柴 娟 吳 敏

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司，200235，上?！胃呒?jí)工程師)

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)主要通過列車主動(dòng)發(fā)送定位報(bào)告獲取列車位置信息，并借助計(jì)軸區(qū)段進(jìn)行安全防護(hù)計(jì)算，以確保列車安全的運(yùn)行。現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)通過聯(lián)鎖子系統(tǒng)提供的計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)和車載系統(tǒng)提供的列車位置報(bào)告綜合判定得到ZC(區(qū)域控制器)的邏輯區(qū)段占用狀態(tài)。計(jì)軸系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在著發(fā)生故障后影響正常行車秩序、維護(hù)替換比較困難等問題。為解決計(jì)軸系統(tǒng)的上述問題，本文提出了一種采用既有ATP(列車自動(dòng)防護(hù))系統(tǒng)的地面應(yīng)答器，采用車地系統(tǒng)結(jié)合的方式，為CBTC系統(tǒng)提供了與計(jì)軸系統(tǒng)相同安全等級(jí)的列車次級(jí)位置通用檢測(cè)方案?；诖朔桨?，對(duì)未來(lái)CBTC列車次級(jí)定位系統(tǒng)的架構(gòu)、應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析和研究。

1 計(jì)軸設(shè)備使用現(xiàn)狀

在CBTC系統(tǒng)運(yùn)行日趨穩(wěn)定的情況下，計(jì)軸設(shè)備故障影響運(yùn)營(yíng)的事件呈上升趨勢(shì)，已成為目前上海城市軌道交通超大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下高密度運(yùn)營(yíng)模式的痛點(diǎn)之一。因此，解決以計(jì)軸設(shè)備輔助定位的CBTC中計(jì)軸系統(tǒng)與ZC系統(tǒng)相互依賴性緊密、耦合度高的問題變得迫切。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境關(guān)聯(lián)性強(qiáng)

計(jì)軸輔助定位根據(jù)其交變磁場(chǎng)的變化頻率和變化的時(shí)間順序來(lái)判斷通過的列車軸數(shù)，其工作原理導(dǎo)致計(jì)軸設(shè)備易受干擾，如電磁干擾、工程車干擾和檢修梯車夜間施工干擾等。若計(jì)軸受擾，需采用列車或人工模擬車輛進(jìn)行清掃。計(jì)軸設(shè)備的感應(yīng)設(shè)備安裝在軌道上，與鐵軌高度關(guān)聯(lián)，更換鐵軌時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行拆卸、再安裝和調(diào)試等工作，從而增加了維護(hù)工作量。

1.2 計(jì)軸設(shè)備故障現(xiàn)狀

計(jì)軸故障在運(yùn)營(yíng)中時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致計(jì)軸的虛假占用。計(jì)軸故障的原因主要包括[1]：① 計(jì)軸設(shè)備停機(jī)；② 計(jì)軸設(shè)備板卡電源故障；③監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁頭與計(jì)軸設(shè)備發(fā)生通信故障；④ 計(jì)軸區(qū)段空閑，且受到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的錯(cuò)誤警告；⑤ 計(jì)軸區(qū)段的輪軸計(jì)數(shù)值為負(fù)值；⑥ 計(jì)軸設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的2個(gè)CPU(中央處理器)信息不一致；⑦ 檢測(cè)到計(jì)軸區(qū)段內(nèi)“剩余”軸數(shù)小于1個(gè)門限值，即被認(rèn)定少于1個(gè)列車的輪軸數(shù)。

現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)一般采取基于通信列車追蹤的技術(shù)來(lái)規(guī)避對(duì)列車運(yùn)行的影響。在此過程中，軌旁ATP還需向聯(lián)鎖同步計(jì)軸區(qū)段占用的判斷信息，使得聯(lián)鎖也能夠完成進(jìn)路的正常排列和解鎖。

