CTC系統殘留光帶監控方案研究

趙宏濤，齊 威，王振東，唐 彬，曹 楨

信號分散自律調度集中（Centralized Traffic Control，CTC）系統［1］是鐵路運輸日常組織工作的指揮中樞。通過聯鎖、列控、區間閉塞等信號設備，CTC 系統可實現對管轄區段內的列/調車作業指揮和管理，以及車站設備監控和運維等工作，保證鐵路平穩、可靠、安全、高效運行。

CTC 系統車站自律機將運輸指揮階段計劃和調車計劃轉換為內部進路指令，并在靜態進路文件、動態設備狀態和外部事件驅動下，執行計劃兌現工作［2］。隨著列/調車指令的狀態遷移，站場顯示區段依次呈現空閑、鎖閉、占用和出清等狀態。在信號設備和軌道電路故障、人為操作錯誤及施工維修等場景下，CTC 顯示終端有可能出現光帶殘留，若不及時有效處置，將導致自律機后續排路操作的進路沖突、站場對象不空閑等沖突報警［3-4］，進而引起計劃兌現延遲或失敗，影響行車效率和安全。周果等［5］利用Markov 決策過程方法在列控系統中解決區間軌道電路殘留光帶問題；趙曉風等［6］和張友鵬等［7］在軌道電路層級尋求輕車跳動解決方案。綜合分析看，目前行業內對于CTC 系統殘留光帶監控技術還缺乏有效解決方案，相關研究還有待深化。為此，在鐵路智能化、安全化的發展趨勢下，開展CTC 系統中殘留光帶監控及報警功能的研究，及時發現站場異常狀態并恢復行車秩序，具有重要現實意義。

CTC 系統殘留光帶監控方案擬在不影響自律機主業務邏輯的基礎上，利用既有結構體數據及關聯關系，通過站場對象的狀態預置及對象狀態遷移監控技術［8］，在CTC 端實現殘留光帶的無縫可靠監控報警。

1 軌道區段

CTC 系統中，車站以站場圖區元素方式進行形式化展示［9］，元素類別主要包括道岔、軌道區段、按鈕、信號機、絕緣節、脫軌器、表示燈、車次窗、進路窗等。軌道區段又分為站內股道、無岔區段和站間區段。

道岔、軌道區段、信號機等站場元素，由聯鎖系統和列控中心通過軌道電路實現狀態采集和進路控制［10］，由CTC 系統實施狀態維護和監控，以及業務運算和卡控功能。根據《調度集中系統技術條件》（Q/CR 518-2016），CTC 顯示終端的道岔和軌道區段狀態主要包括空閑、鎖閉和占用3種。

1.1 軌道區段正常狀態

CTC 系統顯示終端分別以紅、白光帶表示軌道區段的占用和鎖閉狀態。初始，軌道電路無列車行駛或?？?，軌道繼電器勵磁吸起，站場顯示為區段空閑；隨著車站信號設備狀態、列車運行狀態等輸入數據的驅動，CTC 系統執行計劃的安全卡控和進路觸發操作，通過聯鎖設備實現列/調車進路的預先鎖閉和接近鎖閉，即出現CTC 站場軌道區段鎖閉白光帶；當列車壓入軌道電路區段，軌道繼電器被列車輪對短接而落下，實現區段占用狀態采集和監控，即出現CTC站場軌道區段占用紅光帶。由此可見，軌道區段狀態的正確跳轉、采集和監控是CTC 系統進行行車安全卡控、排路命令執行狀態反饋的重要依據。

1.2 軌道區段異常狀態

由于各種原因，CTC 系統會偶發［11］殘留光帶現象，影響行車組織的有序執行，體現為后臺自律模式下的進路指令自動觸發失敗、行車報警激增、計劃兌現延后、人工干預頻繁等。殘留光帶的表現形式主要為軌道區段的非行車鎖閉和異常占用，主要原因如下。

1）輕車跳動［12］?？招能囕S運用導致的接收器接收電壓錯誤、軌面生銹導致的區段分路不良，以及單機車高速通行短軌道區段等，易引發聯鎖系統三點檢查失敗，產生輕車跳動。在CTC 系統顯示終端表現為鎖閉光帶殘留或閃紅現象。

