CBTC系統(tǒng)混跑模式中的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算

陳雁冰

*中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 助理工程師，100026 北京

移動(dòng)授權(quán) (MA)是指列車按照給定的運(yùn)行方向，被授權(quán)進(jìn)入和通過一個(gè)特定的軌道區(qū)段。移動(dòng)授權(quán)在每一個(gè)通信周期前由區(qū)域控制器 (ZC)簽發(fā)和監(jiān)督。車載控制器 (CC)執(zhí)行移動(dòng)授權(quán)，以維持安全的列車間隔，并通過聯(lián)鎖提供防護(hù)。當(dāng)前主流的CBTC系統(tǒng)均能支持CBTC和非CBTC列車同時(shí)在線路上混合運(yùn)行，允許一輛移動(dòng)閉塞列車(CBTC列車)安全地跟隨一輛固定閉塞列車 (故障CBTC列車、未裝備車載設(shè)備的列車或者維修服務(wù)車)運(yùn)行。為此將軌道區(qū)段分為固定閉塞區(qū)段、移動(dòng)閉塞區(qū)段和出清區(qū)段。移動(dòng)閉塞的軌道區(qū)段只對(duì)CBTC列車有效;固定閉塞的軌道區(qū)段將限制后續(xù)CBTC列車的移動(dòng)授權(quán)，通過為固定閉塞軌道區(qū)段設(shè)置安全零速限制來完成，位于固定閉塞軌道區(qū)段中的任何CBTC列車，不能以ATP和ATO模式運(yùn)行。

1 沖突點(diǎn)定義

ZC子系統(tǒng)在每個(gè)處理周期計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)限制，并發(fā)送給列車。ZC通過搜索當(dāng)前行車方向上列車前方的下一個(gè)有效沖突點(diǎn)來計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。搜索是從列車虛擬占用的尾端開始，這樣可包括列車的全部有效沖突點(diǎn)。沖突點(diǎn)包括:前方CBTC列車虛擬占用尾端、固定閉塞軌道區(qū)段、進(jìn)路憑證未開放的信號(hào)機(jī)、未鎖閉或失去表示的道岔、線路終點(diǎn)、相反的行車方向、緊急停車按鈕按下的站臺(tái)區(qū)域、站臺(tái)扣車按鈕按下的站臺(tái)區(qū)域、屏蔽門非計(jì)劃打開的站臺(tái)區(qū)域等。如果沒有發(fā)現(xiàn)沖突點(diǎn)，列車移動(dòng)授權(quán)將限制到15個(gè)區(qū)段，或者通過CC動(dòng)態(tài)計(jì)算出一個(gè)最大距離。

2 列車篩選

如圖1所示，CBTC列車追蹤過程中，如果前后方列車均通信中斷或失去完整性，之后后車又恢復(fù)通信，ZC無法精確追蹤前車位置，不能判斷計(jì)軸區(qū)段T2是否僅有一輛CBTC列車占用，可能在CBTC列車的前方還有一輛非CBTC列車 (或失去通信列車)或者一節(jié)脫鉤的車廂。圖1中，在后車恢復(fù)通信之后，如果不經(jīng)任何處理就直接向前計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，很可能忽略失去通信的前方列車，而前車正是移動(dòng)授權(quán)計(jì)算中距離當(dāng)前列車最近的一個(gè)沖突點(diǎn)，這會(huì)影響系統(tǒng)的安全性。所以，在ZC子系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一個(gè)列車篩選的算法用于判斷一個(gè)區(qū)段中在一輛CBTC列車的前方或后方是否隱藏了一節(jié)或一輛其他車輛。列車篩選的結(jié)果將作為區(qū)段閉塞轉(zhuǎn)換的一個(gè)重要輸入。

