下一代列控系統(tǒng)虛擬軌道區(qū)段占用檢測(cè)方法研究

劉 劍

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 科技管理部，北京 100081）

在中國(guó)列車控制系統(tǒng)(CTCS)的技術(shù)體系中，從CTCS-0級(jí)列控系統(tǒng)到CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，軌道電路一直以來都是“不可或缺”的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)完成列車占用檢測(cè)及列車完整性檢查等功能[1］。下一代列控系統(tǒng)的核心特征之一是采用以衛(wèi)星導(dǎo)航為核心的多源融合定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車自主定位，進(jìn)而取代傳統(tǒng)的基于軌道電路的被動(dòng)式定位[2-4］。通過軌道電路使用的減少(甚至完全不使用)，大幅度降低軌旁的調(diào)試工作量和日常維護(hù)量，進(jìn)而降低整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的生命周期成本。軌道電路被取消后，如何利用列車位置報(bào)告等信息綜合計(jì)算虛擬軌道區(qū)段的占用狀態(tài)，已經(jīng)成為下一代列控系統(tǒng)需要首先研究的技術(shù)難題。

1 下一代列控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

CTCS技術(shù)規(guī)范僅對(duì)下一代列控系統(tǒng)進(jìn)行了總體描述，其功能需求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、內(nèi)外部接口等仍然處于研究階段。根據(jù)研究，下一代列控系統(tǒng)可由列車調(diào)度集中指揮控制系統(tǒng)(CTC)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、無線閉塞中心系統(tǒng)(RBC)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元系統(tǒng)(DSU)、差分站、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(CSM)等組成[5-7］。下一代列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在下一代列控系統(tǒng)中，CTC系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)域內(nèi)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行集中控制，對(duì)列車進(jìn)行直接指揮、管理；除傳統(tǒng)的站內(nèi)聯(lián)鎖功能外，由于取消地面列控中心系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)應(yīng)與RBC系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)區(qū)間閉塞、區(qū)間運(yùn)行方向的控制功能；除行車許可等既有功能外，RBC系統(tǒng)新增差分信息轉(zhuǎn)發(fā)、虛擬軌道區(qū)段的占用檢測(cè)等功能；臨時(shí)限速服務(wù)器升級(jí)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，通過無線移動(dòng)通信系統(tǒng)向車載設(shè)備提供電子地圖；車地間采用基于IP的通信方式，同時(shí)兼容GSM-R，LTE-R或5G等不同通信制式。

針對(duì)虛擬軌道區(qū)段，RBC系統(tǒng)負(fù)責(zé)根據(jù)列車位置報(bào)告實(shí)時(shí)計(jì)算區(qū)段占用狀態(tài)，CTC系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成虛擬軌道區(qū)段占用顯示及故障情況下人工設(shè)置功能，聯(lián)鎖系統(tǒng)利用虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)完成聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算。

1.2 數(shù)據(jù)流

下一代列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流如圖2所示，虛擬軌道區(qū)段的數(shù)據(jù)流變化主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）根據(jù)列車位置報(bào)告實(shí)時(shí)計(jì)算虛擬軌道區(qū)段的占用狀態(tài)后，RBC系統(tǒng)將其發(fā)送給聯(lián)鎖系統(tǒng)，用于聯(lián)鎖邏輯運(yùn)算；同時(shí)發(fā)送給CTC系統(tǒng)，用于列車位置動(dòng)態(tài)顯示。

（2）CTC系統(tǒng)與RBC系統(tǒng)間新增虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)的人工設(shè)置命令信息。在列車通信超時(shí)、列車完整性丟失等故障情況下，調(diào)度員可通過CTC系統(tǒng)向RBC系統(tǒng)下達(dá)人工設(shè)置命令，將“限制性”區(qū)段變?yōu)椤翱臻e”區(qū)段，實(shí)現(xiàn)故障快速恢復(fù)。

（3）RBC系統(tǒng)與相鄰RBC系統(tǒng)間新增虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)等信息，保證列車正常通過RBC邊界。

2 下一代列控系統(tǒng)虛擬軌道區(qū)段占用檢測(cè)分析

2.1 虛擬軌道區(qū)段設(shè)置

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少日常維護(hù)量，在下一代列控系統(tǒng)中，軌道電路的使用將大幅減少。區(qū)間不再設(shè)置軌道電路；中間小站根據(jù)用戶需求(如是否有調(diào)車作業(yè)需求)決定是否設(shè)置軌道電路；為便于日常調(diào)車等作業(yè)，大站仍設(shè)置軌道電路。

對(duì)于未設(shè)置軌道電路的站內(nèi)區(qū)段，可以按照平行作業(yè)要求劃分為若干虛擬區(qū)段，同時(shí)設(shè)置若干虛擬信號(hào)機(jī)；對(duì)于未設(shè)置軌道電路的區(qū)間，按照自動(dòng)閉塞要求設(shè)置若干虛擬閉塞分區(qū)，同時(shí)設(shè)置若干虛擬區(qū)間信號(hào)機(jī)(室外設(shè)置標(biāo)志牌，便于故障情況下的恢復(fù))，以下將站內(nèi)虛擬區(qū)段和區(qū)間虛擬閉塞分區(qū)統(tǒng)稱為虛擬軌道區(qū)段。虛擬軌道區(qū)段設(shè)置示意圖如圖3所示。

圖2 下一代列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖Fig.2 Data flow diagram of next generation train control system

