張友兵，王建敏，于曉娜，張振興，王懷江

(1.北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

在CTCS-3級列控系統(tǒng)和ETCS-2級列控系統(tǒng)中，車載設(shè)備基于參考應(yīng)答器向無線閉塞中心（Radio Block Center，RBC）報告列車位置。RBC根據(jù)所控列車的狀態(tài)、控制范圍內(nèi)的列車位置、聯(lián)鎖進路信息、臨時限速命令等信息，實時生成列車行車許可命令，并通過無線通信系統(tǒng)傳輸給車載設(shè)備。車載設(shè)備根據(jù)收到的行車許可等信息監(jiān)控列車位置和速度，保障行車安全。因此，車載設(shè)備計算出準(zhǔn)確的列車位置和方向是車載設(shè)備和地面設(shè)備共同監(jiān)控列車運行、保障行車安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。

本文系統(tǒng)介紹了車載設(shè)備依據(jù)參考應(yīng)答器確定列車位置和方向的方法。

1 相關(guān)方向的基本概念

1.1 應(yīng)答器組方向

當(dāng)列車經(jīng)過一組應(yīng)答器時，列車上的應(yīng)答器讀取器通過瞬間電磁感應(yīng)依次激活地面應(yīng)答器，獲取相應(yīng)報文數(shù)據(jù)。應(yīng)答器組最少包含1個應(yīng)答器，最多包含8個應(yīng)答器。應(yīng)答器組又分為鏈接的應(yīng)答器組和未鏈接的應(yīng)答器組。對于鏈接的應(yīng)答器組，車載設(shè)備根據(jù)應(yīng)答器組的鏈接信息和應(yīng)答器組的實際位置對列車位置進行校正，并以該組應(yīng)答器作為最近相關(guān)應(yīng)答器組（Last Relevant Balise Group，LRBG）向RBC發(fā)送位置報告。

以包含2個應(yīng)答器的應(yīng)答器組為例，從組內(nèi)1號應(yīng)答器到2號應(yīng)答器的方向為應(yīng)答器組的正向，從組內(nèi)2號應(yīng)答器到1號應(yīng)答器的方向為應(yīng)答器組的反向，如圖1所示。

圖1 應(yīng)答器組方向Fig.1 Direction of balise group

1.2 列車方向

目前，高速鐵路列車兩端一般都配備有列車車頭和駕駛室，當(dāng)列車正常運行時，一端處于激活狀態(tài)，另一端則處于非激活狀態(tài)，司機在激活端駕駛列車安全運行。列車方向就是從列車的非激活端到激活端的方向。如圖2（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車方向為從B端到A端的方向。如圖2（b）所示，B端為激活端，A端為非激活端，列車方向為從A端到B端的方向。

圖2 列車方向Fig.2 Train direction

1.3 列車運行方向

司機駕駛臺的方向手柄包含前向、中立、后向3個位置。方向手柄向前，列車向前運行；方向手柄向后，列車向后運行。列車運行方向為列車的實際運行方向。如圖3（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車前行，列車運行方向向右，列車運行方向與列車方向相同。如圖3（b）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車退行，列車運行方向向左，列車運行方向與列車方向相反。

圖3 列車運行方向Fig.3 Train running direction

2 位置報告中的位置和方向

2.1 位置報告

在CTCS-3級列控系統(tǒng)和ETCS-2級列控系統(tǒng)中，車載設(shè)備基于參考應(yīng)答器向RBC報告列車位置，RBC根據(jù)列車位置信息向車載設(shè)備發(fā)送行車許可。

車載設(shè)備應(yīng)根據(jù)位置報告參數(shù)的要求向RBC發(fā)送位置報告。如果列車停車、模式變化、列車最小安全末端越過RBC邊界、列車最大安全前端越過RBC邊界、等級變化、建立通信會話、經(jīng)過應(yīng)答器等情況發(fā)生，車載設(shè)備也應(yīng)向RBC發(fā)送位置報告。