篩選過程在于對(duì)比以下兩者的距離:列車的方位和區(qū)段入口限制。具體的篩選過程是由司機(jī)以RM模式駕駛列車完成的。

對(duì)于已經(jīng)定位的列車，在接近或者離去一個(gè)計(jì)軸分界點(diǎn)時(shí)，如果距離相鄰區(qū)段小于最小列車長度，并且相鄰區(qū)段空閑，那么此列車可以確定在其兩端沒有隱藏其他車輛。如果距離相鄰區(qū)段大于最小列車長度或相鄰區(qū)間占用，那么此列車仍無法判斷是否在其車頭或車尾隱藏了其他車輛，需要根據(jù)相鄰距離繼續(xù)判斷，直至篩選通過。

圖1 通信故障列車追蹤圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，列車在以下情況需要進(jìn)行列車篩選過程:①前方列車失去通信或失去完整性，與其處于同一軌道區(qū)段的后方列車，進(jìn)行車頭篩選;②后方列車失去通信或失去完整性，與其處于同一軌道區(qū)段的前方列車，進(jìn)行車尾篩選;③如果沒有與其處于同一區(qū)段的前方列車，如果故障列車行駛方向的前一區(qū)段存在CBTC列車，進(jìn)行車尾篩選;④恢復(fù)通信或恢復(fù)完整性的列車;⑤意外闖入固定閉塞區(qū)段的列車。

在列車篩選過程中，ZC根據(jù)以上條件為CBTC列車設(shè)置車頭或車尾未知障礙標(biāo)志;如果某一列車具有車頭或車尾未知障礙標(biāo)志，則進(jìn)入一個(gè)列車篩選流程，直至列車距離區(qū)段入口或出口距離小于最小列車長度，篩選通過，清除未知障礙標(biāo)志。

3 區(qū)段閉塞轉(zhuǎn)換

3.1 區(qū)段閉塞屬性

軌道區(qū)段占用狀態(tài)信息從CBI傳到ZC，占用狀態(tài)數(shù)據(jù)由CBI根據(jù)被考慮對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)來決定，不需要進(jìn)行邏輯處理。ZC基于CBI所傳的占用數(shù)據(jù)和當(dāng)前的其他軌道狀態(tài)來決定軌道區(qū)段狀態(tài)。

1．空閑 (U)——CBI傳遞空閑狀態(tài)到 ZC，不需要進(jìn)一步處理。

2．移動(dòng)閉塞 (MB)——CBI傳遞占用狀態(tài)到ZC。如果經(jīng)驗(yàn)證只有CBTC列車占用軌道區(qū)段，那么軌道區(qū)段狀態(tài)為移動(dòng)閉塞狀態(tài)。

3．固定閉塞 (FB)——CBI傳遞占用狀態(tài)到ZC。如果軌道區(qū)段被占用且不是移動(dòng)閉塞狀態(tài)，那么默認(rèn)為軌道區(qū)段為固定閉塞。

3.2 區(qū)段閉塞轉(zhuǎn)換

在正常的系統(tǒng)運(yùn)行情況下，列車經(jīng)過初始化以后，將會(huì)從車輛段進(jìn)入系統(tǒng)，并進(jìn)入有效的軌道區(qū)段。此列車仍會(huì)處在移動(dòng)閉塞軌道區(qū)段，在正線上運(yùn)行。

非CBTC列車 (即故障車或來自其他線的列車)進(jìn)入正線要通過司機(jī)根據(jù)信號(hào)燈行駛。這種情況下列車只能進(jìn)入未占用的軌道區(qū)段，軌道區(qū)段會(huì)處在固定閉塞狀態(tài)。因此列車將會(huì)在一個(gè)占用的軌道區(qū)段限界的保護(hù)區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

