基于互聯互通CBTC系統差異性的故障分析*

白廣爭郜洪民李 亮白廣良高 磊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京；2.中國石油遼河油田興隆臺采油廠，124011，盤錦；3.北京華鐵信息技術有限公司，100081，北京∥第一作者，助理研究員）

隨著城市軌道交通網絡化建設不斷推進，不同線路間的互聯互通已成為目前城市軌道交通領域發展的重要方向。信號系統的互聯互通能夠有效提高信號設備的利用效率，有助于資源統一調配，并可為城市軌道交通的網絡化運營打下堅實的基礎［1］。目前，我國基于通信的列車控制（CBTC）系統尚未形成統一的技術標準，市場上不同廠家CBTC系統的技術也各具特色，要互聯互通必須對現有不同廠家的子系統進行全面完善的評估，以此組建新的確保運營安全的CBTC系統。文獻［2］指出，信號系統互聯互通中所面對的問題主要為列車自動調整、電子地圖及物理對象編碼、通信協議和安全認證等。為反映互聯互通CBTC系統所存在的差異性，結合具體案例對所產生的相關問題進行分析，以期為決策者提供理論參考。

1 CBTC系統的互聯互通方案

圖1 CBTC系統構成示意圖

通常情況下，CBTC系統可以分為車載系統、地面系統和無線通信系統，如圖1所示。其中地面系統包括聯鎖（CI）系統、列車自動監督（ATS）系統和區域控制器（ZC）系統。

通過統一車地通信協議和電子地圖的方式實現信息的交互，并實現不同信號廠商的車載設備與地面設備的跨線和共線互聯互通運營［3］。其運營示意 圖如圖2所示。

圖2 CBTC系統互聯互通運營示意圖

同時，對于兩條線路相交的換乘站，地面系統還需滿足接口耦合，實現地面信息的共享傳輸，如圖3所示。文獻［3］對互聯互通條件下ATS接口的耦合機制進行了研究。

圖3 互聯互通換乘站地面系統的接口耦合

互聯互通不僅要求信號制式、設備接口等的統一，更需要從交互接口、交互功能、多車追蹤、故障恢復、運行指標等其他多個方面進行綜合評估，以檢驗由不同廠家子系統重新組建的新CBTC系統的整體安全性。

根據車地通信交互方式的不同，CBTC系統列車的運行等級通常分為3種，其中：CBTC連續式運行等級是指車載與地面系統采用無線通信的方式進行實時數據交互的運行模式；點式運行等級是指列車通過運行至地面安裝的應答器時獲取應答器的定位信息和信號燈相關信息，與此同時，地面通過計軸區段的占用或出清來獲得列車的位置信息，由此實現車與地信息交互的運行模式；聯鎖級運行等級是指列車僅獲取應答器信息進行定位，不處理信號燈相關信息，而地面通過計軸占用或出清來獲得列車的位置信息，由此實現車地信息交互的運行模式。城市軌道交通的互聯互通方案要求在這3種列車運行等級下，均能夠實現CBTC互聯互通運營。

2 互聯互通測試場景

互聯互通測試包括接口測試、功能測試和工程數據測試等3個方面，用以驗證各廠家車載系統功能在其他廠家地面系統的共線以及跨線運營上是否可以滿足［4］。結合列車的3種運行等級，CBTC互聯互通的測試驗證場景主要可分為：連續式運行等級下的跨線運行、共線運行；點式運行等級下的跨線運行、共線運行；連續式與點式運行等級的共線運行，以及其他雜散場景測試。

在連續式運行等級下，互聯互通方案主要驗證功能包括列車的追蹤運行、跨邊界移交、移動授權有效性、停車保證、保護區段解鎖等；點式運行等級下，互聯互通方案主要驗證功能包括點式開口功能、保護區段解鎖功能、紅燈誤出發、點式運行曲線、列車升級等；聯鎖式運行等級下，測試列車的點式升級、連續式升級、列車定位等功能。

在進行測試的過程中，不同廠家CBTC系統功能劃分的差異性使得通過互聯互通重新組成的CBTC系統不可避免地出現一些防護漏洞，而這些漏洞的根源主要在于設計方案的不統一。以下通過分析“二次闖燈”這一典型的互聯互通故障案例，來反映其中存在的問題。

