城市軌道交通信號系統(tǒng)次級列車定位技術(shù)發(fā)展研究*

吳 杰

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號分公司， 200235， 上?！胃呒壒こ處?

計(jì)軸子系統(tǒng)是城市軌道交通CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)組成子系統(tǒng)之一，是列車次級定位的核心功能系統(tǒng)。計(jì)軸子系統(tǒng)對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中的道岔區(qū)域防護(hù)功能有重要影響，同時(shí)與計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖功能有直接關(guān)聯(lián)，是聯(lián)鎖進(jìn)路定義、排列、授權(quán)及解鎖的關(guān)鍵要素。

由于計(jì)軸子系統(tǒng)的安裝、維護(hù)工作量大，無計(jì)軸的CBTC系統(tǒng)對于城市軌道交通既有線路的信號系統(tǒng)改造具有很大的吸引力?；诹熊囶^尾位置的精確計(jì)算以及穩(wěn)定可靠的車地?zé)o線通信技術(shù)保障，加上高冗余性的信號系統(tǒng)配置，無計(jì)軸CBTC系統(tǒng)的進(jìn)路聯(lián)鎖功能、道岔區(qū)域防護(hù)功能不再依賴于計(jì)軸區(qū)段，唯一需要考慮的是CBTC系統(tǒng)故障列車及工程列車的次級定位問題。本文從分析計(jì)軸在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中的作用以及計(jì)軸子系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)的問題出發(fā)，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(wǎng)內(nèi)跨線運(yùn)行的通用型列車主動定位技術(shù)。

1 計(jì)軸在CBTC系統(tǒng)中的作用

計(jì)軸的原理是采用車輪傳感器(即計(jì)軸磁頭)對經(jīng)過磁頭的列車車輪運(yùn)行方向進(jìn)行判讀并計(jì)數(shù)。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(yīng)的變化情況，對運(yùn)行經(jīng)過其中的一定大小的金屬輪進(jìn)行探測。

1.1 傳統(tǒng)CBTC中計(jì)軸的安裝規(guī)則

在傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)中，計(jì)軸按照一定的規(guī)則在線路上安裝，這些規(guī)則至少包括：

1) 道岔區(qū)域應(yīng)布置計(jì)軸。在單動道岔、雙動道岔和交叉渡線區(qū)道岔設(shè)置計(jì)軸，區(qū)分岔前、定位、反位位置，并考慮與警沖標(biāo)的相對位置，構(gòu)成道岔區(qū)段。

2) 站臺兩端應(yīng)布置計(jì)軸，構(gòu)成站臺區(qū)段。在站臺正常列車運(yùn)行出站方向應(yīng)按需要布置防護(hù)區(qū)段計(jì)軸。

3) 折返停車線應(yīng)布置計(jì)軸，考慮列車長度和過沖防護(hù)距離。

4) 線路邊界處應(yīng)布置計(jì)軸，對正線與場段、不同線路間的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行分隔。

5) 正線區(qū)間布置計(jì)軸應(yīng)滿足信號系統(tǒng)后備模式的性能需求。

6) 在聯(lián)鎖區(qū)邊界應(yīng)布置計(jì)軸。

1.2 傳統(tǒng)CBTC中計(jì)軸的功能

傳統(tǒng)CBTC中，計(jì)軸子系統(tǒng)為列車運(yùn)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(tǒng)故障而導(dǎo)致通信丟失的列車、因失去定位或失去列車完整性而導(dǎo)致通信丟失的列車、從其他線路或場段邊界準(zhǔn)備進(jìn)入當(dāng)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(hù))子系統(tǒng)需要對這些非通信列車進(jìn)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(bào)告的實(shí)時(shí)位置和所占用的區(qū)段來確定列車的所在區(qū)段位置，并在列車所占用區(qū)段邊界外延一定距離構(gòu)成其包絡(luò)，以達(dá)到阻止其它列車進(jìn)入該區(qū)域的目的。一旦相鄰的計(jì)軸區(qū)段狀態(tài)發(fā)生變化，結(jié)合計(jì)軸區(qū)段內(nèi)的道岔位置狀態(tài)，則可判斷列車發(fā)生了移動，從而需要重新計(jì)算列車包絡(luò)位置，以實(shí)現(xiàn)對列車的跟蹤。

1.2.2 通信列車的頭尾篩選

當(dāng)1列CBTC列車從非通信列車轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄐ帕熊嚂r(shí)，不論該列車是從線路邊界進(jìn)入當(dāng)前線路還是故障恢復(fù)后再次建立通信，地面ATP子系統(tǒng)都需要對該列車進(jìn)行長度篩選，以防止該車的頭部或尾部有非預(yù)期出現(xiàn)的小車而導(dǎo)致頭尾位置發(fā)生計(jì)算錯(cuò)誤。地面ATP對該列車進(jìn)行篩選時(shí)，需要借助計(jì)軸的邊界位置信息及相鄰計(jì)軸的占用狀態(tài)信息。通過該列車報(bào)告的實(shí)時(shí)位置，以及與相鄰空閑計(jì)軸區(qū)段邊界的相對距離，可篩選出可能隱藏的小車。