CTCS列車控制系統(tǒng)和ETCS列車控制系統(tǒng)均定義了D_LRBG、Q_DIRLRBG、Q_DLRBG、Q_DIRTRAIN共4個變量，如表1所示。通過這4個變量共同確定列車的位置和方向，車載設(shè)備計算這4個變量的取值并傳遞給地面設(shè)備，實現(xiàn)車地之間關(guān)于列車位置和方向的信息共享。一種最為常見的應(yīng)答器組方向、列車方向、列車運行方向和列車前端距LRBG的絕對距離共同確定基于LRBG的列車位置和方向的例子如圖4所示。

圖4 基于LRBG的列車位置和方向Fig.4 Train position and direction based on LRBG

表1 位置報告中描述列車位置和方向的變量Tab.1 Variables of train position and direction described in position report

2.2 Q_DIRLRBG取值

如圖5（a）所示，列車A端為激活端，B端為非激活端，列車方向為從非激活端（B端）到激活端（A端）的方向。列車方向與LRBG方向相同，因此Q_DIRLRBG為1。

如圖5（b）所示，列車B端為激活端，A端為非激活端，列車方向為從非激活端（A端）到激活端（B端）的方向。列車方向與LRBG方向相反，因此Q_DIRLRBG為0。

圖5 Q_DIRLRBG取值Fig.5 Value of Q_DIRLRBG

2.3 Q_DLRBG取值

如圖6所示，列車A端在應(yīng)答器組的正向側(cè)，對于A端來說，Q_DLRBG為1。列車B端在應(yīng)答器組的反向側(cè)，對于B端來說，Q_DLRBG為0。

圖6 Q_DLRBG取值Fig.6 Value of Q_DLRBG

2.4 Q_DIRTRAIN取值

如圖7（a）所示，列車A端為激活端，當(dāng)方向手柄向前，列車前行。此時，列車運行方向和LRBG方向相同，Q_DIRTRAIN為1。

如圖7（b）所示，列車A端為激活端，當(dāng)方向手柄向后，列車退行。此時，列車運行方向和LRBG方向相反，Q_DIRTRAIN為0。

圖7 Q_DIRTRAIN取值Fig.7 Value of Q_DIRTRAIN

3 列車位置和方向的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.1 列車位置和方向全場景分析

經(jīng)過全部場景分析，基于參考應(yīng)答器的列車位置和方向存在8種場景，如圖8所示。再通過研究，發(fā)現(xiàn)使用Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN可以完整描述這8種場景。Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN分別有正、反兩個方向，可以排列出8種組合，如表2所示。圖8中的場景與表2中的場景是一一對應(yīng)關(guān)系。

從表2和圖8可以得到以下規(guī)律。

表2 基于LRBG的列車方向Tab.2 Train position and direction based on LRBG

圖8 基于LRBG的列車位置和方向的所有場景Fig.8 All scenarios of train position and direction based on LRBG

1）當(dāng)列車換端（列車的激活端和非激活端發(fā)生交換），列車方向發(fā)生變化，則Q_DIRLRBG發(fā)生變化。其中，場景1和場景5、場景2和場景6、場景3和場景7、場景4與場景8均符合這條規(guī)律。例如，在場景1和場景5中，列車均位于應(yīng)答器組的反方向側(cè)，列車運行方向均為向遠離LRBG的方向運行，只是列車的激活端和非激活端發(fā)生變化，即列車方向發(fā)生變化，導(dǎo)致Q_DIRLRBG發(fā)生變化。

2）當(dāng)越過參考應(yīng)答器組時，Q_DLRBG發(fā)生變化。其中，場景1和場景3、場景2和場景4、場景5和場景7、場景6和場景8均符合這條規(guī)律。例如，在場景1和場景3中，列車激活端和非激活端未發(fā)生變化（列車方向未變），列車運行方向均為向左運行。場景1中的列車位于LRBG反向側(cè)，場景3中的列車位于LRBG正向側(cè)，即場景3中的列車越過LRBG就變成了場景1，導(dǎo)致Q_DLRBG發(fā)生變化。

3）當(dāng)列車在前行和退行之間切換時，Q_DIRTRAIN發(fā)生變化。其中，場景1和場景2、場景3和場景4、場景5和場景6、場景7和場景8均符合這條規(guī)律。例如，在場景1和場景2中，列車均位于LRBG的反向側(cè)，列車激活端和非激活端未發(fā)生變化（列車方向未變）。但是，站在激活端的角度，場景1的列車向前運行，場景2的列車向后運行，列車運行方向發(fā)生變化，導(dǎo)致Q_DIRTRAIN發(fā)生變化。

