列車輔助定位技術在ATS 系統中的應用研究

馬若聲 羅育燊 陳澤武

地鐵信號系統作為城市軌道交通控制網絡的中樞神經，實現列車運行控制、安全防護及監視追蹤功能，保障列車運行安全和整體運能效率。隨著軌道交通大線網、大客流發展趨勢，對列車運行的安全性及可靠性提出更高的技術要求。在信號系統故障時，采用列車輔助定位技術，可為調度人員提供列車區間位置信息，輔助開展恢復行車組織工作，提升故障應急處理效率，保障運營安全。列車輔助定位技術作為信號系統功能的延伸，與在線信號系統相輔相成，完成列車位置和運行狀態信息的相互校驗，并為信號系統提供一定的后備應急能力，其應用在軌道交通運營中具有重要的現實意義。

本文研究了一種列車輔助定位方案，以不改動、不影響既有信號系統軟硬件功能安全為前提，基于現有ATS（列車自動監督）系統的列車位置信息傳輸原理進行設計分析，通過測試驗證了該方案的可行性，達到了列車輔助定位的預期目標，同時提升了信號系統的冗余后備能力，為信號系統故障處理流程的優化提供支撐。

1 列車位置信息傳輸原理

以廣州地鐵5 號線信號系統為研究對象，在移動閉塞模式下，列車當前位置信息通過軌旁位置檢測設備（計軸磁頭、位置應答器等） 進行實時采集，并以有線通信線纜或無線接入點方式發送到軌旁聯鎖和ATP 列車自動防護系統。軌旁聯鎖對列車有效位置信息進行處理運算后，經過ATS 總線網絡傳輸，最終在操作員終端上的軌道圖中進行狀態顯示。此外，ATS 系統將列車車次號、運行方向及所在車站信息以接口TEL（無線調度臺）報文形式發送給通信接口CAD 服務器，TEL 報文為信號和通信專業的接口傳輸報文。列車位置信息傳輸原理見圖1。

圖1 列車位置信息傳輸原理

信號ATS 系統TEL 報文主要分為P 報文（列車進站信息）和M 報文（列車折返信息）。P 報文含有觸發時間、列車服務號（SEV）、列車序列號（SER）、線路號（LI）、列車運行方向（DIR） 及所在車站信息（POSITION），在列車運行過程中更新發送，在列車即將到達下一站站臺區域時刷新變更（變更POSITION 參數位置信息為下一站車站名）。例如，坦尾-滘口下行發車后發送POSITION 為TAW（坦尾），到達滘口站臺區域時變更POSITION 為JIK（滘口）。

M 報文為列車到達折返點完成折返停穩換端后（對應車次號自動變更為下一車次） 發送的報文，含有觸發時間、列車服務號（SEV）、列車序列號（SER）、列車車底號（LCN、TCN）以及線路號等列車基礎信息。在列車到達兩端折返點并完成換端操作后觸發M 報文。

2 列車輔助定位算法設計

2.1 列車區間位置確定

通過抓取TEL 報文原始數據中的列車服務號及序列號信息碼位確定具體列車車次，例如SEV［018］ SER［08］，表示該趟列車為01808 次列車；結合車底號判斷具體車號，例如LCN ［551］TCN［552］，判斷列車的車底為5152 車。列車運行車次唯一且與實際一致，TEL 報文在列車滿足觸發條件時點對點發送，通過系統接收的TEL 報文可區分不同列車，完成全線運行列車的狀態標志識別和匹配。

但P 報文只有列車所在車站信息，缺乏具體區間位置信息，基于車站名無法實現列車區間位置的定位和步進。通過研究TEL 報文觸發機制發現，其發送更新時機需與列車計軸邏輯虛擬區段占用情況相關聯。列車輔助定位步進追蹤示意如圖2 所示（計軸區段具體設計定義以現場實際為準），01808次列車1 此時占用計軸虛擬區段TA0503B 和TA0503C，觸發發送一條P 報文信息，待列車占用前方TA0503A 區段時，再次觸發更新一條P 報文信息。因此，列車輔助定位功能可按計軸虛擬區段設置情況進行設計。如西場下行區間定義TA0401A、B、C 及TA0403A、B、C、D、E 共計8 個計軸虛擬區段，從接收到第一條指向01808 次列車的P 報文開始，列車所在位置圖標設在TA0403E 區段，每接收一條更新的P 報文數據，01808 次列車位置圖標相應步進一個虛擬區段位置。如持續接收8 條下行西場站的P 報文信息，即表示該趟列車完成TA0403E 區段到TA0401 的A 區段的區間運行旅程，實現列車輔助定位的步進追蹤功能。

