劉江謝鯤

CBTC系統(tǒng)在車(chē)站保護(hù)區(qū)段的解鎖優(yōu)化方案

劉江謝鯤

（卡斯柯信號(hào)有限公司，200071，上海//第一作者，工程師）

在基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）中，保護(hù)區(qū)段的設(shè)置在保障列車(chē)安全停車(chē)、提高運(yùn)營(yíng)效率方面有著重要的作用。為此，在分析保護(hù)區(qū)段CBTC功能實(shí)現(xiàn)及解鎖方式的基礎(chǔ)上，基于項(xiàng)目實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段，以及增加站臺(tái)區(qū)域點(diǎn)式列車(chē)自動(dòng)防護(hù)模式下車(chē)載設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備間無(wú)線通信接口的優(yōu)化方案，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)區(qū)段解鎖的優(yōu)化。

基于通信的列車(chē)控制；點(diǎn)式列車(chē)自動(dòng)防護(hù)；保護(hù)區(qū)段；解鎖優(yōu)化

Author′s addressCASCO Signal Ltd.，200071，Shanghai，China

列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，直接影響到軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全和效率，而基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng)（CBTC）目前已成為城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)的主流制式。實(shí)踐證明，CBTC系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用大大提高了列車(chē)的運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)顯著降低了列車(chē)的運(yùn)營(yíng)間隔，提高了運(yùn)營(yíng)效率。

在CBTC系統(tǒng)中，由于站臺(tái)區(qū)域的土建條件限制，車(chē)載列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（ATO）系統(tǒng)控制曲線的制動(dòng)點(diǎn)只能設(shè)置在出站信號(hào)機(jī)前方，導(dǎo)致車(chē)載列車(chē)自動(dòng)防護(hù)（ATP）系統(tǒng)防護(hù)曲線的安全制動(dòng)點(diǎn)必須延伸至出站信號(hào)機(jī)外方（如果信號(hào)機(jī)位置與ATO制動(dòng)點(diǎn)之間的距離大于保護(hù)區(qū)段的最大長(zhǎng)度，可不用設(shè)置在信號(hào)機(jī)外方）。車(chē)載ATO控制曲線的制動(dòng)點(diǎn)與車(chē)載ATP防護(hù)曲線的安全制動(dòng)點(diǎn)之間的距離稱(chēng)為保護(hù)距離。保護(hù)距離在聯(lián)鎖系統(tǒng)中是以軌道電路區(qū)段或者計(jì)軸區(qū)段來(lái)表示的，因此稱(chēng)為保護(hù)區(qū)段。

1 保護(hù)區(qū)段的功能實(shí)現(xiàn)

CBTC系統(tǒng)關(guān)于保護(hù)區(qū)段的設(shè)置主要是為了實(shí)現(xiàn)以下3項(xiàng)功能。

（1）列車(chē)冒進(jìn)信號(hào)機(jī)時(shí)的安全防護(hù)。出站信號(hào)機(jī)通常設(shè)置于ATO制動(dòng)點(diǎn)和ATP安全制動(dòng)點(diǎn)之間，因此，在非正常情況下（列車(chē)闖紅燈后），保護(hù)區(qū)段依然能防護(hù)列車(chē)的運(yùn)行安全（通過(guò)檢查道岔鎖閉在規(guī)定位置、保護(hù)區(qū)段空閑等聯(lián)鎖條件來(lái)實(shí)現(xiàn)）。

（2）使列車(chē)運(yùn)行可以靠近信號(hào)機(jī)。通常情況下，列車(chē)的ATO制動(dòng)點(diǎn)即為運(yùn)營(yíng)的停車(chē)點(diǎn)，該停車(chē)點(diǎn)設(shè)置在出站信號(hào)機(jī)前方。如果不設(shè)置保護(hù)區(qū)段，則ATP防護(hù)曲線的安全制動(dòng)點(diǎn)必須設(shè)置在信號(hào)機(jī)前方，導(dǎo)致列車(chē)在正常工況下不能靠近出站信號(hào)機(jī)。

（3）車(chē)門(mén)與站臺(tái)屏蔽門(mén)的精確對(duì)準(zhǔn)。有了保護(hù)區(qū)段的存在，當(dāng)列車(chē)在接近出站信號(hào)機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)與站臺(tái)屏蔽門(mén)的精確對(duì)準(zhǔn)，保證乘客安全高效地上下列車(chē)。