3.2 列車位置和方向的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

如圖9所示，給出了不同場景的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，每一種狀態(tài)與其他3種狀態(tài)相連，表示從這種狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換到其他3種狀態(tài)，線條旁邊的文字是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。在表3中，以狀態(tài)7為初始狀態(tài)，說明通過一步轉(zhuǎn)換、兩步轉(zhuǎn)換和三步轉(zhuǎn)換，分別可以進入哪些狀態(tài)，并得到如下規(guī)律。

圖9 不同場景的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.9 State transition of different scenarios

表3 初始狀態(tài)為7的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Tab.3 State transition with initial state 7

1）從每一個狀態(tài)出發(fā)，通過一步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進入另外3種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過一步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進入狀態(tài)3、狀態(tài)5和狀態(tài)8；

2）從每一個狀態(tài)出發(fā)，通過兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進入另外3種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進入狀態(tài)1、狀態(tài)4和狀態(tài)6；

3）從每一個狀態(tài)出發(fā)，通過三步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進入另外一種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過三步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，只能進入狀態(tài)2；

4）不同狀態(tài)之間最多通過換端、越過LRBG、改變運行方向共三步即可實現(xiàn)狀態(tài)互相轉(zhuǎn)換。

4 列車位置和方向的計算方法

如果一輛列車安裝兩套車載設(shè)備，列車兩端分別安裝一套車載設(shè)備，兩套車載設(shè)備分別控制列車的兩端。激活端的車載設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，非激活端的車載設(shè)備處于休眠狀態(tài)。下面分別研究激活端和休眠端車載設(shè)備如何計算基于LRBG的列車位置和方向。

4.1 激活端

如果激活端的方向手柄向前，列車向前移動，列車位置絕對值增大，激活端車載設(shè)備判定列車實際運行方向為正向。如果激活端的方向手柄向后，列車向后移動，列車位置絕對值減小，激活端車載設(shè)備判定列車實際運行方向為反向，如表4所示。

表4 激活端列車運行方向Tab.4 Train running direction of activation end

站在激活端車載設(shè)備的角度分析，在各個場景下，分別以列車方向為正向建立坐標(biāo)系，可以得到每個場景下的LRBG方向和列車運行方向，如表5所示。根據(jù)表5可以得到表2所示結(jié)果。

表5 激活端方向判定Tab.5 Direction determination of activation end

4.2 休眠端

當(dāng)激活端前行，休眠端后退，休眠端列車位置絕對值減小，則列車運行方向為正向；當(dāng)激活端后退，休眠端前行，休眠端列車位置絕對值增大，則列車運行方向為反向。也就是說，基于列車位置絕對值的變化方向判斷列車運行方向時，激活端和休眠端的邏輯正好相反，如表6所示。

表6 休眠端列車運行方向Tab.6 Train running direction of sleeping end

可見，激活端和休眠端判斷的列車運行方向相同，判斷LRBG方向相同，也可以得到表5的結(jié)果。

4.3 通用的計算方法

以圖8場景8為例，說明激活端（A端）和非激活端（B端）基于參考應(yīng)答器的列車位置和方向存在的規(guī)律。在場景8中，B端為非激活端，A端為激活端，B端車載設(shè)備處于休眠模式，A端車載設(shè)備處于非休眠模式。對于A端和B端，LRBG方向相同（基于相同的LRBG），列車方向一致（從未激活的B端指向激活的A端），A端和B端均位于LRBG的正向側(cè)，所以Q_DIRLRBG、Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN均相同。

對激活端和休眠端進行研究，并對表2和表5進行比較分析，可知激活端車載設(shè)備和休眠端車載設(shè)備計算列車位置和方向的方法相同。

5 總結(jié)

本文介紹了車載設(shè)備基于參考應(yīng)答器確定列車位置和方向的原理、概念和方法，這種方法對激活端和非激活端的車載設(shè)備均有效，車載設(shè)備均能正確計算并向地面設(shè)備報告不同狀態(tài)下的列車位置和方向?；跍?zhǔn)確的列車位置和方向，車載設(shè)備和地面設(shè)備可以共同保障列車安全高效運行。