圖2 列車輔助定位步進追蹤示意

2.2 列車折返位置確定

正線列車到達兩端折返線關鍵位置時，需選擇折返1 道或折返2 道進行折返，兩端折返點作為咽喉區，該區域列車位置的定位非常關鍵。對于列車折返道位置確定，本文采用了一種結合P 報文和M 報文進行輔助定位的方法。列車折返區域步進定位示意見圖3。

列車1 從坦尾開出在滘口完成站前折返，如選取折返1 道， 經過計軸區段占用路徑次序TA0107A-TA0107B-TA0107C-TA0106CTA0106A-TA0104B-TA0104A-TA0102CTA0102B-TA0102A 共計10 個區段，信號ATS 系統相應觸發10 條P 位置報文；如選取折返2 道，則經過的計軸區段為 TA0107A-TA0107BTA0105B-TA0105A-TA0103B-TA0103ATA0101C-TA0101B-TA0101A 共 計9 個 區 段，系統觸發9 條P 位置報文。結合P 位置報文及M 折返報文的列車運行路徑邏輯，可判斷出列車折返道進路位置信息：如系統接收10 條滘口P 位置報文加1 條折返M 報文，判斷列車采用滘口折返1 道折返；如系統接收9 條滘口P 位置報文加1 條折返M 報文，則判斷列車在滘口折返2 道折返。基于上述機制可輔助完成列車折返道進路位置定位的判斷，使得系統邏輯運算結果唯一并且與列車實際折返運行情況位置一致。此外，如同一個車站區間在同一時間段存在多趟列車，可結合列車P 報文時間進行前后錯開排序，使輔助定位系統的列車位置和實際列車運行位置有更高的擬合度。

2.3 道岔渡線運行位置確定

在實際列車運營過程中，需根據客流變化和晚點情況對列車進行臨時組織調整，包括列車計劃旅程、車次信息、跳站運行等，同時需考慮列車在非折返點的中間站點經道岔渡線折返換端的情況。選取珠江新城站前渡線分析，列車經站前渡線從五羊邨上行運行到珠江新城下行站臺換端，渡線道岔區段TA1206C 可作為系統觸發點，列車渡線折返占用該區段時發送P 報文，判斷列車經渡線運行而非直股去往珠江新城上行方向，待列車到達珠江新城站臺換端后，更新列車車次為下行目的地車次。當列車從占用計軸區段TA1301A 變更為占用TA1207A 區段時，系統同步更新發送P 報文信息，標 志 位POSITION ［ZJX］ 變 更 為POSITION［XYC］，表示列車從珠江新城開始沿下行方向運行到五羊邨區域，實現列車道岔渡線區域的位置確定。列車道岔渡線區域定位示意見圖4。

3 列車輔助定位系統硬件網絡拓撲結構

圖4 列車道岔渡線區域定位示意

列車輔助定位系統是基于信號和通信專業接口進行的二次開發應用。為了實現預期功能，對系統整體網絡拓撲結構進行設計，以滿足列車輔助定位信息的傳輸需求，并能夠開展相關功能測試驗證。該系統由以下3 部分構成：①上游設備，在信號設備房啟動CFEP 中央前端服務器，負責將信號聯鎖、ATP 系統運算的列車安全位置信息以TEL 報文的形式，通過串口協議總線發送給通信接口服務器CAD；②中游設備，通信設備房安裝接口服務器及列車定位服務器，通過串口通信的方式讀取ATS 系統發送的TEL 報文信息，在列車定位服務器上二次開發軟件應用，完成P 報文、M 報文信息中的車次號、到站時間、車底號、站點位置、運行方向等關鍵信息的解析處理和軟件開發任務，并將處理信息發送給中央OCC 大廳的列車定位工作站；③下游設備，調度OCC 控制大廳配置列車定位工作站，通過以太網通信的方式接收列車定位服務器數據庫解析的列車位置信息，通過前端UI 交互界面進行顯示，在列車定位工作站開放相應軟件通道接口和通信協議，實現全線軌道區域列車位置的實時可視化查看和監控的目的。

此外，數據傳輸異常時，會對列車位置的輪詢檢測和實時更新造成一定的干擾，可能短時影響列車定位顯示精度。為了保證行車安全，針對上述情況設計了列車位置異常顯示功能模塊，如系統在10 s 內（結合軌道區段通過時間確定）沒有接收到列車的位置更新信息，按照故障導向安全原則，對該列車的顏色顯示標注為紅色，提醒調度人員該車次可能存在異常情況，并提前做好行車安全防控。同時，系統網絡設計需具備自檢報警和故障容災的能力，提升系統整體的冗余運行能力。

