FAO互聯互通系統保護區段解鎖優化方案研究

張楠喬，耿 鵬

（通號城市軌道交通技術有限公司，北京 100070）

1 研究背景

近年來城市軌道交通建設快速增長，部分新建線路也在基于通信的列車運行控制系統（CBTC）基礎上引入了更多自動化、智能化的功能需求，使列車運行控制系統向著全自動運行（FAO）方向發展[1]。FAO 互聯互通系統在CBTC 互聯互通技術規范體系基礎上擴展而成，是CBTC 互聯互通系統的延伸和升級，是中國城市軌道交通列車運行控制系統的主流技術發展方向[2]。

在城市軌道交通中，由于車站站臺土建條件的限制，運營停車點通常距離出站信號機過近，為保證列車自動運行（ATO）可控制列車停靠至該點完成旅客乘降作業，車載列車自動防護（ATP）計算的緊急制動曲線終點必須延伸至出站信號機內方[3]。為了解決這一問題，計算機聯鎖（CBI）在出站信號機內方額外鎖閉一片區域，使得緊急制動曲線終點得以安全延伸，該額外鎖閉區域即為保護區段[4]。保護區段內可能包含道岔，若保護區段解鎖時機過晚，將影響列車運營間隔，降低運營效率[5]。因此，CBTC 互聯互通系統通常支持多種方式解鎖保護區段，包括：收到來自車載ATP 的允許保護區段解鎖信息后解鎖、保護區段延時解鎖計時結束后解鎖等[6-8]。

FAO 互聯互通系統具有城市軌道交通列車運行自動化水平的最高等級，自動化等級（GoA）4 級已不再需要司機監控列車運行，與CBTC 互聯互通系統在列車安全監控方面的人/系統職責劃分方式上存在明顯區別。對此，保護區段解鎖既有方案是否適用于FAO 互聯互通系統有待研究。本文重點關注列車已停靠至站臺時的保護區段正常解鎖方式，嘗試以保護區段解鎖既有方案為基礎，分析其適用性，提出優化方法原理，并設計相應的保護區段解鎖優化方案。

2 保護區段解鎖既有方案

2.1 原理流程

列車順序進入保護區段接近區段后，CBI 啟動保護區段延時解鎖計時：計時結束前，若CBI 收到車載ATP 發送的允許保護區段解鎖信息或區域控制器（ZC）發送的允許保護區段解鎖信息，且保護區段空閑，則CBI 解鎖保護區段；計時結束后，若保護區段空閑，則CBI 解鎖保護區段。

其中，車載ATP 僅在停穩且不再使用保護區段授權的前提下，方可向CBI 或ZC 發送允許保護區段解鎖信息，CBI 直接獲取或通過ZC 間接獲取該信息，以此實現保護區段快速解鎖，提高解鎖效率；若不滿足保護區段快速解鎖條件，則CBI 亦可通過延時解鎖方式解鎖保護區段。

綜上所述，保護區段解鎖既有方案總體流程如圖1 所示。

圖1 保護區段解鎖既有方案總體流程Fig.1 Overall process of existing overlap release scheme

2.2 存在缺陷

保護區段解鎖既有方案可滿足安全性的前提在于：列車進入保護區段接近區段后，司機應保證在一定時間內駕駛列車于保護區段外方停車或進入保護區段內方。在CBTC 互聯互通系統中，該限制約束尚可輸出至司機；但在FAO 互聯互通系統中，司機將駕駛模式升級為全自動運行模式（FAM）后，原則上已不再承擔列車運行監控的安全職責，該風險僅可由信號系統內部消化，故上述前提已不再成立。

由此，可構建如下危險場景：司機駕駛非連續式控制級別（CTC）列車順序進入保護區段接近區段，CBI 啟動保護區段延時解鎖計時；計時結束前，司機將駕駛模式升級為FAM 模式，車載ATP 依據包含保護區段授權的移動授權控制列車運行，由于車地通信存在信息時延，計時結束后CBI 解鎖保護區段，車載ATP 仍持有保護區段授權，列車闖入已解鎖的保護區段，存在安全風險。

3 保護區段解鎖優化方案

3.1 優化方案A

為修復保護區段解鎖既有方案中存在的缺陷，信號系統應考慮如何安全收回列車可能持有的保護區段授權。對此，本文設計優化方案A，以列車控制級別、區段占用狀態或信號機接近狀態等本質上由車載信號設備反饋的列車控制級別為依據，CBI安全解鎖保護區段。

上述優化手段的具體處理方法為：列車順序進入保護區段接近區段后，CBI 啟動保護區段延時解鎖計時，計時結束前提前一定時間向ZC 發送保護區段無效，以此保證：計時結束時，列車未進入保護區段或已進入保護區段停穩，且CBI 已檢測到該列車是否占用保護區段。據此，CBI 可在計時結束、收到車載ATP 發送的允許保護區段解鎖信息或收到ZC 發送的允許保護區段解鎖信息，且保護區段空閑時，安全解鎖保護區段。

上述CBI 提前向ZC 發送保護區段無效的處理方法，其目的即在于安全收回車載ATP 可能持有的保護區段授權。假定直至該時刻車載ATP 仍持有保護區段授權，若車載ATP 與ZC 通信正常，則CBI發送保護區段無效、ZC 收回保護區段授權，車載ATP 根據更新的移動授權信息重新計算緊急制動曲線，列車最終停于保護區段外方或觸發緊急制動闖入保護區段停穩；若車載ATP 與ZC 通信中斷，則車載ATP 使用當前保護區段授權達到最大超時后觸發緊急制動，列車最終停于保護區段外方或闖入保護區段停穩。該提前量包含了上述場景中車載ATP觸發緊急制動直至停穩且被CBI 檢測到是否占用保護區段的最大延時，保證計時結束時CBI 可安全判定保護區段是否可能被列車使用，如未使用方可解鎖保護區段。