2）設備故障。軌道電路的電纜、接觸器、繼電器等發生的接觸不良、損壞等故障［13］，導致軌道電路無法正常檢測列車位置和信號。此外，鋼軌復雜部件長時間被列車輪碾壓、撞擊，以及熱脹冷縮產生的鋼軌爬行等，也會導致殘留光帶現象。

3）突發事件。風雨雪震、道床積水、電磁電氣干擾等異常事件，甚至為防治冰凍災害而在軌道撒鹽導致的道床電阻降低等，都會干擾信號電路的正常工作。

4）施工維修。在軌道電路的安裝、維護和修復過程中，操作人員可能會出現誤操作，如設備設置錯誤、施工損壞，甚至器件遺漏導致的軌道短接等。

2 殘留光帶監測方案

在分散自律控制模式下，操作員在CTC 設備上編制計劃、執行排路、監控站場運行及設備狀態。雖然殘留光帶的源頭在聯鎖設備端，但其表現和影響均在CTC 設備端。因此，考慮在CTC 車站自律機上增加功能，通過監控站場對象狀態和進路指令狀態，實現對殘留光帶的監測。

2.1 數據準備

CTC 車站自律機將中心計劃轉化為結構化的進路指令，在滿足觸發時機并通過行車安全檢查后，創建關聯進路命令，指揮聯鎖進行排路操作。進路指令和排路命令在其生命周期內，具備唯一標識ID。為便于描述，定義指令標識ID 為repID，命令標識ID 為cmdID。指令的狀態包括等待、重試、失敗、排路成功、占用和出清等；命令的狀態包括初始、已發送、超時和成功等。

圖1 描述了由階段計劃創建的進路指令和排路命令，與聯鎖進路、進路對象（即組成該進路的CTC系統站場圖區元素）的關聯關系，以及各對象附屬的核心屬性字段。動態對象、動態屬性和相互關系以紅色標識。后續算法將依賴CTC內部對象的關聯關系，實現特定軌道區段對象的狀態更新操作。

圖1 CTC內部對象關聯關系

2.2 整體方案設計

作為信號采集的下游設備，CTC 系統不具備軌道區段關聯狀態的檢查基礎，因此從迭代開發和便于部署等角度，將方案進行如下設定。

1）區間軌道電路由列控中心負責［14］，通過設備檢測維護、關聯數據校驗和異常監控等措施，保證驅采數據的一致性。除了一離去區段占用外，區間軌道電路狀態基本不涉及CTC 端的行車調度操作。此外，對于站內牽出線、機調線和聯絡線［15］等與CTC 行車控制關聯不大的區域，暫時不考慮其站內對象的殘留光帶監控邏輯，因此需具備對特定區域站內對象的剔除功能，即增加配置項，指明該集合中的站內對象不參與殘留光帶的監控邏輯。

2）對站內軌道區段，只監控持續性的光帶殘留，且由于紅、白2 種殘留光帶產生機制不同，因此需采用不同的監控邏輯。

3）監測殘留光帶出現時，車站自律機根據控制權向主控終端發送報警信息。自律機僅在殘留光帶首次出現時報警一次；保持該殘留（占用或鎖閉）狀態時，無重復報警；殘留光帶清除時，不報警；當對象狀態（占用、鎖閉、空閑）變更后，再重新對該對象進行監控。當再次出現殘留時，滿足條件即報警；對象保持該殘留狀態不足閾值時間時，不報警；在殘留紅白光帶間切換，且始終達不到閾值時間時，不報警。

4）在自律機剛剛啟動、控制模式切換或者主備倒機后的一段時間，設備需要接收站場表示信息，建立行車計劃、指令、命令和表示的關聯關系。在此期間，車站自律機暫不啟動殘留光帶監控功能；一旦超過該時間段，車站自律機立即啟動殘留光帶監控功能。5）考慮計算效率并與報警整合，殘留光帶監控邏輯固定6 s輪巡一次。

