基于CBTC的燈泡線線路拓撲結(jié)構(gòu)分析與設計

駱正新，孫曉光，耿 鵬

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

燈泡線(balloon loop)，又稱單向循環(huán)線，用以供列車直接掉頭，無需轉(zhuǎn)軌甚至無需停車[1]。燈泡線也叫調(diào)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(guī)模，提高運營效率[2]。如圖1所示，紐約地鐵南碼頭站環(huán)形回車道就是一種燈泡線。在車站后設置類似燈泡狀的環(huán)形線，列車通過環(huán)形線，不用換端就可完成折返作業(yè)(類似環(huán)線運行模式)[3]。

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

CBTC系統(tǒng)可以利用高精度的列車定位，采取雙向連續(xù)、大容量的車地數(shù)據(jù)通信，以及車載、地面的安全功能處理，實現(xiàn)一種連續(xù)自動的列車運行控制[4]。根據(jù)《車載電子地圖技術(shù)規(guī)范》，在描述靜態(tài)線路拓撲時，基于通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)(communication based train control system，CBTC)規(guī)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(tǒng)內(nèi)部方向存在兩種關(guān)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(nèi)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(nèi)部線路的正向相同。根據(jù)《城市軌道交通基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通接口規(guī)范》，涉及“上行”“下行”的方向定義，均采用運營方向規(guī)定的上下行[5]。列車運行方向根據(jù)運營方向報告，如CBTC-ZC子系統(tǒng)根據(jù)運營規(guī)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(tǒng)內(nèi)部是正向還是反向。

然而，當存在燈泡線時，在CBTC系統(tǒng)內(nèi)部的現(xiàn)有拓撲描述方法中會出現(xiàn)以下問題：拐點兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)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(lián)互通CBTC系統(tǒng)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(jīng)過燈泡線某個點時，運營方向會發(fā)生變化，這個點可以稱為拐點。根據(jù)現(xiàn)有的靜態(tài)線路描述方式，在描述靜態(tài)線路拓撲時，ZC(區(qū)域控制器)內(nèi)部規(guī)定正向(positive)為從左到右，運營規(guī)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(jù)運營方向報告，ZC需根據(jù)運營規(guī)定的上下行方向確定列車的方向在ZC內(nèi)部是正向還是反向。

存在燈泡線會帶來一些問題，下面結(jié)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(cè)區(qū)段鏈接關(guān)系如何確定

根據(jù)互聯(lián)互通車地連續(xù)通信協(xié)議規(guī)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(fā)，方向下行，當最小安全末端經(jīng)過GD-1時，列車運行方向由下行方向轉(zhuǎn)為上行方向；反之，若列車從上行線 02014G出發(fā)，方向上行，當最小安全末端經(jīng)過GD-2時，列車運行方向?qū)⒂缮闲修D(zhuǎn)為下行。

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

拐點兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)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(cè)鏈接關(guān)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(qū)段(02121G，02123G，02124G，02122G)，此時列車運行方向為下行，可根據(jù)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(qū)段。列車下行，根據(jù)運營方向可知，下行為正向，因此應該根據(jù) 02121G搜索正向的下一個區(qū)段，可以得到下一個為02123G。根據(jù)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(fā)現(xiàn)下一個區(qū)段02122G卻是02124G的上一個區(qū)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(quán)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(nèi)部信號機的接近計算以及移動授權(quán)計算。

3 關(guān)鍵問題

分析城軌線路的物理結(jié)構(gòu)，把線路元素抽象為點和線，構(gòu)成線路拓撲結(jié)構(gòu)[9]。根據(jù)前文所述，燈泡線帶來的最主要的3個問題是：拐點兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)系如何確定和描述；列車包絡跨在拐點上時，如何實現(xiàn)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(cè)區(qū)段鏈接關(guān)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(cè)的區(qū)段不存在左右鏈接關(guān)系，或者說拐點兩側(cè)的區(qū)段互為下一個或上一個區(qū)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(jù)列車運行方向，可以唯一確定 CBTC系統(tǒng)內(nèi)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(fā)現(xiàn)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(qū)段。

3.3 防護方向與列車運行方向配置

信號機配有靜態(tài)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(guī)定信號機的方向是以內(nèi)方區(qū)段的線路運營方向還是以外方區(qū)段的線路運營方向來配置。另外，也需要規(guī)定信號機的保護區(qū)段方向是以內(nèi)方區(qū)段的線路運營方向還是以外方區(qū)段的線路運營方向來定義。

根據(jù)信號機靜態(tài)配置的方向，CBTC內(nèi)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(jié)合從列車至信號機中間經(jīng)過的拐點數(shù)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(tài)配置中保護區(qū)段方向以及車檔防護方向，可以規(guī)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(jié)和3.2節(jié)可知，只要解決了前兩個問題，燈泡線就和普通站場沒有區(qū)別。根據(jù)以上分析，結(jié)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(cè)的區(qū)段關(guān)系是對等的，是互為上一個或者互為下一個，而且根據(jù)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(qū)段。如果將拐點作為拐點兩側(cè)區(qū)段的鏈接關(guān)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(cè)區(qū)段；若當前區(qū)段為拐點兩側(cè)區(qū)段的其中一個區(qū)段，則另一個區(qū)段為該區(qū)段實際的下(上)一個區(qū)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(qū)域分為岔前區(qū)域、岔后定位區(qū)域、岔后反位區(qū)域進行描述[10]。對于單個道岔計軸區(qū)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(qū)段，可以根據(jù)其包含的無岔邏輯區(qū)段作為block單位。

4.1 鏈接對象結(jié)構(gòu)體定義

線路拓撲結(jié)構(gòu)中的節(jié)點定義為鏈接對象，而鏈接對象的結(jié)構(gòu)定義即為線路拓撲結(jié)構(gòu)設計。鏈接對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體定義

拐點是燈泡線特有的線路對象，拐點結(jié)構(gòu)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(cè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(guān)，其結(jié)構(gòu)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(qū)段結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和道岔結(jié)構(gòu)的定義在本文第4.2節(jié)和4.3節(jié)中已有闡述，而block數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義保持不變。

1) block編號：唯一ID。

2) block區(qū)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(qū)段：不存在則填無效值。

7) 所屬軌道區(qū)段編號：不存在則填無效值。

5 結(jié)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(zhuǎn)為當前搜索方向的反方向。相反，若從起始block開始，根據(jù)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(qū)段。因此，在涉及連續(xù)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(shù)目，根據(jù)拐點數(shù)目及時調(diào)整轉(zhuǎn)換搜索方向。

本文分析了基于互聯(lián)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(xiàn)思路。