朱志偉 李 聰

(廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，510010，廣州∥第一作者，高級工程師)

目前，CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)屬于城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流制式，而其聯(lián)鎖系統(tǒng)在CBTC系統(tǒng)中主要負責(zé)管理軌旁信號設(shè)備，通過進路控制與ATP(列車自動防護)相結(jié)合，共同實現(xiàn)列車運行的安全防護。近年來迅速發(fā)展的基于車車通信的TACS(列車自主運行系統(tǒng))，通過增強列車車載設(shè)備功能并增加列車之間的通信接口，實現(xiàn)線路列車群的分散自律運行，突破了既有CBTC系統(tǒng)的地面集中控制方式。TACS具有系統(tǒng)架構(gòu)精簡、信息傳輸實時性高、系統(tǒng)能力強等優(yōu)質(zhì)特點，將既有聯(lián)鎖系統(tǒng)的進路控制方式轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源管理方式，大幅精簡軌旁設(shè)備，由地面執(zhí)行單元、資源管理設(shè)備、列車車載設(shè)備協(xié)同進行線路資源管理，完成列車運行路徑的安全防護。

1 城市軌道交通聯(lián)鎖進路與線路資源化理念

城市軌道交通聯(lián)鎖系統(tǒng)主要實現(xiàn)道岔、信號機、軌道區(qū)段間正確聯(lián)鎖關(guān)系及進路控制，通過次級檢測設(shè)備檢測列車位置，并基于列車位置的3點檢查完成聯(lián)鎖進路的解鎖，如圖1所示。根據(jù)IEEE Std 1474.4—2011 IEEE Recommended Practice for Functional Testing of a Communications-Based Train Control(CBTC)System，CBTC系統(tǒng)提供的聯(lián)鎖功能包括進路接近鎖閉、進路占用鎖閉、道岔區(qū)段占用鎖閉和區(qū)段解鎖等。CBTC系統(tǒng)中，ATP子系統(tǒng)計算移動授權(quán)，并基于已排列的進路范圍進行移動授權(quán)延伸。CBTC系統(tǒng)中為保證通信列車速度曲線連續(xù)性存在進路重疊情形，位于同一進路中的列車由移動授權(quán)保證列車安全運行間隔。

圖1 城市軌道交通聯(lián)鎖進路示意圖Fig.1 Interlocking route diagram of urban rail transit

CBTC系統(tǒng)是位于地面的一個獨立系統(tǒng)，聯(lián)鎖與CBTC系統(tǒng)通過接口實現(xiàn)CBTC模式下的進路功能。聯(lián)鎖系統(tǒng)的功能包括進路控制、信號控制、道岔控制等。行車安全防護主要由ATP設(shè)備實現(xiàn)。

進一步對CBTC模式下的聯(lián)鎖進路邏輯進行分析。針對CBTC模式下的進路排列，一般只檢查進路內(nèi)部第1個區(qū)段的空閑條件。聯(lián)鎖表對于行車安全的防護主要體現(xiàn)在道岔正確鎖閉、敵對信號關(guān)閉，其他聯(lián)鎖條件滿足如站臺門關(guān)閉、緊急停車按鈕未按下等情況。CBTC模式下對于較長的物理區(qū)段，可進一步分解為若干邏輯區(qū)段，實現(xiàn)CBTC進路的快速響應(yīng)。針對聯(lián)鎖模式下的進路，需對其檢查整個進路范圍內(nèi)所有區(qū)段的空閑狀態(tài)。CBTC系統(tǒng)允許進路重疊覆蓋，通信列車的行車憑證源于車站設(shè)備而不再依賴于信號機顯示。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展以及車地?zé)o線通信可靠性的提高，CBTC系統(tǒng)可考慮擺脫對聯(lián)鎖的依賴，通過對線路組成元素進行分解，提取必要的組成元素構(gòu)成線路資源，并對線路資源重新整合，建立線路資源的使用邏輯，實現(xiàn)列車對于線路資源的有序占用，從而達到與聯(lián)鎖進路一致的安全防護目的。在無岔區(qū)段，列車可通過獲取前行列車信息進行間隔防護;在道岔區(qū)域，基于列車的連續(xù)定位信息控制道岔位置，解決列車在岔區(qū)可能發(fā)生的沖突場景。

