基于 UPPAAL仿真軟件的CTCS-3級行車許可研究*

（上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,講師）

基于 UPPAAL仿真軟件的CTCS-3級行車許可研究*

黃秀玲原萍朱文良

（上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,講師）

行車許可是列車安全運行的行車憑證,是無線閉塞中心通過與列車、聯鎖系統等設備的通信獲得相關的信息后,生成并發送給列車,最終車載設備根據行車許可信息計算安全防護曲線,確保列車安全運行。因此,行車許可丟失或發生錯誤都會影響列車運行安全,而行車許可終點計算的合理性則會影響運營效率。分別分析了列車在接車、發車、區間運行等3個階段的正常運營情況下和非正常運營情況下對行車許可的獲取及采取的相應操作,然后用 UPPAAL仿真軟件中的時間自動機進行仿真驗證分析結果的正確性。

行車許可;無線閉塞中心;時間自動機

First-author’saddress College of Urban Railway Traffic and Transportation,Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

行 車 許 可 （Movement Authority,以 下 簡 稱MA）,是指列車運行的起始命令。此命令包含列車運行的距離、速度等信息,即：允許列車以多高的限速開多遠。

在運營條件正常的情況下,MA是由無線閉塞中心（Radio Block Center,以下簡稱 RBC）發送給車載信號設備,車載設備根據獲得的 MA,計算列車運行防護曲線,監控列車安全運行。MA終點受與本列車通信的 RBC控制區域內的線路參數、列車參數、閉塞方式,以及通信設備等的影響。如：移動閉塞系統和固定閉塞系統中的MA終點的計算依據不同;列車前方是否有道岔會影響 MA終點的計算;不 同 的 列 車 運 行 控 制 系 統 （Chinese Train Control System,以下間稱 CTCS）級別 MA 終點的確定也不同等。因此分析在不同的條件下MA的獲取,以及在故障狀態下運行時正確獲取 MA,對列車運行的安全性具有積極的意義。

1 CTCS-3系統中列車對 MA的接收與執行

當列車運行在 CTCS-3系統中時,列車通過車載設備向RBC發送 MA請求;RBC根據從聯鎖系統獲得 的 信 號 授 權 （Signal Authorization,以 下 簡稱SA）,以及列車發送給RBC的列車位置信息,最終計算分析得到 MA,并將生成的 MA、線路參數等信息發送給列車車載設備。其中,SA包括進路類型、進路狀態、降級狀態、進路識別號、危險點、溜入危險等信息;列車位置信息包括本列車和前行列車發送的位置信息及列車數據等信息。列車控制車載設備根據獲得的 MA終點位置、當前區間的閉塞方式、列車和線路的限速等信息,計算MA區域內的列車防護曲線,監控列車的安全運行。

當列車正常運行時,車載設備循環從RBC獲得向前延伸的MA。若在當前MA范圍內進路的某區段已被占用,則聯鎖設備向RBC發送占用消息, RBC根據該占用消息生成有條件緊急停車消息（CEM）,并發送給車載設備;車載設備根據 RBC和聯鎖發送的相關消息以及本列車的位置信息判斷生成CEM消息的原因,并作相應的操作。當車載設備發生故障致使列車緊急停車,或因其它原因RBC向列車控制車載設備發送緊急停車消息（UEM）或者縮短行車許可（SMA）的命令,原 MA 將被中止,并按新的MA安全行車。

一般情況,MA一旦生成并且發送給列車后,列車根據該MA執行相應的操作,直到 MA結束或者超時。

2 處于不同進路中列車的MA

當列車獲得 UEM信息后,需要根據列車當前所處的位置不同而采取不同的操作;而且雖然同是延伸許可,列車所處的進路不同,延伸許可也不同。因此以下分析列車在出站、區間運行、進站三個階段中接收延伸 MA、UEM等消息后所需采取的操作。

2.1 在發車進路中列車獲得的 MA

列車進入發車進路前,需經過的過程有：上電、注冊到RBC、按壓“啟動”按鈕、車載設備正式投入工作、CTC（調度集中控制系統）控制聯鎖辦理發車進路,從而使 RBC或軌道電路向車載設備發送發車MA。

2.1.1 列車處于圖1中的位置①時

若在發車進路還未辦理時,發車進路中的道岔或其它站內軌道區段發生故障,此時由于列車還未得到 MA,需請示調度員,并得到調度員確認后方能發車進入發車進路。

當列車接收到發車 MA后,此時前方進路或道岔若發生故障,基于故障-安全原則,車站聯鎖將立即關閉出站信號機 X3,并向 RBC發送發車進路為“占用”狀態;列車則接收到RBC發送的以X3信號機為目標點的CEM,并執行如下操作：

（1）通過列車的位置判斷列車前端是否已經通過 X3信號機：若未通過,則“占用”狀態信息是因前方軌道是處于故障狀態或者是被其他列車不正常占用,此時列車需立即進行制動并停車;如果列車前端已經通過信號機X3,則表明這個“占用”狀態是本列車占用該段軌道引起的（如圖1中列車處于位置②時的狀態）,列車將忽略該消息,繼續按原來的 MA前進。

