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        城市軌道交通線路失表道岔處列車安全防護(hù)包絡(luò)研究

        2022-12-10 07:09:50
        城市軌道交通研究 2022年11期
        關(guān)鍵詞:計(jì)軸軌道電路道岔

        左 輝

        (卡斯柯信號有限公司, 610083, 成都∥工程師)

        列車運(yùn)行振動等原因會導(dǎo)致道岔密貼檢查故障,ZC(區(qū)域控制器)與聯(lián)鎖通信中斷也會導(dǎo)致ZC內(nèi)道岔狀態(tài)未知,此時道岔的物理狀態(tài)是連通的,但有可能會被ZC判定為處于失去表示(以下簡稱“失表”)狀態(tài)[1]。列車可能通過失表的道岔,因此,ZC需要對列車可能到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行防護(hù),以避免其他CBTC(基于通信的列車控制)列車進(jìn)入該區(qū)域。具有定位信息的列車通過失表道岔時可能會失去其定位信息,故不能完全依賴列車的位置報文判定列車的位置。為此,本文提出一種失表道岔處列車安全防護(hù)的新方案,旨在保證CBTC系統(tǒng)安全的同時,盡量減少對采用CBTC運(yùn)行模式的列車的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。

        本文采用列車安全防護(hù)包絡(luò)(以下簡稱“包絡(luò)”)方法對失表道岔處的列車進(jìn)行安全防護(hù)。當(dāng)列車可能通過失表道岔時,在列車所有可能到達(dá)的路徑上創(chuàng)建包絡(luò),對列車進(jìn)行防護(hù)。根據(jù)計(jì)軸或軌道電路采集的區(qū)段占用狀態(tài),實(shí)時更新該列車包絡(luò)。當(dāng)列車不可能從某路徑通過時,刪除該路徑上的列車包絡(luò),以避免影響其他CBTC列車的正常運(yùn)行。

        1 列車安全防護(hù)包絡(luò)

        包絡(luò)是一段軌道區(qū)域,用以描述列車可能占用的一個線路區(qū)間。任何時刻下的任何列車均應(yīng)在包絡(luò)范圍之內(nèi)[2]。列車的移動授權(quán)計(jì)算將包絡(luò)作為列車安全防護(hù)的重要保障,列車的移動授權(quán)不能位于其他列車的包絡(luò)范圍之內(nèi)。若列車位置超出包絡(luò)范圍,可能會引起嚴(yán)重后果。

        根據(jù)列車的通信狀態(tài),包絡(luò)可分成兩類:

        1) 通信列車安全防護(hù)包絡(luò)(以下簡稱“通信包絡(luò)”):基于列車報告的位置信息對包絡(luò)進(jìn)行更新,將列車車頭基于安全定位的最靠前位置作為通信包絡(luò)頭部位置,將列車車尾基于安全定位的最靠后位置作為通信包絡(luò)的尾部位置。通信包絡(luò)中有且僅有1列列車。當(dāng)列車關(guān)聯(lián)1個通信包絡(luò)時,該車必須由該通信包絡(luò)完全覆蓋。不關(guān)聯(lián)通信包絡(luò)的列車不能被判定為CBTC列車,也不能計(jì)算出該車的有效移動授權(quán)。

        2) 非通信列車安全防護(hù)包絡(luò)(以下簡稱“非通信包絡(luò)”):基于計(jì)軸/軌道電路采集的區(qū)段被占用狀態(tài)對包絡(luò)進(jìn)行更新,非通信包絡(luò)包括所占用計(jì)軸/軌道電路的整個區(qū)段。此外,在從占用轉(zhuǎn)為出清的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段邊界點(diǎn)處,非通信包絡(luò)還應(yīng)從該邊界點(diǎn)向占用轉(zhuǎn)出清的方向擴(kuò)展1個列車懸垂距離(在計(jì)軸/軌道電路確認(rèn)檢測到列車之前,列車可以在該計(jì)軸/軌道電路上運(yùn)行的最大距離)。非通信包絡(luò)中可能不包含任何列車,也可能包含多列列車。當(dāng)列車不關(guān)聯(lián)任何通信包絡(luò)時,該車必須由1個或多個(如列車車身跨越失表的道岔時)非通信包絡(luò)完全覆蓋。

        2 失表道岔處的包絡(luò)管理

        包絡(luò)會被失表道岔阻擋,但列車可以運(yùn)行通過物理位置確定但狀態(tài)表示為失表的道岔,從而存在列車運(yùn)行超出包絡(luò)防護(hù)的風(fēng)險。為了防止該危險場景的發(fā)生,當(dāng)包絡(luò)中的列車有可能通過失表道岔時,ZC將在失表道岔的另一側(cè)構(gòu)建非通信包絡(luò),以保證列車越過失表道岔后仍然處于包絡(luò)防護(hù)范圍內(nèi)。失表道岔的定位和反位區(qū)段均需要構(gòu)建非通信包絡(luò)。

