長沙地鐵CBTC混跑模式下列車跟蹤的設計與實現

郭 戩 張德明 魏元玲 杜時勇

目前主流的CBTC系統都支持CBTC列車和非CBTC列車混跑的模式，ATS子系統作為調度人員與整個CBTC系統的重要人機接口，必須能夠可靠地識別和跟蹤線上運營的所有列車。對于ATS，列車分為有精確位置報告的列車 (通信車)和沒有位置報告的列車 (非通信車)。通信車一定是CBTC列車;非通信車可能是非CBTC列車，也可能是通信故障的CBTC列車。

1 ATS跟蹤列車的傳統方法

1.從聯鎖子系統獲取邏輯區段的占用狀態，可以定位列車在某個邏輯區段上，依據區段占用順序步進跟蹤列車。這種方法的優點是不用區分通信車和非通信車，跟蹤邏輯簡單。缺點是列車的精確位置和運用駕駛臺方向 (以下簡稱“車頭方向”)無法得知。

2.從ATP子系統獲取全部列車的位置報告，對于CBTC列車，包含車載設備ID、車頭方向、車頭位置坐標和車長等信息;對于非CBTC列車，只能提供其占用的計軸區段，而無法提供列車的準確數目和身份標識，需要ATS識別計算。

在長沙地鐵2號線，聯鎖系統只向ATS提供計軸區段的占用狀態，而沒有提供邏輯區段的占用狀態。由于允許多個CBTC列車駛入同一個計軸區段，所以單純依靠區段占用狀態來跟蹤列車是不可靠的;由于ATP系統不提供非CBTC列車位置，因此ATS只依靠聯鎖，或者只依靠ATP都不能完整可靠地跟蹤列車。

2 利用聯鎖和ATP輸入信息的跟蹤列車方法

根據長沙地鐵2號線信號系統的實際情況，鐵科院ATS系統采用了一種利用聯鎖和ATP輸入信息的跟蹤列車方法。

1.利用ATP的列車位置報告跟蹤通信車。這樣相對于利用區段占用狀態定位列車更為精確，而且跟蹤可以不受計軸設備故障的影響。

2.利用聯鎖的區段占用信息跟蹤非通信車。對于通信故障列車或非CBTC裝備列車 (如工程車、救援車等)，仍需依靠區段占用狀態進行跟蹤。

3.綜合利用上述2種跟蹤方式，實現通信車降級為非通信車、非通信車升級為通信車的無縫銜接跟蹤。

2.1 通信車的跟蹤

ATS依據通信車位置報告中的信息進行定位跟蹤，主要需要4個數據:車頭方向、車頭所處的區段、車頭所處區段的位置和列車長度。對于道岔上的列車可能還需要從聯鎖中獲取道岔位置狀態。

不同廠家ATP的列車位置報告包含的信息內容和格式各不相同，需要提取計算出這4個必要數據。其中:車頭方向和列車長度通常在位置報告中直接提供;車頭所處區段通過ATP區段 (或坐標)到ATS區段的映射計算得出;車頭所處區段的位置是在計算出車頭所處ATS區段后，通過位置映射計算得出。

如果ATP對道岔區段按道岔走向進行劃分，則ATS根據ATP區段就可以得知列車在道岔上的位置，可以不依賴聯鎖提供的道岔位置狀態。

長沙地鐵2號線ATP提供給ATS的列車位置報告中包括:車頭方向、車頭相對于某個參照位置應答器的坐標 (包括應答器ID和偏移量)、列車長度，以及列車行駛方向、運行模式等其他非定位用途的狀態信息。由于其中并沒有可以識別道岔位置的有效信息，因此需要從聯鎖獲取。

應答器參照坐標的映射轉換需要以下靜態數據:①各應答器所處的區段和位置;②各區段的長度;③各區段的連接關系。定位算法中，應考慮某個區段沒有鋪設參考位置應答器的情況，可使用遞歸搜索方法，結合道岔位置狀態搜索相鄰區段。

以圖1為例示意列車定位方法。

圖1 通信車定位示意

應答器所處區段和位置:APR3處于P3岔前，與P3岔前計軸分割點距離為A3;區段T1長度為LT1，P1反位區段總長為LP1R，P3定位區段總長為LP31N。

區段連接關系:T1右端接P1岔前，P1反位接P3定位。

聯鎖輸入狀態:道岔P1處于反位，P3處于定位。

列車位置報告數據:應答器ID為03，車頭方向為應答器左方，車頭距離應答器偏移量為Oapr，列車長度為Lt。

通過遞歸的方式定位車頭所處區段:

Oapr＞(LP3N-A3)?車頭不在P3上，繼續查找相鄰的P1反位區段;

Oapr＞LP1R+(LP3N-A3)?車頭不在P1上，繼續查找相鄰的T1區段;

Oapr≤LT1+LP1R+(LP3N-A3)?車頭在T1區段上。

由此認為車頭處于T1上。根據下面的公式可以得出車頭在T1的位置:

OFFSET=Oapr-［LP1R+(LP3N-A3)］

用同樣的算法根據車頭位置和列車長度Lt反推，可以得出列車車尾位置及其占用的全部區段。將這些區段標記為有CBTC車占用，用以輔助非通信車的識別。

ATS在每列車接收到位置報告時要記錄接收的時間。ATS周期檢測每列通信車最后一次接收到位置報告的時間，超過一定時間沒有接收，就認為列車通信中斷。這個時間閾值由ATP性能決定，是在ATP與ATS接口通信正常情況下，ATP無法向ATS提供一列車位置報告的最長極限時間值。長沙地鐵2號線判斷列車通信中斷的時間值是20 s。

