區(qū)段占用狀態(tài)對聯(lián)鎖系統(tǒng)的影響研究

趙海新

（北京交大微聯(lián)科技有限公司，北京 100043）

近年來，城市軌道交通的迅速發(fā)展為城市經(jīng)濟帶來巨大商機，極大地促進了周邊地區(qū)經(jīng)濟的快速發(fā)展，對加強區(qū)域交流與協(xié)作有著積極作用，強化了城市綜合服務功能，改善了城市交通環(huán)境，同時也為信號系統(tǒng)的發(fā)展帶來了良好的市場前景，而既有的以地面信號為主的信號系統(tǒng)難以滿足高密度、高安全、高可靠的要求，城市軌道的建設和運營均對信號系統(tǒng)有更高的要求。無線通信技術日趨成熟，城市軌道交通中基于通信的列車控制系統(tǒng)(communication-based train control，CBTC)得到了廣泛應用，并成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的新標準。

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)(computer interlocking，CI)處于信號系統(tǒng)最核心的位置，對于列車的安全穩(wěn)定運行有至關重要的作用，是保證軌道交通安全運行的不可或缺的系統(tǒng)之一。計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)是通過技術方法，使信號機、道岔和進路按照一定程序并滿足一定條件后才能動作或建立起來的相互制約關系，其中區(qū)段占用狀態(tài)作為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)最基本的聯(lián)鎖檢查條件，是鐵路信號控制系統(tǒng)最基本、最重要的參數(shù)狀態(tài)之一，將直接影響列車運行效率和行車安全。

目前廣泛使用的CBTC，相對既往信號系統(tǒng)更具有列車追蹤間隔時間短的顯著優(yōu)勢，這與信號系統(tǒng)對軌道區(qū)段的劃分方式密切相關。通過將物理區(qū)段細分為多個較短的邏輯區(qū)段，使得同一個大物理區(qū)段可以容納多列車追蹤運行，但同時也引入了新的問題，需處理兩種區(qū)段狀態(tài)。在CBTC系統(tǒng)中區(qū)段占用狀態(tài)有兩個信息來源，在特定情況下會出現(xiàn)兩者信息不一致的情況，造成信號故障關閉或進路不能正常解鎖，影響運營效率。

在此背景下，研究區(qū)段占用狀態(tài)的處理對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的影響，對于保證列車的安全穩(wěn)定高效運行有至關重要的作用。

1 物理區(qū)段與邏輯區(qū)段介紹

在基于通信的列車運行控制CBTC系統(tǒng)中，區(qū)段主要劃分為物理區(qū)段和邏輯區(qū)段兩種，其占用或空閑狀態(tài)分別從計軸系統(tǒng)和區(qū)域控制器(zone controller，ZC)2個通道采集得到。

物理區(qū)段由安裝在軌旁的計軸磁頭分割，也稱為計軸區(qū)段。計軸設備基于統(tǒng)計車軸數(shù)的原理，在區(qū)間兩端分別設置計軸磁頭，室外磁頭連接至室內計軸主機，通過脈沖磁場檢測車輪的駛入、駛出數(shù)量并進行對比，從而判斷該物理區(qū)段的占用或空閑狀態(tài)信息，再通過繼電器接口提供給計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

邏輯區(qū)段由物理區(qū)段在邏輯上進行劃分而得，也稱為虛擬區(qū)段。在基于通信的列車控制系統(tǒng)管轄區(qū)域內，列車采用高精度的定位技術實現(xiàn)列車的自主實時精確定位，車載超速防護(automatic train protection，ATP)系統(tǒng)對列車進行防護。車載ATP會將列車的位置匯報給ZC，然而物理區(qū)段的設計不便于列車的高精度定位，因此將物理區(qū)段在邏輯上劃分為若干個較短的邏輯區(qū)段[1]，ZC會將物理區(qū)段狀態(tài)與列車精確定位進行校核，并由ZC把列車定位信息轉換為邏輯區(qū)段的占用或空閑狀態(tài)信息，再通過通信接口提供給計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。

