CTC系統(tǒng)殘留光帶監(jiān)控方案研究

趙宏濤，齊 威，王振東，唐 彬，曹 楨

信號分散自律調(diào)度集中（Centralized Traffic Control，CTC）系統(tǒng)［1］是鐵路運輸日常組織工作的指揮中樞。通過聯(lián)鎖、列控、區(qū)間閉塞等信號設(shè)備，CTC 系統(tǒng)可實現(xiàn)對管轄區(qū)段內(nèi)的列/調(diào)車作業(yè)指揮和管理，以及車站設(shè)備監(jiān)控和運維等工作，保證鐵路平穩(wěn)、可靠、安全、高效運行。

CTC 系統(tǒng)車站自律機(jī)將運輸指揮階段計劃和調(diào)車計劃轉(zhuǎn)換為內(nèi)部進(jìn)路指令，并在靜態(tài)進(jìn)路文件、動態(tài)設(shè)備狀態(tài)和外部事件驅(qū)動下，執(zhí)行計劃兌現(xiàn)工作［2］。隨著列/調(diào)車指令的狀態(tài)遷移，站場顯示區(qū)段依次呈現(xiàn)空閑、鎖閉、占用和出清等狀態(tài)。在信號設(shè)備和軌道電路故障、人為操作錯誤及施工維修等場景下，CTC 顯示終端有可能出現(xiàn)光帶殘留，若不及時有效處置，將導(dǎo)致自律機(jī)后續(xù)排路操作的進(jìn)路沖突、站場對象不空閑等沖突報警［3-4］，進(jìn)而引起計劃兌現(xiàn)延遲或失敗，影響行車效率和安全。周果等［5］利用Markov 決策過程方法在列控系統(tǒng)中解決區(qū)間軌道電路殘留光帶問題；趙曉風(fēng)等［6］和張友鵬等［7］在軌道電路層級尋求輕車跳動解決方案。綜合分析看，目前行業(yè)內(nèi)對于CTC 系統(tǒng)殘留光帶監(jiān)控技術(shù)還缺乏有效解決方案，相關(guān)研究還有待深化。為此，在鐵路智能化、安全化的發(fā)展趨勢下，開展CTC 系統(tǒng)中殘留光帶監(jiān)控及報警功能的研究，及時發(fā)現(xiàn)站場異常狀態(tài)并恢復(fù)行車秩序，具有重要現(xiàn)實意義。

CTC 系統(tǒng)殘留光帶監(jiān)控方案擬在不影響自律機(jī)主業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)上，利用既有結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過站場對象的狀態(tài)預(yù)置及對象狀態(tài)遷移監(jiān)控技術(shù)［8］，在CTC 端實現(xiàn)殘留光帶的無縫可靠監(jiān)控報警。

1 軌道區(qū)段

CTC 系統(tǒng)中，車站以站場圖區(qū)元素方式進(jìn)行形式化展示［9］，元素類別主要包括道岔、軌道區(qū)段、按鈕、信號機(jī)、絕緣節(jié)、脫軌器、表示燈、車次窗、進(jìn)路窗等。軌道區(qū)段又分為站內(nèi)股道、無岔區(qū)段和站間區(qū)段。

道岔、軌道區(qū)段、信號機(jī)等站場元素，由聯(lián)鎖系統(tǒng)和列控中心通過軌道電路實現(xiàn)狀態(tài)采集和進(jìn)路控制［10］，由CTC 系統(tǒng)實施狀態(tài)維護(hù)和監(jiān)控，以及業(yè)務(wù)運算和卡控功能。根據(jù)《調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件》（Q/CR 518-2016），CTC 顯示終端的道岔和軌道區(qū)段狀態(tài)主要包括空閑、鎖閉和占用3種。

1.1 軌道區(qū)段正常狀態(tài)

CTC 系統(tǒng)顯示終端分別以紅、白光帶表示軌道區(qū)段的占用和鎖閉狀態(tài)。初始，軌道電路無列車行駛或?？?，軌道繼電器勵磁吸起，站場顯示為區(qū)段空閑；隨著車站信號設(shè)備狀態(tài)、列車運行狀態(tài)等輸入數(shù)據(jù)的驅(qū)動，CTC 系統(tǒng)執(zhí)行計劃的安全卡控和進(jìn)路觸發(fā)操作，通過聯(lián)鎖設(shè)備實現(xiàn)列/調(diào)車進(jìn)路的預(yù)先鎖閉和接近鎖閉，即出現(xiàn)CTC 站場軌道區(qū)段鎖閉白光帶；當(dāng)列車壓入軌道電路區(qū)段，軌道繼電器被列車輪對短接而落下，實現(xiàn)區(qū)段占用狀態(tài)采集和監(jiān)控，即出現(xiàn)CTC站場軌道區(qū)段占用紅光帶。由此可見，軌道區(qū)段狀態(tài)的正確跳轉(zhuǎn)、采集和監(jiān)控是CTC 系統(tǒng)進(jìn)行行車安全卡控、排路命令執(zhí)行狀態(tài)反饋的重要依據(jù)。

