陳瑞軍 夏庭鍇

(1.呼和浩特城市軌道交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司， 010090， 呼和浩特； 2.卡斯柯信號有限公司， 200071， 上?！蔚谝蛔髡?， 正高級工程師)

在經(jīng)過十多年的發(fā)展，CBTC(基于通信的列車控制)已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置[1]。當(dāng)前我國運(yùn)營的CBTC系統(tǒng)大多屬于第二代CBTC[2]。經(jīng)過多年的實(shí)際運(yùn)營考驗(yàn)，第二代CBTC系統(tǒng)在獲得巨大成功的同時(shí)也因子系統(tǒng)劃分和通信接口制式不統(tǒng)一而大大提高了運(yùn)營管理成本，這個(gè)現(xiàn)狀催生了互聯(lián)互通CBTC標(biāo)準(zhǔn)[3]。在制定了互聯(lián)互通CBTC標(biāo)準(zhǔn)后，各信號廠商必然面臨升級既有CBTC以匹配新標(biāo)準(zhǔn)的問題。如何降低CBTC系統(tǒng)核心功能模塊與外部接口的耦合、保證核心功能模塊的泛化能力成為CBTC系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要考慮的問題。子系統(tǒng)功能模塊的泛化能力越高，表明該子系統(tǒng)模塊受系統(tǒng)接口變化的影響越小。

軌旁ATP是CBTC系統(tǒng)的一個(gè)重要子系統(tǒng)，列車序列管理是軌旁ATP(列車自動(dòng)防護(hù))的核心功能之一，負(fù)責(zé)計(jì)算所有列車在軌道上的排列順序，是軌旁ATP計(jì)算移動(dòng)授權(quán)的基礎(chǔ)。本文以此功能模塊為研究對象，提出了互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)功能模塊低耦合的設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明，相對于文獻(xiàn)[2]中提到的方案，本文的設(shè)計(jì)方法可降低互聯(lián)互通CBTC接口變化對核心功能模塊的影響，進(jìn)而降低軌旁ATP的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

1 CBTC軌旁ATP的主要功能

ATP是既有CBTC系統(tǒng)的核心模塊，一般劃分為軌旁ATP和車載ATP兩個(gè)部分。如圖1所示，軌旁ATP負(fù)責(zé)采集車載ATP無法直接獲取的軌旁設(shè)備信息及其他列車狀態(tài)信息，并將信息進(jìn)行匯總處理，發(fā)送給其管轄范圍內(nèi)的所有列車。

圖1 軌旁ATP與車載ATP間的信息交互方式Fig.1 Information exchange format between trackside ATP and on-board ATP

正常運(yùn)營時(shí)，車載ATP會(huì)將自身的定位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到軌旁ATP，但實(shí)際運(yùn)營中還需處理以下特殊情況：① 因網(wǎng)絡(luò)通信故障或車載ATP自身故障導(dǎo)致軌旁ATP無法接收到列車位置信息。② 運(yùn)營方需將工程車(通常車長較小且未裝備車載ATP)駛?cè)胝€執(zhí)行維修或救援任務(wù)。為了保證軌旁ATP能在上述特殊情形下不間斷更新列車位置，通常CBTC系統(tǒng)均配置有軌旁檢測設(shè)備(如計(jì)軸、軌道電路等)，通過這些設(shè)備的占用信息向軌旁ATP提供無法報(bào)告位置信息的列車的位置。這樣，軌旁ATP實(shí)際上有兩種方式獲取軌道上運(yùn)行列車的位置：一是通過車載ATP發(fā)送的列車位置報(bào)告；二是通過軌旁檢測設(shè)備提供的軌道區(qū)段占用信息。

這兩種不同的信息來源需要不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。為了使軌旁ATP核心模塊的設(shè)計(jì)不受信息來源的影響，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)介于外部接口和軌旁ATP核心邏輯之間的抽象邏輯對象，來統(tǒng)一描述“可以報(bào)告位置信息的列車”和“無法報(bào)告位置信息的列車”，本文將此中間描述層稱之為多源信息中間件。多源信息中間件的主要作用是將來源不同的列車對軌道的占用信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的描述方式。在既有CBTC系統(tǒng)中，通信列車會(huì)給軌旁ATP主動(dòng)報(bào)告列車車頭、車位定位、運(yùn)行方向、定位誤差等詳細(xì)信息，而無通信列車需依靠軌旁設(shè)備來檢測列車位置，這樣，非通信列車占用的軌道區(qū)間只能以軌道區(qū)段為單位進(jìn)行描述。多源信息中間件可將上述通過兩種不同路徑獲取的信息全部轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的軌道坐標(biāo)，以避免核心功能模塊處理不同數(shù)據(jù)格式。多源信息中間件還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：如果將來互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中引入新型的列車位置傳感器，多源信息中間件可將輸入信息預(yù)處理為標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部格式，這樣就不會(huì)影響到軌旁ATP核心模塊的算法。

