趙 鵬，耿 鵬

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

城市軌道交通中CBTC系統(tǒng)(communication based train control，基于通信的列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)了車(chē)-地雙向、實(shí)時(shí)、大容量的數(shù)據(jù)傳輸，在保證運(yùn)行安全的基礎(chǔ)上，提升了運(yùn)營(yíng)效率。CBTC信號(hào)系統(tǒng)中車(chē)載控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng) VOBC)通過(guò)速度傳感器和雷達(dá)實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算列車(chē)位置[1]，將位置信息周期性地發(fā)送給地面區(qū)域控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng) ZC)，ZC根據(jù)列車(chē)位置信息，并結(jié)合計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(以下簡(jiǎn)稱(chēng)CI)提供的站場(chǎng)信息實(shí)現(xiàn)列車(chē)追蹤。當(dāng)車(chē)地通信故障導(dǎo)致ZC無(wú)法獲取列車(chē)位置信息時(shí)，ZC依賴(lài)CI發(fā)送的計(jì)軸占用狀態(tài)判斷列車(chē)占用位置，作為對(duì)位置報(bào)告檢測(cè)方法的有效補(bǔ)充，提高了系統(tǒng)的可用性[2]。

ZC計(jì)算列車(chē)占用位置時(shí)，不能直接使用 VOBC發(fā)送的位置信息，必須考慮VOBC與ZC、CI與ZC之間存在的通信延時(shí)以及信息不同步問(wèn)題。目前主流的實(shí)現(xiàn)方法是ZC收到VOBC發(fā)送的位置信息后，將VOBC與ZC間最大通信延時(shí)時(shí)間內(nèi)估計(jì)的列車(chē)運(yùn)行距離，以及列車(chē)退行時(shí)產(chǎn)生的尾部最大可能位置，作為該列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍[3]。當(dāng)車(chē)地通信中斷后，ZC若收到CI發(fā)送的計(jì)軸區(qū)段為占用狀態(tài)，需考慮CI與ZC之間存在通信延時(shí)，不能認(rèn)為非通信列車(chē)一定在“占用”的計(jì)軸上，也可能在前方或后方相鄰“空閑”的計(jì)軸上，此時(shí)，“占用”計(jì)軸和“空閑”計(jì)軸均是列車(chē)可能的運(yùn)行范圍。后方CBTC列車(chē)進(jìn)行追蹤時(shí)，移動(dòng)授權(quán)不能延伸進(jìn)入“空閑”的計(jì)軸內(nèi)。該方法在判斷列車(chē)占用位置時(shí)保證了安全性，但一方面存在列車(chē)占用位置計(jì)算精度低的問(wèn)題，尤其是CBTC混跑模式下效率較低，難以適應(yīng)更小間隔、更高速度的線(xiàn)路應(yīng)用需求[4]；另一方面存在可能將計(jì)軸設(shè)備故障(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ARB)識(shí)別為非通信列車(chē)占用的問(wèn)題。因此，現(xiàn)提出一種新方法實(shí)現(xiàn)列車(chē)占用位置判斷，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

1 軌旁控制設(shè)備融合

在目前設(shè)備分離設(shè)計(jì)的情況下，分布式“串聯(lián)”通信會(huì)給系統(tǒng)造成不利影響。以計(jì)軸占用狀態(tài)傳輸為例。ZC獲取計(jì)軸狀態(tài)信息需要經(jīng)歷計(jì)軸繼電信號(hào)采集時(shí)間、CI驅(qū)采單元采集時(shí)間、CI驅(qū)采單元至邏輯部通信時(shí)間、CI邏輯部處理時(shí)間、CI以太網(wǎng)板至ZC邏輯部時(shí)間，時(shí)間累計(jì)可達(dá)到“秒”量級(jí)[5]。