日常運(yùn)營(yíng)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)CBTC主定位系統(tǒng)失效的列車(即非通信列車)經(jīng)過1個(gè)故障占用區(qū)段的情況，此時(shí)CBTC系統(tǒng)無(wú)法對(duì)列車的長(zhǎng)度進(jìn)行判斷。而根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)故障安全導(dǎo)向的原則，CBTC系統(tǒng)需假設(shè)故障占用區(qū)段有列車遺留而判定為實(shí)際占用，這將導(dǎo)致后續(xù)列車的移動(dòng)授權(quán)或進(jìn)路都無(wú)法通過該故障區(qū)段。若計(jì)軸設(shè)備故障發(fā)生在早晚高峰時(shí)段，或發(fā)生在道岔區(qū)段、折返站、出入段線等關(guān)鍵線路區(qū)域，都將造成較大的運(yùn)營(yíng)影響。

2 基于信標(biāo)的次級(jí)定位系統(tǒng)

在現(xiàn)有CBTC系統(tǒng)中，列車的次級(jí)定位是指對(duì)非通信列車或未安裝CBTC車載設(shè)備的列車進(jìn)行定位的手段。在城市軌道交通正線區(qū)段，列車的次級(jí)定位技術(shù)一般以計(jì)軸系統(tǒng)為主，而在部分車輛段區(qū)段內(nèi)，列車的次級(jí)定位則采用軌道電路系統(tǒng)。

基于信標(biāo)的次級(jí)定位系統(tǒng)是一套獨(dú)立于車載系統(tǒng)的定位處理系統(tǒng)。信標(biāo)次級(jí)定位設(shè)備安裝在列車上，與信標(biāo)天線連接，用于讀取軌道上的信標(biāo)位置信息(主要包括列車號(hào)、信標(biāo)號(hào)及線路號(hào)等)，并通過車地?zé)o線鏈路上傳至地面。軌旁服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換車載發(fā)送列車定位信息，列車位置通過人機(jī)界面進(jìn)行輸出顯示，無(wú)線傳輸可使用信號(hào)系統(tǒng)獨(dú)立的以太網(wǎng)絡(luò)，也可在確保信息安全的前提下使用公網(wǎng)?；谛艠?biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)的安全等級(jí)為SIL4(安全完整性等級(jí)4)，可實(shí)現(xiàn)故障列車與正常列車的混跑。

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位是通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，必須保證無(wú)線通道的高可靠性。目前上海城市軌道交通既有線路改造和新線建設(shè)中，信號(hào)系統(tǒng)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)均采用雙制式四網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。在CBTC車載雙系統(tǒng)的精確計(jì)算，以及在穩(wěn)定可靠的LTE-M(城市軌道交通用長(zhǎng)期演進(jìn))和Wi-Fi(無(wú)線保真)雙制式網(wǎng)絡(luò)車地?zé)o線通信技術(shù)保障下，唯一需要考慮的是CBTC系統(tǒng)故障列車以及工程車的定位問題。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，在列車上安裝1 套內(nèi)部冗余的次級(jí)信標(biāo)定位主機(jī)。列車次級(jí)信標(biāo)定位系統(tǒng)獨(dú)立于車載控制器。當(dāng)車載控制器發(fā)生故障時(shí)，次級(jí)信標(biāo)定位仍能正常工作。根據(jù)無(wú)線通信可用性情況，列車次級(jí)信標(biāo)定位的無(wú)線通信通道也可獨(dú)立布置。在計(jì)軸的布置上，正線無(wú)岔線路按照相鄰2個(gè)計(jì)軸點(diǎn)距離不大于1.2 km予以布置，以滿足信號(hào)系統(tǒng)后備模式下列車追蹤間隔性能要求。在信標(biāo)的布置上，為了滿足車站上下行方向精確停車的要求，正線上信標(biāo)的布置數(shù)量較多。在車站外的非停車軌區(qū)段，信標(biāo)按300 m/個(gè)進(jìn)行布置，完全能滿足列車在正線的定位精度要求。

注：CC1——車載系統(tǒng)1；CC2——車載系統(tǒng)2。B1、B2、B3——軌旁信標(biāo)的編號(hào)。

2.2 線路級(jí)信標(biāo)次級(jí)定位系統(tǒng)

