城市軌道交通線路失表道岔處列車安全防護包絡(luò)研究

左 輝

(卡斯柯信號有限公司， 610083， 成都∥工程師)

列車運行振動等原因會導(dǎo)致道岔密貼檢查故障，ZC(區(qū)域控制器)與聯(lián)鎖通信中斷也會導(dǎo)致ZC內(nèi)道岔狀態(tài)未知，此時道岔的物理狀態(tài)是連通的，但有可能會被ZC判定為處于失去表示(以下簡稱“失表”)狀態(tài)[1]。列車可能通過失表的道岔,因此，ZC需要對列車可能到達的區(qū)域進行防護，以避免其他CBTC(基于通信的列車控制)列車進入該區(qū)域。具有定位信息的列車通過失表道岔時可能會失去其定位信息，故不能完全依賴列車的位置報文判定列車的位置。為此，本文提出一種失表道岔處列車安全防護的新方案，旨在保證CBTC系統(tǒng)安全的同時，盡量減少對采用CBTC運行模式的列車的正常運行產(chǎn)生影響。

本文采用列車安全防護包絡(luò)(以下簡稱“包絡(luò)”)方法對失表道岔處的列車進行安全防護。當列車可能通過失表道岔時，在列車所有可能到達的路徑上創(chuàng)建包絡(luò)，對列車進行防護。根據(jù)計軸或軌道電路采集的區(qū)段占用狀態(tài)，實時更新該列車包絡(luò)。當列車不可能從某路徑通過時，刪除該路徑上的列車包絡(luò)，以避免影響其他CBTC列車的正常運行。

1 列車安全防護包絡(luò)

包絡(luò)是一段軌道區(qū)域，用以描述列車可能占用的一個線路區(qū)間。任何時刻下的任何列車均應(yīng)在包絡(luò)范圍之內(nèi)[2]。列車的移動授權(quán)計算將包絡(luò)作為列車安全防護的重要保障，列車的移動授權(quán)不能位于其他列車的包絡(luò)范圍之內(nèi)。若列車位置超出包絡(luò)范圍，可能會引起嚴重后果。

根據(jù)列車的通信狀態(tài)，包絡(luò)可分成兩類：

1) 通信列車安全防護包絡(luò)(以下簡稱“通信包絡(luò)”)：基于列車報告的位置信息對包絡(luò)進行更新，將列車車頭基于安全定位的最靠前位置作為通信包絡(luò)頭部位置，將列車車尾基于安全定位的最靠后位置作為通信包絡(luò)的尾部位置。通信包絡(luò)中有且僅有1列列車。當列車關(guān)聯(lián)1個通信包絡(luò)時，該車必須由該通信包絡(luò)完全覆蓋。不關(guān)聯(lián)通信包絡(luò)的列車不能被判定為CBTC列車，也不能計算出該車的有效移動授權(quán)。

2) 非通信列車安全防護包絡(luò)(以下簡稱“非通信包絡(luò)”)：基于計軸/軌道電路采集的區(qū)段被占用狀態(tài)對包絡(luò)進行更新，非通信包絡(luò)包括所占用計軸/軌道電路的整個區(qū)段。此外，在從占用轉(zhuǎn)為出清的計軸/軌道電路區(qū)段邊界點處，非通信包絡(luò)還應(yīng)從該邊界點向占用轉(zhuǎn)出清的方向擴展1個列車懸垂距離(在計軸/軌道電路確認檢測到列車之前，列車可以在該計軸/軌道電路上運行的最大距離)。非通信包絡(luò)中可能不包含任何列車，也可能包含多列列車。當列車不關(guān)聯(lián)任何通信包絡(luò)時，該車必須由1個或多個(如列車車身跨越失表的道岔時)非通信包絡(luò)完全覆蓋。

2 失表道岔處的包絡(luò)管理

包絡(luò)會被失表道岔阻擋，但列車可以運行通過物理位置確定但狀態(tài)表示為失表的道岔，從而存在列車運行超出包絡(luò)防護的風險。為了防止該危險場景的發(fā)生，當包絡(luò)中的列車有可能通過失表道岔時，ZC將在失表道岔的另一側(cè)構(gòu)建非通信包絡(luò)，以保證列車越過失表道岔后仍然處于包絡(luò)防護范圍內(nèi)。失表道岔的定位和反位區(qū)段均需要構(gòu)建非通信包絡(luò)。