圖1 列車發車行車許可示意圖

（2）當發生道岔失去表示故障時,列車接收到CEM后,返回給 RBC一個確認消息;RBC收到車載設備的確認消息后,通知車站聯鎖發車進路的MA狀態為“無行車許可”。通過計算后,列車若可以在信號機X3前停車,則停在出站信號機 X3前;若不能,則列車先越過出站信號機X3,然后,車載設備觸發緊急制動;列車停車后,司機取得調度員的允許,并通過按壓越行鍵,以目視行車（On Sight,簡為OS）模式繼續前進。

2.1.2 當列車處于圖1中位置④時

聯鎖向 RBC發送發車進路（SA_121）“占用”狀態信息,RBC以出站信號機Sn為目標點,向列車發送CEM,此時列車因已通過信號機Sn而繼續前進,并接收到向區間延伸的MA。

2.2 區間運行的列車在不同的運營場景接收到的MA

當列車出清發車進路并進入區間區段時,當前方無道岔則RBC循環向列車發送15個閉塞分區的MA,直到列車進站;若前方15個閉塞分區內有道岔,則 MA延伸到道岔處,當列車靠近道岔并距離道岔40 s時,延伸 MA到前方15個閉塞分區處,從而避免過早將道岔納入某列車的MA區域范圍而影響整條線路的運營效率;當列車前方下一個閉塞區間含有道岔時,將其視作站內軌道區段處理。下面將分析 MA的獲取,即RBC切換過程、等級轉換過程,以及區間軌道非正常占用時的狀態。

2.2.1 RBC 切換過程中的 MA

當同一列車運行距離超出當前RBC的管轄范圍并進入下一個 RBC管轄區域時,需進行 RBC1/ RBC2切換。為使列車安全且不減速越過RBC切換邊界,RBC1提供的 MA將在 RBC2管轄區域內延長一個40 s正常行駛距離（即車載設備與RBC1斷開連接,并與 RBC2建立通信會話并獲得新的MA的時間內的行駛距離）+ 完整制動距離的長度,并且在RBC1/RBC2切換邊界前的一段距離處設置一個預切換應答器組（LTA）。當列車經過該應答器組時,車載設備向 RBC1發送列車位置, RBC1則向車載發送RBC切換命令,同時向RBC2發送移交列車預告信息和包括MA終點距離的進路請求信息,從而提前獲得 RBC2區域內的 MA。并且,此時盡管列車還未進入 RBC2管轄范圍,只要RBC2管轄范圍內進路發生變化,MA都需要發生變化,因此 RBC2需及時將進路信息發送給RBC1,從而及時更新當前車載設備的 MA,保護列車安全運行。

2.2.2 等級轉換過程中行車許可的獲得

工作在CTCS-3級列車需有 CTCS-2級列車控制系統作為后備系統,并且 CTCS-3級列車控制系統與CTCS-2級系統同時運行;只是當 CTCS-3級列車控制系統設備正常時,CTCS-2級系統的數據不參與任何系統控制。因此當某列車需進行等級切換動作時,MA需發生變化。

為確保列車進入轉換后的CTCS等級系統運行時能獲取正確的 MA,控制列車安全運行,列車在進行等級轉換前需保存線路信息、列車數據等信息。因此,在等級轉換邊界前設置一等級轉換預告應答器組LTA。一般該應答器設置在距離切換點前20 s（車載設備與RBC通信時間+ 司機確認時間）列車走行的距離處。當列車前端通過預告應答器組LTA時,車載設備向RBC報告列車所處進路位置, RBC便可獲得準確的進路信息,并向車載設備發送MA及等級轉換命令。當列車通過 CTCS-2/CTCS-3級邊界時,車載設備使用已保存的 MA、前方進路相關線路數據和本列車信息,計算列車運行防護曲線,從而使列車運行在安全的狀態下。

2.2.3 區間軌道非正常占用情況下的 MA

如圖2所示,列車在35信號點防護區段運行, MA已延伸至41信號點。此時,車載設備將忽略接收到的CEM消息,繼續按原來的 MA前進;即使35 G軌道電路故障,列車仍按原 MA運行。但當出現以下兩種情況的非正常占用時,該列車的 MA將發生變化。

圖2 列車區間行車許可示意圖

（1）若39信號點的防護區段被另一列車非正常闖入或者軌道電路故障而導致39 G進路區段為“占用”狀態的情況,按照在 MA范圍內的進路上只允許包含一列車的原則,此時RBC將向列車發送一個以39信號點為目標點的CEM。車載設備接收到該消息后新生成一個以39信號點為目標點的SMA,從而確保列車的安全運行。

（2）當列車在39信號點前停車后,根據運行規則,列車在信號防護點前停車2 min,司機通過按壓“越行”按鈕,使列車自動轉入OS模式,并按固定限速40 km/h監控列車運行。列車以 OS模式越過39信號點進入39 G故障軌道區段。當列車經過參考位置應答器并到達工作正常且鎖閉的41 G軌道區段時,向 RBC 報告有效的位置。當新的進路占用與列車報告位置的時間間隔在6 s以內時,并且RBC通過判斷前方無其它列車后,向列車發送新的完全監控 MA,MA的終點向前延伸;否則列車將繼續以OS模式駛向前方軌道區段。