如圖1所示，TA1101為物理區(qū)段，TA1101A、TA1101B、TA1101C、TA1101D為邏輯區(qū)段。

圖1 兩種區(qū)段示意 Figure 1 Two kinds of section occupation

當列車駛入該區(qū)段時，若聯(lián)鎖與ZC通信中斷，聯(lián)鎖無法從ZC獲取邏輯區(qū)段狀態(tài)信息，則只能使用物理區(qū)段狀態(tài)信息進行聯(lián)鎖邏輯處理，因此，如圖1所示列車位置，聯(lián)鎖界面上只會顯示出物理區(qū)段TA1101占用。

當聯(lián)鎖與ZC通信正常時，ZC可從聯(lián)鎖獲得物理區(qū)段狀態(tài)，同時從車載ATP得到位置報告信息，ZC綜合處理這些信息，對邏輯區(qū)段狀態(tài)進行判斷并發(fā)送給計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。因此，如圖1所示列車位置，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)除了能顯示物理區(qū)段TA1101占用之外，還可顯示TA1101A、TA1101B、TA1101C占用，TA1101D未占用的信息。

顯然，通過劃分邏輯區(qū)段，大大提高了列車運行控制精度，也提高了列車位置顯示的精度。當計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)針對移動閉塞信號控制級別進路進行條件檢查時，前行列車出清監(jiān)控區(qū)段(如第1邏輯區(qū)段)之后，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)綜合判斷邏輯區(qū)段和物理區(qū)段的狀態(tài)信息，該條進路的信號即可為后續(xù)列車開放，從而實現(xiàn)了多列車同一進路運行，大幅提高運行效率。

2 區(qū)段占用狀態(tài)不一致的原因

物理區(qū)段的狀態(tài)信息來源于計軸系統(tǒng)，邏輯區(qū)段的狀態(tài)信息來源于ZC對接收到的列車定位信息的判斷處理。從兩個通道得到的兩種區(qū)段類型、區(qū)段狀態(tài)信息都是安全的，都可以作為聯(lián)鎖的安全輸入數(shù)據(jù)而參與聯(lián)鎖運算[2]，但是計軸系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障，車載ATP的列車定位存在誤差，另外各子系統(tǒng)間信息傳遞還會因傳輸延時影響ZC和計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對區(qū)段狀態(tài)的判斷，以上多方面因素都可能導致兩種區(qū)段信息不同步[3]。以下為3種影響區(qū)段狀態(tài)的典型場景。

2.1 計軸ARB故障

計軸設備經(jīng)過長時間發(fā)展之后，已經(jīng)擁有了很高的安全性，但是由于受強電干擾、磁頭受到金屬物干擾，或者通過檢測點時測速過低、計軸器自身故障等原因，計軸系統(tǒng)還是經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障[4]。

ARB為Always Report Block的縮寫，意為總是匯報占用。計軸ARB故障是指計軸區(qū)段中實際無車，而計軸卻向計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)報告物理區(qū)段占用的一種故障。

對于計軸ARB故障，由于在地鐵運營過程中，列車追蹤間隔短，運行間隔小，計軸故障后依靠人工操作計軸復位功能，立即解決設備故障的難度較大，也會降低CBTC系統(tǒng)運營效率。因此，CBTC系統(tǒng)中設計ZC能夠結合物理區(qū)段占用信息和列車位置信息，自動識別并屏蔽計軸ARB故障，提高運營效率。

2.2 列車定位誤差

邏輯區(qū)段的狀態(tài)信息來源于ZC對接收到的列車定位信息的判斷處理，但由于信號設備延時、測速裝置本身的安裝誤差、測速設備的精度、車輛的空轉滑行、車輛輪徑的磨損等因素，都會造成列車測速測距的誤差；除此之外，還有設備間的傳輸延時(包括允許的通信中斷時間)、列車與軌旁設備間的響應時間等，這些因素都會造成設備獲知的列車位置、速度與列車實際的位置、速度之間的誤差，從而構成列車的定位誤差。由于列車的定位誤差，列車的所有可能位置構成一個區(qū)間，這個區(qū)間就是列車安全包絡。

