基于CBTC的燈泡線線路拓撲結構分析與設計

駱正新，孫曉光，耿 鵬

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 研究背景

燈泡線(balloon loop)，又稱單向循環線，用以供列車直接掉頭，無需轉軌甚至無需停車[1]。燈泡線也叫調頭線，用于列車換向，以期減少車輛車輪偏磨，延長車輛檢修和使用周期，降低維護成本，縮減檢修規模，提高運營效率[2]。如圖1所示，紐約地鐵南碼頭站環形回車道就是一種燈泡線。在車站后設置類似燈泡狀的環形線，列車通過環形線，不用換端就可完成折返作業(類似環線運行模式)[3]。

圖1 紐約地鐵環形回車道Figure 1 Balloon loop of the New York City Subway

CBTC系統可以利用高精度的列車定位，采取雙向連續、大容量的車地數據通信，以及車載、地面的安全功能處理，實現一種連續自動的列車運行控制[4]。根據《車載電子地圖技術規范》，在描述靜態線路拓撲時，基于通信技術的列車控制系統(communication based train control system，CBTC)規定，以信號平面圖從左到右的鏈接方向為正向(電子地圖的上行方向)，從右到左為反向(電子地圖的下行方向)。線路的運營方向分下行和上行，線路的運營方向與CBTC系統內部方向存在兩種關系：下行為正向，即信號平面設備圖從左至右為運營方向的下行方向，下行方向與CBTC內部線路的正向相同；或者上行正向，即以信號設備平面圖從左至右為運營方向的上行方向，上行方向與CBTC內部線路的正向相同。根據《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(CBTC)互聯互通接口規范》，涉及“上行”“下行”的方向定義，均采用運營方向規定的上下行[5]。列車運行方向根據運營方向報告，如CBTC-ZC子系統根據運營規定的上下行方向，即下行是正向或者上行是正向，并以此確定列車運行方向在CBTC-ZC系統內部是正向還是反向。

然而，當存在燈泡線時，在CBTC系統內部的現有拓撲描述方法中會出現以下問題：拐點兩側的區段鏈接關系難以確定和描述，列車的安全位置計算方法不適用，以及無法判斷列車方向與信號機等其他設備方向是否一致等。為此，筆者提出一種方法：基于互聯互通CBTC系統的線路拓撲方式，解決燈泡線線路場景下的線路拓撲描述及應用。

2 線路分析

列車經過燈泡線某個點時，運營方向會發生變化，這個點可以稱為拐點。根據現有的靜態線路描述方式，在描述靜態線路拓撲時，ZC(區域控制器)內部規定正向(positive)為從左到右，運營規定線路下行方向可能為從左至右或從右至左，即可能下行正向或下行反向，列車運行方向根據運營方向報告，ZC需根據運營規定的上下行方向確定列車的方向在ZC內部是正向還是反向。

存在燈泡線會帶來一些問題，下面結合圖2進行討論。其中存在兩個燈泡線，有兩個拐點，分別為拐點1(GD-1)和拐點2(GD-2)，具體描述如下。

圖2 燈泡線站場示例Figure 2 Example of bulb line station

2.1 拐點兩側區段鏈接關系如何確定

根據互聯互通車地連續通信協議規定，車載控制器(vehicle on-board controller，VOBC)向ZC報告列車運行方向為：最小安全后端指向最大安全前端的方向，以最小安全后端處的上下行方向確定[6]。也就是說，若列車從下行線 02111G出發，方向下行，當最小安全末端經過GD-1時，列車運行方向由下行方向轉為上行方向；反之，若列車從上行線 02014G出發，方向上行，當最小安全末端經過GD-2時，列車運行方向將由上行轉為下行。