為了提升CBTC系統(tǒng)的可用性，失表道岔處新構(gòu)建的非通信包絡(luò)只限定在當前時刻列車可能到達的區(qū)域。對于通信包絡(luò)/非通信包絡(luò)而言，新構(gòu)建的非通信包絡(luò)長度即為該通信包絡(luò)/非通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的距離。圖1為根據(jù)通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的距離LB構(gòu)建的非通信包絡(luò)防護。

如圖1所示，當列車通過失表道岔P時，會導(dǎo)致道岔區(qū)域的計軸/軌道電路區(qū)段被占用，新構(gòu)建的非通信包絡(luò)將根據(jù)計軸/軌道電路區(qū)段的占用狀態(tài)進行更新。如非通信包絡(luò)覆蓋的計軸/軌道電路區(qū)段均為出清狀態(tài)，該非通信包絡(luò)可被刪除，以提升CBTC系統(tǒng)的可用性。

圖1 在失表道岔處創(chuàng)建非通信包絡(luò)

3 失表道岔處包絡(luò)防護的實現(xiàn)方法

在線路上發(fā)生多個相鄰的道岔同時失表的情況下，列車可能的運行區(qū)域?qū)⑹且粋€復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且對于同一個軌道區(qū)段，列車可能存在多條到達路徑。在不同路徑下，列車在該軌道區(qū)段的防護距離是不同的，ZC需根據(jù)防護的最差條件來構(gòu)建非通信包絡(luò)。圖2為列車通過失表道岔P1時可能到達的路徑。

圖2 失表道岔處的多個運行路徑

如圖2所示，若ZC與聯(lián)鎖通信中斷，聯(lián)鎖管轄的所有道岔都被ZC判定為失表狀態(tài)，此時列車可能的運行區(qū)域是一個復(fù)雜的網(wǎng)狀圖，這對于需要實時計算包絡(luò)位置的ZC而言，其運算負擔較重。因此，此時的列車安全防護方案需要滿足以下要求：①按列車可能的運行路徑構(gòu)建所有的包絡(luò)；②采用離線方式進行預(yù)計算，以減小ZC系統(tǒng)的在線運算負載；③盡量減小對其他正常運行列車的影響。

根據(jù)上述要求，對列車運行區(qū)域進行抽象描述：

1) 首先按照道岔的匯聚和發(fā)散方向，將該道岔描述為帶方向的矢量信息(以下簡稱“PV”)。因為非通信包絡(luò)創(chuàng)建的原因是包絡(luò)被失表道岔阻擋，所以提取創(chuàng)建非通信包絡(luò)的源道岔關(guān)聯(lián)矢量(以下簡稱“SrcPV”)。對于任意道岔，在道岔的發(fā)散端和匯聚端均應(yīng)關(guān)聯(lián)各自的SrcPV。

2) 同理提取創(chuàng)建非通信包絡(luò)目的道岔的關(guān)聯(lián)矢量(以下簡稱“DstPV”)，將SrcPV到DstPV的路徑稱為道岔鏈路(以下簡稱“PntChain”)。各道岔鏈路的長度是確定的。

3) 對于某個DstPV，應(yīng)建立與其關(guān)聯(lián)的所有SrcPV及PntChain的路徑列表(以下簡稱“SrcList”),并且允許同一個SrcPV通過不同的PntChain到達同一個DstPV(例如圖2所示的路徑1和路徑2)。這些抽象數(shù)據(jù)(DstPV、SrcList、SrcPV及PntChain)可采用離線方式進行預(yù)計算。

3.1 抽象數(shù)據(jù)的離線預(yù)計算

3.1.1 包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B

包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B用于檢查失表道岔的包絡(luò)影響范圍,其計算式為：

Lmax_B=max(Lmax_CT_B,Lmax_NCT_B)

(1)

式中：

Lmax_CT_B——通信列車通信包絡(luò)被阻擋的最大距離；

Lmax_NCT_B——非通信列車非通信包絡(luò)被阻擋的最大距離。

Lmax_CT_B為列車最大安全前端位于道岔處時通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離，其計算式為：

(2)