如圖2所示，列車的安全包絡主要由測距誤差、保護距離余量、估計運行距離等組成[5]。

圖2 進行安全包絡補償后的列車位置示意 Figure 2 Train position after safety envelope compensation

1) 測距誤差：指列車從速度傳感器等定位設備獲得的列車位置與列車真實位置之間的誤差；

2) 保護距離余量：指為了保持列車追蹤間隔，保證在最不利情況下，如列車發(fā)生較大的空滑，或者制動力部分失效的情況下，不發(fā)生列車追尾或碰撞等事故而加上的保護距離；

3) 估計運行距離：指在通信延遲的條件下，列車從車載設備產(chǎn)生當前列車位置通過無線通信的方式發(fā)送給地面設備使用該位置期間，估算的列車行駛距離。

對于列車的定位誤差，系統(tǒng)采取了一系列的措施來盡量縮小該誤差，如采用高精度的速度傳感器、設置地面應答器綜合定位等。高精度的速度傳感器能獲取更高精度的定位數(shù)據(jù)；應答器能對經(jīng)過該應答器的列車進行絕對位置校正，縮小列車定位誤差。但受當前列車定位方法制約，列車的定位誤差終不能完全消除。

2.3 系統(tǒng)的延時

系統(tǒng)的延時主要存在于各設備間進行信息傳輸?shù)倪^程中。當車地通信中斷時，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)只能從計軸系統(tǒng)獲取物理區(qū)段占用信息，信息傳輸過程的延時很少；當車地連續(xù)通信時，信息傳輸過程如圖3所示，系統(tǒng)延時可能在3個環(huán)節(jié)發(fā)生。

圖3 車地連續(xù)通信時信息傳輸示意 Figure 3 Information transmission in vehicle-ground continuous communication

1) 車載ATP向ZC實時報告列車位置，位置報告需要通過無線傳輸，可能發(fā)生較長時間的延時。

2) 邏輯區(qū)段占用信息由ZC向聯(lián)鎖傳輸時，以及物理區(qū)段占用信息由聯(lián)鎖向ZC傳輸時可能發(fā)生延時。

3) 物理區(qū)段占用信息由計軸系統(tǒng)報告給聯(lián)鎖，再由聯(lián)鎖轉發(fā)給ZC，ZC處理后得出邏輯區(qū)段狀態(tài)再反饋給聯(lián)鎖，經(jīng)校正后的邏輯區(qū)段狀態(tài)比物理區(qū)段狀態(tài)滯后了兩個通信傳輸時間加ZC的處理時間。

對于系統(tǒng)的延時，雖然可以通過采用提高無線信號質量等方法盡量減少系統(tǒng)延時，但也不能完全避免。

3 區(qū)段占用狀態(tài)不一致時的處理方法

當兩種區(qū)段占用狀態(tài)不一致時，計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)如何對這兩種區(qū)段狀態(tài)信息進行處理，直接影響到聯(lián)鎖本身的功能和安全。

3.1 “只使用邏輯區(qū)段狀態(tài)信息”處理方法

在CBTC系統(tǒng)中，要實現(xiàn)移動閉塞功能，必須要使用邏輯區(qū)段狀態(tài)信息。因此聯(lián)鎖可采用“只使用邏輯區(qū)段狀態(tài)信息”的處理方法。具體實現(xiàn)為：除了聯(lián)鎖與ZC通信中斷，聯(lián)鎖只能使用物理區(qū)段狀態(tài)信息的情況，只要聯(lián)鎖與ZC能進行正常通信，聯(lián)鎖就僅使用從ZC采集到的邏輯區(qū)段狀態(tài)信息。