綜上所述，保護區段解鎖優化方案A 總體流程如圖2 所示。

圖2 保護區段解鎖優化方案A總體流程Fig.2 Overall process of overlap release optimization scheme A

3.2 優化方案B

為修復保護區段解鎖既有方案中存在的缺陷，信號系統應考慮如何安全收回列車可能持有的保護區段授權。對此，本文設計優化方案B，以CBI 是否允許列車進入保護區段、ZC 是否允許列車進入保護區段等本質上由軌旁信號設備發出的保護區段授權為依據，CBI 安全解鎖保護區段。該優化手段將待解決問題抽象為信號系統是否授權列車進入保護區段，站在發送方的角度思考并延后決策時機，以此獲得有效判定依據。

具體地，上述優化手段的處理方法為：列車順序進入保護區段接近區段后，CBI 啟動保護區段延時解鎖計時；到達“列車走行配置時間”時，CBI向ZC 發送保護區段無效；到達“非CTC 保護區段延時解鎖時間”時，若CBI 判斷車載ATP 不可能持有保護區段授權則以“非CTC 保護區段延時解鎖時間”作為計時終點，若CBI 判斷車載ATP 可能持有保護區段授權則以“CTC 保護區段延時解鎖時間”作為計時終點；據此，CBI 可在計時結束、收到車載ATP 發送的允許保護區段解鎖信息或收到ZC 發送的允許保護區段解鎖信息，且保護區段空閑時，安全解鎖保護區段。

優化方案B 可避免優化方案A 存在的兩個問題：

1）若采用由車載信號設備反饋的列車控制級別為依據，則不可避免地需要考慮車載信號設備反饋信息的安全時延；

2）若啟動計時即區分CTC 列車保護區段延時解鎖計時、非CTC 列車保護區段延時解鎖計時，則不可避免地需要考慮列車在計時結束前可能出現列車控制級別轉化，即需要考慮列車可能持有保護區段授權導致的安全時延。

上述優化手段可以實現CBI 針對非CTC 列車、CTC 列車分別使用不同的保護區段延時解鎖時間，有效縮短了“非CTC 保護區段延時解鎖時間”，相比優化方案A 而言提高了保護區段解鎖效率。

除此之外，優化方案B 進一步提出了3 種優化手段：

1）針對非CTC 列車與CTC 列車共用“列車走行配置時間”導致“非CTC 保護區段延時解鎖時間”相比傳統非CTC 模式信號系統仍然偏長的缺陷，提出ZC 自置保護區段無效狀態的優化手段，通過將“非CTC 列車走行配置時間”與“CTC 列車走行配置時間”分開處理、“非CTC 列車走行配置時間”到達時ZC 判斷是否自置保護區段無效狀態的方式，進一步縮短了“非CTC 保護區段延時解鎖時間”，使其完全等同于傳統非CTC 模式信號系統；

2）針對“CTC 保護區段延時解鎖時間”依賴于配置最大超時導致等待時間較長的缺陷，提出了CBI 與ZC 間交互保護區段解鎖請求的優化手段，通過將原CBI 保護區段解鎖判斷邏輯部分轉移至ZC 的方式，進一步縮短了“非CTC 保護區段延時解鎖時間”“CTC 保護區段延時解鎖時間”；

3）針對列車進入保護區段延時解鎖區段時人機界面（MMI）倒計時顯示與列車控制級別不匹配的缺陷，提出CBI 根據保護區段接近區段占用狀態選擇MMI 倒計時顯示的優化手段，通過CBI 切換“非CTC 保護區段延時解鎖時間”“CTC 保護區段延時解鎖時間”MMI 倒計時顯示的方式，進一步提高MMI 倒計時顯示的可用性，使其更匹配運營人員使用習慣。

綜上所述，保護區段解鎖優化方案B 總體流程如圖3 所示。

圖3 保護區段解鎖優化方案B總體流程Fig.3 Overall process of overlap release optimization scheme B

3.3 方案優劣對比

對于上述優化方案A、優化方案B，從修復缺陷、解鎖效率、實現難度3 方面執行優劣對比，如表1 所示。

表1 優化方案A與優化方案B對比Tab.1 Comparison between optimization scheme A and optimization scheme B

綜上所述，對于不考慮非CTC 模式運營或非CTC 模式運營頻率較低的信號系統，可采用優化方案A，容忍非CTC 模式運營時較低的保護區段解鎖效率，以較低的實現難度修復既有方案缺陷；對于非CTC 模式運營頻率較高或運營模式冗余度要求較高的信號系統，可采用優化方案B，接受較高的實現難度，則既可修復既有方案缺陷，又可有效提高非CTC 模式、CTC 模式運營時的保護區段解鎖效率。

4 結論

本文首先介紹了保護區段解鎖既有方案的方法原理及總體流程，分析其存在的缺陷；然后提出了保護區段解鎖優化方案A、優化方案B，分別詳細說明其方法原理及總體流程，并對兩者進行優劣對比，形成優化方案使用建議。本文所述保護區段解鎖優化方案A、優化方案B 適用于CBTC 互聯互通系統、FAO 互聯互通系統，在確保安全的前提下于解鎖效率與實現難度之間取得平衡，具有可行性。