設(shè)備間存在通信延時(shí)是判斷列車(chē)占用位置必須考慮的因素，由于軌旁設(shè)備控制方式分離，缺乏統(tǒng)一的時(shí)鐘基準(zhǔn)，因此若要提高列車(chē)占用位置判斷精度，必須盡可能減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。軌旁控制設(shè)備ZC實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的連續(xù)式控制，CI實(shí)現(xiàn)后備模式控制，這兩個(gè)設(shè)備從對(duì)外接口以及功能上具備融合的條件[6]，因此將ZC與CI進(jìn)行融合，稱(chēng)為新型區(qū)域控制器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCS)。設(shè)備融合后，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)構(gòu)造與接口，促使原分配在不同設(shè)備上的系統(tǒng)功能更加協(xié)調(diào)，ZC與CI之間的通信延時(shí)消失，計(jì)軸設(shè)備的傳輸延時(shí)僅存在于繼電信號(hào)采集與TCS邏輯部之間，現(xiàn)基于ZC和CI設(shè)備融合基礎(chǔ)上，對(duì)列車(chē)占用位置判斷方法進(jìn)一步分析。

2 列車(chē)占用位置判斷

當(dāng)TCS與VOBC通信正常時(shí)，TCS采用 VOBC發(fā)送的位置報(bào)告信息進(jìn)行列車(chē)追蹤；當(dāng)TCS與VOBC通信中斷后，TCS無(wú)法獲取列車(chē)位置，需要依靠計(jì)軸占用狀態(tài)進(jìn)行位置判斷[7]。因此對(duì)通信列車(chē)和非通信列車(chē)的占用位置判斷方法分別進(jìn)行闡述。

2.1 通信列車(chē)

當(dāng)VOBC向TCS匯報(bào)位置信息后，由于車(chē)地之間存在通信延時(shí)，TCS對(duì)該位置信息進(jìn)行處理時(shí)，列車(chē)可能已經(jīng)不在原來(lái)的位置，所以需要TCS在列車(chē)當(dāng)前位置的基礎(chǔ)上，向前或者向后延伸一段距離，作為列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍，使其他列車(chē)根據(jù)該包絡(luò)范圍進(jìn)行追蹤[8]，如圖 1所示。向后延伸的距離通常為最不利情況下列車(chē)退行距離，向前延伸的距離計(jì)算公式如下：

圖1 通信列車(chē)Figure 1 Communication Train

式中：ldis為列車(chē)的頭部最大可能位置；vmax為列車(chē)最高運(yùn)行速度；tvobc-tcs為車(chē)地最大通信延時(shí)時(shí)間。

2.2 非通信列車(chē)

若車(chē)地通信中斷導(dǎo)致 TCS無(wú)法獲取列車(chē)位置信息，則 TCS只能根據(jù)計(jì)軸占用狀態(tài)判斷列車(chē)占用位置?？紤]通信延時(shí)以及信息不同步問(wèn)題，對(duì)如下場(chǎng)景分別進(jìn)行考慮。

假設(shè)計(jì)軸占用狀態(tài)由繼電信號(hào)采集至 TCS邏輯部的延時(shí)為tstde，列車(chē)最高運(yùn)行速度為vmax，列車(chē)最短車(chē)長(zhǎng)為ltrain，當(dāng)前占用的計(jì)軸長(zhǎng)度為lstde，列車(chē)懸垂長(zhǎng)度為lxc，TCS至VOBC最大通信延時(shí)時(shí)間為ttcs-vobe，列車(chē)緊急制動(dòng)加速度為aeb。

1) TCS與VOBC通信中斷前，TCS存儲(chǔ)了列車(chē)的位置信息和運(yùn)行方向，當(dāng)VOBC判斷通信中斷后施加緊急制動(dòng)并且停車(chē)，TCS應(yīng)考慮這段時(shí)間內(nèi)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行的距離。因此應(yīng)在存儲(chǔ)的最后有效位置信息基礎(chǔ)上向前和向后分別延伸一段距離，作為列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍，如圖2所示。向后延伸的距離通常為最不利情況下列車(chē)退行距離。向前延伸的距離計(jì)算公式為

圖2 通信列車(chē)降級(jí)Figure 2 Non-communication Train

2) 列車(chē)降級(jí)并且施加緊急制動(dòng)停下來(lái)之后，TCS無(wú)法確定該非通信列車(chē)的狀態(tài)，列車(chē)可能繼續(xù)前進(jìn)，也可能保持靜止，因此需要依靠計(jì)軸占用狀態(tài)判斷非通信列車(chē)的可能運(yùn)行范圍。如圖3所示，當(dāng)非通信車(chē)所在計(jì)軸W2占用，相鄰計(jì)軸W1和W3均為空閑時(shí)，由于計(jì)軸設(shè)備繼電信號(hào)采集至 TCS邏輯部之間存在通信延時(shí)，列車(chē)實(shí)際位置可能在空閑的計(jì)軸內(nèi)。因此以W2左側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向后考慮最不利情況下列車(chē)退行距離，以W2右側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向前考慮獲取計(jì)軸設(shè)備占用狀態(tài)最大延時(shí)時(shí)間內(nèi)列車(chē)運(yùn)行距離vmax×tstde作為列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍。