列車將位置信息主動(dòng)上報(bào)到信號(hào)系統(tǒng)軌旁設(shè)備，列車次級(jí)定位信息可在ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控)系統(tǒng)予以顯示。ATS系統(tǒng)將對(duì)列車次級(jí)定位的信息和車載主定位信息進(jìn)行區(qū)分，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)對(duì)其信息優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置?；谛艠?biāo)的列車次級(jí)定位顯示方式，也可獨(dú)立設(shè)置顯示終端，界面與ATS界面保持一致性。當(dāng)ATS故障情況下，用以顯示本線路列車的當(dāng)前位置。列車次級(jí)信標(biāo)定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳列車的車體號(hào)和信標(biāo)的ID(標(biāo)識(shí))，本地服務(wù)器匯聚列車上傳的信息，計(jì)算出列車所在的區(qū)域。

2.3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)

對(duì)線路級(jí)列車位置進(jìn)行信息匯聚和處理，可實(shí)現(xiàn)在線路級(jí)的終端顯示全線網(wǎng)列車當(dāng)前所在的區(qū)域，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)級(jí)基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)可為跨線路運(yùn)行的列車提供更可靠、更靈活的運(yùn)營(yíng)管理方式。

注：OCC——運(yùn)營(yíng)控制中心；COCC——網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)協(xié)調(diào)中心。

3 網(wǎng)絡(luò)級(jí)基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)的規(guī)劃

上海城市軌道交通部分線路的信號(hào)系統(tǒng)達(dá)到或者超過使用年限?；谶@些線路的信號(hào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目，逐步建立全網(wǎng)絡(luò)的基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)，需從以下方面著手規(guī)劃。

3.1 專用的無(wú)線通道

隨著無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展，結(jié)合上海城市軌道交通信號(hào)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)現(xiàn)狀，車地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)按照LTE-M和Wi-Fi的雙制式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建設(shè)?；谛艠?biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)的車地?zé)o線通信方式與信號(hào)系統(tǒng)車地通信方式保持一致，均采用LTE通信，軌旁分別設(shè)置LTE網(wǎng)的AP(接入點(diǎn))、Wi-Fi的AP、PRP(并行冗余協(xié)議)通信協(xié)議；車載分別設(shè)置TAU(車載接入單元)、OBM(車載調(diào)制解調(diào)器)、PRP通信協(xié)議。

3.2 各城市軌道交通線路可建立獨(dú)立的傳輸網(wǎng)

各城市軌道交通線路可基于供應(yīng)商提供的信號(hào)系統(tǒng)架構(gòu)的特性，獨(dú)立建設(shè)該線路的定位系統(tǒng)有線環(huán)網(wǎng)，安全地將列車位置信息傳輸至列車控制系統(tǒng)，對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

3.3 線網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一信標(biāo)ID、通信地址規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)全線網(wǎng)信號(hào)車地通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接入，需對(duì)全線網(wǎng)次級(jí)信標(biāo)定位設(shè)備的ID和通信網(wǎng)絡(luò)通信IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址進(jìn)行統(tǒng)一分配，以確保全網(wǎng)軌旁信標(biāo)設(shè)備的編碼唯一性。對(duì)于信標(biāo)設(shè)備的ID，應(yīng)基于不同線路的信標(biāo)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃；對(duì)于車載定位系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)各線路劃分為不同網(wǎng)段，統(tǒng)一對(duì)其IP進(jìn)行規(guī)劃。

3.4 統(tǒng)一接口通信協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)跨線運(yùn)行電客列車的定位，需對(duì)進(jìn)入上海城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的車地通信協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃：在信標(biāo)-信標(biāo)天線方面，應(yīng)明確所采用的信標(biāo)報(bào)文及編碼協(xié)議；在信標(biāo)天線-車載定位系統(tǒng)方面，應(yīng)明確所采用的通信協(xié)議；在車地傳輸方面，應(yīng)統(tǒng)一協(xié)議和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4 基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