式中：

vmax——列車的最大運行速度；

a——列車在最大牽引和最大坡度下的加速度；

T——列車位置報文的最大有效期(即從列車產(chǎn)生位置報文開始到ZC認為該位置報文失效的最大時延)。

Lmax_NCT_B為非通信列車占用岔區(qū)所在區(qū)段且車輛外側(cè)端點已位于下一個區(qū)段但列車車軸還未占用下一個區(qū)段時,非通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離，其計算式為：

Lmax_NCT_B=Lmax_Sw_S+LT_O

(3)

式中：

Lmax_Sw_S——岔區(qū)最長區(qū)段的長度；

LT_O——列車的懸垂距離。

3.1.2 計算靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)表

以每個道岔在匯聚方向和發(fā)散方向關(guān)聯(lián)的SrcPV為基礎(chǔ)，遍歷所有可達鏈路，如果鏈路內(nèi)的某一道岔與SrcPV關(guān)聯(lián)道岔的距離小于Lmax_B，則將該道岔在鏈路搜索方向的PV作為DstPV，在其SrcList中加入SrcPV和道岔鏈路PntChain。

從SrcPV到DstPV的靜態(tài)鏈路PntChain中，應(yīng)進行如下定義：鏈路長度LS用以描述從SrcPV到DstPV的距離；鏈路道岔列表用以描述靜態(tài)鏈路包含的道岔和道岔狀態(tài)，其中,道岔狀態(tài)用以描述鏈路中對應(yīng)道岔連通的位置，分為定位和反位兩種。在道岔列表中不包含SrcPV與DstPV關(guān)聯(lián)的道岔。

如圖3所示，假設(shè)岔P1到P3的距離小于Lmax_B，每個道岔關(guān)聯(lián)3個區(qū)段，假定每個區(qū)段的長度均為10 m，則從P1向P3方向構(gòu)建的靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)示例如表1所示。

圖3 靜態(tài)鏈路示意圖

表1 靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)示意表

3.2 包絡(luò)的實時處理

3.2.1LB的動態(tài)更新

在ZC每個計算周期開始時，將SrcPV上記錄的LB設(shè)為0。在計算通信/非通信列車包絡(luò)時，當包絡(luò)擴展被失表道岔阻擋時，在該失表道岔對應(yīng)方向的SrcPV上記錄其LB。如果一個失表道岔的定位和反位在道岔的匯聚方向上都存在包絡(luò)被阻擋的情況，則對應(yīng)的SrcPV上只記錄最大的LB。

3.2.2 創(chuàng)建非通信包絡(luò)

ZC每個計算周期對所有的道岔狀態(tài)進行檢查。如果道岔處于失表狀態(tài)，以該道岔的匯聚方向和發(fā)散方向分別作為DstPV，檢查是否滿足創(chuàng)建非通信包絡(luò)條件。在滿足下列全部條件時，ZC認為SrcPV處的包絡(luò)被阻擋，需要在DstPV處創(chuàng)建新的包絡(luò)：

1) SrcPV阻擋了包絡(luò)的擴展。此時SrcPV關(guān)聯(lián)的道岔處于失表狀態(tài)，SrcPV上記錄的阻擋包絡(luò)擴展距離LB>0，且從靜態(tài)鏈路可達性角度判定該SrcPV可能會對DstPV產(chǎn)生影響(即SrcPV屬于DstPV關(guān)聯(lián)的SrcList的成員)。

2) SrcPV與DstPV間的鏈路可能連通。此時在SrcPV與DstPV間的鏈路路徑上若存在道岔(即鏈路內(nèi)的道岔數(shù)大于0)，并且每個道岔都位于指定位置或處于失表狀態(tài)，則判定該鏈路可能連通；如果鏈路上不存在道岔，則直接判定該鏈路連通。

3) SrcPV上記錄的阻擋包絡(luò)擴展距離大于SrcPV與DstPV間的鏈路長度即(LB>LS)。

上述全部條件滿足時，需要在所有直接關(guān)聯(lián)DstPV的區(qū)段上創(chuàng)建非通信包絡(luò)，此時新創(chuàng)建包絡(luò)的長度LC=LB-LS,新包絡(luò)的一端覆蓋到DstPV關(guān)聯(lián)的道岔位置，另一端為從該道岔位置沿著DstPV方向搜索LC長度得到的新位置。

