基于列車安全包絡延伸的全自動運行系統(tǒng)跳躍鎖閉方案研究

黎晨光,邢科家,王俊高

(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)

引言

隨著城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)在北京、上海等城市的應用，無論是從運營的效率還是安全角度來看，這種具有更高智能化和自動化水平的列控系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的CBTC(基于通信的列車運行控制)系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢[1-5]。但全自動運行系統(tǒng)的大規(guī)模普及還需依賴成熟完備的技術來支撐，需要對全自動系統(tǒng)中相較于傳統(tǒng)有人駕駛的列控系統(tǒng)中新增場景進行分析處理，以避免影響運行安全及效率的問題產生[6-7]。

全自動運行系統(tǒng)新增了休眠喚醒、蠕動模式，跳躍停車等功能實現智能化控制。其中，跳躍停車是指列車對標不準后在一定誤差范圍內允許列車二次對位停車的功能[8]?，F有跳躍方案以CI(聯鎖)系統(tǒng)為核心，通過設置跳躍鎖閉的方式保證跳躍的安全性[9]。聯鎖系統(tǒng)通過對已經出清解鎖的區(qū)段進行重新鎖閉的方式來實現對跳躍的安全防護，該方案可以實現某些特定情況下的列車跳躍功能，但設置跳躍鎖閉需要聯鎖系統(tǒng)對目標區(qū)段進行處理，而聯鎖系統(tǒng)需要檢查的條件較多，造成效率降低，并且實施場景也受到一定限制。因此，需制定一種更高效可用的新方案來實現跳躍鎖閉的功能，來保證跳躍停車的安全性。

1 全自動運行系統(tǒng)跳躍鎖閉需求

IEC62267提出了城市軌道交通列車運行自動化等級的相關概念，將列車運行GoA(自動化等級)劃分為5級，分別為GoA0～GoA4[10]。其中GoA0為司機目視列車運行，GoA1為非自動化列車運行，GoA2為STO(半自動運行)，列車由ATO(自動駕駛系統(tǒng))自動控制運行和停止，但需要駕駛員進行監(jiān)督并負責完成開關門和應急事件處理等操作。GoA3為DTO(有人值守的全自動運行)模式，GoA4為UTO(無人值守的全自動運行)模式，所有功能均由系統(tǒng)負責實現，是全場景和緊急情況處理的自動化實現。

DTO和UTO均為全自動運行，在該系統(tǒng)下列車通過新增和提升系統(tǒng)功能代替司機的操作實現列車的安全運行。全自動運行系統(tǒng)增加了跳躍停車等功能，跳躍停車是指在列車進站對標停車不準后，在一定誤差范圍內(一般為0.5～5 m)列車可以自動進行前后低速小距離自動對位停車調整來實現列車自動停準的功能[8]。在CBTC系統(tǒng)中，列車進站對標不準后由司機進行對位調整，而全自動運行系統(tǒng)中需要系統(tǒng)自動實現，因此，需要設置跳躍鎖閉來對列車跳躍進行防護，保證系統(tǒng)的運行效率和安全。跳躍停車分為向后跳躍和向前跳躍，分別對應列車停車過標和欠標的情景。

1.1 向后跳躍鎖閉

當列車進站后停車位置越過運營停車點0.5～5 m時，認為列車停車過標，需要執(zhí)行向后跳躍操作以調整列車至運營停車點。列車車載ATP(列車自動防護系統(tǒng))需要對當前列車車尾距離進站計軸點的距離是否滿足跳越的安全防護距離進行判斷，只有該距離大于跳躍所需的安全防護距離才允許向后跳躍[9]。

一般情況下，列車向后跳躍需要依賴實際站臺區(qū)段的長度，當站臺區(qū)段過短時會造成跳躍不滿足安全防護距離而無法進行跳躍的情況出現，因此，需要通過技術手段對進站列車已出清解鎖的站臺前方的一個區(qū)段即進站計軸區(qū)段進行鎖閉，以保證列車向后跳躍滿足安全防護的要求。本文提出的跳躍鎖閉方案主要用以解決列車跳躍時不滿足跳躍所需防護距離的情況。