2 基于多源信息的CBTC列車定位

2.1 多源信息中間件的主要任務(wù)

由于列車信息來源于多個(gè)設(shè)備，多源信息中間件的第一個(gè)任務(wù)是定義設(shè)備信息被軌旁ATP處理的優(yōu)先級。為描述方便，本文將這些設(shè)備的名稱按優(yōu)先級從高到低分別定義為“主用檢測設(shè)備”(特指列車位置報(bào)告)、“備用檢測設(shè)備”(特指計(jì)軸設(shè)備)及將來可繼續(xù)擴(kuò)展的“次級備用檢測設(shè)備”等。

在外部輸入的列車信息進(jìn)入軌旁ATP核心處理模塊前，多源信息中間件會(huì)基于一定的規(guī)則，根據(jù)當(dāng)前可用的信息來源選取并融合列車位置信息。在進(jìn)行列車位置信息融合時(shí)，應(yīng)主要考慮以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：

1) 因不同源信息的異步造成對列車位置信息描述的不一致問題，即不同信息來源之間無法實(shí)現(xiàn)周期級同步，單個(gè)信息源提供的僅是同一個(gè)對象在不同時(shí)刻的位置信息。

2) 由報(bào)文傳輸延時(shí)容忍度設(shè)計(jì)帶來的定位不確定性問題，即列車的物理位置和檢測位置的錯(cuò)位問題。其中，報(bào)文傳輸延時(shí)容忍度是指為了保證CBTC系統(tǒng)的可用性，對所有從外部系統(tǒng)收到的報(bào)文，必須根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀況、處理能力，指定一個(gè)容忍時(shí)間，以保證偶發(fā)性的丟包、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)不會(huì)導(dǎo)致報(bào)文失效。由此，軌旁ATP從報(bào)文獲知的列車位置與列車的實(shí)際位置存在一個(gè)固有偏差，報(bào)文的新鮮度決定了該偏差的實(shí)際大小。

2.2 多源信息中間件的處理步驟和典型應(yīng)用

針對上述問題，軌旁ATP的多源信息中間件需對外部輸入的報(bào)文進(jìn)行處理，其處理步驟為：

步驟一：根據(jù)聯(lián)鎖提供的備用檢測設(shè)備(通常為計(jì)軸)的占用狀態(tài)、占用檢測延時(shí)特性、傳輸延時(shí)及列車最大運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，計(jì)算軌道區(qū)段的占用信息。

步驟二：根據(jù)列車位置報(bào)告信息計(jì)算列車安全定位，再根據(jù)隨定位報(bào)告發(fā)送的報(bào)文生成時(shí)間及軌旁ATP接收到報(bào)告的時(shí)間，估計(jì)出列車定位報(bào)告的傳輸延時(shí)。然后，結(jié)合列車運(yùn)動(dòng)學(xué)信息和牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，計(jì)算得到通信列車保護(hù)包絡(luò)。通信列車保護(hù)包絡(luò)描述了軌旁ATP估計(jì)的列車占用軌道的最大范圍，包含兩個(gè)部分的軌道區(qū)間：一是列車報(bào)告定位所占用的軌道區(qū)間，二是軌旁ATP按照最不利條件推算得到的在報(bào)文傳輸過程中列車向前或向后可能運(yùn)行的最大距離所占用的軌道區(qū)間。通信列車保護(hù)包絡(luò)的范圍通過軌道區(qū)段ID(身份標(biāo)識號)和列車位置在軌道區(qū)段內(nèi)的偏移量兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述。

步驟三：將步驟一計(jì)算得到的軌道區(qū)段占用信息用ID描述，在被占用的軌道區(qū)段上創(chuàng)建用于描述列車占用軌道區(qū)段范圍的列車包絡(luò)(本文稱為“默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)”)。

