CBTC 系統(tǒng)中列車動態(tài)頭篩的研究

季 坤

目前，基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）成為我國城市軌道交通在營、在建甚至改造線路的主流信號系統(tǒng)解決方案。與固定閉塞或準(zhǔn)移動閉塞系統(tǒng)相比，CBTC 系統(tǒng)最核心的原理為：區(qū)域控制器Zone Controller （ZC） 通過接收車載控制器Carborne Controller（CC）實時計算并發(fā)送的列車定位報告或聯(lián)鎖系統(tǒng)報告的物理區(qū)段（計軸區(qū)段）占用情況，為線路上所有列車（通信的裝備列車、非通信的裝備列車、非裝備列車或工程車等）創(chuàng)建安全包絡(luò)Safety Envelope（SE）。ZC 根據(jù)每個安全包絡(luò)的位置及聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送的軌旁設(shè)備狀態(tài)，向每列車CC 實時提供移動授權(quán)，從而實現(xiàn)移動閉塞下的安全防護。

對于由非CBTC 區(qū)域進入CBTC 區(qū)域的列車，或在正線存車線重新上電后投入運營的列車，或在正線因特殊原因失去定位的列車，在完成列車定位前，CC 無法給ZC 發(fā)送定位信息，ZC 只能通過聯(lián)鎖系統(tǒng)報告的物理區(qū)段占用情況，為這些列車創(chuàng)建“未識別的安全包絡(luò)”（Non Identified Safety Envelope，NISE）。當(dāng)這些列車完成定位時，只有ZC 將列車車頭前方的NISE 經(jīng)過篩選消除掉后，才能為本列車CC 提供有效的移動授權(quán)，從而以CBTC 模式運行。將這一消除車頭前方NISE 的行為稱之為“頭篩”。本文將著重研究列車在運行過程中完成頭篩（即“動態(tài)頭篩”）的原理和效率。

1 NISE 的創(chuàng)建和跟蹤

頭篩的本質(zhì)是ZC 在判斷列車端頭前方的NISE 沒有其他列車或工程車后安全地消除此NISE，使本列車CC 可獲得有效的移動授權(quán)，從而升級為CBTC 模式。因此，研究頭篩功能必須先了解NISE 的創(chuàng)建、跟蹤和分解原理。

ZC 會給未識別的列車創(chuàng)建安全包絡(luò)NISE。由于這些列車無法提供實時定位報告，ZC 不能確切獲悉這些列車的精確定位，所以只能通過計軸區(qū)段的占用情況來判定列車的模糊定位，即處于占用區(qū)段范圍內(nèi)。考慮到列車可能會在計軸區(qū)段內(nèi)走行且處于占用狀態(tài)的單個計軸區(qū)段內(nèi)可能有多列車，ZC 會將整個計軸區(qū)段均覆蓋NISE。隨著列車運行，其前進方向的各計軸區(qū)段依次進行“空閑-占用-出清”，而NISE 也根據(jù)計軸區(qū)段狀態(tài)變化跟隨列車推進。NISE 的創(chuàng)建及跟蹤過程見圖1。

圖1 NISE 的創(chuàng)建及跟蹤過程

需要說明的是，NISE 的范圍除了占用的整個計軸區(qū)段外，還包含向相鄰空閑計軸區(qū)段的安全擴展距離。這一安全擴展距離是考慮了傳送給ZC 計軸區(qū)段狀態(tài)由空閑到占用的通信時延期間列車可能走行的最大距離。

2 NISE 的分解

當(dāng)未識別列車連續(xù)通過2 個定位應(yīng)答器后，根據(jù)讀取的位置信息及先后通過順序，即可確定列車位置及運行方向，從而實現(xiàn)精確定位。后續(xù)，CC根據(jù)速度傳感器測算的位移量實時計算出列車的實際位置，并周期性地向ZC 發(fā)送列車定位報告。根據(jù)定位報告中的列車定位信息，ZC 再計算出一個安全包絡(luò)。由于該安全包絡(luò)是以通信傳輸?shù)亩ㄎ粓蟾鏋榛A(chǔ)，故稱之為“通信的安全包絡(luò)”（Talkative Safety Envelope，TSE）。

TSE 會在NISE 內(nèi)部進行創(chuàng)建，從而將原有的NISE 進行分解，列車實際所在部分由TSE 覆蓋，其余部分依然根據(jù)計軸區(qū)段的占用狀態(tài)由NISE 覆蓋。NISE 的分解過程見圖2。

3 頭篩原理

在以下幾種運營場景下，列車在起始階段未被ZC識別，由NISE覆蓋；當(dāng)車地通信正常且實現(xiàn)列車精確定位后，需要盡快地升級到CBTC模式投入正常運營。