1.2 向前跳躍及保護區(qū)段鎖閉

當列車進站后停車位置未達運營停車點0.5～5 m時，認為列車停車欠標，需要執(zhí)行向前跳躍操作以調整列車至運營停車點。在CBTC的聯鎖子系統(tǒng)中除設置列車進路外，同時設有保護進路進行防護。保護進路是用來防護列車因為停車誤差而越過出站信號機所面臨的安全問題設置的，保護進路通常設置在進路終端信號機內方，并將保護進路防護的區(qū)段稱為保護區(qū)段。由于CBTC全自動運行系統(tǒng)中的列車實際上是實現ATP防護下的ATO自動運行，而保護區(qū)段的設置實際上就是通過把OSP(運營停車點)和POP(安全防護點)拉開合理的距離來保證ATO制動速度曲線始終處于ATP保護速度曲線下方，并間隔一定的速度緩沖區(qū)[11-13]。在全自動運行模式下，列車由ATO自動控制運行，由于 ATO速度曲線終點往往設置在站臺運營停車點位置，故列車ATP需要將安全停車點位置延伸至終端信號機內方的保護區(qū)段中，這樣才能保證列車在預定停車點停車以保障運行安全[7]。保護區(qū)段示意如圖1所示。

圖1 保護區(qū)段示意

由于執(zhí)行向前跳躍需要將ATP安全保護距離延伸至站臺區(qū)段前方一個區(qū)段，即列車當前所在進路的保護進路中，因此，需要檢查保護區(qū)段的狀態(tài)，只有當保護區(qū)段處于鎖閉狀態(tài)時列車才可執(zhí)行向前跳躍操作。而在CBTC系統(tǒng)聯鎖子系統(tǒng)中，保護進路的解鎖方式為占用觸發(fā)區(qū)段倒計時解鎖或者是聯鎖收到列車停準停穩(wěn)信息后解鎖，聯鎖系統(tǒng)會為每一條保護進路設置1個或多個解鎖觸發(fā)區(qū)段，當列車完全進入解鎖觸發(fā)區(qū)段時，聯鎖系統(tǒng)開始啟動保護區(qū)段解鎖20 s倒計時，20 s后自動解鎖保護區(qū)段。對于進站列車來說，保護區(qū)段的觸發(fā)區(qū)段即為站臺區(qū)段，當列車進站后20 s內還未停準，此時保護區(qū)段解鎖并且無法再次鎖閉，ATP曲線無法向前延伸，列車也就無法執(zhí)行向前跳躍，因此，聯鎖系統(tǒng)需要將保護區(qū)段進行跳躍鎖閉，從而為執(zhí)行向前跳躍提供條件，以實現列車向前跳躍功能。

2 列車跳躍鎖閉既有方案

2.1 列車跳躍鎖閉既有方案分析

現有的對于列車進站后過標需要執(zhí)行向后跳躍鎖閉的流程[10]描述如下：VOBC(列車車載控制器)首先判斷列車進站停車過標且滿足申請向后跳躍的條件，向ZC(區(qū)域控制器)發(fā)送向后跳躍的申請。當ZC接收到該向后跳躍申請，判斷該列車向后跳躍所需的區(qū)段、道岔等滿足鎖閉條件時，ZC向聯鎖發(fā)送申請鎖閉該計軸區(qū)段的請求；當聯鎖系統(tǒng)收到鎖閉該區(qū)段的請求，判斷該區(qū)段滿足鎖閉條件后，對該區(qū)段執(zhí)行鎖閉，并向ZC發(fā)送已鎖閉該區(qū)段的信息；ZC收到聯鎖發(fā)送的已鎖閉信息后，將允許跳躍信息發(fā)送給VOBC，由VOBC自動執(zhí)行向后跳躍。列車跳躍完成，VOBC回復給ZC停穩(wěn)信息后，ZC向聯鎖申請?zhí)S鎖閉取消；聯鎖收到取消鎖閉的命令后，取消跳躍鎖閉并傳遞給ZC，跳躍鎖閉信息流如圖2所示。