步驟四：與步驟三創(chuàng)建的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)相比，步驟二計(jì)算得到的列車定位信息可提供更精確的列車定位，所以，當(dāng)列車定位報(bào)告信息和默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)信息均可用時(shí)，可在列車定位信息描述的軌道位置插入通信列車保護(hù)包絡(luò)。由于默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)的覆蓋范圍遠(yuǎn)大于通信列車保護(hù)包絡(luò)的覆蓋范圍，所以插入通信列車保護(hù)包絡(luò)后，原默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)被拆分為2個(gè)默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)，分別位于通信列車保護(hù)包絡(luò)的前方和后方。

步驟五：創(chuàng)建通信列車保護(hù)包絡(luò)后，如果軌旁ATP根據(jù)列車定位信息能確定當(dāng)前列車車頭及車頭前方的備用檢測設(shè)備對應(yīng)的軌道區(qū)段邊界之間沒有隱藏列車，則可將通信列車保護(hù)包絡(luò)前方的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)刪除。對通信列車保護(hù)包絡(luò)后方也可實(shí)施同樣的操作。這個(gè)過程等價(jià)于互聯(lián)互通CBTC中的“篩選”功能。

步驟六：當(dāng)車載ATP正常工作時(shí)，軌旁ATP根據(jù)收到的列車位置信息重新計(jì)算通信列車保護(hù)包絡(luò)。當(dāng)與車載ATP通信中斷或收到無效的列車位置信息時(shí)，軌旁ATP會(huì)將通信列車保護(hù)包絡(luò)降級為默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)。此時(shí)的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)是根據(jù)備用檢測設(shè)備的占用信息在原先計(jì)算的通信列車保護(hù)包絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過列車和線路的最壞情況對列車位置進(jìn)行預(yù)測并經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換得到的。

步驟七：根據(jù)外部信息的有效性和當(dāng)前道岔位置，軌旁ATP對經(jīng)過上述步驟計(jì)算得到的列車保護(hù)包絡(luò)(包括通信列車保護(hù)包絡(luò)和默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò))進(jìn)行拆分、合并、調(diào)整和刪除。其中，對列車保護(hù)包絡(luò)進(jìn)行調(diào)整的目的是在通信列車發(fā)送的位置報(bào)告發(fā)生重疊和錯(cuò)位時(shí)用于保證相鄰列車保護(hù)包絡(luò)的約束關(guān)系。

步驟八：根據(jù)以上步驟計(jì)算得到的任意兩個(gè)列車保護(hù)包絡(luò)之間的位置關(guān)系，可以等價(jià)為軌道上相應(yīng)的兩個(gè)列車的位置關(guān)系。

這樣，多源信息中間件將列車的位置、序列(在線路上的先后關(guān)系)、報(bào)文傳輸延時(shí)、報(bào)文異步、列車狀態(tài)變化抽象到了單一對象的列車保護(hù)包絡(luò)中，使得軌旁ATP的核心模塊在進(jìn)行涉及到列車的運(yùn)算時(shí)只需考慮列車保護(hù)包絡(luò)的位置和狀態(tài)，不再需要分別考慮來源復(fù)雜、延時(shí)多樣、異步嚴(yán)重的原始信息。此外，若接口設(shè)計(jì)發(fā)生變化，只需更新多源信息中間件的處理邏輯，不需修改軌旁ATP的核心算法。

2.3 多源信息中間件的典型應(yīng)用

圖2展示了列車保護(hù)包絡(luò)創(chuàng)建、更新和篩選的全過程。列車首次進(jìn)入CBTC區(qū)域時(shí)(見圖2 a))，首先被備用檢測設(shè)備檢測到，備用檢測設(shè)備隨即將軌道占用信息傳遞到軌旁ATP。軌旁ATP發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的軌道區(qū)段被占用，但該區(qū)段卻沒有被任何列車保護(hù)包絡(luò)覆蓋，隨即在相應(yīng)位置創(chuàng)建默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)(見圖2 b))。列車運(yùn)行過程中讀到信標(biāo)并定位后，開始向軌旁ATP發(fā)送其定位報(bào)告，軌旁ATP收到該定位報(bào)告后按照上文的步驟四、步驟五進(jìn)行列車保護(hù)包絡(luò)的拆分、插入、篩選等操作(見圖2 c))。