ZC連續(xù)檢查移動(dòng)閉塞軌道區(qū)段的有效性，以下幾種情況可以觸發(fā)移動(dòng)閉塞區(qū)段轉(zhuǎn)為固定閉塞狀態(tài):①遍歷線路數(shù)據(jù)庫中的所有軌道區(qū)段，若本區(qū)段上的CBTC列車存在車頭或車尾未知障礙標(biāo)志，且該列車的虛擬占用最大或最小位置已在該區(qū)段上時(shí)，將設(shè)置區(qū)段的閉塞屬性為固定閉塞;②遍歷線路數(shù)據(jù)庫中的所有軌道區(qū)段，若本區(qū)段上的CBTC列車通信狀態(tài)由正常轉(zhuǎn)為通信丟失，將設(shè)置區(qū)段的閉塞屬性為固定閉塞;③如果進(jìn)路方向是出正線，在轉(zhuǎn)換軌上通過ZC將列車自動(dòng)從列車數(shù)據(jù)庫中移除，例如，當(dāng)列車到達(dá)轉(zhuǎn)換軌，從正線向車輛段運(yùn)行時(shí)，此列車將從CBTC系統(tǒng)中移除，不需要任何操作員人工輸入，提供移動(dòng)閉塞保護(hù)的沖突點(diǎn)也將被移除，轉(zhuǎn)換軌道區(qū)段為固定閉塞;④如果與相鄰ZC或CBI的通信故障，將設(shè)置此區(qū)域內(nèi)所有的軌道區(qū)段為安全默認(rèn)值，即固定閉塞;⑤ZC命令至少一輛車不斷地報(bào)告其在移動(dòng)閉塞軌道區(qū)段內(nèi)的行跡，這樣當(dāng)一個(gè)軌道區(qū)段仍然顯示占用，即使所有的CBTC列車已經(jīng)出清此區(qū)段 (比如，故障占用)，ZC仍將該區(qū)段從移動(dòng)閉塞變?yōu)楣潭ㄩ]塞;⑥每當(dāng)固定閉塞區(qū)段轉(zhuǎn)換為空閑時(shí)，ZC檢查此轉(zhuǎn)換是否符合目前的運(yùn)行方向和相鄰軌道區(qū)段的狀態(tài)，如果檢測(cè)到任何不合邏輯的轉(zhuǎn)換 (非CBTC列車可能已經(jīng)駛?cè)氪塑壍绤^(qū)段)，ZC將相鄰的移動(dòng)閉塞軌道區(qū)段設(shè)置為固定閉塞。

ZC在以下情況將固定閉塞設(shè)置為移動(dòng)閉塞:①遍歷所有軌道區(qū)段中CBTC列車的車頭車尾未知障礙屬性。②若本區(qū)段上無CBTC列車，則繼續(xù)設(shè)置該區(qū)段屬性為固定閉塞。③若存在CBTC列車，判斷是否符合以下條件，一是如果該列車虛擬閉塞的最大位置在該區(qū)段上，則要求列車的車頭無未知障礙標(biāo)志;二是如果該列車的虛擬占用的最小位置在該區(qū)段上，則要求列車的車尾無未知障礙標(biāo)志。若符合以上條件，則將區(qū)段的閉塞屬性設(shè)置為移動(dòng)閉塞。

ZC在以下情況將新的占用設(shè)置為移動(dòng)閉塞:若當(dāng)前獲得的區(qū)段占用狀態(tài)由出清轉(zhuǎn)為占用，判斷占用該區(qū)段的列車屬性，若此時(shí)僅有CBTC列車占用該區(qū)段，且該區(qū)段有一個(gè)相鄰的移動(dòng)閉塞區(qū)段，則將區(qū)段屬性設(shè)置為移動(dòng)閉塞。

ZC在以下情況將新的占用設(shè)置為固定閉塞:①若當(dāng)前獲得的區(qū)段占用狀態(tài)由出清轉(zhuǎn)為占用，判斷占用該區(qū)段的列車屬性，若此時(shí)沒有CBTC列車占用該區(qū)段，且該區(qū)段有一個(gè)相鄰的固定閉塞區(qū)段，則將區(qū)段屬性設(shè)置為固定閉塞;②若當(dāng)前獲得的區(qū)段占用狀態(tài)由出清轉(zhuǎn)為占用，并且該區(qū)段不能成功轉(zhuǎn)換為移動(dòng)閉塞區(qū)段，將該區(qū)段屬性設(shè)置為固定閉塞。