4.1 列車定位管理

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)對(duì)正線上、車輛段/停車場(chǎng)內(nèi)的列車運(yùn)行進(jìn)行定位追蹤，通過獨(dú)立的人機(jī)界面進(jìn)行顯示。遵守統(tǒng)一接口通信協(xié)議的跨線運(yùn)行列車，其列車定位功能可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接，并在線路側(cè)或網(wǎng)絡(luò)中心側(cè)的人機(jī)界面上顯示。

4.2 列車轉(zhuǎn)線作業(yè)

目前城市軌道交通線路間的聯(lián)絡(luò)線通過照查檢查方式實(shí)現(xiàn)線路間的聯(lián)鎖功能。聯(lián)絡(luò)線邊界區(qū)段有采用如軌道電路、計(jì)軸、虛擬站臺(tái)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)互鎖互防。而在聯(lián)絡(luò)線的人機(jī)界面上，其顯示范圍存在局限性，且易造成聯(lián)絡(luò)線上的設(shè)備故障，進(jìn)而影響正線運(yùn)營(yíng)。例如，2017年上海軌道交通2號(hào)線和17號(hào)線間聯(lián)絡(luò)線上的道岔SW06F失表(如圖3所示)，2號(hào)線X10L信號(hào)機(jī)無(wú)法開放，導(dǎo)致2號(hào)線虹橋火車站下行列車無(wú)速度碼，造成10 min的運(yùn)營(yíng)晚點(diǎn)。

圖3 上海軌道交通2號(hào)線、17號(hào)線間聯(lián)絡(luò)線示意圖

在基于統(tǒng)一軌旁應(yīng)答器編碼規(guī)則和無(wú)線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)所有線路的列車定位。列車在轉(zhuǎn)線作業(yè)中，調(diào)度人員可根據(jù)列車的精確位置，將聯(lián)絡(luò)線區(qū)域的設(shè)備鎖閉在相應(yīng)的位置上，并對(duì)司機(jī)進(jìn)行動(dòng)車授權(quán)。司機(jī)根據(jù)調(diào)度員指令，采用人工駕駛模式將列車運(yùn)行到指定目的地。

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)列車位置的實(shí)時(shí)跟蹤，以保證其他通信列車及故障列車的安全，同時(shí)向軌旁ATP系統(tǒng)提供降級(jí)列車位置信息。聯(lián)絡(luò)線基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位的處理方式，不再是照查電路的互鎖互控，而是根據(jù)聯(lián)鎖線具體長(zhǎng)度、站型等因素，通過在聯(lián)絡(luò)線上加裝其他輔助檢測(cè)設(shè)備，對(duì)進(jìn)入線路的列車進(jìn)行識(shí)別和資源管理，從而有效地解決了聯(lián)絡(luò)線上設(shè)備故障對(duì)正線運(yùn)營(yíng)造成影響的問題。

4.3 列車控制系統(tǒng)的降級(jí)管理模式

當(dāng)2套CC(車載控制器)均發(fā)生故障時(shí)，列車需要采用降級(jí)模式運(yùn)行，信號(hào)軌旁ATP系統(tǒng)將故障列車最后1次向VOBC(車載控制器)匯報(bào)的位置作為起點(diǎn)，進(jìn)行列車跟蹤，判斷列車行駛過的地面信標(biāo)的連續(xù)性，以安全的方式更新故障列車的位置信息。

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)通過線路上的應(yīng)答器來(lái)獲取列車位置信息，并將列車位置信息發(fā)送軌旁ATP。調(diào)度人員也可通過ATS向故障列車發(fā)送運(yùn)行任務(wù)，信號(hào)系統(tǒng)會(huì)對(duì)該列車分配資源，司機(jī)按照車輛模式根據(jù)信號(hào)燈顯示駕駛列車。CBTC系統(tǒng)將根據(jù)故障列車的位置，建立該故障列車的包絡(luò)線，以確保故障列車和正常列車的安全混跑運(yùn)營(yíng)，直至故障列車就近下線。