但采用該處理方法，由于列車定位誤差及系統(tǒng)延時的存在，可能出現(xiàn)邏輯區(qū)段占用狀態(tài)與區(qū)段實際占用狀態(tài)不一致而影響運營效率的情況，下面通過具體場景進行分析。

初始狀態(tài)為保持ZC與車載ATP持續(xù)通信的列車占用物理區(qū)段TA1101，占用邏輯區(qū)段TA1101B、TA1101C，如圖4(a)所示。

這時若發(fā)生無線通信中斷，位置不能實時更新，系統(tǒng)出于安全考慮會擴大列車安全包絡，若列車安全包絡越過信號機，則會導致列車占用物理區(qū)段TA1101，占用邏輯區(qū)段TA1101B、TA1101C、TA1102A，如圖4(b)所示。

隨著列車的行駛，列車通過應答器校正位置，回縮包絡，信號機后第一邏輯區(qū)段TA1102A出清，區(qū)段占用狀態(tài)變?yōu)椋赫加梦锢韰^(qū)段TA1101，占用邏輯區(qū)段TA1101B、TA1101C，如圖4(c)所示。

圖4 連續(xù)通信中斷導致列車包絡變化場景示意 Figure 4 Train envelope change caused by continuous communication interruption

此時若簡單地用邏輯區(qū)段狀態(tài)信息作為區(qū)段狀態(tài)信息，聯(lián)鎖會檢測到信號機后第一邏輯區(qū)段TA1102A沒有正常順序占用出清。出于安全考慮，聯(lián)鎖將關閉信號燈，需要進行人工干預才能恢復，降低了列車運營效率。因此聯(lián)鎖簡單地只使用邏輯區(qū)段狀態(tài)而屏蔽物理區(qū)段狀態(tài)的方案是不完備的，有可能導致已開放的信號故障關閉，需再次開放信號。

3.2 “區(qū)段融合”處理方法

目前，聯(lián)鎖對區(qū)段占用狀態(tài)處理的主流方式為采用“區(qū)段融合”處理方法，即在原有的“只使用邏輯區(qū)段信息”判斷策略的基礎上，對邏輯區(qū)段的狀態(tài)判定使用“與占用”判斷策略，當邏輯區(qū)段和物理區(qū)段都判斷該區(qū)段占用時聯(lián)鎖才判定區(qū)段占用，具體運算過程如表1所示。

表1 “與占用”方案對邏輯區(qū)段狀態(tài)運算結果 Table 1 Operation results of “and occupation” scheme on logical section status

采用“區(qū)段融合”處理方法，可有效通過物理區(qū)段的空閑來屏蔽由于列車定位誤差導致的邏輯區(qū)段不正常占用出清的問題。但在對邏輯區(qū)段采用“與占用”判斷策略時，只有在物理區(qū)段和邏輯區(qū)段都為占用時才判定區(qū)段占用，即當物理區(qū)段和邏輯區(qū)段占用狀態(tài)不一致時，聯(lián)鎖都將判定區(qū)段空閑，也有可能影響列車運營效率，下面通過具體場景進行分析。

初始狀態(tài)為保持ZC與車載ATP持續(xù)通信的列車從TA1101向TA1102方向高速行駛，占用物理區(qū)段TA1101；由于列車高速運行，列車頭部的安全包絡會向前延伸較長距離，越過信號燈，占用邏輯區(qū)段TA1101B、TA1101C、TA1102A，如圖5(a)所示。

隨著列車的行駛，當列車通過應答器時會校正列車位置，而此時由于車載ATP向ZC發(fā)送列車位置信息時發(fā)生延時，使ZC沒有及時接收應答器修正誤差后的列車位置信息，ZC會依然判定邏輯區(qū)段TA1102A為占用狀態(tài)，如圖5(b)所示。

圖5 高速行駛時受系統(tǒng)延時影響情景示意 Figure 5 Scenarios affected by system delay when the train is running at a high speed