如果存在多個SrcPV都滿足上述全部條件，則每個SrcPV可能計算出不同的LC，此時應(yīng)采用最大的LC長度來創(chuàng)建新包絡(luò)。

3.2.3 刪除無效的包絡(luò)

為了減少對正常運行列車的影響，當構(gòu)建的包絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)計軸/軌道電路區(qū)段已全部出清，則表明列車不會進入該區(qū)域，此時可將該包絡(luò)刪除。

ZC每個計算周期執(zhí)行一次上文的“LB的動態(tài)更新”“創(chuàng)建非通信包絡(luò)”“刪除無效的包絡(luò)”3個步驟，即可實現(xiàn)包絡(luò)對列車通過失表道岔的防護。

4 道岔失表時包絡(luò)防護示例

以一列非通信列車通過失表道岔時的4個場景為例,說明本文提出的列車安全防護新方案。4個場景均基于以下假設(shè):道岔P1、P3狀態(tài)為失表但其實際位置為定位，道岔P2、P4狀態(tài)為定位；列車位于非通信包絡(luò)1中，從P1向P3運行。

場景1：如圖4所示，列車未越過道岔P1，ZC在列車可能進入的道岔定位和反位區(qū)域內(nèi)構(gòu)建了非通信包絡(luò)2、非通信包絡(luò)3和非通信包絡(luò)4。此時因P2為定位，P2指向P4方向的區(qū)域是列車不可到達的區(qū)域，所以P2—P4鏈路上不需要創(chuàng)建包絡(luò)。

場景2：如圖5所示，列車通過定位道岔P1后，P1關(guān)聯(lián)的計軸/軌道電路區(qū)段出清，列車占用的區(qū)段位于非通信包絡(luò)2中，其他包絡(luò)覆蓋的區(qū)段均為出清狀態(tài)。此時保留列車可能進入的非通信包絡(luò)1和非通信包絡(luò)4，刪除圖3中的非通信包絡(luò)3(因列車不可能進入)。

圖4 非通信列車通過失表道岔場景1

圖5 非通信列車通過失表道岔場景2

場景3：如圖6所示，列車進入P3道岔區(qū)域，與P3關(guān)聯(lián)的計軸/軌道電路區(qū)段被占用，列車可能進入P3的反位區(qū)域，因此ZC新建非通信包絡(luò)5。此時因P4為定位，列車不可能通過P4，所以P4—P2鏈路上不需要創(chuàng)建包絡(luò)。

圖6 非通信列車通過失表道岔場景3

場景4：如圖7所示，列車出清道岔P3關(guān)聯(lián)的計軸/軌道電路區(qū)段，ZC刪除非通信包絡(luò)1、非通信包絡(luò)2及非通信包絡(luò)5。列車向前移動時，包絡(luò)住列車的非通信包絡(luò)4也跟隨移動，若列車占用的區(qū)段遠離P3，則非通信包絡(luò)4也將離開P3的關(guān)聯(lián)區(qū)段。

5 結(jié)語

從行車安全角度，使用包絡(luò)對列車進行防護是一種有效的方法。道岔失表是常見的故障，當列車可能通過失表道岔時，即時創(chuàng)建包絡(luò)，以覆蓋列車可能通過失表道岔后進入的區(qū)域，并根據(jù)計軸/軌道電路區(qū)段的被占用狀態(tài)推導(dǎo)列車的位置，動態(tài)更改包絡(luò)的覆蓋范圍。這樣,既能避免其他CBTC列車進入該區(qū)域進而引發(fā)碰撞危險，又能避免失表道岔影響范圍擴大對其他列車的正常運行造成影響。當線路上多個相鄰的道岔同時失表之后，列車可能的運行區(qū)域?qū)⑹且粋€復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時應(yīng)對各種可能的場景進行離線預(yù)計算，用專用的配置數(shù)據(jù)將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為簡單的查表運算，以降低ZC的實時運算負擔。

圖7 非通信列車通過失表道岔場景4

本文所述的列車安全防護新方案已經(jīng)在北京、上海等城市軌道交通項目中得以應(yīng)用。實踐表明，該方案提高了CBTC系統(tǒng)的安全性，可有效維持城市軌道交通線路高效、有序的運營。