在極端情況下，列車的次級(jí)信標(biāo)定位和車載信號(hào)均發(fā)生故障，此時(shí)信號(hào)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)列車位置資源的管理，其地面系統(tǒng)生成的占用狀態(tài)不再自動(dòng)刪除，且進(jìn)路占用直接延伸至進(jìn)路末端。地面系統(tǒng)依據(jù)多列車通過后匯報(bào)應(yīng)答器報(bào)文的狀態(tài)來(lái)對(duì)故障應(yīng)答器進(jìn)行登記，并通過增加占用延伸區(qū)域的方式進(jìn)行強(qiáng)化防護(hù)。

4.4 次級(jí)定位故障處置

計(jì)軸設(shè)備存在故障后若沒有及時(shí)恢復(fù)，將造成列車位置無(wú)法檢測(cè)。若故障位置發(fā)生在出入場(chǎng)線入口或者聯(lián)絡(luò)線交界處，會(huì)造成CBTC系統(tǒng)無(wú)法正常使用。而基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)獨(dú)立于CBTC系統(tǒng)，采用無(wú)線冗余、電源獨(dú)立、環(huán)網(wǎng)獨(dú)立的方式，其故障不會(huì)影響到CBTC系統(tǒng)的正常使用。

次級(jí)定位故障影響的范圍較小。若單個(gè)應(yīng)答器發(fā)生故障，基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)將根據(jù)列車的位置包絡(luò)具備連續(xù)性的特征，擴(kuò)大列車的占用區(qū)段，等到列車行駛至下1個(gè)應(yīng)答器后即可重新精確定位。信標(biāo)天線經(jīng)過2個(gè)應(yīng)答器后，能夠確定列車所在的位置區(qū)域，可容忍不連續(xù)的應(yīng)答器故障，其原理如圖4所示。圖4中，假設(shè)單個(gè)信標(biāo)B3故障，則不確定區(qū)指的是列車位置不確定的范圍，即位置由B1延伸至B4信標(biāo)處；靜態(tài)占用區(qū)是指列車長(zhǎng)度加上不確定區(qū)的長(zhǎng)度?；谛艠?biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)采用靜態(tài)占用區(qū)長(zhǎng)度作為列車實(shí)際占用位置區(qū)段。

注：B1、B2、B3、B4分別為軌旁信標(biāo)的編號(hào)。

4.5 應(yīng)用效果分析

基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)目前在上海的軌道交通3號(hào)線、4號(hào)線大修上予以應(yīng)用，凸顯出其在穩(wěn)定性、維護(hù)性等方面的優(yōu)勢(shì)：① 基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)不受軌道環(huán)境的影響，采用了標(biāo)準(zhǔn)化的歐標(biāo)應(yīng)答器，有著成熟、可靠的技術(shù)和多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；② 可實(shí)時(shí)監(jiān)控信標(biāo)的工作狀態(tài)，通過增加性能分析等手段對(duì)設(shè)備的異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判；③ 基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)采用無(wú)電子地圖的系統(tǒng)，線路升級(jí)無(wú)需更新其軟件；④ 采用了統(tǒng)一協(xié)議接口，可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的跨線互聯(lián)互通的列車定位。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合所在城市特點(diǎn)和本地運(yùn)維需求進(jìn)行不同方向的規(guī)劃。基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)正線信號(hào)控制區(qū)域的無(wú)計(jì)軸化，具有簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、便于安裝、抗干擾能力強(qiáng)，以及可減少設(shè)備維護(hù)工作量、降低維護(hù)綜合運(yùn)營(yíng)成本等優(yōu)點(diǎn)，從而提升了系統(tǒng)可用性和快速恢復(fù)能力。在城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維管理的背景下，基于信標(biāo)的列車次級(jí)定位系統(tǒng)在不需要太多投入的情況下可對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行正向增強(qiáng)，是上海未來(lái)新線線路建設(shè)和既有線路改造的首選方向。