2 保護(hù)區(qū)段的解鎖策略

從保護(hù)區(qū)段的功能實(shí)現(xiàn)可知，CBTC系統(tǒng)保護(hù)區(qū)段的設(shè)置主要是為列車(chē)安全、精準(zhǔn)地停在站臺(tái)區(qū)域而服務(wù)的，因此保護(hù)區(qū)段須在列車(chē)進(jìn)入進(jìn)路前提前設(shè)置。提前設(shè)置保護(hù)區(qū)段一般有兩種方式：通過(guò)列車(chē)占用其觸發(fā)區(qū)段提前辦理設(shè)置保護(hù)區(qū)段并鎖閉（其過(guò)程包括列車(chē)占用檢測(cè)、列車(chē)運(yùn)行方向檢測(cè)、保護(hù)區(qū)段空閑檢測(cè)、無(wú)敵對(duì)進(jìn)路建立、檢測(cè)道岔位置正確、操作道岔并鎖閉、開(kāi)放進(jìn)路始端信號(hào)）；通過(guò)辦理進(jìn)路時(shí)順帶設(shè)置保護(hù)區(qū)段并鎖閉。

當(dāng)保護(hù)區(qū)段建立后，需要對(duì)其進(jìn)行解鎖。保護(hù)區(qū)段的解鎖通常會(huì)設(shè)置一個(gè)解鎖延時(shí)，類(lèi)似于接近鎖閉區(qū)段的解鎖延時(shí)。該解鎖延時(shí)可以保證列車(chē)以最大速度在不采取緊急制動(dòng)的情況下安全停車(chē)。保護(hù)區(qū)段的解鎖可通過(guò)列車(chē)停穩(wěn)信息或通過(guò)列車(chē)出清站臺(tái)區(qū)段檢查來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 通過(guò)列車(chē)停穩(wěn)信息解鎖

在CBTC運(yùn)營(yíng)模式下，當(dāng)列車(chē)在站臺(tái)區(qū)域（停車(chē)區(qū)段）停穩(wěn)后，此時(shí)保護(hù)區(qū)段可正常解鎖，其過(guò)程為：安裝于輪軸的速度傳感器將列車(chē)停穩(wěn)信息傳送至車(chē)載ATP，車(chē)載ATP將列車(chē)停穩(wěn)信息通過(guò)無(wú)線車(chē)地通信傳送至區(qū)域控制器，區(qū)域控制器將該信息傳送至聯(lián)鎖系統(tǒng)；聯(lián)鎖一旦收到該停穩(wěn)信息，立即中斷保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)（該解鎖延時(shí)在列車(chē)進(jìn)入停車(chē)區(qū)段開(kāi)始觸發(fā)），并將保護(hù)區(qū)段禁止?fàn)顟B(tài)信息傳遞至車(chē)載ATP，車(chē)載ATP重新計(jì)算防護(hù)曲線的移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)，同時(shí)解鎖保護(hù)區(qū)段。當(dāng)列車(chē)出清停車(chē)區(qū)段后，后續(xù)列車(chē)可繼續(xù)觸發(fā)該保護(hù)區(qū)段的建立。解鎖過(guò)程如圖1所示。

圖1中所示的保護(hù)區(qū)段解鎖是列車(chē)正常運(yùn)營(yíng)情況下的解鎖流程。當(dāng)CBTC模式不可用時(shí)，列車(chē)通過(guò)點(diǎn)式ATP模式降級(jí)運(yùn)行，此時(shí)由于車(chē)載ATP無(wú)法將列車(chē)停穩(wěn)信息傳給聯(lián)鎖系統(tǒng)，因此，保護(hù)區(qū)段的解鎖只有在解鎖延時(shí)結(jié)束、停車(chē)區(qū)段占用、保護(hù)區(qū)段空閑這3個(gè)條件同時(shí)滿足后才能進(jìn)行。點(diǎn)式ATP模式下的保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)通常會(huì)比CBTC模式下的延時(shí)更長(zhǎng)，以保證列車(chē)即使在非正常情況下闖入保護(hù)區(qū)段時(shí)，保護(hù)區(qū)段的道岔仍保持在鎖閉狀態(tài)或者敵對(duì)進(jìn)路不會(huì)建立，但這也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)效率的降低。

2.2 通過(guò)列車(chē)出清站臺(tái)區(qū)段解鎖

當(dāng)列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控（ATS）系統(tǒng)對(duì)列車(chē)設(shè)置甩站作業(yè)時(shí)（即車(chē)站跳停作業(yè)），列車(chē)在站臺(tái)區(qū)域不停車(chē)運(yùn)行。這種情況下聯(lián)鎖不能通過(guò)列車(chē)停穩(wěn)信息來(lái)對(duì)保護(hù)區(qū)段進(jìn)行解鎖，此時(shí)保護(hù)區(qū)段的解鎖需根據(jù)列車(chē)占用出清進(jìn)路的三點(diǎn)檢查方式來(lái)進(jìn)行解鎖：當(dāng)列車(chē)順序占用并出清站臺(tái)區(qū)段（停車(chē)區(qū)段），在對(duì)站臺(tái)區(qū)段實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)檢查后，站臺(tái)區(qū)段解鎖，同時(shí)保護(hù)區(qū)段即可實(shí)現(xiàn)解鎖，后續(xù)列車(chē)可繼續(xù)觸發(fā)該保護(hù)區(qū)段的建立。解鎖過(guò)程如圖2所示。