2.3 在接車進路中列車獲得的 MA

列車在進站過程中,接車進路中軌道區段隨列車的順序占用和出清逐段解鎖,因此列車處于如圖3中的4個不同的位置時所接收到的MA不同。當列車停穩計時結束后,接車進路狀態無效,MA縮短到列車前端位置。

2.3.1 正常情況下的接車進路中的 MA

如圖3所示,當列車在位置①時,列車已得到以出站信號機 X3為終點的 MA,并繼續前進。當列車行至位置②時,RBC以進站信號機 X為目標點,向列車發送CEM。但經過判斷,該CEM消息乃是由于本列車進入 X_S3區段引起的,因此列車忽略該CEM繼續前行。

圖3 列車接車行車許可示意圖

當列車進入到位置③處時,聯鎖又向RBC發送進路被占用的狀態信息,并且啟動股道判斷列車停穩計時,直到列車進入位置④,列車停車后,RBC向聯鎖報告列車速度為零的信息;等到計時40 s后判斷列車停穩,接車股道進路被解鎖,聯鎖向 RBC發送接車進路“無進路（No Route）”信息;RBC收到該“無進路”信號后,向列車發送到列車前端的MA,于是列車將 MA縮短至列車前端,使列車保持停車狀態。

2.3.2 列車進出站過程中站內軌道故障時的 MA

當站內軌道發生故障時,由于在接發車過程中所采取的方法一致,因此,經過分析,概括了接車過程中站內軌道非正常占用和道岔失去表示情況下列車 MA的獲得,并歸納如表1所示。

表1 站內軌道非正常占用/道岔失去表示情況下MA分析

3 仿真設計分析

根據分析,利用UPPAAL軟件對列車在不同的狀態下獲得的MA,以及獲得MA后的對應操作進行仿真。設計包含以下3個仿真模型的自動機網絡：

System={EVC,RBC,iLock}

圖4、圖5、圖6分別是列車車載（EVC）模型、RBC模型、聯鎖（iLock）模型,表2為 EVC 模型的位置、通道、函數及變量定義。通過對該自動機網絡仿真得出當列車按以上原則進行操作后,列車能安全發車到進站停車。為使系統能遍歷全部的結點,在設計激勵條件時采用一些變量。如圖4中變量signal_out是用來區分當列車獲得 CEM 后是否能在信號機或道岔前制動停車：當signal_out為奇數時,認為其可以直接制動停車;當signal_out為偶數時,認為列車不能在信號機或道岔前制動停車,需繼續前行越過信號機或道岔并制動停車。

圖4 EVC模型

圖5 RBC模型

圖6 iLock模型

4 結語

MA的正確獲取在列車防護曲線的正確計算以及保證列車安全運行方面發揮著重要的作用。因此,列車無論在接車、發車以及區間段中運行,都必須獲得正確的 MA,確認本列車的 MA范圍內無其它列車且能正常接收到下一下區段的 MA信息,否則導致列車進入錯誤進路或其它危險區段,從而引起列車相撞等事故。同時MA的獲取需要避免列車因本列車占用軌道而誤判斷前方進路有其它列車存在,使列車制動,從而影響列車的正常運行和線路的運營密度。鑒于MA在列車安全運行以及軌道交通運營密度中起到的重要作用,本文以 CTCS-3級中不同狀況下的列車獲得的 MA為例,對不同狀態下MA的獲取進行了系統深入的研究分析,并用UPPAAL軟件對本文的分析進行仿真,從而驗證本文分析的正確性。希望這一分析對今后關于MA的研究有一定的參考意義。

［1］ 中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS-3級列控系統總體技術方案（V1.0）［S］.2008.

［2］ 中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS-3級列控系統需求功能規范（FRS）（V1.0）［S］.2008.

［3］ 中華人民共和國鐵道部科學技術司.CTCS技術規范總則（暫行）［S］.2004.

［4］ 譚耿.基于 UPPAAL的 RBC系統控車流程建模分析［D］.北京：北京交通大學,2008.

Analysis of CTCS 3 Grade Driving License Based on UPPAAL Simulation Software

Huang Xiuling,Yuan Ping,Zhu Wenliang

Driving license（DL）is the guarantee for railway safe operation.To communicate with the train,the interlock system and other equipment like RBC（radio block center）will generate and send DL information to the train, the equipment on the train will calculate the safety protection curve to ensure the train operation safety.Any loss or error happens in DL will directly affect the safety of train running,and the rationality in DL terminal calculation also has impact on the operational efficiency of railway.In this paper,the acquisition of DL and the corresponding operation in the departure,receiving and section running steps when the train is in normal or abnormal operation scenarios are analyzed respectively,a time automata in UPPAAL simulation software is used to verify the result of analysis.

driving license;radio block center;timed automata

U 292

2012-10-25）