CBTC系統中列車安全包絡回縮的處理方法

劉魯鵬

(通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070)

1 概述

CBTC 系統為基于通信的列車控制系統，是通過不依賴軌旁列車占用檢測設備的列車主動定位技術、連續車-地雙向數據通信技術以及能夠執行安全功能的車載和地面處理器而構建的連續式列車自動控制系統。

CBTC 系統中，車載ATP 設備維護列車位置信息，并周期向地面區域控制器（ZC）發送位置報告信息；ZC 設備根據車載ATP 發送的列車位置報告信息確定列車位置，計算區段占用狀態信息，并向聯鎖（CI）發送區段占用狀態等信息，用于CI進行進路控制。

車載ATP 維護列車位置時，由于速度傳感器誤差、校位設備安裝等因素，無法精確地確定列車位置。為保證系統安全，車載ATP 在計算時考慮校位誤差，計算列車可能存在的范圍，即列車安全包絡。

隨列車走行，列車安全包絡將增大。當車載ATP 校位時，列車安全包絡將縮小。在列車安全包絡縮小時，可能出現安全包絡回縮至前一區段的情況，造成已被列車安全包絡占用的區段出清，可能導致CI 無法解鎖進路、ZC 無法延伸MA 等問題。

本文提出幾種避免出現列車安全包絡回縮至前一區段的處理方法。

2 列車安全包絡簡介及安全包絡回縮可能產生的問題

列車安全包絡示意如圖1 所示。

圖1 列車安全包絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of train safety profile

圖1 中，“車頭估計位置”、“車尾估計位置”為車載ATP 在不考慮校位誤差情況下計算的列車位置，是“列車可能在的位置”；“過讀測距誤差”、“欠讀測距誤差”分別為車載ATP 計算的列車前方、后方可能的位置不確定性；車載ATP 根據“車頭估計位置”、“車尾估計位置”、“過讀測距誤差”、“欠讀測距誤差”計算出列車最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端位置，其中，最大安全前端、最小安全后端之間的范圍為列車安全位置，即“列車可能在的范圍”，車載ATP 應保證在計算列車安全包絡的瞬間，列車的實際位置不超出此范圍。列車安全包絡信息包含列車最大安全前端、最小安全前端、最大安全后端、最小安全后端位置信息。

由于存在速度傳感器誤差等因素，列車走行過程中，隨著誤差累積，過讀測距誤差、欠讀測距誤差將不斷增大，故列車安全包絡將不斷增大。當車載ATP 收到地面校位設備（以應答器為例）信息后，車載ATP 將對列車位置進行校正，消除過讀測距誤差、欠讀測距誤差中的累積誤差，故校位后，列車安全包絡將縮小。

車載ATP 向ZC 發送列車安全包絡信息，ZC據此計算列車位置、區段占用狀態等。

列車安全包絡進入下一區段后，若此時車載ATP 發生校位，由于列車安全包絡縮小，可能出現列車安全包絡退回至前一區段的情況。在此情況下，ZC 判斷已占用的區段又出清，可能產生問題。示例如下。

初始場景如圖2 所示，CBTC 列車即將進入進路，列車安全包絡占用區段A、B。

圖2 初始場景Fig.2 Initial scene

列車前行，列車安全包絡進入進路，區段C 被列車安全包絡占用，如圖3 所示由于進路內區段被占用，故CI 關閉進路始端信號機1。

圖3 列車安全包絡進入進路Fig.3 Schematic diagram of train safety profile entering route

之后，車載ATP 校位，列車安全包絡回縮至B區段，如圖4 所示。此時由于信號機1 已關閉，可能導致ZC 計算的MA 無法延伸至進路內方，造成列車緊急制動。

圖4 列車安全包絡回縮Fig.4 Train safety profile retraction

要說明的是，列車安全包絡回縮至前一區段的情況，可能影響區段占用判斷、信號機關閉、進路解鎖、MA 計算等多個功能。由于地面設備（ZC、CI 等）的處理邏輯不同，可能的情況及造成的后果也不同，需結合地面設備處理邏輯逐一分析。