1.2 軌道區(qū)段異常狀態(tài)

由于各種原因，CTC 系統(tǒng)會偶發(fā)［11］殘留光帶現(xiàn)象，影響行車組織的有序執(zhí)行，體現(xiàn)為后臺自律模式下的進(jìn)路指令自動觸發(fā)失敗、行車報警激增、計劃兌現(xiàn)延后、人工干預(yù)頻繁等。殘留光帶的表現(xiàn)形式主要為軌道區(qū)段的非行車鎖閉和異常占用，主要原因如下。

1）輕車跳動［12］。空心車軸運用導(dǎo)致的接收器接收電壓錯誤、軌面生銹導(dǎo)致的區(qū)段分路不良，以及單機(jī)車高速通行短軌道區(qū)段等，易引發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)三點檢查失敗，產(chǎn)生輕車跳動。在CTC 系統(tǒng)顯示終端表現(xiàn)為鎖閉光帶殘留或閃紅現(xiàn)象。

2）設(shè)備故障。軌道電路的電纜、接觸器、繼電器等發(fā)生的接觸不良、損壞等故障［13］，導(dǎo)致軌道電路無法正常檢測列車位置和信號。此外，鋼軌復(fù)雜部件長時間被列車輪碾壓、撞擊，以及熱脹冷縮產(chǎn)生的鋼軌爬行等，也會導(dǎo)致殘留光帶現(xiàn)象。

3）突發(fā)事件。風(fēng)雨雪震、道床積水、電磁電氣干擾等異常事件，甚至為防治冰凍災(zāi)害而在軌道撒鹽導(dǎo)致的道床電阻降低等，都會干擾信號電路的正常工作。

4）施工維修。在軌道電路的安裝、維護(hù)和修復(fù)過程中，操作人員可能會出現(xiàn)誤操作，如設(shè)備設(shè)置錯誤、施工損壞，甚至器件遺漏導(dǎo)致的軌道短接等。

2 殘留光帶監(jiān)測方案

在分散自律控制模式下，操作員在CTC 設(shè)備上編制計劃、執(zhí)行排路、監(jiān)控站場運行及設(shè)備狀態(tài)。雖然殘留光帶的源頭在聯(lián)鎖設(shè)備端，但其表現(xiàn)和影響均在CTC 設(shè)備端。因此，考慮在CTC 車站自律機(jī)上增加功能，通過監(jiān)控站場對象狀態(tài)和進(jìn)路指令狀態(tài)，實現(xiàn)對殘留光帶的監(jiān)測。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

CTC 車站自律機(jī)將中心計劃轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的進(jìn)路指令，在滿足觸發(fā)時機(jī)并通過行車安全檢查后，創(chuàng)建關(guān)聯(lián)進(jìn)路命令，指揮聯(lián)鎖進(jìn)行排路操作。進(jìn)路指令和排路命令在其生命周期內(nèi)，具備唯一標(biāo)識ID。為便于描述，定義指令標(biāo)識ID 為repID，命令標(biāo)識ID 為cmdID。指令的狀態(tài)包括等待、重試、失敗、排路成功、占用和出清等；命令的狀態(tài)包括初始、已發(fā)送、超時和成功等。

圖1 描述了由階段計劃創(chuàng)建的進(jìn)路指令和排路命令，與聯(lián)鎖進(jìn)路、進(jìn)路對象（即組成該進(jìn)路的CTC系統(tǒng)站場圖區(qū)元素）的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以及各對象附屬的核心屬性字段。動態(tài)對象、動態(tài)屬性和相互關(guān)系以紅色標(biāo)識。后續(xù)算法將依賴CTC內(nèi)部對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)特定軌道區(qū)段對象的狀態(tài)更新操作。

圖1 CTC內(nèi)部對象關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.2 整體方案設(shè)計

作為信號采集的下游設(shè)備，CTC 系統(tǒng)不具備軌道區(qū)段關(guān)聯(lián)狀態(tài)的檢查基礎(chǔ)，因此從迭代開發(fā)和便于部署等角度，將方案進(jìn)行如下設(shè)定。