圖3 非通信列車(chē)占?jí)阂粋€(gè)計(jì)軸Figure 3 A single axle counter occupied by a non-communication train

3) 當(dāng)非通信車(chē)?yán)^續(xù)前行順序占?jí)簝蓚€(gè)計(jì)軸時(shí)，如圖4和圖5所示，根據(jù)占?jí)喉樞颍瑢2定義為駛出計(jì)軸，W3定義為駛?cè)胗?jì)軸。對(duì)于駛?cè)胗?jì)軸W3，考慮列車(chē)最后輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W2，由于W2存在延時(shí)，TCS依然收到W2為占用狀態(tài)，因此非通信列車(chē)向前可能運(yùn)行范圍為

圖4 駛?cè)胗?jì)軸的可能運(yùn)行范圍Figure 4 The possible range of a driving-in axle counter

圖5 駛出計(jì)軸的可能運(yùn)行范圍Figure 5 The possible range of a driving-out axle counter

對(duì)于駛出計(jì)軸 W2，考慮列車(chē)第一輪對(duì)剛剛駛?cè)胗?jì)軸 W3，此時(shí)列車(chē)退行，由于W3存在延時(shí)，TCS依然收到W3為占用狀態(tài)，因此非通信車(chē)向后可能運(yùn)行范圍為

經(jīng)過(guò)Tstde時(shí)間后，若計(jì)軸W2和W3依然保持占用狀態(tài)，則TCS無(wú)法確定非通信列車(chē)的狀態(tài)，以W2左側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向后考慮最不利情況下列車(chē)退行距離，以W3右側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向前考慮獲取計(jì)軸設(shè)備占用狀態(tài)最大延時(shí)時(shí)間內(nèi)列車(chē)運(yùn)行距離vmax×tstde作為列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍。

4) 當(dāng) TCS收到駛?cè)胗?jì)軸為占用狀態(tài)，駛出計(jì)軸為空閑狀態(tài)時(shí)，如圖6所示。非通信列車(chē)最后輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸 W2至第一輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W3的時(shí)間為

圖6 列車(chē)完全駛?cè)胂乱挥?jì)軸Figure 6 The train fully driving into the next axle counter

考慮計(jì)軸 W2占用傳輸延時(shí)，最不利情況下TCS認(rèn)為非通信列車(chē)最后輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W2至第一輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W3的時(shí)間為

則從TCS收到計(jì)軸W2由占用狀態(tài)變?yōu)榭臻e狀態(tài)時(shí)刻，T2時(shí)間內(nèi)該非通信車(chē)向前一定不會(huì)超出計(jì)軸W3范圍，向后考慮列車(chē)最大退行距離，作為列車(chē)可能的運(yùn)行范圍。

5) 經(jīng)過(guò)T2時(shí)間后，TCS無(wú)法確定非通信列車(chē)的狀態(tài)，則以計(jì)軸W3的左側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向后考慮最不利情況下列車(chē)退行距離，以計(jì)軸W3的右側(cè)端點(diǎn)為起點(diǎn)，向前考慮計(jì)軸占用最大延時(shí)時(shí)間內(nèi)列車(chē)可能運(yùn)行范圍vmax×tstde作為列車(chē)最大可能的包絡(luò)范圍，如圖7所示。

圖7 非通信列車(chē)占?jí)阂粋€(gè)計(jì)軸Figure 7 Single axle counter occupied by a non-communication train

綜上所述，TCS以存儲(chǔ)的與VOBC通信中斷前的最后有效位置和運(yùn)行方向?yàn)榛鶞?zhǔn)，通過(guò)計(jì)軸設(shè)備的占用順序?qū)Ψ峭ㄐ帕熊?chē)的占用位置進(jìn)行管理，在保證安全性的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)效率。