3 二次闖燈問題分析

3.1 問題描述

列車在線路上運行時，根據地面應答器信息及測速裝置共同確定自身位置。由于列車的測速裝置存在測速誤差，應答器存在安裝誤差，這就造成了列車定位具有不確定性［5］。列車的實際位置加上此不確定性，形成了列車的位置安全包絡。ZC系統以列車安全包絡［6］作為列車的具體位置進行追蹤。當列車剛經過應答器時，列車的不確定性主要由應答器的安裝誤差構成。隨著列車的繼續運行，其不確定性在應答器安裝誤差的基礎上，不斷累計測速誤差，從而導致總位置不確定性持續增大。直至列車經過下一個應答器，方可消除測速誤差。

由于不同線路上應答器的安裝距離及精度不盡相同，則同一列車在跨線互聯互通運營時，列車位置不確定性增長情況也各不相同：若線路上應答器安裝較密集，則線路上所運行列車的累計誤差較小，總位置不確定性也小；反之，若線路上應答器安裝較稀疏，則列車運行過程中的累計誤差較大，總位置不確定性也較大。

在進行城市軌道交通室外信號設備布置設計時，信號機的位置均會被安裝在計軸的分界點處，同時布設相應的應答器，用于支持后備點式等級列車的運行，如圖4所示。而這種為后備模式所作的設計方案，易引起二次闖燈現象。

圖4 應答器與計軸點相對位置示意圖

二次闖燈是指CBTC連續式運行等級列車在通過信號機時，由于不確定性較大，列車包絡已經越過了前方計軸點，引起信號機關燈，但列車實體還在本計軸區段內；在車載無線掃過信號機對應計軸前的應答器時，列車又被重新矯正位置，使列車的不確定性減小，車頭重新回退到本計軸區段內；而此時列車由于慣性，再次闖入前方已關燈進路，最終導致闖紅燈。

二次闖燈問題只發生在CBTC連續式運行等級模式下。在非CBTC連續式運行等級下，聯鎖系統通過計軸設備獲得列車的位置占用信息，而不采用由ZC系統通過列車位置報告所獲得的列車包絡所發來的占用信息，這就不會出現列車重定位后回縮的現象，也就不會出現二次闖燈問題。

由于二次闖燈問題在不同的場景下，表現出不同的結果，因此極易混淆其問題的根源。以下對車頭是否會出現回縮，以及車頭回縮后引起的故障現象展開分析。

3.2 二次闖燈數學建模

設列車與ZC的通信周期為T1，列車收到計軸外方應答器定位信息的時刻為t0。列車在一個通信周期T1內平均運行速度為v，應答器的絕對位置為S0，應答器安裝位置不確定性為ε，車載無線至車鉤的長度為l外懸。列車在收到應答器信息后，待將信息打包發送給ZC的時刻為t，忽略t-t0時間段內列車走行不確定性，列車的包絡最大前端St計算公式為：

設發生重定位的計軸點外方應答器與該計軸點間的設計安裝距離為l0，則該計軸點的絕對位置為：

若t時刻的前一時刻列車已經越過計軸點，而在t時刻，列車在重定位后，發給ZC的包絡最大前端位置在計軸外方，即滿足式（3），則車頭會出現回縮至計軸點外方的情況。

將式（1）、（2）代入式（3）并約減，得：

否則，若式（4）不成立，則列車不會出現車頭再次回縮至計軸點外方的情況。由于在運營過程中，列車經過信號機處應答器的速度v及時間段（t-t0）均不是確定值，因此是否出現車頭回縮現象仍然是隨機的。若適當增大該應答器安裝位置不確定性，即ε越大，則式（4）不發生的概率越大，即列車車頭越不易發生回縮。但這一調整方式在不同廠家的工程實施方案中并沒有得到統一。

若出現列車車頭回縮至計軸點外方的現象，則有兩種故障表現形式：其一為在列車回縮后，ZC判定列車前方信號機為禁止信號，為列車分配的移動授權（MA）回縮至信號機處，列車由于慣性闖過安全點而降級，同時列車闖紅燈進入前方進路；其二為ZC未判定出前方信號機為禁止信號，列車能夠保持CBTC連續式運行等級進入前方進路，但聯鎖判定為闖紅燈，列車通過前方進路后，不自動對進路解鎖。以下詳細這分析這兩種不同現象的產生原理。