1） 由非CBTC 區(qū)域（一般為車輛段、停車場）進入CBTC 區(qū)域的列車。

2）在正線存車線重新上電后投入運營的列車。

3）因特殊原因在正線失去定位的列車，例如TSE 包絡(luò)的列車駛向失表的道岔。

4）ZC 重啟后，該ZC 管轄區(qū)域內(nèi)的所有列車。

然而，如圖2 所示，無論該列車前端還是尾部的NISE 均不能隨著TSE 的創(chuàng)建而被消除，這是因為此刻的ZC 依然無法判斷原有的NISE 包絡(luò)中是否有其他列車或工程車。ZC 雖然實時接收到該列車CC 發(fā)送的列車定位報告，但由于存在車頭前方的NISE，其計算得出的移動授權(quán)無有效距離，從而無法升級為CBTC 模式運行。若此刻ZC 消除了車頭前方的NISE，移動授權(quán)終點將沿運行方向大幅延伸，列車可立即升級成CBTC 模式，隨之生成較高速度碼，列車在手動駕駛或自動駕駛的ATP 防護模式下，會追尾原有NISE 內(nèi)的其他列車或工程車，造成嚴(yán)重的安全事故。

因此，ZC 需要設(shè)計一套安全且高效的“頭篩”判斷邏輯。安全性的要求是指只有在確保NISE 中無任何其他車輛的情況下，才能將NISE 刪除。高效率的要求是指“頭篩”作業(yè)可以不停車完成且不限于個別特定地點。具體邏輯如下。

1）初始觸發(fā)階段：同時滿足兩個條件后，啟動頭篩功能。①在列車當(dāng)前定位報告中，列車最小車頭位置與計軸區(qū)段邊界（即計軸點） 的距離小于D頭篩。D頭篩為頭篩距離，取值為上線車輛的最小長度，通常是最短工程車的長度。②ZC 判定列車所在位置的下游計軸區(qū)段為空閑。

2）持續(xù)檢查階段：在T頭篩這段時間內(nèi)，條件①②在每個ZC 運算周期均同時滿足。T頭篩為頭篩延時，取值為計軸磁頭被車軸劃過到ZC 判定該計軸區(qū)段已被占用的最大用時，考慮了最不利的情形之后，取計軸系統(tǒng)判斷占用的最大延時、繼電器接點落下的最大延時、聯(lián)鎖系統(tǒng)運算時間、ZC 運算時間、有線傳輸?shù)淖畲笱訒r、聯(lián)鎖變量的最大有效時間等之和。

3）最終判定階段：T頭篩過后的第1 個ZC 運算周期內(nèi)，若條件①②依然滿足，則ZC 立即消除NISE，頭篩成功。

以上3 個階段中，任意一個階段不滿足條件，則頭篩失敗。其中，D頭篩和T頭篩是根據(jù)線路情況預(yù)置的ZC 運算量。

T頭篩是一個關(guān)鍵的安全時間，若在頭篩原理中不予以考慮或取值過小，那么在兩車追蹤間隔較小的情況下可能會發(fā)生錯誤的頭篩，即在車頭NISE 尚有工程車或其他非通信列車的情況下，將NISE 消除。如圖3，尚未完成頭篩的列車頭部NISE 內(nèi)實際確有一輛工程車，工程車的車軸已經(jīng)進入下一計軸區(qū)段。但由于傳輸及判斷延時，ZC 依然認(rèn)為下一計軸區(qū)段為空閑狀態(tài)，而同時列車最小車頭位置與計軸點距離小于D頭篩。若此刻立即頭篩，則工程車將無任何安全包絡(luò)防護。因此，T頭篩取值一定要充分考慮最極端的最大延時情況，確保ZC 有足夠的時間真實判斷下一計軸區(qū)段的空閑狀態(tài)，從而正確決定是否執(zhí)行頭篩。

圖3 不考慮T 頭篩期間持續(xù)檢查條件后的錯誤頭篩

4 動態(tài)頭篩的效率分析

當(dāng)初始觸發(fā)階段同時滿足條件①②后，系統(tǒng)立即開啟頭篩流程。在車頭前方確無工程車或其他非通信列車的情況下，期望結(jié)果是成功頭篩，從而升級為CBTC模式投入正常運營。若列車在T頭篩這段時間內(nèi)保持靜止不動，則頭篩的成功率為100%，這是因為靜態(tài)列車不會對條件①②的持續(xù)成立產(chǎn)生任何干擾。