數據傳輸采用A/B 相互冗余熱備的雙通道網絡傳輸，一旦某一傳輸通道故障，可切換到另一通道進行數據傳輸，從而保證單通道正常運行。通過列車定位工作站上的網絡管理應用服務，對列車輔助定位系統應用軟件的網絡數據傳輸狀態進行監控，一旦網絡環境中出現丟包、通信中斷等異常情況達到報警值時，觸發閾值告警機制。一方面，軟件采用自動重連的方式重新建立連接并自檢校驗；另一方面，以報警形式通知現場維護人員進行檢查處理，確保列車輔助定位系統穩定運行。

列車輔助定位系統硬件網絡拓撲結構見圖5。

4 實際應用場景及效果

4.1 實際應用場景

列車輔助定位系統部署在中央調度大廳。在信號系統功能正常時，該系統作為輔助校驗手段，為調度人員掌握全線列車運行情況提供參考；在信號系統聯鎖級故障運營場景下，根據信號系統功能機制原理，此時中央調度監控大屏及車站監控工作站無法獲取正線列車所在位置和運行狀態，不具備系統防護的安全動車條件。列車輔助定位系統具備故障時刻列車的區間位置信息顯示功能，調度人員在中央調度大廳通過列車輔助定位系統的列車位置指示，可以快速確定列車當前所在的正線區間位置，并與列車司機進行位置互控確認，結合信號故障應急處理指南和要求進行“擺車-鎖岔-發令-動車”操作，提升運營行車應急恢復效率。

圖5 列車輔助定位系統硬件網絡拓撲結構

4.2 列車位置輔助監控

基于信號ATS 系統接口信息的列車輔助定位系統應用到現場后，作為一種輔助技術手段，為調度人員獲取列車位置提供多種實現方式。這種輔助定位方式與通過ATS 回放故障前數據進行定位的傳統方法相比，具備更高的時效性和可用性。回看故障前的錄放時需要裝載故障前錄放數據、選定故障時間、不斷切換顯示區域進行列車位置記錄，全程需要人工把控確認，實施效率和準確性難以有效保證。而本文提出的通過ATS 系統接口信息實現列車輔助定位的方式能夠全屏顯示線路上的列車位置，符合行調的操作規范和監控需求，一旦信號故障則全屏凍結在故障前的狀態，行調可根據全線的列車區間位置進行行車的科學組織和處理研判，有利于信號系統故障應急處理，爭取信號故障下的處理恢復時間，有效縮小信號系統故障對行車的影響范圍。

4.3 優化故障處理模式

按照現有行車運營組織管理及預案，信號系統故障失效后將遵循“判斷—控車—找車—擺車—鎖岔—發令—辦手續—降速—控間隔”流程進行處理，其中控車和找車作為應急行車組織恢復流程的首要關鍵環節，故障后全線范圍找車并確定列車所在位置的實施效率和所需時長，將直接影響整體應急行車組織的有效性和故障晚點管控水平。因此在信號系統故障失效場景下，利用既有信號接口信息進行深入應用，創新實現列車所在區間位置的快速確定，可為應急處理的行車發令、電話閉塞、間隔控制等流程提供更安全和高效的技術基礎和保障。經過現場測試和評估，列車輔助定位系統運行狀態穩定良好，可滿足調度人員的預期使用需求。

4.4 順應智慧運維趨勢

采用列車輔助定位系統的冗余后備監控模式，順應地鐵運維技術智能化發展趨勢。以往信號系統故障失效后，對全線列車區間位置的確定主要采用人工逐站口呼、實地確認的模式，人力消耗較大，實施效率不高，無法滿足信號系統故障處理的行車運營組織需求。智能化地鐵設備運營模式是以“技防取代人防”為主的高水平運維的實際應用，通過新技術實現列車位置同步監控，出現信號系統故障時快速確定列車位置，高效處理并恢復列車正常運營，是智慧地鐵發展的必然趨勢。

5 結論

經實際測試和應用，驗證了ATS 系統TEL 報文在列車輔助定位應用中的可行性。列車輔助定位系統作為行車監控的后備冗余模式，保證在信號系統失效下具備一定的應急能力，提升信號故障響應處理效率；順應“智慧地鐵”發展大趨勢，用技防取代人防，更符合未來城市軌道交通大線網的運維發展要求，具有一定的應用前景。