在列車實際越過信號機后，聯(lián)鎖中物理區(qū)段TA1102及邏輯區(qū)段TA1102A均為占用狀態(tài)，如圖5(c)所示。需要注意的是，此時聯(lián)鎖中物理區(qū)段TA1102的占用狀態(tài)為列車實際位置到達TA1102導致的占用，而邏輯區(qū)段TA1102A的占用狀態(tài)信息為之前列車包絡跨壓導致的占用。

聯(lián)鎖從計軸系統(tǒng)采集到物理區(qū)段TA1102占用的信息后，會將TA1102占用信息轉發(fā)給ZC。在ZC在收到物理區(qū)段TA1102的占用信息前，ZC會根據(jù)收到的經(jīng)過應答器修正誤差的列車位置信息判定TA1102A為空閑狀態(tài)，如圖5(d)所示。

而在ZC收到物理區(qū)段TA1102的占用信息后，判定邏輯區(qū)段TA1102A占用，如圖5(e)所示。

因此圖5(d)所示的TA1102A空閑的狀態(tài)只會短暫出現(xiàn)，就馬上變?yōu)閳D5(e)所示的TA1102A占用狀態(tài)。

聯(lián)鎖中物理區(qū)段TA1102和邏輯區(qū)段TA1102A的狀態(tài)信息變化如圖6所示。在列車實際進入?yún)^(qū)段TA1102A之后，聯(lián)鎖中接收到邏輯區(qū)段TA1102A的狀態(tài)信息依次為“占用”“出清”“占用”，而物理區(qū)段TA1102的狀態(tài)信息一直為“占用”。

圖6 聯(lián)鎖中區(qū)段狀態(tài)變化示意 Figure 6 Section status change in interlocking

在這種情況下，即使采用“區(qū)段融合”處理方法，也會出現(xiàn)檢測到區(qū)段TA1102A的狀態(tài)信息不正常占用出清的情況，可能會因系統(tǒng)未防范該情況而造成進路不能正常解鎖，影響列車運營效率。

3.3 新的解決方案

經(jīng)過上述分析，目前主流的“區(qū)段融合”處理方法雖然有一定效果，但也沒有完全解決聯(lián)鎖在對區(qū)段占用狀態(tài)判斷過程中出現(xiàn)的所有問題。對此本文提出兩種新的解決方案。

1) 在“區(qū)段融合”的基礎上，聯(lián)鎖與ZC接口信息中增加“列車跨壓(跨壓就是表示列車實際位置已經(jīng)越過信號機內第一區(qū)段，尚未出清信號機接近區(qū)段的狀態(tài))信號機信息”，由ZC依據(jù)當前列車位置進行判斷選擇信息發(fā)送時機，聯(lián)鎖收到此信息且采集到的信號機內第一區(qū)段占用后，關閉進路防護信號機，并開始進行進路解鎖流程判斷。增加異常處理方式：如沒有收到“列車跨壓信號機”信息，等列車完全進入信號機防護區(qū)段后，聯(lián)鎖自動關閉信號，進路不解鎖，如圖7中(g)、(h)；如收到“列車跨壓信號機”信息，而信號機內方第一區(qū)段無占用，則聯(lián)鎖不關閉信號。聯(lián)鎖對進路的處理能規(guī)避TA1102A區(qū)段短暫的“占用-空閑-占用”狀態(tài)變化，如圖7所示。

圖7 聯(lián)鎖中區(qū)段狀態(tài)變化示意 Figure 7 Section status change in interlocking

2) 在現(xiàn)有“區(qū)段融合”處理方法的基礎上，增加“即時占用，延時出清”的判斷策略，即基于“區(qū)段融合”方式，聯(lián)鎖在檢測到區(qū)段狀態(tài)由空閑轉換為占用時立即將區(qū)段狀態(tài)判定為占用，而在檢測到區(qū)段狀態(tài)由占用轉換為空閑時，延時一定時間再將區(qū)段狀態(tài)由占用轉換為空閑。

