)域的相鄰線路資源管理

若相鄰資源防護區(qū)域未重疊，線路資源間相互獨立，系統(tǒng)對防護區(qū)域沒有重疊的線路資源進行單獨管理。

若計算出的兩相鄰道岔的防護區(qū)域存在重疊區(qū)域，例如圖5所示渡線道岔，道岔1和道岔3的岔后側(cè)向存在重疊防護區(qū)，則標記為道岔1和道岔3間的“重疊防護區(qū)”。

圖5 渡線道岔防護區(qū)邊界點設(shè)置示意Fig.5 Schematic diagram of the protection area of cross switches

又如圖6所示，匯流型組合道岔1和道岔3防護區(qū)域間存在重疊防護區(qū)域，標記為道岔1和道岔3間的“重疊防護區(qū)”。

圖6 匯流型組合道岔防護區(qū)域設(shè)置示意Fig.6 Schematic diagram of the protection area of confluence type combined switches

當兩相鄰道岔的防護區(qū)域間存在重疊區(qū)域時，可根據(jù)道岔間拓撲鏈接關(guān)系，對這些道岔資源按需進行側(cè)防式分配管理和捆綁式分配管理，以防止列車間發(fā)生側(cè)沖或?qū)_風險。

（1）側(cè)防式分配，即車載VOBC系統(tǒng)根據(jù)從OC系統(tǒng)接收到的道岔資源的分配狀態(tài)信息以及道岔資源分配時持有的列車ID，判斷該重疊防護區(qū)域應劃分歸屬的道岔防護區(qū)。TACS根據(jù)表1處理邏輯判斷該重疊防護區(qū)域允許進入的時機，并配置需側(cè)沖防護的相鄰道岔靜態(tài)配置數(shù)據(jù)表。像渡線道岔組合類型、匯流型組合道岔類型的道岔可以采用該配置方式。車載VOBC系統(tǒng)判斷列車是否能進入該重疊防護區(qū)的邏輯計算原則如表1所示。

表1 列車進入重疊防護區(qū)的邏輯計算原則Tab.1 Logical calculation principle for trains into the overlapping protection zone

（2）捆綁式分配，即需捆綁分配的道岔同一時間只能分配給某一列車使用，且同時分配同時釋放，并配置需捆綁分配的道岔靜態(tài)配置數(shù)據(jù)表。像交叉渡線道岔組合類型的道岔需進行捆綁式分配。當車載VOBC向OC系統(tǒng)申請需捆綁分配的道岔組合中的某一個道岔時，OC系統(tǒng)根據(jù)靜態(tài)配置數(shù)據(jù)表對該道岔集統(tǒng)籌進行分配沖突檢查，只有在確保該道岔組合都允許分配給該申請列車時，方可將該需捆綁分配的道岔組合同時分配給該申請列車使用。

如圖7所示的交叉渡線中，道岔1和道岔4被配置為需捆綁分配的道岔組合，道岔2和道3被配置為需捆綁分配的道岔組合，同時因為道岔1與道岔3間存在“重疊防護區(qū)”，所以需將道岔1的側(cè)防相鄰道岔編號配置為道岔3，同理，道岔4的側(cè)防相鄰道岔編號配置為道岔2。道岔2和道3的配置方式與道岔1和道4的配置方式相同。

圖7 交叉渡線道岔防護區(qū)域設(shè)置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the protection zone layout of double crossover switches

3 仿真測試

目前，基于該間隔防護方案的TACS列控系統(tǒng)已在半實物仿真測試平臺進行了系統(tǒng)性能測試。半實物仿真測試平臺包括實物ATS系統(tǒng)、OC系統(tǒng)、車載VOBC系統(tǒng)設(shè)備、DCS設(shè)備，以及列車運行模型仿真、仿真駕駛臺模型、仿真BTM模型、軌旁設(shè)備仿真等系統(tǒng)。仿真測試平臺采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)進行仿真模型的設(shè)計及開發(fā)，其中各子系統(tǒng)間的接口按照真實系統(tǒng)的標準設(shè)計，實現(xiàn)了仿真系統(tǒng)可與真實系統(tǒng)無縫連接。同時，仿真實驗配置長沙軌道交通4號線星城車輛段至漢王陵公園站之間的線路（車輛段+正線四站三區(qū)間）數(shù)據(jù)，共編制了100多個相關(guān)測試用例。測試結(jié)果顯示，在同等線路環(huán)境下，該列車間隔防護方案中TACS系統(tǒng)相比于常規(guī)CBTC系統(tǒng)有更為高效的運輸能力，使列車追蹤折返間隔及列車出庫入庫能力能提升至少15%。

4 結(jié)語

本文闡述了TACS列控系統(tǒng)中基于線路資源分散管理的列車間隔防護解決方案。該方案能在有效保證列車行車安全間隔的前提下，大幅提高線路資源的利用率，提升線路的運能運量，也使得系統(tǒng)運營組織更加靈活，提升乘客乘坐的便捷性和舒適性。該列車間隔防護技術(shù)代表著城軌交通列車控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方向。

本文雖然只例示了TACS列控系統(tǒng)中常見的單動道岔、雙動道岔、交叉渡線道岔、匯流型組合道岔類型的列車側(cè)沖防護解決方案，但對于其他拓撲結(jié)構(gòu)的組合道岔（例如車輛段、場內(nèi)咽喉區(qū)一束道岔）資源防護區(qū)間存在重疊防護區(qū)時，其間隔防護處理的原則也可與本文所闡述的設(shè)計原則一致。