圖2 跳躍鎖閉信息流

2.2 列車跳躍鎖閉既有方案存在的問題

現有列車跳躍鎖閉方案雖然可以解決部分場景下的列車向后跳躍的問題，但存在以下不足。

(1)當跳躍所需鎖閉的區(qū)段已經被其他列車進路鎖閉后，會導致聯鎖無法進行跳躍鎖閉，因此，會導致進站列車向后跳躍不滿足退行防護的要求而無法跳躍。如圖3所示，進站列車在站臺區(qū)段5G停車過標需向后跳躍，此時，由于3G被后續(xù)列車占用，故無法對3G進行跳躍鎖閉，列車無法進行向后跳躍，此時進站列車無法對標開門，影響該線路運行效率。

圖3 列車無法跳躍的場景

(2)當已經對目標區(qū)段鎖閉完成后，VOBC與ZC通信中斷，導致ZC收不到列車停穩(wěn)對標的信息，無法向聯鎖傳遞取消鎖閉命令，將會導致跳躍鎖閉無法取消，影響后續(xù)列車進路。

(3)該方案有關跳躍鎖閉信息傳輸通道過長，需要VOBC同ZC以及CI的多次信息交互，會造成跳躍效率降低影響列車運營。

(4)由于新增跳躍鎖閉功能不同于原有聯鎖系統(tǒng)中的進路鎖閉和單獨鎖閉等鎖閉操作，存在不確定性的風險。

3 基于列車安全包絡延伸的跳躍鎖閉方案

3.1 基于列車安全包絡延伸的跳躍鎖閉方案分析

通過分析原有方案，向后跳躍鎖閉功能實施的基礎是對向后跳躍鎖閉所需條件是否滿足進行判斷，該條件具體包含站臺區(qū)段后方的進站計軸區(qū)段的鎖閉狀態(tài)和區(qū)段內道岔鎖閉狀態(tài)等信息。原有方案是通過ZC、VOBC和聯鎖之間信息傳遞的方式使聯鎖系統(tǒng)將已經解鎖的區(qū)段和道岔再次進行鎖閉，因此，需要考慮該區(qū)段和相應道岔是否滿足再次鎖閉的條件，當鎖閉條件不滿足則無法執(zhí)行向后跳躍操作。因此，在改進方案中將對已經解鎖區(qū)段和道岔的重新鎖閉操作轉換為使所需區(qū)段和道岔保持鎖閉的方式來進行處理，具體方法如下。

當全自動列車進入站臺區(qū)段時，列車先后會經過布置在線路上的固定應答器并自動進行校位，當列車經過站臺區(qū)段的固定應答器后，車載ATP對列車車尾安全包絡進行處理，為列車跳躍預留出一段包絡，用以列車在到達運營停車點附近且未停準停穩(wěn)前保持對進站計軸區(qū)段的持續(xù)占用，以滿足列車跳躍的條件，進而使列車完成后續(xù)跳躍功能。

同時，當列車需要執(zhí)行向前跳躍功能時，由于車尾安全包絡的處理使列車未完全出清進站計軸區(qū)段，保護進路延時解鎖條件不滿足，故保護區(qū)段一直鎖閉，因此，列車向前跳躍所需區(qū)段條件滿足，列車可實現向前跳躍功能。

