CBTC 系統(tǒng)計(jì)軸故障占用判定邏輯及應(yīng)用分析

李 超，賈學(xué)祥，李 亮，姜慶陽(yáng)

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京 100081）

市域軌道交通因其快速、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，成為解決城市交通擁堵和居民出行問(wèn)題的重要舉措[1]。 計(jì)軸設(shè)備是城市軌道交通中基于通信的列車(chē)運(yùn)行控制（CBTC）系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，作為車(chē)地通信中斷時(shí)CBTC 后備模式下的列車(chē)定位手段，計(jì)軸能夠提供區(qū)段的占用/空閑信息。 作為區(qū)段占用狀態(tài)檢測(cè)裝置，計(jì)軸設(shè)備安裝在計(jì)軸區(qū)段的兩端，對(duì)行駛過(guò)區(qū)段兩端計(jì)軸點(diǎn)的列車(chē)輪軸依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。 通過(guò)比對(duì)兩次計(jì)數(shù)是否一致，確定列車(chē)是否進(jìn)入計(jì)軸設(shè)備對(duì)應(yīng)的計(jì)軸區(qū)段并對(duì)列車(chē)的完整性做出判斷[2-6]。 計(jì)軸技術(shù)1913 年起源于歐洲，作為軌道電路應(yīng)用之后，對(duì)軌道區(qū)段占用情況檢測(cè)的另一種有效手段，已廣泛應(yīng)用于多數(shù)國(guó)家[7-8]。 經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，由機(jī)械式設(shè)備，逐漸發(fā)展為電磁式、電子式計(jì)軸設(shè)備。 對(duì)于駛過(guò)計(jì)軸點(diǎn)列車(chē)輪軸的計(jì)數(shù)模式， 也由機(jī)械式計(jì)數(shù)演變?yōu)槲C(jī)處理計(jì)數(shù)。日本近年來(lái)對(duì)計(jì)軸設(shè)備研發(fā)投入力度加大，計(jì)軸設(shè)備除區(qū)段占用檢測(cè)功能外，還能實(shí)現(xiàn)列車(chē)測(cè)速、列車(chē)長(zhǎng)度計(jì)算等功能[9]。 法國(guó)主要采用阿爾卡特公司的AzLM 計(jì)軸系統(tǒng)，該計(jì)軸系統(tǒng)的研發(fā)基于最新的傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，是目前較為先進(jìn)的計(jì)軸系統(tǒng)[10-11]。 我國(guó)在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)計(jì)軸設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上，自主化研究的JZ1-H 型微機(jī)計(jì)軸設(shè)備，也已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。 盡管計(jì)軸設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新在不斷推進(jìn)，但計(jì)軸設(shè)備容錯(cuò)率不足、受環(huán)境干擾的問(wèn)題依然存在[12-15]。 因此在計(jì)軸技術(shù)創(chuàng)新的同時(shí)，對(duì)于線路中計(jì)軸設(shè)備出現(xiàn)故障的情況也需要做出合理的處置，彌補(bǔ)計(jì)軸設(shè)備自身缺陷對(duì)于線路運(yùn)營(yíng)造成的不利影響。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)對(duì)計(jì)軸設(shè)備故障的處理方案主要有以下兩種:第一種方案是將發(fā)生計(jì)軸故障的區(qū)段設(shè)置為固定閉塞屬性區(qū)段， 車(chē)站值班員通過(guò)計(jì)軸復(fù)位按鈕對(duì)計(jì)軸進(jìn)行復(fù)位操作， 列車(chē)降級(jí)為RM（限制人工駕駛）列車(chē)運(yùn)行至下一站臺(tái)區(qū)段重新升級(jí)為CTC（連續(xù)式列車(chē)控制）等級(jí)列車(chē)[16]。在工程運(yùn)用上，這種方案在國(guó)內(nèi)地鐵線路中應(yīng)用較為普遍。另一種方案采用了駕駛RM 列車(chē)運(yùn)行通過(guò)計(jì)軸故障區(qū)段， 在確認(rèn)區(qū)段內(nèi)無(wú)障礙后恢復(fù)區(qū)段內(nèi)限速的方法。 這兩種方案能有效解決計(jì)軸設(shè)備故障帶來(lái)的影響，但均存在不足。 第一種方案需要車(chē)站調(diào)度員人工介入操作，影響運(yùn)營(yíng)效率；第二種方案僅適用于應(yīng)對(duì)單個(gè)計(jì)軸區(qū)段設(shè)備發(fā)生故障的情景，對(duì)于多個(gè)計(jì)軸區(qū)段設(shè)備出現(xiàn)故障這類(lèi)復(fù)雜情景沒(méi)有做出論述。