1）區(qū)間軌道電路由列控中心負(fù)責(zé)［14］，通過設(shè)備檢測維護(hù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)校驗和異常監(jiān)控等措施，保證驅(qū)采數(shù)據(jù)的一致性。除了一離去區(qū)段占用外，區(qū)間軌道電路狀態(tài)基本不涉及CTC 端的行車調(diào)度操作。此外，對于站內(nèi)牽出線、機(jī)調(diào)線和聯(lián)絡(luò)線［15］等與CTC 行車控制關(guān)聯(lián)不大的區(qū)域，暫時不考慮其站內(nèi)對象的殘留光帶監(jiān)控邏輯，因此需具備對特定區(qū)域站內(nèi)對象的剔除功能，即增加配置項，指明該集合中的站內(nèi)對象不參與殘留光帶的監(jiān)控邏輯。

2）對站內(nèi)軌道區(qū)段，只監(jiān)控持續(xù)性的光帶殘留，且由于紅、白2 種殘留光帶產(chǎn)生機(jī)制不同，因此需采用不同的監(jiān)控邏輯。

3）監(jiān)測殘留光帶出現(xiàn)時，車站自律機(jī)根據(jù)控制權(quán)向主控終端發(fā)送報警信息。自律機(jī)僅在殘留光帶首次出現(xiàn)時報警一次；保持該殘留（占用或鎖閉）狀態(tài)時，無重復(fù)報警；殘留光帶清除時，不報警；當(dāng)對象狀態(tài)（占用、鎖閉、空閑）變更后，再重新對該對象進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)再次出現(xiàn)殘留時，滿足條件即報警；對象保持該殘留狀態(tài)不足閾值時間時，不報警；在殘留紅白光帶間切換，且始終達(dá)不到閾值時間時，不報警。

4）在自律機(jī)剛剛啟動、控制模式切換或者主備倒機(jī)后的一段時間，設(shè)備需要接收站場表示信息，建立行車計劃、指令、命令和表示的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在此期間，車站自律機(jī)暫不啟動殘留光帶監(jiān)控功能；一旦超過該時間段，車站自律機(jī)立即啟動殘留光帶監(jiān)控功能。5）考慮計算效率并與報警整合，殘留光帶監(jiān)控邏輯固定6 s輪巡一次。

2.3 自律機(jī)監(jiān)控邏輯

自律機(jī)每隔6 s 依次進(jìn)行殘留白光帶、殘留紅光帶，以及殘留指令光帶的監(jiān)控邏輯處理。任意邏輯一旦觸發(fā)殘留光帶報警，自律機(jī)便立即向主控終端發(fā)送報警信息。

2.3.1殘留白光帶監(jiān)控邏輯

殘留白光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控非人為操作，且非行車計劃執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的殘留鎖閉白光帶，即除了以下場景外，聯(lián)鎖端產(chǎn)生的排路鎖閉白光帶：①人為操作方面的列/調(diào)車計劃人工觸發(fā)、列/調(diào)車進(jìn)路序列人工觸發(fā)、人工關(guān)聯(lián)/不關(guān)聯(lián)車次的按鈕排路；②行車計劃觸發(fā)執(zhí)行方面的列/調(diào)車計劃自動觸發(fā)和信號重開。

殘留白光帶監(jiān)控邏輯仿照排路命令標(biāo)識符cmdID，在站內(nèi)軌道區(qū)段對象內(nèi)部新增屬性標(biāo)識符cmdIDofSamp，代表該對象的鎖閉狀態(tài)是否是某次排路操作（排路命令）導(dǎo)致。cmdIDofSamp為0 時表示該站場對象不對應(yīng)任何排路命令；cmdIDofSamp為非0 時表示該站場對象是由cmdIDofSamp數(shù)值所對應(yīng)的特定排路命令操控的。之后，自律機(jī)依據(jù)cmdID建立站內(nèi)軌道區(qū)段白光帶追蹤和處置邏輯，見圖2。

1）自律機(jī)啟動，讀取配置文件，初始化所有站場對象的cmdIDofSamp為0，并在接收行車計劃后，進(jìn)行計劃處理和定時業(yè)務(wù)監(jiān)控邏輯。

2）在計劃滿足觸發(fā)時機(jī)、執(zhí)行排路操作過程中，自律機(jī)依據(jù)進(jìn)路指令創(chuàng)建排路命令。在排路成功后，將命令cmdID通過圖1所示“排路命令—進(jìn)路—進(jìn)路對象”的鏈路關(guān)系，賦值于進(jìn)路對象cmdIDofSamp（不考慮進(jìn)路對象當(dāng)前狀態(tài)）；在排路命令超時失敗時，遍歷命令關(guān)聯(lián)進(jìn)路的所有進(jìn)路對象。如果進(jìn)路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID相同且非零，則復(fù)位對象的cmdIDofSamp為0；如果進(jìn)路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID不同，則維持對象cmdIDofSamp不變。