3 方案對(duì)比

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)改進(jìn)方案與原方案進(jìn)行比較，其中，各延時(shí)參數(shù)取值為最大延時(shí)時(shí)間。計(jì)軸占用狀態(tài)由繼電信號(hào)采集至TCS邏輯部延時(shí)時(shí)間tstde=3 s；列車(chē)最高運(yùn)行速度vmax=33 m/s；最短運(yùn)營(yíng)列車(chē)車(chē)長(zhǎng)ltrain=60 m；計(jì)軸W1、W2、W3、W4的長(zhǎng)度均為lstde=500 m；列車(chē)懸垂長(zhǎng)度lxc=3.32 m；TCS至VOBC最大通信延時(shí)時(shí)間ttcs-vobc=6 s；列車(chē)緊急制動(dòng)減速度為aeb=1.2 m/s2；最不利情況下列車(chē)退行距離為15 m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)對(duì)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析。列車(chē)在計(jì)軸W2上以CBTC等級(jí)運(yùn)行時(shí)，向TCS發(fā)送的車(chē)尾和車(chē)頭的位置報(bào)告記為[(W2，30 m)，(W2，100 m)]，計(jì)軸偏移量按照從左向右方向描述，則考慮車(chē)地通信延時(shí)因素，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W2，15 m)，(W2，298 m)]。

當(dāng)發(fā)生車(chē)地通信中斷，記為T(mén)1時(shí)刻，TCS存儲(chǔ)的最后一包接口有效位置為[(W2，30 m)，(W2，100 m)]，列車(chē)施加緊急制動(dòng)并且停下來(lái)經(jīng)歷的時(shí)間Δt1=27.5 s。則考慮車(chē)地通信延時(shí)因素，當(dāng)TCS判斷通信中斷后，Δt1時(shí)間內(nèi)，計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W2，15 m)，(W3，251.75 m)]。

Δt1時(shí)間后，記為t2時(shí)刻，若計(jì)軸 W3保持為空閑狀態(tài)，則考慮計(jì)軸占用采集延時(shí)因素，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W1，485 m)，(W3，99 m)]。

非通信車(chē)?yán)^續(xù)前行至同時(shí)占?jí)篧2和W3，記為t3時(shí)刻，則在計(jì)軸出清采集最大延時(shí)時(shí)間 3 s內(nèi)，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W2，428.32 m)，(W3，155.68 m)]。

經(jīng)過(guò)計(jì)軸出清采集最大延時(shí)時(shí)間后，記為t4時(shí)刻，若計(jì)軸W2和W3依然保持占用狀態(tài)，則列車(chē)可能停在該位置或者計(jì)軸故障占用。從安全角度考慮，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍可為[(W1，485 m)，(W4，99 m)]。

非通信車(chē)?yán)^續(xù)前行至W2空閑時(shí)，記為t5時(shí)刻。則非通信列車(chē)最后輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W2至第一輪對(duì)剛剛駛出計(jì)軸W3的時(shí)間Δt2=10.5 s。Δt2時(shí)間內(nèi)，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W3，0 m)，(W3，500 m)]。

Δt2時(shí)間后，記為t6時(shí)刻，TCS無(wú)法確定非通信車(chē)的狀態(tài)，則考慮計(jì)軸占用采集延時(shí)因素，TCS計(jì)算的列車(chē)包絡(luò)范圍為[(W2，485 m)，(W4，99 m)]，重復(fù)上述t2時(shí)刻過(guò)程。

當(dāng)計(jì)軸 W4占用時(shí)，記為t7時(shí)刻，重復(fù)上述t3時(shí)刻過(guò)程，以此類(lèi)推。

上述為通信列車(chē)降級(jí)至非通信列車(chē)順序走行的完整周期。對(duì)于正常通信列車(chē)，原方案和改進(jìn)方案對(duì)列車(chē)占用位置判斷無(wú)區(qū)別。列車(chē)降級(jí)后，原方案將非通信車(chē)占用計(jì)軸以及前后相鄰計(jì)軸均作為列車(chē)可能占用位置，改進(jìn)方案明顯提高了列車(chē)占用位置精度。對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)占?jí)悍秶鷮?duì)比Table 1 Comparison of train occupation ranges m