針對(duì)上述問(wèn)題， 本文提出一種新的ARB 狀態(tài)判定邏輯，彌補(bǔ)了上述方案的不足，有效降低計(jì)軸故障產(chǎn)生的不利影響，運(yùn)用半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)對(duì)提出的ARB 判定邏輯進(jìn)行仿真測(cè)試， 驗(yàn)證了提出的ARB 判定邏輯方案對(duì)于列車(chē)在故障區(qū)間的運(yùn)行效率有較大提升，對(duì)提高城市軌道交通線路的運(yùn)營(yíng)效率具有實(shí)際意義。

1 ARB 占用狀態(tài)介紹

依據(jù)VOBC（車(chē)載控制器）向ZC（區(qū)域控制器）匯報(bào)的駕駛等級(jí)信息以及CI（聯(lián)鎖）向ZC 傳遞的計(jì)軸區(qū)段信息[17-18]，在ATS 現(xiàn)地工作站顯示界面中，計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)可分為空閑、CTC 列車(chē)占用、非CTC 列車(chē)占用、以及ARB 占用四種狀態(tài)。

由于地鐵線路運(yùn)營(yíng)中存在接觸網(wǎng)強(qiáng)電干擾、金屬異物干擾計(jì)軸磁頭、 計(jì)軸設(shè)備板卡受環(huán)境污染致使接觸不良等原因， 計(jì)軸設(shè)備不可避免發(fā)生故障。 從而導(dǎo)致計(jì)軸區(qū)段占用信息異常，產(chǎn)生影響，如列車(chē)進(jìn)路無(wú)法排列、 始端信號(hào)機(jī)不能正常開(kāi)放等[19-20]。 當(dāng)某一計(jì)軸區(qū)段的計(jì)軸設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，按照故障導(dǎo)向安全原則， 該計(jì)軸區(qū)段的繼電器將處于落下的狀態(tài)， 表示此時(shí)計(jì)軸區(qū)段處于非空閑狀態(tài)。 如果列車(chē)控制系統(tǒng)無(wú)法及時(shí)識(shí)別該異常占用信息并判定為ARB 占用狀態(tài)， 會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)地工作站顯示界面中的計(jì)軸區(qū)段處于非CTC 車(chē)占用狀態(tài)，致使后方的列車(chē)無(wú)法運(yùn)行通過(guò)該計(jì)軸區(qū)段，將嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。 此時(shí)需要ZC 經(jīng)過(guò)邏輯計(jì)算對(duì)計(jì)軸區(qū)段的占用狀態(tài)進(jìn)行判斷， 若判定為ARB 狀態(tài)， 則允許后續(xù)滿足條件的列車(chē)運(yùn)行通過(guò)該區(qū)段。

2 ARB 狀態(tài)判定邏輯

當(dāng)某計(jì)軸區(qū)段顯示非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)時(shí)，ZC 子系統(tǒng)通過(guò)聯(lián)鎖獲取計(jì)軸區(qū)段的占用狀態(tài)信息，并通過(guò)車(chē)地?zé)o線通信系統(tǒng)收到車(chē)載VOBC 發(fā)送的列車(chē)標(biāo)識(shí)、列車(chē)運(yùn)行方向以及速度等信息獲取列車(chē)的實(shí)時(shí)位置。 ZC 將計(jì)軸占用狀態(tài)信息與列車(chē)位置信息進(jìn)行比對(duì)，判定該計(jì)軸區(qū)段占用狀態(tài)是否為ARB 占用狀態(tài)。