相比于進路控制方式，線路資源管理方式通過合理利用線路元素，簡化復(fù)雜的物理區(qū)段劃分，著重處理具有沖突關(guān)系的線路資源。

2 線路資源管理方案研究

2.1 線路資源劃分

基于線路資源化理念，分析線路上的主要組成元素，并按專業(yè)進行分類，如表1所示。

表1 城市軌道交通線路元素分類Tab.1 Rail transit line element classification

表1中，對于線路軌道元素，由于TACS系統(tǒng)不依賴軌道區(qū)段次級檢測設(shè)備，不存在物理區(qū)段劃分，影響行車的主要元素為標(biāo)志線路起終點的車擋，以及影響運行方向的道岔，須將這兩種元素納入線路資源管理。車擋狀態(tài)相對固定，而線路道岔具有定位、反位、四開等3種狀態(tài)。道岔區(qū)域是行車安全防護的重點，也是線路資源管理的重點。

站臺門、防淹門具有開、閉兩種狀態(tài)，站臺門、防淹門狀態(tài)均影響到行車安全，需將其納入線路資源管理。

信號設(shè)備均與行車安全相關(guān)，應(yīng)納入線路資源管理范圍，而TACS系統(tǒng)不依賴聯(lián)鎖設(shè)備，因此，信號設(shè)備中作為線路資源的設(shè)備不包括信號機和計軸器。

供電設(shè)施、通信設(shè)備及其他設(shè)備均屬于固定設(shè)施，正常工作狀態(tài)下與行車安全不存在直接聯(lián)系，可不納入線路資源管理。

綜上所述，參與行車安全防護的線路資源主要包括車擋、道岔、站臺門、防淹門以及信號設(shè)備。

2.2 線路資源管理

線路資源管理由地面線路資源管理設(shè)備結(jié)合車載ATP設(shè)備共同完成。線路資源管理設(shè)備作為資源分配的主體，通過接收列車的控制指令完成線路資源的申請、鎖定和釋放。線路資源狀態(tài)可初步分為3種狀態(tài):①資源空閑——表示資源未被分配，可申請狀態(tài);②資源鎖定——表示資源已分配給列車;③資源故障——表示資源故障，須恢復(fù)后方可使用。

線路資源狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖2所示。

圖2 線路資源狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 State transition diagram of wayside infrastructure

從信號系統(tǒng)能力角度分析，線路資源分配應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)最大運行能力。針對圖2描述的線路資源狀態(tài)，可對資源鎖定狀態(tài)進一步劃分為資源共享鎖定狀態(tài)和資源獨占鎖定狀態(tài)。以圖3所述場景為例，為確保B車在A車出清站臺區(qū)域時可及時進站，B車應(yīng)能申請以道岔2作為進站保護區(qū)段，此時A車尚未釋放道岔2的資源，在這種場景中道岔2可由A車、B車共同使用，這種可由后續(xù)列車?yán)^續(xù)申請的資源鎖定形式為共享鎖定。

圖3 共享資源場景示意圖Fig.3 Shared resource scene diagram

對于資源獨占鎖定，鎖定資源僅可供已分配獨占資源的列車使用，在資源釋放前無法再分配給其他列車。以圖4 a)所述場景為例，設(shè)A車在車站進行站前折返作業(yè)，則A車申請道岔1、道岔2的獨占資源，資源申請成功后，后續(xù)B車無法再申請道岔2的資源;當(dāng)A車出清道岔2后，可釋放道岔2的資源(TACS取消聯(lián)鎖的聯(lián)動道岔形式，線路道岔均定義為單動形式)，此時道岔1的資源依舊由A車獨占，B車可申請道岔2的資源，如B車計劃經(jīng)道岔直向進站，可直接申請至車站內(nèi)停車所需的線路資源，如圖4 b)所示。

圖4 獨立資源場景示意圖Fig.4 Exclusive resource scene diagram

綜上在對資源鎖定場景進行分析的基礎(chǔ)上，對圖2中的線路資源鎖定狀態(tài)進行細化。如圖5所示，列車根據(jù)運行計劃自主確定申請的資源形式，對于已申請的共享鎖定資源可在資源釋放前繼續(xù)分配給其他列車，而獨占鎖定資源則需在資源釋放后方可另行分配。這種資源分配和釋放機制，主要依靠車載設(shè)備和地面線路資源管理設(shè)備配合實現(xiàn)，可大幅提高線路資源使用效率，有利于提升系統(tǒng)能力。