根據車載電子地圖，方向從左到右為正向，如02003G的下一個鏈接區段02005G，上一個鏈接區段是02001G，因此靜態拓撲鏈接關系(左右鏈接關系)為：左側下行線，02001G-＞02003G-＞02005G-＞02007G-＞02009G-＞02011G-＞02013G；左側上行線，02002G-＞02004G-＞02006G-＞02008G-＞02010G-＞02012G-＞02014 G；右側下行線，02111G-＞02113G-＞02115G-＞02117G-＞02119G-＞02121G-＞02123G；右側上行線，02112G-＞02114G-＞02116G-＞02118G-＞02120G-＞02122G-＞02124G。

拐點兩側的區段鏈接關系描述如下：列車可以按照上行從 02002G運行到 02001G，也可以按照上行從02001G 運行至02002G，拐點兩側鏈接關系如何確定。

2.2 列車包絡跨拐點時如何計算

計算列車可能存在的范圍，即列車安全包絡[7]。若列車包絡跨在GD-1上，最小安全后端為02121G，并假定包絡覆蓋區段(02121G，02123G，02124G，02122G)，此時列車運行方向為下行，可根據列車位置(最小安全后端和最大安全前端)，計算列車包絡覆蓋區段。列車下行，根據運營方向可知，下行為正向，因此應該根據 02121G搜索正向的下一個區段，可以得到下一個為02123G。根據02123G以及此時列車運行方向，唯一找到的下一個是02124G。若找到02124G后，會發現下一個區段02122G卻是02124G的上一個區段。存在拐點情況下，需要處理遇到拐點后對列車包絡計算的影響。

2.3 防護與列車運行方向是否一致

移動授權指列車在指定方向上可以走行的距離[8]。對于存在拐點情況下的信號機、車檔等的防護，判斷其方向是否與列車運行方向一致或者相反，會影響ZC內部信號機的接近計算以及移動授權計算。

3 關鍵問題

分析城軌線路的物理結構，把線路元素抽象為點和線，構成線路拓撲結構[9]。根據前文所述，燈泡線帶來的最主要的3個問題是：拐點兩側的區段鏈接關系如何確定和描述；列車包絡跨在拐點上時，如何實現包絡計算(或路徑搜索)；如何判斷列車方向與信號機方向是否一致。

3.1 拐點兩側區段鏈接關系分析

對于GD-1來說，列車可以下行方向從02123G運行到 02124G，也可以下行方向從 02124G運行至02123G。同理，對于GD-2來說，列車可以上行方向從02002G運行到02001G，也可以上行方向從02001G運行至02002G。

因此，拐點兩側的區段不存在左右鏈接關系，或者說拐點兩側的區段互為下一個或上一個區段。

3.2 跨在拐點上的列車包絡計算分析

列車包絡跨在拐點上時分為兩部分，一部分為列車最小安全末端至拐點之間的包絡，另一部分為拐點至最大安全前端之間的包絡。

1) 最小安全末端至拐點之間的包絡：根據列車運行方向，可以唯一確定 CBTC系統內部搜索方向(正向還是反向)，包絡計算與無燈泡線時的情況一致。

2) 拐點至最大安全前端之間的包絡：此時發現包絡正確的搜索方向與列車運行方向確定的搜索方向相反，因此包絡計算從拐點開始，以列車運行方向的反方向進行搜索，直至找到列車最大安全前端所在的區段。

3.3 防護方向與列車運行方向配置

信號機配有靜態方向，即信號機的防護方向，且是按照線路的運營方向來配置的。當信號機位置與拐點重合時，需要規定信號機的方向是以內方區段的線路運營方向還是以外方區段的線路運營方向來配置。另外，也需要規定信號機的保護區段方向是以內方區段的線路運營方向還是以外方區段的線路運營方向來定義。

根據信號機靜態配置的方向，CBTC內部需要判斷信號機的防護方向與列車運行方向是否一致。判斷時，需要結合從列車至信號機中間經過的拐點數目，以及列車當前的運行方向，從而判斷列車方向與信號機方向是否一致。

靜態配置中保護區段方向以及車檔防護方向，可以規定配置為與線路運營方向一致。

4 拓撲設計

由本文第3.1節和3.2節可知，只要解決了前兩個問題，燈泡線就和普通站場沒有區別。根據以上分析，結合拐點所具有的特性，通過對拐點進行特殊處理，該問題是可以解決的。