3.2 列車車尾安全包絡的處理

城市軌道交通信號系統(tǒng)在站臺區(qū)段設置1組ATO位置校正應答器，用于列車精確定位及停車，其通常由3～4個固定應答器組成[14]。該組應答器在工程設計時已經按照精確位置進行固定安裝，當列車越過進站計軸區(qū)段第一個應答器后，就開始校正位置并自動調整列車安全包絡。列車安全包絡是指車載ATP在計算時考慮校位誤差后的列車位置可能存在的范圍[15]。列車安全包絡組成如圖4所示。

圖4 列車安全包絡組成

圖4中，列車尾部安全包絡中包含三部分：①代表尾部保護距離裕量；②代表潛在的退行量；③代表測距誤差。測距誤差是由于系統(tǒng)本身特性帶來的列車定位誤差。潛在的退行量是由于通信延遲導致的估計運行距離。保護距離裕量是保證列車在不利的情況下，如空轉、打滑時的保護距離。因此，可以通過增加一段用于全自動列車跳躍的保護裕量的方式進行車尾包絡延伸處理，即在圖4中將車尾包絡的①部分進行處理。當列車VOBC調整安全包絡時，將全自動列車向后跳躍需要的一段保護裕量添加進去即可實現。該裕量的長度只需滿足當列車越過運營停車點且處于可跳躍距離上限5 m時，仍舊可以保持對進站計軸區(qū)段的占用即可，一般每條地鐵線路根據列車長度和站臺長度，以及運營停車點位置計算取定一個固定值。

3.3 列車跳躍鎖閉的具體流程

(1)當全自動列車運行至站臺區(qū)段內方的固定應答器后，列車VOBC自動延伸出一段跳躍可用的列車車尾安全包絡并將自身的安全位置發(fā)送給ZC，列車未完全停準、停穩(wěn)時會一直保持該包絡的延伸。列車尾部包絡的延伸使得列車并未完全出清進站計軸區(qū)段，因而保持對進站計軸區(qū)段的邏輯占用使其保持鎖閉，并且由于列車未完全進入站臺區(qū)段，因此，保護區(qū)段解鎖條件沒有滿足也會一直保持鎖閉狀態(tài)，列車的ATP曲線防護的終點POP可以保持在保護區(qū)段內，保護區(qū)段繼續(xù)處于鎖閉狀態(tài)。

(2)當列車對標不準需要進行跳躍時， VOBC向ZC申請?zhí)S，ZC判斷待跳躍目標區(qū)段及道岔狀態(tài)為鎖閉時允許列車跳躍。車載ATO在車載ATP的防護下自動執(zhí)行向后/向前跳躍操作，當執(zhí)行完跳躍操作成功停車至目標點之后，VOBC向ZC發(fā)送列車已停準、停穩(wěn)的信息，并自動收回跳躍延伸的車尾包絡，對已經出清的進站計軸區(qū)段的解鎖。

(3)ZC將停準停穩(wěn)信息發(fā)送給聯鎖，使聯鎖將保護區(qū)段立即解鎖，完成整個跳躍流程。圖5為該跳躍鎖閉方案的信息交互流程。

圖5 基于包絡延伸的跳躍鎖閉流程

3.4 包絡延伸對列車追蹤效率的影響及解決方案

由于全自動列車在進站范圍內為實現跳躍功能會延伸一段尾部包絡，可能會造成后續(xù)列車追蹤目標點的變化而影響后方列車的運行效率，因此，需要采取合理方法來避免該現象的發(fā)生。

在實際工程設計中，為了保證全自動運行系統(tǒng)的安全，后方全自動列車的MA(移動授權)終點并不是前方全自動列車最小安全后端所在的位置， 而是基于前車最小安全后端留有一個安全余量的位置[16-19]。對于進站列車來說，雖然列車尾部包絡延伸導致列車最小安全后端額外增加了一段距離，但是列車實際位置同包絡延伸前并未發(fā)生變化。因此，ZC在考慮后方列車追蹤前方進站列車這一情況時，針對安全余量部分也相應地減少了一段同包絡延伸的長度相當的距離，這樣即可保證后續(xù)列車在追蹤前方進站列車時的目標點同包絡未延伸時保持一致，包絡延伸前后追蹤目標點和安全余量的變化如圖6所示。