3.3 故障分析與解決方案

對于CBTC連續式運行等級列車闖過信號機的過程，不考慮進路鎖閉、道岔、保護區段等其他因素的影響，只考慮存在變化的數據因素，其信息流如圖5所示。列車將不斷變化的位置信息發送給ZC；ZC根據列車的位置，將占用信息發給CI；CI根據占用信息設置信號機狀態，并將信號燈狀態發送給ZC；ZC根據信號燈狀態和列車的位置信息，最終確定列車的MA，并發送至列車。

根據ZC收到列車的位置及信號機的不同情況組合可分為4種狀態。ZC分別對這4種狀態進行判斷，并計算出對應的MA，如表1所示。

表1中，狀態3表示信號機處于延時關燈階段。對于狀態4的MA計算，若狀態4由狀態2轉移而來，則計算的MA無效，列車因闖過安全點而降級；若由狀態1或狀態3轉移至狀態4，則MA正常延伸。在列車出現車頭回縮至計軸點外方現象的情況下，整個過燈過程狀態轉移如圖6所示。兩種狀態轉移過程的區別關鍵在于ZC收到CI所發送信號關燈的時刻。

圖5 CBTC連續式運行等級列車行車控制數據流

表1 列車過燈過程狀態定義及MA計算

圖6 列車過燈車頭回縮情況下的兩種狀態轉移圖

圖7 列車過燈車頭回縮后不降級對應事件時序圖

現進一步考慮圖6 b）中第二種狀態轉移過程。在第一次狀態轉移后，由狀態1到達狀態3，同時ZC將占用信息發送給CI；CI根據信號機內方第一區段的占用信息，開始信號機延時關燈。若在CI延時關燈期間，發生車頭回縮的情況，則信號不再延時關燈，待列車位移增加，再次進入前方計軸，則CI判定屬于正常越過允許信號，不構成闖紅燈情況；若在CI延時關燈結束后，CI收到車頭回撤，在第3次狀態轉移期間即由狀態1轉移到狀態3之前，CI邏輯關燈，并在下一個CI-ZC通信周期，CI將關燈信息發送給ZC；ZC在第4次狀態轉移期間收到信號機為禁止狀態，則會出現CI判定闖紅燈、ZC未判定闖紅燈的現象。此現象下CBTC連續式運行等級列車正常越過信號機，但進路不能自動解鎖。對應的事件發生時序如圖7所示。

綜合以上分析，對于CBTC連續式運行等級列車過信號機的過程，若列車經過應答器重新定位，不發生位置由計軸內方回撤至計軸外方，則列車能夠正常通過信號機，且不會引起其他故障。而若列車車頭發生位置回撤，則會引起多種隨機的故障現象。這些故障現象在互聯互通的測試中均出現過多次。

解決二次闖燈故障，應從根本上避免發生列車車頭回撤現象。具體解決措施包括增加應答器的安裝密度、適當降低信號機前應答器的安裝精度，以及ZC/車載系統通過配合使邏輯占用不回撤等。無論是從應答器的布設方案著手，或從軟件系統功能防護的角度出發，均有必要采取統一的方案來規避故障現象發生。

4 結語

總體而言，自主化互聯互通CBTC系統已取得了一定的成就，但互聯互通相關技術的成熟度還有待進一步加強，需要依據互聯互通現場及實驗室的測試情況，來進一步明確功能劃分、完善規范標準（這是在互聯互通開展過程中產生相關問題的根源）。

結合文中所列舉的案例，為了更好地實現城市軌道交通線路的互聯互通，需要從頂層設計上著手，制定CBTC系統的通用技術標準，包括安全協議標準、網絡通信協議標準、應用功能技術標準，甚至包括一些重要的通信參數標準，如通信周期、基礎數據包格式等。在此基礎上，進一步確定CBTC系統互聯互通框架。這樣既可有效避免安全漏洞，也可降低走錯路、彎路的風險。