表1中，“占?jí)悍秶敝傅氖橇熊?chē)可能占用位置的區(qū)間長(zhǎng)度。在計(jì)軸長(zhǎng)度均為500 m情況下，改進(jìn)方案對(duì)列車(chē)占用位置的判斷精度提高了44.3%。列車(chē)占用位置精度提高后，后方CBTC列車(chē)追蹤間隔更加緊密，同時(shí)可以提高計(jì)軸ARB判斷準(zhǔn)確度。其中，后車(chē)MA安全防護(hù)點(diǎn)回縮距離和計(jì)軸ARB判斷對(duì)比分別見(jiàn)表2和表3。

表2 MA 回縮距離對(duì)比Table 2 Comparison of movement authority retraction distances m

表3 ARB 判斷對(duì)比Table 3 Comparison of ARB justification

表2中，“MA回縮距離”指的是后方CBTC列車(chē)MA安全防護(hù)點(diǎn)距離前方第一個(gè)非通信車(chē)占用計(jì)軸的距離。原方案中，后車(chē)MA安全防護(hù)點(diǎn)與前方非通信車(chē)占用計(jì)軸間隔一個(gè)空閑計(jì)軸。改進(jìn)方案后，后車(chē)MA安全防護(hù)點(diǎn)可延伸進(jìn)入非通信車(chē)占用計(jì)軸，為了防止發(fā)生MA回縮，可統(tǒng)一將后車(chē)MA安全防護(hù)點(diǎn)延伸到前方第一個(gè)非通信車(chē)占用計(jì)軸入口處，并回縮列車(chē)最大退行距離。

表3中，“ARB判斷”指的是能否識(shí)別計(jì)軸故障占用狀態(tài)。通過(guò)方案對(duì)比，改進(jìn)方案可提高 ARB判斷的準(zhǔn)確度，提高系統(tǒng)的可用性。

4 思考與展望

在判斷非通信列車(chē)的可能占用位置時(shí)，受通信延時(shí)影響，現(xiàn)有技術(shù)方案中將占用計(jì)軸的兩側(cè)空閑計(jì)軸均作為非通信列車(chē)可能運(yùn)行范圍，現(xiàn)對(duì)該方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了非通信列車(chē)占用位置的精細(xì)化管理方法，一方面可提高列車(chē)追蹤效率，另一方面可提高計(jì)軸ARB判斷的準(zhǔn)確度[9-10]；提出將ZC和CI設(shè)備進(jìn)行融合，主要是為了減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，即使分離控制，計(jì)算方法依然適用。除此之外，在闡述列車(chē)降級(jí)時(shí)，僅考慮了網(wǎng)絡(luò)通信中斷原因和一列CBTC車(chē)降級(jí)的場(chǎng)景，從安全角度考慮，ZC認(rèn)為列車(chē)降級(jí)時(shí)刻至VOBC真正降級(jí)，還應(yīng)考慮雙向通信延時(shí)時(shí)間。比如VOBC->ZC方向數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生阻塞，ZC->VOBC方向數(shù)據(jù)鏈路正常，則ZC判斷通信中斷后，VOBC仍需等待通信超時(shí)時(shí)間后才會(huì)真正降級(jí)，因此公式(2)應(yīng)考慮2倍車(chē)地通信超時(shí)時(shí)間。當(dāng)一個(gè)計(jì)軸內(nèi)同時(shí)存在多列CBTC車(chē)降級(jí)時(shí)，位置管理更為復(fù)雜，從安全角度考慮，此場(chǎng)景可按原方案處理。因此，對(duì)列車(chē)占用位置的精細(xì)化管理還需要進(jìn)行更深入地研究。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通CBTC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了列車(chē)移動(dòng)閉塞模式追蹤，提高了列車(chē)運(yùn)營(yíng)效率，但是也存在一定的問(wèn)題。如何進(jìn)一步提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)速度，設(shè)備故障后如何降低對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響等，是需要考慮的問(wèn)題。筆者從軌旁控制設(shè)備融合以降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，列車(chē)降級(jí)后精細(xì)化管理列車(chē)占用位置兩個(gè)方面進(jìn)行了闡述，對(duì)提升CBTC系統(tǒng)的可靠性與可用性具有一定的參考價(jià)值。