判定ARB 狀態(tài)的邏輯關(guān)系如圖1 所示。

圖1 計(jì)軸區(qū)段ARB 的判定邏輯Fig.1 Logic of ARB judgment in axle counter section

步驟1 ZC 通過(guò)聯(lián)鎖獲取待判計(jì)軸區(qū)段的占用狀態(tài)， 若待判計(jì)軸區(qū)段處于非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)，且尾端篩選的列車(chē)已清掃該計(jì)軸區(qū)段，確認(rèn)該區(qū)段內(nèi)無(wú)障礙物， 則執(zhí)行步驟2 進(jìn)行下一步判斷，否則維持該計(jì)軸區(qū)段的非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)，禁止后方列車(chē)通過(guò)該計(jì)軸區(qū)段。

步驟2 ZC 通過(guò)聯(lián)鎖獲取待判計(jì)軸區(qū)段相鄰兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段的占用狀態(tài)，若相鄰兩個(gè)區(qū)段均為空閑狀態(tài)，則可直接將待判計(jì)軸區(qū)段判定為計(jì)軸故障占用狀態(tài)，即ARB 狀態(tài)。 若不滿足該條件，則執(zhí)行步驟3 進(jìn)行判斷。

步驟3 若聯(lián)鎖向ZC 匯報(bào)的相鄰兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段的占用狀態(tài)也是非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)，且已被完成尾端篩選的列車(chē)清掃，則3 個(gè)計(jì)軸區(qū)段將維持原來(lái)的非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)，限制后方列車(chē)運(yùn)行。 否則執(zhí)行步驟4 繼續(xù)進(jìn)行判斷。

步驟4 若相鄰兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段之一為非CTC列車(chē)占用狀態(tài)且被完成尾端篩選的列車(chē)清掃，另一計(jì)軸區(qū)段為空閑狀態(tài)，則匯報(bào)非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)的兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段都將被ZC 判定為ARB 狀態(tài)。 若不滿足條件則執(zhí)行步驟5。

步驟5 若相鄰計(jì)軸區(qū)段內(nèi)存在運(yùn)行車(chē)輛，則需要結(jié)合列車(chē)的運(yùn)行方向以及列車(chē)頭端、尾端篩選狀態(tài)進(jìn)行判定。 若相鄰區(qū)段內(nèi)列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)檫h(yuǎn)離待判定計(jì)軸區(qū)段，且該列車(chē)已完成尾端篩選，則可判定該計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)為ARB 占用狀態(tài)； 若相鄰區(qū)段內(nèi)列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)榭拷卸ㄓ?jì)軸區(qū)段，且該列車(chē)已完成頭端篩選， 則可判定該計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)為ARB 占用狀態(tài)。

當(dāng)一列沒(méi)有完成頭端篩選的列車(chē)在相鄰計(jì)軸區(qū)段以接近故障計(jì)軸區(qū)段的方向運(yùn)行時(shí)，由于上述車(chē)輛頭端篩選未完成，ZC 不能計(jì)算出列車(chē)的包絡(luò)信息，列車(chē)的準(zhǔn)確位置無(wú)法獲取。 此時(shí)兩個(gè)計(jì)軸區(qū)段均為占用狀態(tài)，ZC 將無(wú)法維持發(fā)生故障計(jì)軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)，將會(huì)切換為非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)。沒(méi)有完成尾端篩選的列車(chē)在相鄰計(jì)軸區(qū)段以遠(yuǎn)離故障計(jì)軸區(qū)段的方向運(yùn)行時(shí)，ZC 同樣不能檢測(cè)列車(chē)的準(zhǔn)確位置，故也無(wú)法維持發(fā)生故障計(jì)軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)，限制后方列車(chē)的運(yùn)行。

3 計(jì)軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對(duì)后續(xù)列車(chē)運(yùn)行的影響分析

ZC 經(jīng)上述邏輯分析將待判計(jì)軸區(qū)段判定為ARB 占用狀態(tài)之后，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景允許滿足條件的列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行通過(guò)該計(jì)軸區(qū)段所在的進(jìn)路。 以下運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景包含了計(jì)軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對(duì)于列車(chē)運(yùn)行影響的各種情況。