3 保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案

圖1 列車(chē)CBTC模式下保護(hù)區(qū)段解鎖過(guò)程

圖2 保護(hù)區(qū)段三點(diǎn)檢查解鎖過(guò)程

通過(guò)分析保護(hù)區(qū)段的解鎖方式，可知在不考慮跳停作業(yè)的前提下，保護(hù)區(qū)段的解鎖延時(shí)過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間停留在站臺(tái)區(qū)域，影響列車(chē)運(yùn)營(yíng)間隔，使運(yùn)營(yíng)效率降低。因此，在確保列車(chē)運(yùn)行安全的前提下，為了優(yōu)化保護(hù)區(qū)段的解鎖延時(shí)，本文根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，提出以下解鎖方案。

3.1 設(shè)置保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段

類(lèi)似于進(jìn)路取消中的接近區(qū)段概念，可對(duì)保護(hù)區(qū)段設(shè)置其解鎖接近區(qū)段。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入解鎖接近區(qū)段前的觸發(fā)區(qū)段，可提前觸發(fā)保護(hù)區(qū)段的解鎖延時(shí)。

3.1.1 保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)的計(jì)算

點(diǎn)式ATP模式下，保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度主要由線路中3個(gè)信標(biāo)之間的最長(zhǎng)距離除以列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度，并加上最大停站時(shí)間組成。現(xiàn)以某城市軌道交通為例進(jìn)行說(shuō)明。

假設(shè)：TJS為保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)；DB=2400 m為線路中3個(gè)連續(xù)信標(biāo)之間的最長(zhǎng)距離；VO=55 km/ h為列車(chē)平均運(yùn)營(yíng)速度（含站內(nèi)）；最大停站時(shí)間45 s。因此有TJS=DB/VO+45 s=2 400 s/（55/3.6）+ 45 s=202 s，即列車(chē)在點(diǎn)式ATP模式下在站臺(tái)需額外停車(chē)157 s（減去停站時(shí)間），之后當(dāng)保護(hù)區(qū)段解鎖后，才可允許設(shè)置列車(chē)進(jìn)路。

3.1.2 保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段設(shè)置

保護(hù)區(qū)段解鎖的接近區(qū)段長(zhǎng)度包括：①列車(chē)（最大占用檢測(cè)的傳輸與處理延時(shí)）以最大限速所走行的距離；②列車(chē)最不利條件下的常規(guī)制動(dòng)距離；③一定的安全距離。

假設(shè)：TRc=4.1 s，為計(jì)軸設(shè)備檢測(cè)到列車(chē)占用信標(biāo)并將該列車(chē)占用信息傳遞給聯(lián)鎖計(jì)算機(jī)的傳輸與處理延時(shí)；Vmax=100 km/h，為列車(chē)最大限速；a=1 m/s2，為常規(guī)制動(dòng)減速度；DYL=20 m，為安全余量距離；DJS為保護(hù)區(qū)段解鎖的接近區(qū)段長(zhǎng)度。則DJS=TYC·Vmax+（Vmax）2/2a+DYL=520 m。

如圖3所示，保護(hù)區(qū)段解鎖的接近區(qū)段長(zhǎng)度覆蓋了T2、T3、T43個(gè)計(jì)軸區(qū)段，該接近區(qū)段長(zhǎng)度的起始點(diǎn)即為保護(hù)區(qū)段解鎖的最后觸發(fā)點(diǎn)。在該最后觸發(fā)點(diǎn)之前，可設(shè)置T1計(jì)軸區(qū)段為保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段。當(dāng)列車(chē)占用該觸發(fā)區(qū)段后，保護(hù)區(qū)段解鎖延時(shí)TJS開(kāi)始倒計(jì)時(shí)?，F(xiàn)已知T1、T2、T3、T44個(gè)計(jì)軸區(qū)段的總長(zhǎng)度為1 900 m，則列車(chē)從占用觸發(fā)區(qū)段始至列車(chē)在站臺(tái)停車(chē)時(shí)，TJS的倒計(jì)時(shí)間為T(mén)JSYH（TJSYH＜TJS），TJSYH=1 900 s/（55/3.6）-4.1 s=120 s。因此，列車(chē)在站內(nèi)的額外停車(chē)時(shí)間為37 s（減去停站時(shí)間45 s），明顯縮短了列車(chē)運(yùn)營(yíng)間隔。