ZC在以下情況將軌道區(qū)段的狀態(tài)設(shè)置為出清:獲得區(qū)段的占用狀態(tài)，若區(qū)段當(dāng)前為空閑狀態(tài)，則清除該區(qū)段的閉塞屬性;否則，保持其原來的閉塞屬性。

軌道區(qū)段閉塞屬性狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見圖2。

圖2 閉塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

4 移動(dòng)授權(quán)計(jì)算

4.1 CBTC列車跟隨非CBTC列車

當(dāng)一列CBTC列車追蹤一列非CBTC列車時(shí)，如圖3所示，CBTC列車的MA計(jì)算過程如下。

圖3 MA計(jì)算CBTC列車跟隨非CBTC列車

1．CBTC列車的MA延伸到前車所占用的軌道區(qū)段的尾端;T1為移動(dòng)閉塞區(qū)段;T2為固定閉塞區(qū)段。

2．非CBCT列車通過綠燈并且受固定閉塞區(qū)段的保護(hù);CBTC列車MA延伸至前車固定閉塞區(qū)段的始端。

3．非CBTC出清站間區(qū)段，CBTC列車的移動(dòng)授權(quán)延伸到新的固定閉塞區(qū)段的邊界。

4.2 前車發(fā)生可恢復(fù)故障

前車發(fā)生可恢復(fù)通信故障時(shí)，兩車的MA計(jì)算過程如下，如圖4所示。

圖4 MA計(jì)算前車可恢復(fù)通信故障

2．前車發(fā)生通信故障，后車MA回撤到最大車頭位置。

3．前車在中心調(diào)度員確認(rèn)下一站空閑的情況下，以RM模式向前運(yùn)行。

4．當(dāng)前車虛擬閉塞占用站臺(tái)區(qū)段時(shí)，前車恢復(fù)通信，但此時(shí)不能直接恢復(fù)到自動(dòng)駕駛AM模式;前車車頭置未知障礙標(biāo)志，并啟動(dòng)該列車車頭的篩選過程。

5．當(dāng)前車以人工駕駛RM模式行駛到距離站臺(tái)區(qū)段足夠小的時(shí)候 (即S1＜MinTrainLen)，并且站臺(tái)區(qū)段空閑，轉(zhuǎn)為AM模式行駛;MA延伸到T4區(qū)段出口處;T3轉(zhuǎn)換為移動(dòng)閉塞區(qū)段。

6．后車在中心調(diào)度員確認(rèn)下一站空閑的情況下以RM模式向前運(yùn)行。

7．當(dāng)后車虛擬閉塞最大位置距離T2區(qū)段出口距離足夠小的時(shí)候 (即S2＜MinTrainLen)，并且站臺(tái)區(qū)段空閑，轉(zhuǎn)為AM模式行駛;MA延伸到出站信號(hào)機(jī);T2轉(zhuǎn)換為移動(dòng)閉塞區(qū)段。

4.3 前車發(fā)生不可恢復(fù)故障

前車發(fā)生不可恢復(fù)通信故障時(shí)，后車MA延伸過程如圖5所示。

圖5 MA計(jì)算前車不可恢復(fù)通信故障

1．前后車通信完好，追蹤運(yùn)行，后車MA延伸到前車車尾;前車MA延伸到出站信號(hào)機(jī)。

基于PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)，建立了電力系統(tǒng)模型，分別對(duì)電力系統(tǒng)輸電線路發(fā)生三相短路以及誤同期合閘進(jìn)行了仿真計(jì)算，并分析了三相短路和誤同期合閘對(duì)電力系統(tǒng)的影響．該研究為電氣設(shè)備的選型、線路保護(hù)配置確定提供了理論依據(jù)，對(duì)電網(wǎng)初期設(shè)計(jì)和后期啟動(dòng)調(diào)試具有重要參考價(jià)值．