1.2.3 聯(lián)鎖進(jìn)路防護(hù)

列車的移動授權(quán)基于進(jìn)路進(jìn)行計(jì)算，已被授權(quán)的進(jìn)路方可作為移動授權(quán)延伸的條件。在排列進(jìn)路和開放信號機(jī)前，需要檢查進(jìn)路中各區(qū)段的占用空閑狀態(tài)。進(jìn)路解鎖的依據(jù)是進(jìn)路中各區(qū)段按照占用、出清的順序。此外，計(jì)軸區(qū)段還為進(jìn)路提供接近鎖閉和過沖防護(hù)的條件。計(jì)軸的作用貫穿進(jìn)路的占用、出清等過程。

1.2.4 道岔區(qū)域防護(hù)

基于線路區(qū)段狀態(tài)的道岔區(qū)域防護(hù)包括占用防護(hù)、侵限防護(hù)及特殊條件防護(hù)等。其中：占用防護(hù)用于確保已占用的道岔區(qū)段所關(guān)聯(lián)的道岔禁止移動；侵限防護(hù)用于在列車經(jīng)過道岔時(shí)檢查進(jìn)路外的侵限區(qū)段是否存在其它列車；特殊條件防護(hù)用于在通常聯(lián)鎖邏輯下因線路配置導(dǎo)致所需要額外檢查的條件。

2 計(jì)軸在使用過程中出現(xiàn)的問題

計(jì)軸故障情況在運(yùn)營中時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致計(jì)軸的虛假占用。其原因包括：① 計(jì)軸設(shè)備停機(jī)；② 計(jì)軸設(shè)備板卡電源故障；③ 監(jiān)測點(diǎn)磁頭與計(jì)軸設(shè)備通信故障；④ 區(qū)段空閑，且受到監(jiān)測點(diǎn)的錯(cuò)誤警告；⑤ 計(jì)軸設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)的2個(gè)CPU(中央處理單元)計(jì)算數(shù)值不一致；⑥ 檢測到計(jì)軸區(qū)段內(nèi)的“剩余”軸數(shù)小于1個(gè)門限值，被認(rèn)定為少于1個(gè)列車的輪軸數(shù)。

傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)無法解決非通信列車經(jīng)過1個(gè)故障占用區(qū)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(jìn)行長度判斷和列車完整性判斷，因此CBTC系統(tǒng)需要假設(shè)故障占用區(qū)段有列車遺留而判定區(qū)段被占用。這將導(dǎo)致后續(xù)所有列車的授權(quán)和進(jìn)路都無法通過該故障區(qū)段。該故障對道岔區(qū)段的影響更大，將導(dǎo)致道岔無法移動、列車無法折返。

瞬態(tài)的計(jì)軸故障可以通過復(fù)位的方式予以恢復(fù)。CBTC正線一般均采用計(jì)軸預(yù)復(fù)位技術(shù)，在實(shí)施了預(yù)復(fù)位指令后，需要采用開放引導(dǎo)信號的方式引導(dǎo)1列通信列車慢速經(jīng)過故障區(qū)段并完成對區(qū)段的清掃后，該區(qū)段才能恢復(fù)正常。整個(gè)恢復(fù)過程流程復(fù)雜、時(shí)間較長，且有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。折返區(qū)故障還會影響后續(xù)列車的折返作業(yè)，對運(yùn)營的影響較大。而對于那些難以復(fù)位的計(jì)軸故障，還需要進(jìn)行搶修，對正常運(yùn)營的影響更大。

3 無計(jì)軸CBTC系統(tǒng)中應(yīng)用次級列車定位的場景

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

在無計(jì)軸CBTC系統(tǒng)中，列車進(jìn)路不再依賴于聯(lián)鎖邏輯，而是基于資源管理的技術(shù)。無論是進(jìn)路防護(hù)還是道岔防護(hù)都不再依賴于計(jì)軸區(qū)段，因此可從根本上避免計(jì)軸故障導(dǎo)致的授權(quán)阻塞、道岔無法移動、進(jìn)路無法排列等問題，也減輕了維護(hù)、搶修工作的風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)擔(dān)。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(jì)軸和軌道電路的條件下對非通信列車和非裝備列車進(jìn)行定位和跟蹤。需要解決的問題主要包括：

1) 發(fā)生車地通信設(shè)備故障。

2) 地面ATP設(shè)備故障。

3) 正常裝備列車進(jìn)入線路后，由于車載CBTC設(shè)備故障、空轉(zhuǎn)打滑故障或列車完整性故障導(dǎo)致車地通信中斷。

4) 本線路所屬非裝備列車進(jìn)入線路時(shí)，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(jìn)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(jì)軸CBTC系統(tǒng)中，若發(fā)生車地通信設(shè)備故障，可通過Wi-Fi(無線保真)、LTE(長期演進(jìn))、LTE+ 5G(第5代移動通信技術(shù))等方式，增強(qiáng)車地通信系統(tǒng)的可靠性和可用性；若發(fā)生地面ATP設(shè)備故障，則可通過增強(qiáng)的二乘二取三或車車通信系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)ATP的冗余，提高地面ATP系統(tǒng)的可靠性和可用性。本文著重對上述后3個(gè)問題的解決措施進(jìn)行論述。