2.2 非通信車的跟蹤

ATS根據區段占用信息對非通信車進行跟蹤，其關鍵是對非通信車的準確識別。長沙地鐵2號線運營時段的運用列車，絕大多數都是CBTC列車，少數情況下出現通信故障列車或非CBTC裝備列車上線，因此要盡量保證不重復或錯誤識別非通信車。

非通信車識別的3個條件:①區段處于計軸占用狀態，且區段沒有CBTC車占用;②區段處于計軸占用狀態后，持續一段時間仍沒有CBTC車占用;③非折返線、轉換軌等盡頭區段，有通信車通信中斷證據，或相鄰區段存在已識別的非通信車。

第1個條件是識別非通信車的基本前提。正常情況下，CBTC車和非CBTC車不允許進入同一個計軸區段。

第2個條件是防止重復識別，考慮聯鎖輸入的區段占用狀態可能早于ATP輸入的列車位置報告的情況。長沙2號線判斷時間為2 s。

第3個條件是防止錯誤識別，考慮計軸故障的情況，在相鄰區段沒有占用的情況下，除非是線路的盡頭區段，否則某個區段不會憑空被一列車占用。

考慮到系統自動識別非通信車的功能可能會發生遺漏或錯誤識別，長沙2號線ATS系統提供了人工標記、刪除非通信車的功能。調度指揮人員可以在有權限的ATS人機交互界面上進行操作。

ATS依據區段占用順序步進跟蹤非通信車，因此只需要各區段的連接關系與通信車跟蹤所需要的靜態數據一致，就可以確定列車運行方向 (不一定是車頭方向，有退行或靜止換端的可能)。以圖2為例示意非通信車的跟蹤方法。

區段連接關系:T1右端接P1岔前，P1反位接P3定位。

聯鎖輸入狀態:道岔P1處于反位且區段占用，P3處于定位且區段占用，T1區段由空閑變為占用狀態。

如果在P1道岔區段沒有已經識別的非通信車，則根據非通信車識別條件，判斷是否注冊一個新的非通信車;如果在P1道岔區段存在已經識別的非通信車，如圖2下半部分所示，則將該列車跟蹤到T1區段，運行方向為左方。

圖2 非通信車跟蹤示意

非通信車在沒有占用任何區段的情況下被注銷;或者接收到ATP列車位置報告，在非通信車占用區段上有通信車注冊時，如該非通信車與新注冊通信車的車組號一致，或該非通信車車組號無效(無法識別)，則注銷該非通信車。

2.3 通信車與非通信車的轉換

在實際運營過程中要考慮通信車和非通信車的無縫切換跟蹤。列車通信狀態的變化，通常發生在列車人工換端重啟車載設備的過程中。備用列車出段后到達某一中間站的泊車線關電待命，也會從通信車降級為非通信車，有任務時加電啟動又會升級為通信車;同時也存在因設備故障、恢復，導致列車通信狀態發生變化的情況。

在ATS將通信車注銷后，如其所在區段沒有出清仍為計軸占用狀態，則ATS的非通信車識別邏輯會在這些區段上識別出一個非通信車，實現通信車降級為非通信車的替代過程。圖3中左側為通信車的注銷流程，右側為非通信車的識別跟蹤流程，兩側結合并由加粗箭頭的走向描述了通信車降級為非通信車的過程。

在ATS注冊一個新通信車之前，如其所占用的區段有車組號相同或無法識別車組號的非通信車，則先將該非通信車注銷，再注冊新通信車，實現非通信車升級為通信車的替代過程。圖4為通信車的識別跟蹤流程，其中加粗箭頭描述了非通信車升級為通信車的過程。

圖3 通信車降級為非通信車過程

圖4 非通信車升級為通信車過程

上述轉換方案在列車靜止或低速狀態下發生通信狀態變化時，可以保證ATS對列車的不間斷跟蹤。在長沙地鐵2號線試運行期間，發現列車在通信狀態發生變化的同時，運行到了新的區段，這樣會導致列車通信中斷被注銷后，無法繼續識別跟蹤降級后的非通信車;或者列車恢復通信時不能及時注銷原非通信車，造成識別重復的情況。為解決上述問題，在識別非通信車時驗證區段有無通信車通信中斷證據，注冊通信車前檢查區段上有無非通信車的同時，檢查其相鄰區段有無通信車通信中斷或有無非通信車，這樣就可以保證列車在通信狀態改變同時發生跨區段的情況下，更可靠地連續跟蹤。

3 總結

ATS是負責城市軌道交通列車監督和調度指揮的重要系統，列車跟蹤功能則是ATS系統的重要基礎功能，列車跟蹤正確是ATS系統其他主要功能如自動進路、運行調整等正常運行的前提。鐵科院ATS系統根據長沙地鐵2號線ATP、聯鎖的接口功能特性，制定了可靠靈活的列車跟蹤方法，支持CBTC列車和非CBTC列車混跑模式下的列車跟蹤;對于ATS系統國產化、兼容適應國內外其他信號系統具有借鑒意義。本文所述列車跟蹤方法已在長沙地鐵2號線運用，ATS列車監控功能自動化程度高，效果良好。

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