圖2 所示為進(jìn)路內(nèi)方第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段ARB 占用狀態(tài)對(duì)于列車(chē)運(yùn)行的影響。 在進(jìn)路被尾端篩清的列車(chē)清掃完畢之后，重新排列該進(jìn)路。 內(nèi)方第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段因計(jì)軸設(shè)備故障被ZC 判定為ARB 狀態(tài)，聯(lián)鎖對(duì)點(diǎn)式進(jìn)路的檢查條件中， 當(dāng)點(diǎn)式進(jìn)路內(nèi)第1個(gè)計(jì)軸區(qū)段處于非空閑狀態(tài)時(shí)，始端信號(hào)機(jī)不能開(kāi)放固定閉塞信號(hào)，ITC（點(diǎn)式列車(chē)控制）列車(chē)從有源應(yīng)答器獲取紅燈禁止報(bào)文，不能以AM（自動(dòng)模式）或CM（列車(chē)自動(dòng)防護(hù)下的人工駕駛模式）通過(guò)該進(jìn)路；而對(duì)于連續(xù)式進(jìn)路，第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段的ARB 占用狀態(tài)則滿足聯(lián)鎖的檢查條件，當(dāng)信號(hào)機(jī)外方有CTC 列車(chē)接近時(shí)，允許始端信號(hào)機(jī)開(kāi)放移動(dòng)閉塞信號(hào)，CTC 列車(chē)的連續(xù)移動(dòng)授權(quán)得以延伸， 能以AM或CM 模式不減速運(yùn)行通過(guò)該進(jìn)路。 在進(jìn)路內(nèi)方第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段處于ARB 狀態(tài)時(shí)，進(jìn)路內(nèi)其他任一計(jì)軸區(qū)段同時(shí)處于ARB 占用狀態(tài)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響同上述運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景所述。

圖2 進(jìn)路內(nèi)方第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段ARB 對(duì)運(yùn)行的影響Fig.2 Influence of ARB in the first axle counter section on operation

圖3 進(jìn)路內(nèi)方第2，第3 軸區(qū)段ARB 對(duì)運(yùn)行的影響Fig.3 Influence of ARB in the second and third axle counter section on operation

圖4 所示為進(jìn)路內(nèi)方除第1 個(gè)計(jì)軸區(qū)段的連續(xù)3 個(gè)計(jì)軸區(qū)段被判定為ARB 狀態(tài)對(duì)于列車(chē)運(yùn)行的影響。 進(jìn)路內(nèi)方第2、第3、第4 個(gè)計(jì)軸區(qū)段被ZC 判定為ARB 占用狀態(tài)后， 由于連續(xù)3 個(gè)計(jì)軸區(qū)段的計(jì)軸設(shè)備均出現(xiàn)了故障，列車(chē)通過(guò)該進(jìn)路的不確定性和危險(xiǎn)性增加，很有可能會(huì)危及行車(chē)安全，導(dǎo)致安全事故發(fā)生。基于故障導(dǎo)向安全原則，ZC 將無(wú)法維持該三個(gè)計(jì)軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)， 將區(qū)段占用狀態(tài)切換為非CTC 列車(chē)占用狀態(tài)，不滿足聯(lián)鎖對(duì)進(jìn)路開(kāi)放的檢查條件，禁止始端信號(hào)機(jī)開(kāi)放移動(dòng)閉塞信號(hào)和固定閉塞信號(hào)，CTC 及ITC 列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)終點(diǎn)被限制在始端信號(hào)機(jī)前方無(wú)法延伸， 無(wú)法以AM 或CM 模式運(yùn)行通過(guò)該進(jìn)路。

圖4 進(jìn)路內(nèi)方連續(xù)3 個(gè)區(qū)段ARB 對(duì)運(yùn)行的影響Fig.4 Influence of ARB in continuous three axle counter sections on operation