2.3 自律機監控邏輯

自律機每隔6 s 依次進行殘留白光帶、殘留紅光帶，以及殘留指令光帶的監控邏輯處理。任意邏輯一旦觸發殘留光帶報警，自律機便立即向主控終端發送報警信息。

2.3.1殘留白光帶監控邏輯

殘留白光帶監控邏輯主要監控非人為操作，且非行車計劃執行不連續導致的殘留鎖閉白光帶，即除了以下場景外，聯鎖端產生的排路鎖閉白光帶：①人為操作方面的列/調車計劃人工觸發、列/調車進路序列人工觸發、人工關聯/不關聯車次的按鈕排路；②行車計劃觸發執行方面的列/調車計劃自動觸發和信號重開。

殘留白光帶監控邏輯仿照排路命令標識符cmdID，在站內軌道區段對象內部新增屬性標識符cmdIDofSamp，代表該對象的鎖閉狀態是否是某次排路操作（排路命令）導致。cmdIDofSamp為0 時表示該站場對象不對應任何排路命令；cmdIDofSamp為非0 時表示該站場對象是由cmdIDofSamp數值所對應的特定排路命令操控的。之后，自律機依據cmdID建立站內軌道區段白光帶追蹤和處置邏輯，見圖2。

1）自律機啟動，讀取配置文件，初始化所有站場對象的cmdIDofSamp為0，并在接收行車計劃后，進行計劃處理和定時業務監控邏輯。

2）在計劃滿足觸發時機、執行排路操作過程中，自律機依據進路指令創建排路命令。在排路成功后，將命令cmdID通過圖1所示“排路命令—進路—進路對象”的鏈路關系，賦值于進路對象cmdIDofSamp（不考慮進路對象當前狀態）；在排路命令超時失敗時，遍歷命令關聯進路的所有進路對象。如果進路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID相同且非零，則復位對象的cmdIDofSamp為0；如果進路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID不同，則維持對象cmdIDofSamp不變。

3）在計劃不滿足觸發時機的軌道區段常態監控階段，如果站內軌道區段對象狀態由“非空閑變為空閑”或者“非占用變為占用”，則置對象cmdIDofSamp為0。

4）自律機監控站內對象保持鎖閉狀態超過時間閾值，且cmdIDofSamp為0時，即認為該區段存在殘留白光帶，自律機向主控終端發送報警信息。

2.3.2殘留紅光帶監控邏輯

殘留紅光帶監控邏輯主要監控非行車計劃執行不連續導致的殘留占用紅光帶，即軌道電路一定時間內持續紅光帶。具體方案為車站自律機監控站內軌道區段狀態，當其保持占用狀態超過時間閾值，且上一狀態為非鎖閉狀態時（即直接由空閑變為占用），則認定該區段存在殘留紅光帶，自律機向主控終端發送報警信息。

2.3.3殘留指令光帶監控邏輯

殘留指令光帶監控邏輯主要監控行車計劃的進路指令執行不連續導致的光帶殘留。這種情況在工程現場發生最多。例如，在短軌道正線區段，當單機車體較短、較輕，且行駛速度快時，易造成軌道電路壓不實而產生遺留白光帶；在部分線路由于設備年老失修，疊加長時間機車車輛碾壓影響，極易造成軌道電路短路而產生遺留紅光帶。

殘留指令光帶監控邏輯仿照進路指令標識符repID，在站內軌道區段對象內部新增屬性標識符repIDofSamp，當repIDofSamp與repID相等時，表示該對象的鎖閉/占用狀態是由某條進路指令排路操作導致的。之后，依據repID，建立站內軌道區段對象的白、紅光帶追蹤和處置邏輯流程，見圖3。

圖3 殘留指令狀態監控流程

1）自律機啟動，讀取配置文件，初始化所有站場對象的屬性標識符repIDofSamp為0，轉入定時業務監控邏輯。

2）在進路指令業務處理邏輯中，自律機監測列/調車進路開放，指令狀態更新時，通過圖1 所示“進路指令—進路—進路對象”的鏈路關系，將指令repID賦值于進路所有對象，即進路所有對象repIDofSamp等于指令repID，建立站內軌道區段顯示狀態與指令狀態的關聯關系。

3）在指令狀態未發生變化的軌道區段常態監控階段，如果站場任意對象變為出清，則置該對象的repIDofSamp為0；站場對象變為占用時，不修改對象的repIDofSamp；站場對象變為鎖閉時，除非是進路指令操控導致的對象鎖閉，否則不修改

repIDofSamp。

4）進路指令出清超過時間閾值后，自律機監控指令關聯進路的所有對象。如果對象的repIDofSamp與本指令的repID相同且非零（即該對象僅為本指令使用），對象為鎖閉或占用狀態，則認為該區段存在殘留白光帶或紅光帶，自律機向主控終端發送報警信息。