采用“區(qū)段融合”處理方法，可有效通過物理區(qū)段的空閑來屏蔽由于列車定位誤差導致的邏輯區(qū)段不正常占用出清的問題，但在特殊場景下，即使采用“區(qū)段融合”處理方法，也會出現(xiàn)檢測到區(qū)段狀態(tài)不正常占用出清的情況，可能會因系統(tǒng)未防范該情況而造成進路不能正常解鎖，影響列車運營效率。若增加“即時占用，延時出清”的判斷策略，則可有效過濾干擾狀態(tài)，下面通過圖8中的具體場景進行分析。

圖8 聯(lián)鎖中區(qū)段狀態(tài)變化示意 Figure 8 Section status change in interlocking

初始狀態(tài)為保持ZC與車載ATP持續(xù)通信的列車從TA1101向TA1102方向高速行駛，占用物理區(qū)段TA1101；由于列車高速運行使得列車頭部的安全包絡會向前延伸較長距離，越過信號燈，占用邏輯區(qū)段TA1101B、TA1101C、TA1102A，隨著列車的行駛，當列車通過應答器時會校正列車位置，而此時由于車載ATP向ZC發(fā)送列車位置信息時發(fā)生延時，使ZC沒有及時接收應答器修正誤差后的列車位置信息，ZC會依然判定邏輯區(qū)段TA1102A為占用狀態(tài)，當ZC在收到物理區(qū)段TA1102的占用信息前，ZC會根據(jù)收到的經(jīng)過應答器修正誤差的列車位置信息判定TA1102A為空閑狀態(tài)，之后ZC收到物理區(qū)段TA1102的占用信息后，判定邏輯區(qū)段TA1102A占用，導致TA1102A空閑的狀態(tài)會短暫出現(xiàn)，再立即變?yōu)檎加脿顟B(tài)。

在這種情況下，即使采用“區(qū)段融合”處理方法，也會出現(xiàn)檢測到區(qū)段TA1102A的狀態(tài)信息不正常占用出清的情況，可能會因系統(tǒng)未防范該情況而造成進路不能正常解鎖，影響列車運營效率。若是增加“即時占用，延時出清”的判斷策略，即將ZC根據(jù)收到的經(jīng)過應答器修正誤差后的列車位置信息延遲2 s左右判定TA1102A為空閑狀態(tài)，則能有效得到連續(xù)的占用和空閑狀態(tài)。

與原有方案相比，此方案能有效避免上述場景分析中出現(xiàn)的問題，提高運營效率。

以上兩種新的解決方案，基于物理區(qū)段和邏輯區(qū)段占用、出清狀態(tài)進行綜合處理，采用“列車跨壓信號機信息” 的判斷策略，保證了信號機的關閉時機和進路解鎖與列車的實際走行一致；采用“即時占用，延時出清”的判斷策略，確保了因列車定位誤差、系統(tǒng)延遲導致的邏輯區(qū)段狀態(tài)突變不會對聯(lián)鎖進路處理造成影響，且“即時占用，延時出清”對于信號系統(tǒng)而言也是導向安全側的處理措施。

4 結語

計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)對區(qū)段占用狀態(tài)的判斷是聯(lián)鎖最基本的功能之一，也直接影響到列車的運行效率及行車安全。本文中提出的新方案從理論上分析并解決了CBTC系統(tǒng)中聯(lián)鎖從2個通道獲取的區(qū)段占用狀態(tài)不同步的問題，在不降低信號系統(tǒng)安全性的基礎上提高了列車運行效率。

目前將聯(lián)鎖與ZC接口信息中增加“列車跨壓信號機信息”的方案已應用于實際項目中，在多條線路的實際應用中證明理論分析是合理正確的，在實際運用過程中取得了很好的效果；增加“即時占用，延時出清”的方案也已通過實驗室測試，后續(xù)還需現(xiàn)場驗證，才能確保方案的安全性和可靠性。