城市軌道交通信號系統次級列車定位技術發展研究*

吳 杰

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥高級工程師)

計軸子系統是城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統的標準組成子系統之一，是列車次級定位的核心功能系統。計軸子系統對于傳統CBTC系統中的道岔區域防護功能有重要影響，同時與計算機聯鎖功能有直接關聯，是聯鎖進路定義、排列、授權及解鎖的關鍵要素。

由于計軸子系統的安裝、維護工作量大，無計軸的CBTC系統對于城市軌道交通既有線路的信號系統改造具有很大的吸引力。基于列車頭尾位置的精確計算以及穩定可靠的車地無線通信技術保障，加上高冗余性的信號系統配置，無計軸CBTC系統的進路聯鎖功能、道岔區域防護功能不再依賴于計軸區段，唯一需要考慮的是CBTC系統故障列車及工程列車的次級定位問題。本文從分析計軸在傳統CBTC系統中的作用以及計軸子系統在使用過程中出現的問題出發，回歸到列車次級定位的初始場景，提出一種新型的支持城市軌道交通線網內跨線運行的通用型列車主動定位技術。

1 計軸在CBTC系統中的作用

計軸的原理是采用車輪傳感器(即計軸磁頭)對經過磁頭的列車車輪運行方向進行判讀并計數。一般由1對傳感器組成1套磁頭，傳感器沿鋼軌方向安裝。磁頭通過采集到的電磁感應的變化情況，對運行經過其中的一定大小的金屬輪進行探測。

1.1 傳統CBTC中計軸的安裝規則

在傳統CBTC系統中，計軸按照一定的規則在線路上安裝，這些規則至少包括：

1) 道岔區域應布置計軸。在單動道岔、雙動道岔和交叉渡線區道岔設置計軸，區分岔前、定位、反位位置，并考慮與警沖標的相對位置，構成道岔區段。

2) 站臺兩端應布置計軸，構成站臺區段。在站臺正常列車運行出站方向應按需要布置防護區段計軸。

3) 折返停車線應布置計軸，考慮列車長度和過沖防護距離。

4) 線路邊界處應布置計軸，對正線與場段、不同線路間的聯絡線進行分隔。

5) 正線區間布置計軸應滿足信號系統后備模式的性能需求。

6) 在聯鎖區邊界應布置計軸。

1.2 傳統CBTC中計軸的功能

傳統CBTC中，計軸子系統為列車運行提供以下功能。

1.2.1 非通信列車的定位和跟蹤

非通信列車包括因車載CBTC系統故障而導致通信丟失的列車、因失去定位或失去列車完整性而導致通信丟失的列車、從其他線路或場段邊界準備進入當前線路的列車及非裝備工程車等。CBTC的地面ATP(列車自動防護)子系統需要對這些非通信列車進行定位和跟蹤。

對于剛失去通信的CBTC列車或者無通信列車，地面ATP按照其丟失通信前報告的實時位置和所占用的區段來確定列車的所在區段位置，并在列車所占用區段邊界外延一定距離構成其包絡，以達到阻止其它列車進入該區域的目的。一旦相鄰的計軸區段狀態發生變化，結合計軸區段內的道岔位置狀態，則可判斷列車發生了移動，從而需要重新計算列車包絡位置，以實現對列車的跟蹤。

1.2.2 通信列車的頭尾篩選

當1列CBTC列車從非通信列車轉變為通信列車時，不論該列車是從線路邊界進入當前線路還是故障恢復后再次建立通信，地面ATP子系統都需要對該列車進行長度篩選，以防止該車的頭部或尾部有非預期出現的小車而導致頭尾位置發生計算錯誤。地面ATP對該列車進行篩選時，需要借助計軸的邊界位置信息及相鄰計軸的占用狀態信息。通過該列車報告的實時位置，以及與相鄰空閑計軸區段邊界的相對距離，可篩選出可能隱藏的小車。

1.2.3 聯鎖進路防護

列車的移動授權基于進路進行計算，已被授權的進路方可作為移動授權延伸的條件。在排列進路和開放信號機前，需要檢查進路中各區段的占用空閑狀態。進路解鎖的依據是進路中各區段按照占用、出清的順序。此外，計軸區段還為進路提供接近鎖閉和過沖防護的條件。計軸的作用貫穿進路的占用、出清等過程。

1.2.4 道岔區域防護

基于線路區段狀態的道岔區域防護包括占用防護、侵限防護及特殊條件防護等。其中：占用防護用于確保已占用的道岔區段所關聯的道岔禁止移動；侵限防護用于在列車經過道岔時檢查進路外的侵限區段是否存在其它列車；特殊條件防護用于在通常聯鎖邏輯下因線路配置導致所需要額外檢查的條件。

2 計軸在使用過程中出現的問題

計軸故障情況在運營中時有發生，導致計軸的虛假占用。其原因包括：① 計軸設備停機；② 計軸設備板卡電源故障；③ 監測點磁頭與計軸設備通信故障；④ 區段空閑，且受到監測點的錯誤警告；⑤ 計軸設備監測點的2個CPU(中央處理單元)計算數值不一致；⑥ 檢測到計軸區段內的“剩余”軸數小于1個門限值，被認定為少于1個列車的輪軸數。

傳統CBTC系統無法解決非通信列車經過1個故障占用區段后占用遺留的問題。這種情況下，由于軌旁ATP無法對非通信列車進行長度判斷和列車完整性判斷，因此CBTC系統需要假設故障占用區段有列車遺留而判定區段被占用。這將導致后續所有列車的授權和進路都無法通過該故障區段。該故障對道岔區段的影響更大，將導致道岔無法移動、列車無法折返。