圖5 優(yōu)化后的線路資源狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.5 Optimized state transition diagram of wayside infrastructure

2.3 非通信列車的線路資源管理

TACS采用地面列車管理設(shè)備統(tǒng)一管理非通信列車，地面列車管理設(shè)備承擔(dān)非通信列車的線路資源申請功能。經(jīng)司機向行車調(diào)度員確認非通信列車位置，由行車調(diào)度員根據(jù)列車運行計劃，在人機界面輸入非通信列車位置、目的地等信息后，由列車管理設(shè)備為非通信列車申請當(dāng)前位置到目的地之間所需的線路資源。對于已分配的線路資源，經(jīng)人工確認出清后，系統(tǒng)根據(jù)人工輸入的非通信列車位置自行釋放非通信列車的線路資源。

3 線路資源管理在基于車車通信的TACS中的應(yīng)用

3.1 線路資源管理關(guān)鍵技術(shù)

線路資源的申請和釋放實際上是一種自組織形式，與智能交通中應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)類似，通過統(tǒng)一的、去中心化的方式實現(xiàn)列車之間的有序、安全、可靠運行。根據(jù)實際運行環(huán)境，列車自組織網(wǎng)絡(luò)中的通信主要包括列車與地面線路資源管理設(shè)備的通信和列車之間的通信。其中，列車為移動節(jié)點，地面設(shè)備為固定節(jié)點，節(jié)點之間利用車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)進行通信。

列車群的自主運行核心在于列車間智能行為的協(xié)作與協(xié)調(diào)。在復(fù)雜多變的線路運行環(huán)境中，每列列車都具有高度的自主性，列車自主申請和釋放資源的行為隨著運行環(huán)境動態(tài)變化，是實現(xiàn)線路資源有序分配、解決列車運行沖突場景的關(guān)鍵。

從資源管理層面分析，每列列車均屬于一個具有自主行為的個體。其核心構(gòu)成包括線路資源庫、線路資源控制邏輯以及通信模塊。線路資源管理的整體自組織結(jié)構(gòu)體系如圖6所示。

圖6 線路資源管理結(jié)構(gòu)體系示意圖Fig.6 Structure and system diagram of wayside infrastructure administration

3.2 線路資源管理設(shè)備功能需求

1)線路資源存儲、動態(tài)更新維護功能。線路資源管理設(shè)備通過數(shù)據(jù)庫形式對于靜態(tài)的線路數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，針對不同線路資源在數(shù)據(jù)庫中建立相應(yīng)的鏈表進行分類存儲。線路資源管理設(shè)備應(yīng)具備系統(tǒng)維護功能，維護信息以數(shù)據(jù)表、圖、日志分析等形式進行存儲，以便于維護人員進行日常管理，及時對故障進行修復(fù)、更新。

2)適應(yīng)各類運營場景的線路資源分配和釋放功能。類似于聯(lián)鎖系統(tǒng)中聯(lián)鎖表的建立和執(zhí)行，系統(tǒng)設(shè)計過程中針對線路資源的分配和釋放，應(yīng)結(jié)合線路參數(shù)、道岔類型、車輛模型等進行統(tǒng)籌考慮，尋找線路資源利用率和系統(tǒng)運行能力的平衡點。

3)接口信息功能。線路資源管理設(shè)備之間，以及線路資源管理設(shè)備與軌旁執(zhí)行單元、地面列車管理單元、車載設(shè)備之間具備接口通信功能。通過線路資源管理設(shè)備與軌旁執(zhí)行單元的接口完成資源狀態(tài)信息的匯總，并通過與車載設(shè)備接口將匯總信息傳輸?shù)搅熊囓囕d設(shè)備，根據(jù)列車運行需求對列車進行資源分配及資源釋放。

4 結(jié)語

線路資源管理屬于基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)的核心功能，其對于城市軌道交通的行車安全防護、行車效率均有重大影響。本文系統(tǒng)闡述了線路資源管理的基礎(chǔ)方案，以及其在信號系統(tǒng)中的主要功能。可為基于車車通信的列車自主運行系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計、工程應(yīng)用提供借鑒。