當前方進站列車停準停穩(wěn)后，ZC為后方列車計算移動授權則還是采用原先的安全余量。通過此方式在保證后續(xù)列車追蹤安全的同時，也不會影響該線路列車的運行效率，有效避免了列車包絡延伸所導致后續(xù)列車追蹤目標點的改變，從而導致運行效率降低的情況出現。

圖6 車尾包絡延伸前后的安全余量

4 對比分析

基于對兩種方案的討論，進行方案對比分析，如表1所示。

表1 兩種跳躍鎖閉方案對比

4.1 可用性

基于列車安全包絡的跳躍鎖閉方案，可以使進站列車持續(xù)對向后跳躍的目標區(qū)段進行邏輯占用，使其保持鎖閉狀態(tài)，因此，后續(xù)追蹤列車無法排列包含該目標區(qū)段的列車進路，后續(xù)列車需等待本列車跳躍完成才可進路。有效解決了待跳躍目標區(qū)段被后續(xù)列車進路鎖閉后，聯鎖無法進行跳躍鎖閉的問題，增加了全自動列車向后跳躍功能可執(zhí)行的場景。同時，此方法對于列車向前跳躍所需要的保護區(qū)段鎖閉狀態(tài)也進行了處理。當列車欠標需要向前跳躍時，也可以由安全包絡延伸的方式實現保護區(qū)段的鎖閉，不需要聯鎖系統(tǒng)進行保護區(qū)段的重新鎖閉，即可實現列車向前跳躍的安全防護。因此，新方案相比原有方案增加了跳躍的實施場景，在可用性方面有了很大提升。

4.2 效率

原有跳躍鎖閉方案中從列車申請?zhí)S到收到ZC回復跳躍允許之間的跳躍信息傳輸過程為VOBC—ZC—CI—ZC—VOBC，因此，原有方案傳輸跳躍信息的時間(從列車申請?zhí)S到收到允許信息)為

t1=tapplyt1+tjudge+tlock+texecute

(1)

式中tapply——VOBC的一個通信周期內VOBC判斷需要跳躍后向ZC申請?zhí)S的時間，一般為250 ms；

tjudge——ZC的一個通信周期內ZC判斷區(qū)段是否可以鎖閉并同聯鎖通信的時間，一般為250 ms；

tlock——聯鎖的一個通信周期內聯鎖系統(tǒng)對區(qū)段和道岔進行跳躍鎖閉并將鎖閉信息發(fā)送給ZC的時間，一般為250 ms；

texecute——ZC的一個通信周期內ZC判斷列車是否可以跳躍并發(fā)送給VOBC允許跳躍信息的時間，一般為250 ms。

因此，原方案跳躍信息傳輸時間約為1 000 ms。新方案中跳躍信息的傳輸過程為VOBC—ZC—VOBC，聯鎖的鎖閉行為在列車判斷跳躍前就已經完成，不需要額外占用時間，僅需要列車VOBC與ZC通信判斷是否需要跳躍，聯鎖系統(tǒng)的處理包含在既有功能中，無需對跳躍信息進行額外處理，列車的安全包絡延伸使聯鎖系統(tǒng)持續(xù)收到ZC發(fā)來的區(qū)段邏輯占用信息。因此，聯鎖系統(tǒng)一直使待跳躍區(qū)段保持鎖閉，即在列車申請?zhí)S前一直給ZC發(fā)送鎖閉信息，ZC在判斷跳躍前就已獲取鎖閉信息，不需要在列車申請?zhí)S后才對區(qū)段進行鎖閉。因此，本方案列車跳躍信息傳輸所需的時間僅為

t2=tapply+texcute

(2)