列車也可在運行中實現(xiàn)不停車的動態(tài)頭篩。然而，由于列車位移是動態(tài)向前的，極有可能在T頭篩這段時間內(nèi)列車最小車頭越過計軸點，或者列車車軸刷過計軸點而占用下一計軸區(qū)段，從而導(dǎo)致頭篩失敗。因此，很有必要對動態(tài)頭篩的成功率進行分析及研究，以便在初期進行優(yōu)化設(shè)計或?qū)\營提出操作建議。而影響動態(tài)頭篩成功率的最大因素就是列車頭篩時的速度，為便于公式描述，將其定義為V頭篩，其確切的含義為在動態(tài)頭篩過程中列車的平均速度。本文研究的動態(tài)頭篩效率就是在保證頭篩成功的前提下盡可能地提高V頭篩。

動態(tài)頭篩開始的臨界狀態(tài)為列車最小車頭位置與計軸區(qū)段邊界（即計軸點）的距離恰好為D頭篩。

列車以速度V頭篩走行T頭篩后，應(yīng)仍然滿足條件①，即列車最小車頭位置未越過計軸點。

變式可得：

列車從頭篩開始的臨界位置到第一根車軸剛好刷過計軸點的用時T刷軸為：

式中：D車鉤_第一車軸為列車的車鉤前端部與第一根車軸的距離，是固有的車輛長度參數(shù)；D誤差為頭篩開始時CC計算的列車定位誤差，即CC根據(jù)列車定位報告計算得出的列車最小車頭位置和列車實際位置的差值。

從列車第一根車軸剛好刷過計軸點到ZC 判定該計軸區(qū)段已占用的實際用時TZC判定占用，受單次頭篩時計軸系統(tǒng)判斷占用延時、繼電器接點落下延時、通信傳輸時間等隨機時間的影響。只要T頭篩＜T刷軸+TZC判定占用，那 么 就 能 保 證 在 頭 篩 判 定 延 時T頭篩結(jié)束的瞬間，列車前行位移不會對條件②的成立產(chǎn)生干擾，從而實現(xiàn)ZC 頭篩成功。

變式可得：

綜合式（2） 和式（5） 可知，為保證成功動態(tài)頭篩，列車頭篩速度V頭篩應(yīng)滿足：

式（6） 右邊部分，除D誤差、TZC判定占用為變量外，其余均為系統(tǒng)常量。

基于數(shù)學(xué)理論分析以及多個實際項目的經(jīng)驗分析可知，由于D頭篩在不同項目中取值差異較大，而變量D誤差是根據(jù)列車運行車況、地點等因素不斷變化的，故D頭篩、D誤差對V頭篩起決定性作用。其余參量由于其在不同項目中取值差異極小，故不做這些參量對V頭篩計算結(jié)果的影響分析。

基于項目典型值，表1 列出了在不同D頭篩、D誤差取值下保證成功頭篩的V頭篩范圍。

表1 不同D 頭篩、D 誤差取值下的V 頭篩范圍 km/h

由表1可知，D頭篩越大而D誤差越小，則成功頭篩的最大V頭篩越高。反之，例如當(dāng)D頭篩為10 m 且D誤差為10 m 時，成功頭篩的最大V頭篩不得超過6 km/h。這一極低的速度限制約束了司機駕駛列車的靈活性，對司機嫻熟操縱牽引制動手柄、控制車速的要求很高，一旦超速就會導(dǎo)致頭篩失敗。同時，為滿足以低于6 km/h 的速度開始頭篩作業(yè)，列車需要提前降速，這也在一定程度上影響了運營效率。

5 提高動態(tài)頭篩效率的措施

通過上文綜合分析及研究可知，提高成功頭篩的最大V頭篩就能提高動態(tài)頭篩的效率。最有效的辦法就是增大D頭篩或減小D誤差。

增大D頭篩就是增加上線工程車的最小長度。考慮到線路配備的各種用途的工程車，種類較多、且車長較短，比較切實可行的措施是輸出運營限制條件：若正線存在電客車，那么在此期間上線的工程車車長不得低于某個長度或者要求工程車必須連掛上線且總車長不得低于某個長度。根據(jù)經(jīng)驗值，這個長度取值30 m 較為合理。

減小D誤差就是在列車開始頭篩前減少CC 計算的列車定位誤差，可以在系統(tǒng)設(shè)計階段布設(shè)定位信標(biāo)，列車通過讀取信標(biāo)內(nèi)的精確定位值，從而消除自身定位誤差。

6 結(jié)束語

本文提出的提高動態(tài)頭篩效率的2 個措施以最終高效運營為結(jié)果導(dǎo)向，通過多個項目的實踐證明是切實可行的。但需要在信號系統(tǒng)項目的詳細(xì)設(shè)計階段，考慮項目實際參數(shù)，以實現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計，并在項目交付時進行詳細(xì)說明。