為提高系統可用性，可采取下列方案避免列車安全包絡回縮。

3 解決方案

3.1 通過應答器部署避免包絡回縮

通過對列車安全包絡回縮的原因分析可見，列車安全包絡回縮發生在車載ATP 收到應答器信息后，對列車位置進行校正時。因此，可通過應答器的部署，保證列車安全包絡回縮時，不會回縮至前一區段。具體來說，應保證線路上所有應答器的部署滿足條件1 或條件2。

條件1：車載ATP 收到應答器信息時，列車最大安全前端不會越過該應答器所在區段邊界。

條件2：若車載ATP 收到應答器信息時，列車最大安全前端已越過該應答器所在區段邊界，則應保證車載ATP 進行校位后，列車最大安全前端不會回縮至前一區段。

由于車載ATP 進行校位時，應答器位置為BTM 天線位置，故此時列車最大安全前端必然在應答器位置的前方，即不會回縮至應答器所在區段之前的區段內。當條件1 滿足時，校位前，列車最大安全前端最遠可能位置在該應答器所在區段上。校位后，列車最大安全前端最近可能位置在該應答器所在區段上。故校位后，必然不會發生列車最大安全前端回縮至前一區段的情況。

當條件1 不滿足時，即車載ATP 收到應答器信息，列車最大安全前端已越過該應答器所在區段邊界，則需滿足條件2，即保證車載ATP 進行校位后，列車最大安全前端不會回縮至前一區段。

具體對兩個條件的計算原則進行分析。

車載ATP 進行校位前，列車安全包絡達到最大，此時，可估計的欠讀測距誤差D1=I×k+Dmin。其中，I 為前一個校位應答器距本應答器的距離（需注意的是，前一個校位應答器不一定是前一個應答器，考慮到車載ATP 允許丟失一個應答器，前一個校位應答器可能為前一個應答器之前的應答器）；k 為車載測速測距裝置的誤差（通常不大于2%，可按照最大值計算）；Dmin為車載ATP 完成校位后，欠讀測速誤差的最小值。不可估計的欠讀測距誤差D2主要為空轉、打滑等補償，可取最大值，欠讀誤差D=D1+D2。若BTM 天線位置到車鉤距離為L，應答器位置到該應答器所在區段前方邊界距離為S，則當S>D+L 時，可確保條件1 滿足。

若條件1 無法滿足時，則應保證回縮后的列車最大安全前端未回縮至前一區段，即Dmin+L>S，即可保證條件2 滿足。

綜上所述，應答器安裝位置應滿足公式（1）或（2）。

其中，S 為應答器位置到該應答器所在區段前方邊界距離，I 為前一個校位應答器距本應答器的距離，kmax為車載測速測距裝置的誤差最大值，Dmin為車載ATP 完成校位后，欠讀測速誤差的最小值，D2max為不可估計欠讀測距誤差的最大值，L 為BTM 天線位置到車鉤距離。

此方案通過應答器的部署實現，對設備功能無要求，但對應答器的布置提出要求，增加了集成設計的工作量，可能存在部分線路條件無法滿足應答器安裝條件。

3.2 通過車載ATP功能避免包絡回縮

由于列車安全包絡回縮為車載ATP 校位時產生，故可通過車載ATP 在校位時進行特殊處理，避免發生包絡回縮至前一區段的情況。

車載ATP 在進行校位時，對校位前后的列車安全包絡進行判斷。若校位前后的列車最大安全前端不在同一區段上，則可對校位結果進行處理，將校位后的列車最大安全前端置為校位前最大安全前端所在軌道區段的邊界。