a) 列車首次進(jìn)入CBTC區(qū)域

默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)的修正計(jì)算如圖3所示。如果軌旁ATP無法再從車載ATP獲取新的列車位置信息，則只能根據(jù)備用檢測設(shè)備的狀態(tài)按以下原則計(jì)算列車位置：① 如果備用檢測設(shè)備為占用狀態(tài)，則軌旁ATP將該備用檢測設(shè)備對應(yīng)的軌道區(qū)段作為列車保護(hù)包絡(luò)的計(jì)算基準(zhǔn)；② 根據(jù)線路的最大列車運(yùn)行速度和備用檢測設(shè)備的最大占用檢測延時(shí)，推測該區(qū)段的相鄰區(qū)段是否也被列車占用(雖然該相鄰區(qū)段對應(yīng)的備用檢測設(shè)備處于出清狀態(tài))；③ 軌旁ATP最終計(jì)算得到的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)應(yīng)完全覆蓋經(jīng)上述推算后所有可能被列車占用的區(qū)段。

圖3 默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)修正計(jì)算示意圖Fig.3 Diagram of correction calculation for default train protection envelope

2.4 基于計(jì)軸的多源信息中間件功能的具體實(shí)現(xiàn)

在目前的城市軌道交通項(xiàng)目中，通常采用計(jì)軸設(shè)備作為備用檢測設(shè)備。計(jì)軸可能會(huì)因受擾等原因發(fā)生故障，所以軌旁ATP在計(jì)算備用檢測設(shè)備狀態(tài)時(shí)，還需對比列車包絡(luò)狀態(tài)與備用檢測設(shè)備所提供信息的一致性。如果軌旁ATP根據(jù)列車包絡(luò)狀態(tài)認(rèn)為某軌道區(qū)段上不可能存在列車，則軌旁ATP將認(rèn)定該軌道區(qū)段對應(yīng)的備用檢測設(shè)備已發(fā)生故障。

軌旁ATP還需解決發(fā)現(xiàn)列車首次進(jìn)入CBTC區(qū)域的及時(shí)性問題。這個(gè)問題可以通過將某些備用檢測設(shè)備賦予特殊屬性來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)這些具有特殊屬性的備用檢測設(shè)備被檢測到為占用狀態(tài)時(shí)，軌旁ATP立刻在該設(shè)備上創(chuàng)建默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)，而不會(huì)判定其故障。

軌旁ATP在為列車計(jì)算保護(hù)包絡(luò)時(shí)還需考慮列車運(yùn)行的時(shí)空一致性，該一致性主要基于如下幾個(gè)事實(shí)：① 列車運(yùn)行不可能突破其最高速度；② 備用檢測設(shè)備的占用信息傳輸?shù)杰壟訟TP具有確定的最大延時(shí)；③ 列車在運(yùn)行時(shí)不能跳躍，必須依次通過連續(xù)的軌道區(qū)段。從而得到如下關(guān)系：

sc=vmaxtd,max

(1)

式中：

sc——默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)的修正距離；

vmax——列車在線路上的最大運(yùn)行速度；

td,max——備用檢測設(shè)備被占用信息傳遞到軌旁ATP的最大延時(shí)。

如圖4所示，軌旁ATP根據(jù)列車定位信息計(jì)算通信列車保護(hù)包絡(luò)的修正距離。

圖4 通信列車保護(hù)包絡(luò)修正計(jì)算示意圖Fig.4 Diagram of correction calculation for communication train protection envelope

通信列車保護(hù)包絡(luò)根據(jù)車載ATP發(fā)送的列車安全定位區(qū)間、軌旁與車載之間網(wǎng)絡(luò)報(bào)文傳輸延時(shí)以及列車特性，運(yùn)用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律計(jì)算得到：

(2)

sc,t=dr,max

(3)

式中：

sc,h——列車頭部保護(hù)包絡(luò)修正距離；

sc,t——列車尾部保護(hù)包絡(luò)修正距離；

v——車載ATP向軌旁ATP提供的列車實(shí)時(shí)運(yùn)行速度；

Δt——列車定位信息從車載ATP發(fā)送到軌旁ATP的時(shí)間間隔；

a——列車的最大牽引加速度;

dr,max——列車運(yùn)行時(shí)沿運(yùn)行方向的反方向運(yùn)動(dòng)的可能最大距離，其值由列車的制動(dòng)性能及相應(yīng)的運(yùn)營限制決定。

由此，從列車頭部安全定位向列車行進(jìn)方向延伸sc,h，即可得到軌旁ATP收到列車定位信息時(shí)列車頭部可能的最前端位置。相應(yīng)地，從列車尾部安全定位向列車行進(jìn)的反方向延伸sc,t，即可得到此時(shí)列車尾部實(shí)際可能的最后端位置。