3 方案驗證

搭建仿真測試環境，設計如下場景，驗證方案的有效性。

場景1 站場特定進路在無排路操作的情況下，單獨對象由空閑變為鎖閉，或由空閑變為占用，且保持該狀態超過閾值時間時，由殘留白光帶監控邏輯，或殘留紅光帶監控邏輯判定是殘留光帶，向主控終端發送報警信息。

場景2 仿真搭建如圖4 所示的接車進路（已刪除無關對象），進路包含對象ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG。

圖4 仿真環境中X-ⅡG接車顯示

T1 時刻，進路指令滿足時機自動觸發或人工觸發，向聯鎖發送排路命令，進路指令變為“觸發中”， 自律機置ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG 的cmdIDofSamp為命令cmdID。圖4（a）為接車進路靜態顯示。

T2時刻，進路排路成功，ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG全部鎖閉，顯示進路為鎖閉開放狀態，見圖4（b）。

T3 時刻，列車占用無岔ⅠAG，如圖4（c）所示，此時無殘留光帶，無報警。

T4時刻，列車占用進路股道ⅡG，出清ⅠAG/1#/3#/7#，如圖4（d）所示，無殘留光帶，無報警。

如果列車僅占用進路股道ⅡG，但ⅠAG 出清后變為鎖閉，或出清后變為占用，如圖4（e）所示，在ⅠAG 保持該狀態超過閾值時間后，自律機由殘留白光帶監控邏輯，或殘留紅光帶監控邏輯判定ⅠAG 存在殘留光帶，向主控終端發送報警信息。

場景3 以圖4 接車進路X-ⅡG 為例：T1 時刻，進路排路成功；T2 時刻，列車駛入進路；T3時刻，列車壓入3#道岔后，再壓入7#道岔和ⅡG 股道；T4 時刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔保持占用。在指令保持占用狀態時，無報警；指令出清后，由殘留指令光帶監控邏輯判定3#道岔殘留，向主控終端發送報警信息。

場景4 以圖4 接車進路X-ⅡG 為例：T1 時刻，進路排路成功；T2 時刻，列車駛入進路；T3時刻，列車壓入1#道岔；T4 時刻，列車壓入3#道岔，但未壓實，導致3#道岔保持鎖閉狀態；T5 時刻，列車壓入7#道岔和ⅡG股道；T6時刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔始終保持鎖閉。在指令出清后，由殘留指令光帶監控邏輯判定3#道岔光帶殘留，向主控終端發送報警信息。

場景5 在行調臺未向車站下發階段計劃的前提下，操作員在CTC 終端僅通過按鈕排列列車或調車進路。在列/調車駛入進路后，如果存在場景3 或場景4 的問題，由于3#道岔不滿足前述3 種監控報警條件，則方案存在漏報警缺陷。

場景6 站內對象閃現紅光帶不足閾值時間即恢復空閑，則方案存在漏報警的缺陷。

分析以上場景，方案可以有效應對場景1～4對應的殘留光帶問題。至于場景5 中無行車計劃下的人工按鈕排路，或者場景6 中不影響行車前提下的軌道區段一定閾值內的短暫閃爍，則可通過與運輸指揮人員溝通討論，由聯鎖系統保證設備運行正常，CTC系統可不產生監控報警輸出。

4 結論

針對CTC 系統中影響行車效率和安全的殘留光帶問題，車站自律機利用動靜態數據，建立進路指令、排路命令與站場軌道區段（占用、鎖閉、空閑）狀態的鏈路關系，依靠站場對象的狀態預置以及對象狀態遷移監控技術，實現殘留光帶監控功能。仿真試驗表明，方案在CTC 系統正常工作狀態下，能夠有效應對各場景下的殘留光帶問題，提升行車計劃兌現效率，保障行車安全和行車效率，滿足預期目標。后續考慮建立一定區域內站內軌道區段狀態聯動機制，并逐步降低光帶殘留時間閾值，完善對軌道區段閃紅或閃白的監控功能。