3）在計劃不滿足觸發(fā)時機(jī)的軌道區(qū)段常態(tài)監(jiān)控階段，如果站內(nèi)軌道區(qū)段對象狀態(tài)由“非空閑變?yōu)榭臻e”或者“非占用變?yōu)檎加谩保瑒t置對象cmdIDofSamp為0。

4）自律機(jī)監(jiān)控站內(nèi)對象保持鎖閉狀態(tài)超過時間閾值，且cmdIDofSamp為0時，即認(rèn)為該區(qū)段存在殘留白光帶，自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。

2.3.2殘留紅光帶監(jiān)控邏輯

殘留紅光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控非行車計劃執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的殘留占用紅光帶，即軌道電路一定時間內(nèi)持續(xù)紅光帶。具體方案為車站自律機(jī)監(jiān)控站內(nèi)軌道區(qū)段狀態(tài)，當(dāng)其保持占用狀態(tài)超過時間閾值，且上一狀態(tài)為非鎖閉狀態(tài)時（即直接由空閑變?yōu)檎加茫?，則認(rèn)定該區(qū)段存在殘留紅光帶，自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。

2.3.3殘留指令光帶監(jiān)控邏輯

殘留指令光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控行車計劃的進(jìn)路指令執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的光帶殘留。這種情況在工程現(xiàn)場發(fā)生最多。例如，在短軌道正線區(qū)段，當(dāng)單機(jī)車體較短、較輕，且行駛速度快時，易造成軌道電路壓不實而產(chǎn)生遺留白光帶；在部分線路由于設(shè)備年老失修，疊加長時間機(jī)車車輛碾壓影響，極易造成軌道電路短路而產(chǎn)生遺留紅光帶。

殘留指令光帶監(jiān)控邏輯仿照進(jìn)路指令標(biāo)識符repID，在站內(nèi)軌道區(qū)段對象內(nèi)部新增屬性標(biāo)識符repIDofSamp，當(dāng)repIDofSamp與repID相等時，表示該對象的鎖閉/占用狀態(tài)是由某條進(jìn)路指令排路操作導(dǎo)致的。之后，依據(jù)repID，建立站內(nèi)軌道區(qū)段對象的白、紅光帶追蹤和處置邏輯流程，見圖3。

圖3 殘留指令狀態(tài)監(jiān)控流程

1）自律機(jī)啟動，讀取配置文件，初始化所有站場對象的屬性標(biāo)識符repIDofSamp為0，轉(zhuǎn)入定時業(yè)務(wù)監(jiān)控邏輯。

2）在進(jìn)路指令業(yè)務(wù)處理邏輯中，自律機(jī)監(jiān)測列/調(diào)車進(jìn)路開放，指令狀態(tài)更新時，通過圖1 所示“進(jìn)路指令—進(jìn)路—進(jìn)路對象”的鏈路關(guān)系，將指令repID賦值于進(jìn)路所有對象，即進(jìn)路所有對象repIDofSamp等于指令repID，建立站內(nèi)軌道區(qū)段顯示狀態(tài)與指令狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3）在指令狀態(tài)未發(fā)生變化的軌道區(qū)段常態(tài)監(jiān)控階段，如果站場任意對象變?yōu)槌銮?，則置該對象的repIDofSamp為0；站場對象變?yōu)檎加脮r，不修改對象的repIDofSamp；站場對象變?yōu)殒i閉時，除非是進(jìn)路指令操控導(dǎo)致的對象鎖閉，否則不修改

repIDofSamp。

4）進(jìn)路指令出清超過時間閾值后，自律機(jī)監(jiān)控指令關(guān)聯(lián)進(jìn)路的所有對象。如果對象的repIDofSamp與本指令的repID相同且非零（即該對象僅為本指令使用），對象為鎖閉或占用狀態(tài)，則認(rèn)為該區(qū)段存在殘留白光帶或紅光帶，自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。

3 方案驗證

搭建仿真測試環(huán)境，設(shè)計如下場景，驗證方案的有效性。

場景1 站場特定進(jìn)路在無排路操作的情況下，單獨對象由空閑變?yōu)殒i閉，或由空閑變?yōu)檎加?，且保持該狀態(tài)超過閾值時間時，由殘留白光帶監(jiān)控邏輯，或殘留紅光帶監(jiān)控邏輯判定是殘留光帶，向主控終端發(fā)送報警信息。