拐點兩側的區段關系是對等的，是互為上一個或者互為下一個，而且根據其中一個，一定能找到另外一個，在路徑中一定是緊鄰的兩個區段。如果將拐點作為拐點兩側區段的鏈接關系中下一個或者上一個鏈接對象，該問題可以得到解決。

尋找下(上)一個鏈接對象時，邏輯處理如下：若下(上)一個對象為拐點，則查看該拐點的兩側區段；若當前區段為拐點兩側區段的其中一個區段，則另一個區段為該區段實際的下(上)一個區段。

由圖2可知，02001G的上一個是拐點 GD-2，02003G的上一個也是拐點GD-2；02123G的下一個是GD-1，02124G的下一個也是GD-1。

將道岔區域分為岔前區域、岔后定位區域、岔后反位區域進行描述[10]。對于單個道岔計軸區段，可以分為3個block，即岔前block、岔后定位block、岔后反位block。對于無岔計軸區段，可以根據其包含的無岔邏輯區段作為block單位。

4.1 鏈接對象結構體定義

線路拓撲結構中的節點定義為鏈接對象，而鏈接對象的結構定義即為線路拓撲結構設計。鏈接對象的數據結構可以定義如下：

1) 鏈接對象類型：1為無岔block，2為道岔block，3為道岔，4為拐點，0xff為無效值。

2) 鏈接對象ID：block編號，或者道岔編號，或者拐點編號，不存在則填無效值。

3) 鏈接對象方向：若對象為道岔時取值有效(1表示由岔前向岔后方向，2表示由岔后向岔前方向)，若對象為拐點、block時填寫無效值(無效值為0xff)。

4.2 燈泡線拐點結構體定義

拐點是燈泡線特有的線路對象，拐點結構體定義如下：

1) 拐點編號：拐點的唯一ID。

2) 拐點逆時針方向的起始 block：block的唯一ID，即拐點兩側block中沿逆時針方向的下一個鏈接對象為拐點對應的block。

3) 拐點順時針方向的起始 block：block的唯一ID，即拐點兩側block中沿順時針方向的下一個鏈接對象為拐點對應的block。

4) block到拐點的方向：即按照從左到右的方向搜索，block的下一個鏈接對象還是上一個鏈接對象為拐點。

4.3 道岔結構體定義

道岔作為鏈接對象的一種，主要跟岔前 block和岔后block相關，其結構體定義如下：

1) 道岔編號：道岔的唯一ID。

2) 岔前block編號：block的ID。

3) 岔后定位block編號：block的ID。

4) 岔后反位block編號：block的ID。

4.4 block區段結構體定義

鏈接對象類型分為 block(含無岔 block和道岔block)、道岔、拐點。拐點結構和道岔結構的定義在本文第4.2節和4.3節中已有闡述，而block數據結構的定義保持不變。

1) block編號：唯一ID。

2) block區段長度：單位cm。

3) 左端連接對象：不存在則對象類型填無效值。

4) 右端連接對象：不存在則填無效值。

5) 所屬計軸：不存在則填無效值。

6) 所屬邏輯區段：不存在則填無效值。

7) 所屬軌道區段編號：不存在則填無效值。

5 結語

由于拐點的存在，所有涉及路徑搜索的邏輯均需要考慮搜索過程中是否遇到拐點，一旦遇到拐點，需要將搜索方向轉為當前搜索方向的反方向。相反，若從起始block開始，根據指定方向搜索，只要沒有遇到拐點，就可以保持該方向搜索，直至找到目標區段。因此，在涉及連續搜索下(上)一個鏈接block時，或者進路搜索或者 MA延伸時，需要增加記錄搜索過程中遇到的拐點數目，根據拐點數目及時調整轉換搜索方向。

本文分析了基于互聯互通CBTC線路描述方式上如何考慮對存在燈泡線的線路拓撲描述的支持，并給出了實現思路。