        為了提升CBTC系統(tǒng)的可用性,失表道岔處新構(gòu)建的非通信包絡(luò)只限定在當(dāng)前時刻列車可能到達(dá)的區(qū)域。對于通信包絡(luò)/非通信包絡(luò)而言,新構(gòu)建的非通信包絡(luò)長度即為該通信包絡(luò)/非通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的距離。圖1為根據(jù)通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的距離LB構(gòu)建的非通信包絡(luò)防護(hù)。

        如圖1所示,當(dāng)列車通過失表道岔P時,會導(dǎo)致道岔區(qū)域的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段被占用,新構(gòu)建的非通信包絡(luò)將根據(jù)計(jì)軸/軌道電路區(qū)段的占用狀態(tài)進(jìn)行更新。如非通信包絡(luò)覆蓋的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段均為出清狀態(tài),該非通信包絡(luò)可被刪除,以提升CBTC系統(tǒng)的可用性。

        圖1 在失表道岔處創(chuàng)建非通信包絡(luò)

        3 失表道岔處包絡(luò)防護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法

        在線路上發(fā)生多個相鄰的道岔同時失表的情況下,列車可能的運(yùn)行區(qū)域?qū)⑹且粋€復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),且對于同一個軌道區(qū)段,列車可能存在多條到達(dá)路徑。在不同路徑下,列車在該軌道區(qū)段的防護(hù)距離是不同的,ZC需根據(jù)防護(hù)的最差條件來構(gòu)建非通信包絡(luò)。圖2為列車通過失表道岔P1時可能到達(dá)的路徑。

        圖2 失表道岔處的多個運(yùn)行路徑

        如圖2所示,若ZC與聯(lián)鎖通信中斷,聯(lián)鎖管轄的所有道岔都被ZC判定為失表狀態(tài),此時列車可能的運(yùn)行區(qū)域是一個復(fù)雜的網(wǎng)狀圖,這對于需要實(shí)時計(jì)算包絡(luò)位置的ZC而言,其運(yùn)算負(fù)擔(dān)較重。因此,此時的列車安全防護(hù)方案需要滿足以下要求:①按列車可能的運(yùn)行路徑構(gòu)建所有的包絡(luò);②采用離線方式進(jìn)行預(yù)計(jì)算,以減小ZC系統(tǒng)的在線運(yùn)算負(fù)載;③盡量減小對其他正常運(yùn)行列車的影響。

        根據(jù)上述要求,對列車運(yùn)行區(qū)域進(jìn)行抽象描述:

        1) 首先按照道岔的匯聚和發(fā)散方向,將該道岔描述為帶方向的矢量信息(以下簡稱“PV”)。因?yàn)榉峭ㄐ虐j(luò)創(chuàng)建的原因是包絡(luò)被失表道岔阻擋,所以提取創(chuàng)建非通信包絡(luò)的源道岔關(guān)聯(lián)矢量(以下簡稱“SrcPV”)。對于任意道岔,在道岔的發(fā)散端和匯聚端均應(yīng)關(guān)聯(lián)各自的SrcPV。

        2) 同理提取創(chuàng)建非通信包絡(luò)目的道岔的關(guān)聯(lián)矢量(以下簡稱“DstPV”),將SrcPV到DstPV的路徑稱為道岔鏈路(以下簡稱“PntChain”)。各道岔鏈路的長度是確定的。

        3) 對于某個DstPV,應(yīng)建立與其關(guān)聯(lián)的所有SrcPV及PntChain的路徑列表(以下簡稱“SrcList”),并且允許同一個SrcPV通過不同的PntChain到達(dá)同一個DstPV(例如圖2所示的路徑1和路徑2)。這些抽象數(shù)據(jù)(DstPV、SrcList、SrcPV及PntChain)可采用離線方式進(jìn)行預(yù)計(jì)算。

        3.1 抽象數(shù)據(jù)的離線預(yù)計(jì)算

        3.1.1 包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B

        包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B用于檢查失表道岔的包絡(luò)影響范圍,其計(jì)算式為:

        Lmax_B=max(Lmax_CT_B,Lmax_NCT_B)

        (1)

        式中:

        Lmax_CT_B——通信列車通信包絡(luò)被阻擋的最大距離;

        Lmax_NCT_B——非通信列車非通信包絡(luò)被阻擋的最大距離。

        Lmax_CT_B為列車最大安全前端位于道岔處時通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離,其計(jì)算式為:

        (2)

        式中:

        vmax——列車的最大運(yùn)行速度;

        a——列車在最大牽引和最大坡度下的加速度;

        T——列車位置報文的最大有效期(即從列車產(chǎn)生位置報文開始到ZC認(rèn)為該位置報文失效的最大時延)。

        Lmax_NCT_B為非通信列車占用岔區(qū)所在區(qū)段且車輛外側(cè)端點(diǎn)已位于下一個區(qū)段但列車車軸還未占用下一個區(qū)段時,非通信包絡(luò)被失表道岔阻擋的最大距離,其計(jì)算式為:

        Lmax_NCT_B=Lmax_Sw_S+LT_O

        (3)

        式中:

        Lmax_Sw_S——岔區(qū)最長區(qū)段的長度;

        LT_O——列車的懸垂距離。

        3.1.2 計(jì)算靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)表

        以每個道岔在匯聚方向和發(fā)散方向關(guān)聯(lián)的SrcPV為基礎(chǔ),遍歷所有可達(dá)鏈路,如果鏈路內(nèi)的某一道岔與SrcPV關(guān)聯(lián)道岔的距離小于Lmax_B,則將該道岔在鏈路搜索方向的PV作為DstPV,在其SrcList中加入SrcPV和道岔鏈路PntChain。

        從SrcPV到DstPV的靜態(tài)鏈路PntChain中,應(yīng)進(jìn)行如下定義:鏈路長度LS用以描述從SrcPV到DstPV的距離;鏈路道岔列表用以描述靜態(tài)鏈路包含的道岔和道岔狀態(tài),其中,道岔狀態(tài)用以描述鏈路中對應(yīng)道岔連通的位置,分為定位和反位兩種。在道岔列表中不包含SrcPV與DstPV關(guān)聯(lián)的道岔。

        如圖3所示,假設(shè)岔P1到P3的距離小于Lmax_B,每個道岔關(guān)聯(lián)3個區(qū)段,假定每個區(qū)段的長度均為10 m,則從P1向P3方向構(gòu)建的靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)示例如表1所示。

        圖3 靜態(tài)鏈路示意圖

        表1 靜態(tài)鏈路配置數(shù)據(jù)示意表

        3.2 包絡(luò)的實(shí)時處理

        3.2.1LB的動態(tài)更新

        在ZC每個計(jì)算周期開始時,將SrcPV上記錄的LB設(shè)為0。在計(jì)算通信/非通信列車包絡(luò)時,當(dāng)包絡(luò)擴(kuò)展被失表道岔阻擋時,在該失表道岔對應(yīng)方向的SrcPV上記錄其LB。如果一個失表道岔的定位和反位在道岔的匯聚方向上都存在包絡(luò)被阻擋的情況,則對應(yīng)的SrcPV上只記錄最大的LB。

        3.2.2 創(chuàng)建非通信包絡(luò)

        ZC每個計(jì)算周期對所有的道岔狀態(tài)進(jìn)行檢查。如果道岔處于失表狀態(tài),以該道岔的匯聚方向和發(fā)散方向分別作為DstPV,檢查是否滿足創(chuàng)建非通信包絡(luò)條件。在滿足下列全部條件時,ZC認(rèn)為SrcPV處的包絡(luò)被阻擋,需要在DstPV處創(chuàng)建新的包絡(luò):

        1) SrcPV阻擋了包絡(luò)的擴(kuò)展。此時SrcPV關(guān)聯(lián)的道岔處于失表狀態(tài),SrcPV上記錄的阻擋包絡(luò)擴(kuò)展距離LB>0,且從靜態(tài)鏈路可達(dá)性角度判定該SrcPV可能會對DstPV產(chǎn)生影響(即SrcPV屬于DstPV關(guān)聯(lián)的SrcList的成員)。

        2) SrcPV與DstPV間的鏈路可能連通。此時在SrcPV與DstPV間的鏈路路徑上若存在道岔(即鏈路內(nèi)的道岔數(shù)大于0),并且每個道岔都位于指定位置或處于失表狀態(tài),則判定該鏈路可能連通;如果鏈路上不存在道岔,則直接判定該鏈路連通。

        3) SrcPV上記錄的阻擋包絡(luò)擴(kuò)展距離大于SrcPV與DstPV間的鏈路長度即(LB>LS)。

        上述全部條件滿足時,需要在所有直接關(guān)聯(lián)DstPV的區(qū)段上創(chuàng)建非通信包絡(luò),此時新創(chuàng)建包絡(luò)的長度LC=LB-LS,新包絡(luò)的一端覆蓋到DstPV關(guān)聯(lián)的道岔位置,另一端為從該道岔位置沿著DstPV方向搜索LC長度得到的新位置。