4 半實(shí)物仿真測(cè)試驗(yàn)證

利用中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的CBTC 系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)對(duì)計(jì)軸故障占用功能進(jìn)行仿真測(cè)試。在CBTC 系統(tǒng)半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)中，駕駛臺(tái)、軌旁和區(qū)域控制器采用仿真設(shè)備，聯(lián)鎖、車(chē)載控制器及ATS（列車(chē)自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)）均采用真實(shí)設(shè)備，設(shè)備之間根據(jù)子系統(tǒng)間的通信協(xié)議進(jìn)行通信。 仿真測(cè)試工況選取重慶地鐵9 號(hào)線自興科大道站至頭塘站8個(gè)站臺(tái)，7 個(gè)運(yùn)行區(qū)間，區(qū)間線路數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 區(qū)間距離數(shù)據(jù)Tab.1 Distance data of metro sections

以青崗坪ZC 控區(qū)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 仿真測(cè)試場(chǎng)景見(jiàn)圖5。首先在軌旁仿真上加載一輛列車(chē)，完成尾端篩選之后運(yùn)行通過(guò)進(jìn)路S2404-S2312， 在軌旁仿真中將2310G 設(shè)置為計(jì)軸故障后，CI 將線路中區(qū)段占用狀態(tài)信息向ZC 傳輸，ZC 結(jié)合線路中列車(chē)的位置報(bào)告信息通過(guò)計(jì)軸故障占用判斷邏輯將2310G 判定為ARB 狀態(tài)， 計(jì)軸區(qū)段的ARB 狀態(tài)在圖中顯示為粉光帶占用。 隨后在軌旁仿真上加載一輛列車(chē)升級(jí)為CTC 等級(jí)后向進(jìn)路S2404-S2312 運(yùn)行， 在列車(chē)接近該進(jìn)路的始端信號(hào)機(jī)S2404 過(guò)程中，S2404 開(kāi)放移動(dòng)閉塞信號(hào)，CTC 列車(chē)的移動(dòng)授權(quán)延伸，可運(yùn)行通過(guò)該進(jìn)路。

圖5 仿真測(cè)試場(chǎng)景Fig.5 Simulation test scenario

仿真分析可知，區(qū)間長(zhǎng)度，故障計(jì)軸長(zhǎng)度，邏輯判斷處理時(shí)間以及列車(chē)限速等4 個(gè)因素對(duì)列車(chē)在發(fā)生計(jì)軸故障的區(qū)間中運(yùn)行時(shí)間影響較大，區(qū)間長(zhǎng)度、 故障計(jì)軸長(zhǎng)度越長(zhǎng)和邏輯判斷處理時(shí)間越慢，列車(chē)在發(fā)生計(jì)軸故障的區(qū)間中運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，而列車(chē)限速越高，列車(chē)通過(guò)運(yùn)行區(qū)間越快。 仿真測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6。 測(cè)試結(jié)果表明，采用本文提出的CBTC 系統(tǒng)計(jì)軸故障占用判定邏輯，較之于目前國(guó)內(nèi)普遍采用的應(yīng)對(duì)計(jì)軸設(shè)備故障處理方案，列車(chē)在計(jì)軸設(shè)備故障的區(qū)間中運(yùn)行時(shí)間縮短大約30%，線路運(yùn)營(yíng)效率有較大提升。

圖6 不同方案運(yùn)行時(shí)間對(duì)比Fig.6 Running time in different schemes

5 結(jié)論

計(jì)軸設(shè)備故障普遍存在于城市軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，計(jì)軸故障很可能會(huì)引起列車(chē)晚點(diǎn)，降低線路的運(yùn)營(yíng)效率。 本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)對(duì)于計(jì)軸故障的處理方案，提出了一種新的ARB 狀態(tài)判定邏輯，并通過(guò)半實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，得到結(jié)論如下：

1） 相比于國(guó)內(nèi)目前普遍采用的計(jì)軸故障處理方案， 采用本文提出的計(jì)軸故障占用判定邏輯，能夠縮短列車(chē)在計(jì)軸故障區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間，提高列車(chē)區(qū)間運(yùn)行效率大約30%。

2） 對(duì)于計(jì)軸故障區(qū)段的相鄰區(qū)段有占用的場(chǎng)景，原有的方案中沒(méi)有相應(yīng)的處理策略。 本文在提出的計(jì)軸故障占用判定邏輯中加入上述場(chǎng)景作為判斷檢查條件，能更加全面地對(duì)不同情況下發(fā)生的計(jì)軸設(shè)備故障做出合理的邏輯分析和處置。