3.2 增加車(chē)載ATP與聯(lián)鎖的無(wú)線通信接口

圖3 保護(hù)區(qū)段解鎖的接近區(qū)段長(zhǎng)度及觸發(fā)區(qū)段計(jì)算

在CBTC模式下，車(chē)載ATP設(shè)備與軌旁設(shè)備的車(chē)地通信主要通過(guò)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）來(lái)實(shí)現(xiàn)，而點(diǎn)式ATP模式僅作為CBTC系統(tǒng)的后備模式，其車(chē)地通信是通過(guò)信標(biāo)來(lái)進(jìn)行非連續(xù)式的單向信息傳輸（來(lái)自聯(lián)鎖的信息通過(guò)軌旁電子單元由有源信標(biāo)傳遞至車(chē)載設(shè)備）。因此，當(dāng)列車(chē)在站臺(tái)區(qū)段停穩(wěn)后，無(wú)法將停穩(wěn)信息從車(chē)載ATP傳遞給聯(lián)鎖系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)式ATP模式下將列車(chē)停穩(wěn)信息傳遞給聯(lián)鎖系統(tǒng)，可在站臺(tái)區(qū)域增加車(chē)載ATP設(shè)備與聯(lián)鎖的無(wú)線通信信道。該通信信道可在CBTC系統(tǒng)的DCS中增加雙向通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)列車(chē)占用停車(chē)區(qū)段后，觸發(fā)解鎖延時(shí)TJS開(kāi)始倒計(jì)時(shí)。假設(shè)：停車(chē)區(qū)段長(zhǎng)度為149 m，站內(nèi)列車(chē)平均速度VCZ=20 km/h，則TJSYH=149 s/（20/3.6）-4.1 s=23 s。

當(dāng)列車(chē)停穩(wěn)后，車(chē)載ATP通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備向聯(lián)鎖發(fā)送列車(chē)停穩(wěn)信息。當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)在檢查保護(hù)區(qū)段空閑、停車(chē)區(qū)段占用等解鎖條件滿足時(shí)，終止解鎖延時(shí)，同時(shí)解鎖保護(hù)區(qū)段，此時(shí)解鎖延時(shí)倒計(jì)時(shí)間為28 s。

從車(chē)載ATP發(fā)送停穩(wěn)信息至保護(hù)區(qū)段解鎖，其通信延時(shí)與處理延時(shí)共為7 s，且可被停站時(shí)間（45 s）覆蓋，因此運(yùn)營(yíng)效率大大地提高。解鎖過(guò)程如圖4所示。

3.3 優(yōu)化方案對(duì)比

兩種保護(hù)區(qū)段解鎖的優(yōu)化方案比較如表1所示。

表1 不同優(yōu)化方案的保護(hù)區(qū)段解鎖時(shí)間對(duì)比s

圖4 點(diǎn)式ATP模式下保護(hù)區(qū)段快速解鎖

4 結(jié)語(yǔ)

若采取設(shè)置保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段方案來(lái)實(shí)現(xiàn)解鎖延時(shí)的提前觸發(fā)，可在一定程度上減小解鎖延遲時(shí)間。而采取點(diǎn)式ATP模式下增加車(chē)載設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備之間無(wú)線通信接口來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)停穩(wěn)信息的傳遞，可顯著地提高保護(hù)區(qū)段解鎖效率。

增加車(chē)載設(shè)備與聯(lián)鎖設(shè)備的無(wú)線通信接口在實(shí)現(xiàn)成本上比設(shè)置保護(hù)區(qū)段解鎖的觸發(fā)區(qū)段要高，因此，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況靈活采用不同的解鎖優(yōu)化方案。

［1］黃克勇.城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)中4種接近區(qū)段的定義和計(jì)算［J］.城市軌道交通研究，2015，18（5）：53-55.

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Optimum Scheme of Overlap Releasing in Urban Rail Transit CBTC System

LIU Jiang，XIE Kun

In CBTC，the overlap design plays a very important role in the guarantee of train safety stopping and the operation efficiency improvement.Based on an analysis of overlap function and releasing strategy，an optimum scheme of overlap releasing triggering section is designed according to the experiences of practical project，the radio interface between spot transmission ATP on-board equipment and interlocking equipment in station region is added，aiming to implement the overlap releasing optimization.

communication based train control(CBTC)；spot transmission automatic train protection(ATP)；overlap；releasing optimization

U284.44

10.16037/j.1007-869x.2017.08.012

2015-09-14）