2．前車發(fā)生通信故障，后車MA回撤到最大車頭位置;故障列車切換成RM模式駛?cè)胂乱徽尽?/p>

3．由于后車車頭與前車處于同一區(qū)段，后車車頭置未知障礙標(biāo)志，T2轉(zhuǎn)為固定閉塞區(qū)段。

4．故障列車在受限人工駕駛模式下按地面信號(hào)指示前進(jìn)，直至完全駛出車站。

5．后車在確認(rèn)下一車站空閑后才能以RM模式行駛，直到距離站臺(tái)區(qū)段入口處足夠小的時(shí)候(即S＜MinTrainLen)，此時(shí)前方列車出清站臺(tái)區(qū)段，后車收到延伸至出站信號(hào)機(jī)的MA，轉(zhuǎn)為AM模式行駛。

6．當(dāng)故障列車發(fā)生故障前虛擬占用涵蓋的計(jì)軸區(qū)段空閑時(shí)，ZC從數(shù)據(jù)庫中移除故障列車的信息。

4.4 后車發(fā)生不可恢復(fù)故障

后車發(fā)生不可恢復(fù)通信故障時(shí)，前車的MA計(jì)算過程如下，見圖6。

1．前后車通信完好，追蹤運(yùn)行，后車MA延伸到前車車尾;前車MA延伸到出站信號(hào)機(jī)。

2．后車發(fā)生通信故障，前車MA回撤到最大車頭位置;前車置車尾未知障礙標(biāo)志。

3．由于前車車尾有未知障礙標(biāo)志，并且后車車頭虛擬閉塞已經(jīng)占用T2區(qū)段，所以T2轉(zhuǎn)換為固定閉塞區(qū)段;此時(shí)由于前車位于T2區(qū)段，前車置車頭未知障礙標(biāo)志。

圖6 MA計(jì)算后車不可恢復(fù)通信故障

4．前車以RM模式按地面信號(hào)指示前進(jìn)，當(dāng)其距離站臺(tái)區(qū)段出口足夠近的時(shí)候 (即S1＜MinT-rainLen)，車頭篩選通過，清除其車頭未知障礙標(biāo)志。

5．前車駛?cè)隩4區(qū)段，當(dāng)其車尾距離站臺(tái)區(qū)段出口足夠近的時(shí)候 (即S2＜MinTrainLen)，車尾篩選通過;清除其車尾未知障礙標(biāo)志。

6．由于前車車頭和車尾均無未知障礙標(biāo)志，T4轉(zhuǎn)換為移動(dòng)閉塞區(qū)段;前車恢復(fù)到AM模式繼續(xù)行駛。

7．由于后車通信一直沒有恢復(fù)，以RM模式按地面信號(hào)指示前進(jìn)，ZC采用固定閉塞保證安全。

5 結(jié)束語

移動(dòng)授權(quán)計(jì)算是CBTC系統(tǒng)的核心功能之一，具有SIL4級(jí)別的安全完整性?；炫苣Ｊ街械囊苿?dòng)授權(quán)計(jì)算是該功能的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一套列車篩選—區(qū)段閉塞狀態(tài)轉(zhuǎn)換—移動(dòng)授權(quán)計(jì)算的方法，建立了該過程中需要的一套操作規(guī)則，解決了混跑模式中的移動(dòng)授權(quán)計(jì)算問題，對(duì)提高CBTC系統(tǒng)的安全性和運(yùn)營效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ IEEE Std 1474.1-1999，IEEE Standard for Communications-Based Train Control CBTC Performance and Functional Requirements［S］．1999．

［2］ IEEE Std 1474.3-2003，IEEE Recommended Practice for Communications-Based Train Control(CBTC)System Design and Functional Allocations［S］．2003．

［3］ USSI．深圳2號(hào)線技術(shù)投標(biāo)文件．

［4］ 西門子廣州市軌道交通四、五號(hào)線信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書．