        如果存在多個SrcPV都滿足上述全部條件,則每個SrcPV可能計(jì)算出不同的LC,此時應(yīng)采用最大的LC長度來創(chuàng)建新包絡(luò)。

        3.2.3 刪除無效的包絡(luò)

        為了減少對正常運(yùn)行列車的影響,當(dāng)構(gòu)建的包絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)計(jì)軸/軌道電路區(qū)段已全部出清,則表明列車不會進(jìn)入該區(qū)域,此時可將該包絡(luò)刪除。

        ZC每個計(jì)算周期執(zhí)行一次上文的“LB的動態(tài)更新”“創(chuàng)建非通信包絡(luò)”“刪除無效的包絡(luò)”3個步驟,即可實(shí)現(xiàn)包絡(luò)對列車通過失表道岔的防護(hù)。

        4 道岔失表時包絡(luò)防護(hù)示例

        以一列非通信列車通過失表道岔時的4個場景為例,說明本文提出的列車安全防護(hù)新方案。4個場景均基于以下假設(shè):道岔P1、P3狀態(tài)為失表但其實(shí)際位置為定位,道岔P2、P4狀態(tài)為定位;列車位于非通信包絡(luò)1中,從P1向P3運(yùn)行。

        場景1:如圖4所示,列車未越過道岔P1,ZC在列車可能進(jìn)入的道岔定位和反位區(qū)域內(nèi)構(gòu)建了非通信包絡(luò)2、非通信包絡(luò)3和非通信包絡(luò)4。此時因P2為定位,P2指向P4方向的區(qū)域是列車不可到達(dá)的區(qū)域,所以P2—P4鏈路上不需要創(chuàng)建包絡(luò)。

        場景2:如圖5所示,列車通過定位道岔P1后,P1關(guān)聯(lián)的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段出清,列車占用的區(qū)段位于非通信包絡(luò)2中,其他包絡(luò)覆蓋的區(qū)段均為出清狀態(tài)。此時保留列車可能進(jìn)入的非通信包絡(luò)1和非通信包絡(luò)4,刪除圖3中的非通信包絡(luò)3(因列車不可能進(jìn)入)。

        圖4 非通信列車通過失表道岔場景1

        圖5 非通信列車通過失表道岔場景2

        場景3:如圖6所示,列車進(jìn)入P3道岔區(qū)域,與P3關(guān)聯(lián)的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段被占用,列車可能進(jìn)入P3的反位區(qū)域,因此ZC新建非通信包絡(luò)5。此時因P4為定位,列車不可能通過P4,所以P4—P2鏈路上不需要創(chuàng)建包絡(luò)。

        圖6 非通信列車通過失表道岔場景3

        場景4:如圖7所示,列車出清道岔P3關(guān)聯(lián)的計(jì)軸/軌道電路區(qū)段,ZC刪除非通信包絡(luò)1、非通信包絡(luò)2及非通信包絡(luò)5。列車向前移動時,包絡(luò)住列車的非通信包絡(luò)4也跟隨移動,若列車占用的區(qū)段遠(yuǎn)離P3,則非通信包絡(luò)4也將離開P3的關(guān)聯(lián)區(qū)段。

        5 結(jié)語

        從行車安全角度,使用包絡(luò)對列車進(jìn)行防護(hù)是一種有效的方法。道岔失表是常見的故障,當(dāng)列車可能通過失表道岔時,即時創(chuàng)建包絡(luò),以覆蓋列車可能通過失表道岔后進(jìn)入的區(qū)域,并根據(jù)計(jì)軸/軌道電路區(qū)段的被占用狀態(tài)推導(dǎo)列車的位置,動態(tài)更改包絡(luò)的覆蓋范圍。這樣,既能避免其他CBTC列車進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)而引發(fā)碰撞危險,又能避免失表道岔影響范圍擴(kuò)大對其他列車的正常運(yùn)行造成影響。當(dāng)線路上多個相鄰的道岔同時失表之后,列車可能的運(yùn)行區(qū)域?qū)⑹且粋€復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),此時應(yīng)對各種可能的場景進(jìn)行離線預(yù)計(jì)算,用專用的配置數(shù)據(jù)將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為簡單的查表運(yùn)算,以降低ZC的實(shí)時運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

        圖7 非通信列車通過失表道岔場景4

        本文所述的列車安全防護(hù)新方案已經(jīng)在北京、上海等城市軌道交通項(xiàng)目中得以應(yīng)用。實(shí)踐表明,該方案提高了CBTC系統(tǒng)的安全性,可有效維持城市軌道交通線路高效、有序的運(yùn)營。

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