4 通用型列車主動定位技術(shù)架構(gòu)和原理

本文提出采用既有ATP信標(biāo)來實(shí)現(xiàn)次級定位功能，即信標(biāo)自主定位。在CBTC列車或工程車上增加一套專門設(shè)備——自主定位處理器。為實(shí)現(xiàn)信標(biāo)自主定位功能，可以新增1套BTM(應(yīng)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(tǒng)中的BTM及其天線。自主定位設(shè)備能夠通過車地?zé)o線與地面ATP系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對車載故障列車或工程車的定位和跟蹤。信標(biāo)定位設(shè)備單獨(dú)工作時(shí)的主動定位技術(shù)原理如圖1所示。

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

如圖1所示，建立并跟蹤列車位置的過程包含2個(gè)步驟：

1) 步驟一。列車在線路上運(yùn)行時(shí)，列車信標(biāo)自主定位持續(xù)讀取地面應(yīng)答器上傳的報(bào)文數(shù)據(jù)。地面應(yīng)答器報(bào)文中包含所管轄的地面系統(tǒng)通信參數(shù)信息，列車自主定位向軌旁系統(tǒng)持續(xù)報(bào)告列車ID(標(biāo)識)信息。

2) 步驟二。地面系統(tǒng)根據(jù)信標(biāo)自主定位報(bào)告的信息計(jì)算以下區(qū)段的具體長度：① D_a等于列車長度加上讀取應(yīng)答器方向延伸至下1個(gè)應(yīng)答器位置區(qū)域；② D_b等于向前延伸至下1個(gè)應(yīng)答器位置區(qū)間長度加上讀取應(yīng)答器延遲反向時(shí)間內(nèi)估計(jì)的運(yùn)行距離；③ D_c等于向后延伸1列車的長度加上讀取應(yīng)答器延遲反向時(shí)間內(nèi)估計(jì)的運(yùn)行距離；④ 列車包絡(luò)長度等于D_a、D_b、D_c之和。

在步驟二中，若讀取到的應(yīng)答器為最接近道岔岔尖的應(yīng)答器，地面系統(tǒng)依據(jù)道岔位置信息創(chuàng)建列車位置包絡(luò)。定義列車頭部、尾部位置的置信區(qū)間，該置信區(qū)間主要考慮信標(biāo)自主定位對應(yīng)答器的檢測并向地面報(bào)告、地面系統(tǒng)進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算等的延遲反應(yīng)，以及在此延遲時(shí)間內(nèi)列車安全運(yùn)行所需的最小距離。

此外，為使已裝備了信標(biāo)自主定位設(shè)備的列車或工程車能夠在不同的線路間跨線運(yùn)行，線網(wǎng)應(yīng)對地面系統(tǒng)應(yīng)答器的IP(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)和軌旁應(yīng)答器ID進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，應(yīng)答器的設(shè)置也應(yīng)符合互聯(lián)互通規(guī)范的要求。同時(shí)，車地通信協(xié)議應(yīng)采用城市軌道交通信號系統(tǒng)互聯(lián)互通通用協(xié)議，以解決在無計(jì)軸CBTC線網(wǎng)中裝備了無車載地圖信標(biāo)自主定位系統(tǒng)的列車在跨線運(yùn)行時(shí)的定位問題。

5 列車主動定位子系統(tǒng)與計(jì)軸子系統(tǒng)的性能對比

相對于計(jì)軸子系統(tǒng)，本文提出的通用型列車主動定位技術(shù)簡化了CBTC系統(tǒng)的整體架構(gòu)，與無計(jì)軸CBTC系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行，解決了計(jì)軸設(shè)備故障對運(yùn)營影響較大、維護(hù)困難的關(guān)鍵問題。其車地通信通道、地面系統(tǒng)和列車自主定位設(shè)備都建立在已有的CBTC系統(tǒng)上，采用通用型列車主動定位技術(shù)，僅需增強(qiáng)其軟件功能，不需要額外增加硬件。因此，如表1所示，與計(jì)軸子系統(tǒng)相比，列車主動定位技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性、可用性和可維護(hù)性等各方面的性能均得以提升。

表1 列車主動定位系統(tǒng)與計(jì)軸系統(tǒng)的性能對比

6 結(jié)語

在無計(jì)軸CBTC系統(tǒng)的應(yīng)用中，本文提出的新型列車主動定位技術(shù)解決了對CBTC車載設(shè)備故障列車和工程車的定位及跟蹤問題。該技術(shù)的最大特點(diǎn)是輕量化，以及充分發(fā)揮CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備能力，在不需要太多投入的情況下對系統(tǒng)的功能進(jìn)行正向增強(qiáng)。該技術(shù)在新線建設(shè)和既有線路改造項(xiàng)目中均具有良好的應(yīng)用前景。