2.5 多源信息中間件對特殊線路狀態(tài)的處理

考慮到軌旁ATP采集到的列車保護(hù)包絡(luò)所覆蓋的道岔的狀態(tài)被可能與該道岔實(shí)際鎖閉位置對應(yīng)的狀態(tài)不一致，在計(jì)算列車保護(hù)包絡(luò)時(shí)，采用的是道岔實(shí)際位置，而非道岔鎖閉位置。這樣在完成列車保護(hù)包絡(luò)的計(jì)算后，軌旁ATP需根據(jù)軌道區(qū)段的實(shí)時(shí)鏈接關(guān)系(根據(jù)道岔實(shí)際采集位置進(jìn)行計(jì)算而得)，對列車保護(hù)包絡(luò)進(jìn)行壓縮和拆分。

a) 開向不明道岔出現(xiàn)在列車保護(hù)包絡(luò)范圍內(nèi)的初始狀態(tài)

特殊情況下，四開道岔因振動(dòng)、手搖道岔等原因?qū)е碌啦砑炔辉诙ㄎ灰膊辉诜次?即線路上存在開向不明道岔)，此時(shí)列車保護(hù)包絡(luò)內(nèi)部存在斷鏈點(diǎn)，列車保護(hù)包絡(luò)的處理方式如圖5所示。

當(dāng)列車保護(hù)包絡(luò)內(nèi)部存在斷鏈點(diǎn)時(shí)，軌旁ATP會(huì)將此特殊場景判定為非法場景，并按照如下原則予以處理：

1) 如果斷鏈點(diǎn)出現(xiàn)在列車頭部保護(hù)包絡(luò)修正距離或列車尾部保護(hù)包絡(luò)修正距離內(nèi)，則壓縮列車保護(hù)包絡(luò)，使列車保護(hù)包絡(luò)不直接跨越該斷鏈點(diǎn)。在斷鏈點(diǎn)的另一側(cè)創(chuàng)建新的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)，以保證如果列車仍在運(yùn)行，其仍能被原列車保護(hù)包絡(luò)及新創(chuàng)建的默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)所覆蓋，即被縮短后的列車保護(hù)包絡(luò)加上新創(chuàng)建的列車保護(hù)包絡(luò)所覆蓋的軌道區(qū)段總長度應(yīng)與斷鏈點(diǎn)出現(xiàn)前相等。

2) 如果斷鏈點(diǎn)出現(xiàn)在列車安全定位范圍內(nèi)，則認(rèn)為該斷鏈點(diǎn)已位于列車車身內(nèi)，此時(shí)需刪除相應(yīng)列車。如果此時(shí)對應(yīng)的是通信列車保護(hù)包絡(luò)，還需將該包絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槟J(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)。

如軌旁ATP能確認(rèn)在1個(gè)默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)范圍內(nèi)無隱藏列車，可將該默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)刪除。軌旁ATP判斷在1個(gè)列車保護(hù)包絡(luò)內(nèi)無列車的依據(jù)是該默認(rèn)列車保護(hù)包絡(luò)覆蓋的所有備用檢測設(shè)備均報(bào)告出清。

3 結(jié)語

本文建立了統(tǒng)一的列車保護(hù)包絡(luò)模型，設(shè)計(jì)了多源信息中間件，用以解決主用檢測設(shè)備和備用檢測設(shè)備提供的列車位置信息描述不一致的問題，以及由報(bào)文傳輸延時(shí)容忍度設(shè)計(jì)帶來的定位不確定性問題和由報(bào)文異步引起的列車物理定位與邏輯定位的錯(cuò)位問題，進(jìn)而使得軌旁ATP核心模塊在處理列車相關(guān)信息時(shí)不需要面臨信息來源多樣、信息延時(shí)多變、報(bào)文異步導(dǎo)致列車邏輯錯(cuò)位、列車狀態(tài)轉(zhuǎn)變等復(fù)雜狀況。同時(shí)，列車保護(hù)包絡(luò)模型可以保證所增加或更換的列車檢測方法(如新的測速定位傳感器或新型備用檢測設(shè)備)只影響多源信息中間件，而不影響軌旁ATP的核心模塊，由此，該模型可進(jìn)一步提高整個(gè)軌旁ATP系統(tǒng)的模塊化程度、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。