瞬態的計軸故障可以通過復位的方式予以恢復。CBTC正線一般均采用計軸預復位技術，在實施了預復位指令后，需要采用開放引導信號的方式引導1列通信列車慢速經過故障區段并完成對區段的清掃后，該區段才能恢復正常。整個恢復過程流程復雜、時間較長，且有一定的安全風險。折返區故障還會影響后續列車的折返作業，對運營的影響較大。而對于那些難以復位的計軸故障，還需要進行搶修，對正常運營的影響更大。

3 無計軸CBTC系統中應用次級列車定位的場景

在傳統CBTC系統中，列車的次級定位是指對主定位系統失效的列車(即非通信列車)或未安裝CBTC車載設備的列車進行系統定位的手段。城市軌道交通線路中，列車的次級定位技術一般采用計軸系統，但仍有部分車輛基地采用更為傳統的軌道電路系統。

在無計軸CBTC系統中，列車進路不再依賴于聯鎖邏輯，而是基于資源管理的技術。無論是進路防護還是道岔防護都不再依賴于計軸區段，因此可從根本上避免計軸故障導致的授權阻塞、道岔無法移動、進路無法排列等問題，也減輕了維護、搶修工作的風險和負擔。這一場景下，只需要解決列車的次級定位問題，即：如何在沒有計軸和軌道電路的條件下對非通信列車和非裝備列車進行定位和跟蹤。需要解決的問題主要包括：

1) 發生車地通信設備故障。

2) 地面ATP設備故障。

3) 正常裝備列車進入線路后，由于車載CBTC設備故障、空轉打滑故障或列車完整性故障導致車地通信中斷。

4) 本線路所屬非裝備列車進入線路時，非裝備列車的長度不固定，且與地面ATP間沒有建立通信。

5) 非專屬本線路的列車跨線進入線路，難以固定這些列車的長度，以及如何與軌旁ATP通信。

在無計軸CBTC系統中，若發生車地通信設備故障，可通過Wi-Fi(無線保真)、LTE(長期演進)、LTE+ 5G(第5代移動通信技術)等方式，增強車地通信系統的可靠性和可用性；若發生地面ATP設備故障，則可通過增強的二乘二取三或車車通信系統架構實現ATP的冗余，提高地面ATP系統的可靠性和可用性。本文著重對上述后3個問題的解決措施進行論述。

4 通用型列車主動定位技術架構和原理

本文提出采用既有ATP信標來實現次級定位功能，即信標自主定位。在CBTC列車或工程車上增加一套專門設備——自主定位處理器。為實現信標自主定位功能，可以新增1套BTM(應答器傳輸單元)及天線，也可以與本端VOBC(車載控制器)共享一套原CBTC系統中的BTM及其天線。自主定位設備能夠通過車地無線與地面ATP系統進行通信，實現系統對車載故障列車或工程車的定位和跟蹤。信標定位設備單獨工作時的主動定位技術原理如圖1所示。

注：D_a——確定占用區長度；D_b——頭部可能占用區長度；D_c——尾部可能占用區長度；B1、B2、B3、 B4——軌旁信標。

如圖1所示，建立并跟蹤列車位置的過程包含2個步驟：

1) 步驟一。列車在線路上運行時，列車信標自主定位持續讀取地面應答器上傳的報文數據。地面應答器報文中包含所管轄的地面系統通信參數信息，列車自主定位向軌旁系統持續報告列車ID(標識)信息。

2) 步驟二。地面系統根據信標自主定位報告的信息計算以下區段的具體長度：① D_a等于列車長度加上讀取應答器方向延伸至下1個應答器位置區域；② D_b等于向前延伸至下1個應答器位置區間長度加上讀取應答器延遲反向時間內估計的運行距離；③ D_c等于向后延伸1列車的長度加上讀取應答器延遲反向時間內估計的運行距離；④ 列車包絡長度等于D_a、D_b、D_c之和。

在步驟二中，若讀取到的應答器為最接近道岔岔尖的應答器，地面系統依據道岔位置信息創建列車位置包絡。定義列車頭部、尾部位置的置信區間，該置信區間主要考慮信標自主定位對應答器的檢測并向地面報告、地面系統進行包絡計算等的延遲反應，以及在此延遲時間內列車安全運行所需的最小距離。

此外，為使已裝備了信標自主定位設備的列車或工程車能夠在不同的線路間跨線運行，線網應對地面系統應答器的IP(互聯網協議)和軌旁應答器ID進行統一規劃，應答器的設置也應符合互聯互通規范的要求。同時，車地通信協議應采用城市軌道交通信號系統互聯互通通用協議，以解決在無計軸CBTC線網中裝備了無車載地圖信標自主定位系統的列車在跨線運行時的定位問題。

5 列車主動定位子系統與計軸子系統的性能對比

相對于計軸子系統，本文提出的通用型列車主動定位技術簡化了CBTC系統的整體架構，與無計軸CBTC系統協同運行，解決了計軸設備故障對運營影響較大、維護困難的關鍵問題。其車地通信通道、地面系統和列車自主定位設備都建立在已有的CBTC系統上，采用通用型列車主動定位技術，僅需增強其軟件功能，不需要額外增加硬件。因此，如表1所示，與計軸子系統相比，列車主動定位技術在經濟性、可用性和可維護性等各方面的性能均得以提升。

表1 列車主動定位系統與計軸系統的性能對比

6 結語

在無計軸CBTC系統的應用中，本文提出的新型列車主動定位技術解決了對CBTC車載設備故障列車和工程車的定位及跟蹤問題。該技術的最大特點是輕量化，以及充分發揮CBTC系統的基礎設備能力，在不需要太多投入的情況下對系統的功能進行正向增強。該技術在新線建設和既有線路改造項目中均具有良好的應用前景。