場景2 仿真搭建如圖4 所示的接車進(jìn)路（已刪除無關(guān)對象），進(jìn)路包含對象ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG。

圖4 仿真環(huán)境中X-ⅡG接車顯示

T1 時刻，進(jìn)路指令滿足時機(jī)自動觸發(fā)或人工觸發(fā)，向聯(lián)鎖發(fā)送排路命令，進(jìn)路指令變?yōu)椤坝|發(fā)中”， 自律機(jī)置ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG 的cmdIDofSamp為命令cmdID。圖4（a）為接車進(jìn)路靜態(tài)顯示。

T2時刻，進(jìn)路排路成功，ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG全部鎖閉，顯示進(jìn)路為鎖閉開放狀態(tài)，見圖4（b）。

T3 時刻，列車占用無岔ⅠAG，如圖4（c）所示，此時無殘留光帶，無報警。

T4時刻，列車占用進(jìn)路股道ⅡG，出清ⅠAG/1#/3#/7#，如圖4（d）所示，無殘留光帶，無報警。

如果列車僅占用進(jìn)路股道ⅡG，但ⅠAG 出清后變?yōu)殒i閉，或出清后變?yōu)檎加?，如圖4（e）所示，在ⅠAG 保持該狀態(tài)超過閾值時間后，自律機(jī)由殘留白光帶監(jiān)控邏輯，或殘留紅光帶監(jiān)控邏輯判定ⅠAG 存在殘留光帶，向主控終端發(fā)送報警信息。

場景3 以圖4 接車進(jìn)路X-ⅡG 為例：T1 時刻，進(jìn)路排路成功；T2 時刻，列車駛?cè)脒M(jìn)路；T3時刻，列車壓入3#道岔后，再壓入7#道岔和ⅡG 股道；T4 時刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔保持占用。在指令保持占用狀態(tài)時，無報警；指令出清后，由殘留指令光帶監(jiān)控邏輯判定3#道岔殘留，向主控終端發(fā)送報警信息。

場景4 以圖4 接車進(jìn)路X-ⅡG 為例：T1 時刻，進(jìn)路排路成功；T2 時刻，列車駛?cè)脒M(jìn)路；T3時刻，列車壓入1#道岔；T4 時刻，列車壓入3#道岔，但未壓實，導(dǎo)致3#道岔保持鎖閉狀態(tài)；T5 時刻，列車壓入7#道岔和ⅡG股道；T6時刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔始終保持鎖閉。在指令出清后，由殘留指令光帶監(jiān)控邏輯判定3#道岔光帶殘留，向主控終端發(fā)送報警信息。

場景5 在行調(diào)臺未向車站下發(fā)階段計劃的前提下，操作員在CTC 終端僅通過按鈕排列列車或調(diào)車進(jìn)路。在列/調(diào)車駛?cè)脒M(jìn)路后，如果存在場景3 或場景4 的問題，由于3#道岔不滿足前述3 種監(jiān)控報警條件，則方案存在漏報警缺陷。

場景6 站內(nèi)對象閃現(xiàn)紅光帶不足閾值時間即恢復(fù)空閑，則方案存在漏報警的缺陷。

分析以上場景，方案可以有效應(yīng)對場景1～4對應(yīng)的殘留光帶問題。至于場景5 中無行車計劃下的人工按鈕排路，或者場景6 中不影響行車前提下的軌道區(qū)段一定閾值內(nèi)的短暫閃爍，則可通過與運輸指揮人員溝通討論，由聯(lián)鎖系統(tǒng)保證設(shè)備運行正常，CTC系統(tǒng)可不產(chǎn)生監(jiān)控報警輸出。

4 結(jié)論

針對CTC 系統(tǒng)中影響行車效率和安全的殘留光帶問題，車站自律機(jī)利用動靜態(tài)數(shù)據(jù)，建立進(jìn)路指令、排路命令與站場軌道區(qū)段（占用、鎖閉、空閑）狀態(tài)的鏈路關(guān)系，依靠站場對象的狀態(tài)預(yù)置以及對象狀態(tài)遷移監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)殘留光帶監(jiān)控功能。仿真試驗表明，方案在CTC 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，能夠有效應(yīng)對各場景下的殘留光帶問題，提升行車計劃兌現(xiàn)效率，保障行車安全和行車效率，滿足預(yù)期目標(biāo)。后續(xù)考慮建立一定區(qū)域內(nèi)站內(nèi)軌道區(qū)段狀態(tài)聯(lián)動機(jī)制，并逐步降低光帶殘留時間閾值，完善對軌道區(qū)段閃紅或閃白的監(jiān)控功能。