要注意的是，車載ATP 進行校位時，在縮小列車安全包絡的同時，還會對列車位置進行校正，故列車最大安全前端在校位時不一定回縮，可能會前移。若列車安全包絡前移，則不能進行上述處理。故需判斷校位時，列車最大安全前端發生了回縮。這里以校位后的列車最大安全前端位置在校位前的列車安全包絡范圍內作為判斷條件。當滿足此條件時，校位后的列車最大安全前端必然在校位前的列車最大安全前端之后，故可認為最大安全前端發生了回縮；同時，若最大安全前端發生回縮，由于回縮后的最大安全前端不可能在校位前的最小安全后端之后（否則表示列車校位后的可能位置與校位前的可能位置無重疊區域，說明位置有誤），故必然在校位前的列車安全包絡范圍內。

綜上所述，具體方案為：車載ATP 在進行校位時，對校位前后的列車安全包絡進行判斷：若校位后，列車最大安全前端位置在校位前的列車安全包絡范圍內，且校位前后的列車最大安全前端不在同一區段上，則車載ATP 應將校位后的列車最大安全前端置為校位前最大安全前端所在軌道區段的邊界。

此方案通過車載ATP 功能實現，適用于所有線路，對地面設備功能、線路布置均無約束，但對車載ATP 線路地圖內存儲的區段與地面設備所要求的區段劃分有要求，且對互聯互通線路來說，要求各家車載均具備此功能方可實現。

3.3 通過ZC功能避免包絡回縮

當列車安全包絡回縮至前一區段時，也可通過ZC 對位置報告中的安全包絡進行處理。若發生回縮，則不采用避免發生回縮。

ZC 更新列車位置時，不直接采用列車位置報告中的安全包絡，而是根據新收到位置報告中的列車運行方向（有效駕駛端的方向：上行/下行）和速度方向（車輪旋轉的方向：前向/后向）信息確定列車預計方向（上行/下行），并將新位置報告中的車頭、車尾位置與當前的列車位置進行對比，若新位置相對當前位置的方向與列車預計方向相同，則采用新位置。否則，保留當前位置。

具體步驟為：

1) ZC 收到有效位置報告后，對列車預計方向進行判斷：若車輪旋轉方向為正向，則列車預計方向與位置報告中的列車運行方向相同；若車輪旋轉方向為反向，則列車預計方向與位置報告中的列車運行方向相反；

2) 更新最大安全前端，方案如下：

若ZC 無列車當前位置（收到第一包位置報告），或新收到位置報告中的車輪轉向與當前存儲的車輪轉向不一致（為了避免丟包—停車—退行—收到，收到的位置比丟包時向前的情況），則將此位置報告中的列車最大安全前端位置作為列車的最大安全前端；

若ZC 已有列車當前位置且新收到位置報告中的車輪轉向與當前存儲的車輪轉向一致，則對新收到的位置報告與列車當前位置中列車最大安全前端位置的相對方向（當前位置指向新位置，相同則置為列車預計方向，簡稱“相對方向”）進行判斷：若相對方向與預計方向一致，或相對方向與預計方向相反且位置報告中的車輪轉向為反向，則將位置報告中的列車最大安全前端作為新的最大安全前端位置。否則，保留當前最大安全前端位置。

3) 將位置報告中的車輪轉向存儲為當前車輪轉向。

在此處理下，列車越過應答器時，車載ATP向ZC 發送的車輪旋轉方向為正向，沿列車運行方向，最大安全前端后退。由于車輪旋轉方向為正向，故ZC 判斷列車預計方向為位置報告中的列車運行方向。ZC 判斷車輪旋轉方向未發生改變，最大安全前端的相對方向為列車運行方向的反方向，與預計方向相反，由于收到的車輪旋轉方向為正向，故ZC 保留當前最大安全前端位置。可見，越過應答器時，ZC 保留之前的最大安全前端位置，避免了安全包絡回縮。同時，ZC 內部的列車安全包絡能覆蓋ATP 計算的列車安全包絡，可保證系統安全。

4 結論

CBTC 系統中，當車載ATP 校位時，列車安全包絡將縮小，若出現安全包絡回縮至前一區段的情況，可能造成系統的可用性問題。本文提出3 種處理安全包絡回縮的方案，均可避免安全包絡回縮至前一區段。可根據線路、系統的具體情況選用，以提高系統的可用性。