新方案從列車申請?zhí)S到收到ZC回復的允許跳躍信息傳輸的理論時間為500 ms，相較于原有方案節(jié)約了50%的時間，因此，該跳躍鎖閉方案使跳躍的效率得到了提升。

4.3 實現方式

新方案相對原有方案的優(yōu)勢主要在于對跳躍所需鎖閉區(qū)段的鎖閉流程進行簡化，減少了聯鎖系統(tǒng)對跳躍目標區(qū)段進行跳躍鎖閉的操作，直接通過VOBC和ZC之間傳輸的列車安全位置信息實現對區(qū)段的邏輯占用和出清，實現待跳躍目標區(qū)段的鎖閉和解鎖。聯鎖只需按正常進路的鎖閉和解鎖進行判斷，不需要進行任何跳躍鎖閉相關的處理，不需要對聯鎖系統(tǒng)進行修改，因此，新方案僅涉及VOBC和ZC，不涉及聯鎖，耦合度減小，減小修改和維護工作量。

5 仿真驗證

利用搭建的仿真測試環(huán)境對全自動系統(tǒng)跳躍鎖閉功能進行測試，該仿真環(huán)境選取廣州地鐵某線路正線聯鎖控區(qū)作為應用場景，主要由軌旁仿真、ZC仿真、聯鎖仿真、車載仿真以及ATS(列車自動監(jiān)督)仿真系統(tǒng)組成。各子系統(tǒng)間通過DCS(數據通信系統(tǒng))按照規(guī)定協(xié)議完成數據信息交互[20]。各仿真子系統(tǒng)功能如表2所示。

表2 仿真系統(tǒng)功能簡介

以圖7所示的陳頭崗車站為例進行驗證。首先在ATS上排列一條S5302-S5312的列車進路，然后在軌旁仿真系統(tǒng)上加載列車，并在車載仿真系統(tǒng)設置列車以FAM模式正線運行，并使其進入陳頭崗車站站臺，當列車進入陳頭崗站上行站臺內方應答器后對車尾的安全包絡進行延伸，并且當列車未停準越過停車點之后，列車安全包絡的延伸使得列車仍保持對5312DG區(qū)段的占用，5312DG以及區(qū)段內P5306等道岔保持鎖閉不解鎖。此時，列車ATO判斷停車過標并同ZC交互在ZC的防護下自動進行向后跳躍操作，VOBC判斷跳躍完成后向ZC匯報停準停穩(wěn)信息并收回延伸的包絡，從而使聯鎖系統(tǒng)將5312DG解鎖并執(zhí)行保護區(qū)段5316DG立即解鎖的操作。

利用陳頭崗上行站臺及本聯鎖控區(qū)其他站臺進行30次跳躍場景仿真分析，從列車申請?zhí)S到ZC回復允許跳躍所用平均時間為502 ms，利用原方案的這一流程信息傳輸時間為1 003 ms，效率提升約50%。

圖7 測試場景

6 結論

通過研究城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)中新增跳躍場景中的跳躍鎖閉功能，提出了一種基于列車安全包絡延伸的跳躍鎖閉方案。主要結論如下。

(1)通過延長列車車尾安全包絡的方式實現對跳躍需要的防護區(qū)段的占用鎖閉，無需聯鎖系統(tǒng)對區(qū)段的重新鎖閉即可實現跳躍功能的安全防護。將原有方案中聯鎖對已解鎖區(qū)段重新鎖閉的方式，轉化為包絡延伸使區(qū)段不解鎖的方式來實現，簡化了跳躍信息的傳輸流程，提高了跳躍的效率。

(2)本方案同時可以滿足列車向前和向后跳躍鎖閉的需求，彌補了原方案只可進行向后跳躍鎖閉的不足，增加了跳躍的可用性。

(3)由于本方案利用仿真系統(tǒng)進行驗證，在通信和穩(wěn)定性方面同真實系統(tǒng)還有些差異，因此，下一步需要通過真實工程場景進行驗證。