2.2 占用檢測(cè)原理

虛擬軌道區(qū)段的占用狀態(tài)可分為3種：空閑、占用、限制性(或稱封鎖)?？臻e區(qū)段表示虛擬軌道區(qū)段內(nèi)無任何列車占用；占用區(qū)段表示虛擬軌道區(qū)段內(nèi)有列車占用，該列車可能是位置報(bào)告列車也可能是非位置報(bào)告列車；限制性區(qū)段表示系統(tǒng)無法判定虛擬軌道區(qū)段內(nèi)是否有列車占用。對(duì)于限制性區(qū)段，RBC系統(tǒng)禁止后車的行車延伸進(jìn)入該區(qū)段。只有人工干預(yù)或有位置報(bào)告的列車通過該區(qū)段后，該區(qū)段才能變?yōu)榭臻e區(qū)段或占用區(qū)段。

下一代列控系統(tǒng)中，車載設(shè)備根據(jù)應(yīng)答器、速度傳感器、衛(wèi)星導(dǎo)航等多種定位方式綜合計(jì)算列車當(dāng)前位置，列車完整性檢查由車輛自身(如動(dòng)車組)或列尾裝置提供。車載設(shè)備計(jì)算的列車位置報(bào)告模型仍可由估計(jì)前端、過讀誤差、欠讀誤差及列車完整性等組成。列車位置報(bào)告模型如圖4所示。

當(dāng)列車位置報(bào)告顯示其安全位置(最大安全前端至最小安全后端之間)的任意一部分位于該虛擬軌道區(qū)段內(nèi)時(shí)，RBC系統(tǒng)應(yīng)判定該虛擬軌道區(qū)段處于“占用”狀態(tài)；當(dāng)RBC判定該虛擬軌道區(qū)段內(nèi)既沒有位置報(bào)告列車，也沒有非位置報(bào)告列車時(shí)，RBC系統(tǒng)應(yīng)將該虛擬軌道區(qū)段置于“空閑”狀態(tài)。

圖3 虛擬軌道區(qū)段設(shè)置示意圖Fig.3 Schematic diagram of virtual track section layout

2.3 占用狀態(tài)檢測(cè)方法

針對(duì)正常工況和故障工況下典型場(chǎng)景，分析虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)檢測(cè)方法。

2.3.1 正常工況下虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)檢測(cè)

（1）RBC系統(tǒng)重啟。RBC系統(tǒng)重啟后，調(diào)度員在CTC上點(diǎn)擊“系統(tǒng)初始化”，RBC系統(tǒng)開始初始化進(jìn)程。對(duì)于軌道電路區(qū)段(或計(jì)軸區(qū)段)，RBC系統(tǒng)根據(jù)軌道電路(或計(jì)軸區(qū)段)的占用狀態(tài)將該區(qū)段直接置為“空閑”或“占用”；對(duì)于虛擬軌道區(qū)段，若有位置報(bào)告表明該列車占用了該區(qū)段，則RBC系統(tǒng)將該虛擬軌道區(qū)段置為“占用”，否則將該虛擬軌道區(qū)段置為“限制性”。處于“限制性”狀態(tài)的虛擬軌道區(qū)段，可以通過人工設(shè)置或位置報(bào)告列車通過2種方式將該區(qū)段轉(zhuǎn)為“空閑”或“占用”。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員確認(rèn)該虛擬軌道區(qū)段無列車占用時(shí)，調(diào)度員可在CTC上選擇該虛擬軌道區(qū)段，將該區(qū)段占用狀態(tài)置為“空閑”；若確認(rèn)該虛擬軌道區(qū)段有列車占用時(shí)，調(diào)度員可在CTC上選擇該虛擬軌道區(qū)段，將該區(qū)段占用狀態(tài)置為“占用”。當(dāng)RBC系統(tǒng)判定有位置報(bào)告列車正在占用“限制性”虛擬軌道區(qū)段時(shí)，人工設(shè)置命令無法將該區(qū)段置為“空閑”。鑒于虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)的人工設(shè)置命令為“安全”命令，因而CTC系統(tǒng)與RBC系統(tǒng)間應(yīng)仿照臨時(shí)限速命令，采用“二次確認(rèn)”方式來提高系統(tǒng)的整體安全性。

圖4 列車位置報(bào)告模型Fig.4 Train location reporting model

當(dāng)位置報(bào)告列車(車頭無隱藏列車)進(jìn)入“限制性”虛擬軌道區(qū)段時(shí)，RBC系統(tǒng)將該區(qū)段自動(dòng)置為“占用”區(qū)段；當(dāng)位置報(bào)告列車(車尾無隱藏列車)出清“限制性”虛擬軌道區(qū)段后，RBC系統(tǒng)將該區(qū)段自動(dòng)置為“空閑”區(qū)段。

（2）列車正常升級(jí)出站。初始狀態(tài)：尚未定位的非位置報(bào)告列車停在股道(虛擬軌道區(qū)段)。CTC排列出站進(jìn)路后，出站虛擬信號(hào)機(jī)開放允許信號(hào)，調(diào)度員通知司機(jī)正常發(fā)車；通過列車運(yùn)行前方的第一組應(yīng)答器(位于股道上)，列車成功定位，車載設(shè)備向RBC系統(tǒng)發(fā)送位置報(bào)告；收到位置報(bào)告時(shí)，若列車運(yùn)行前方的下一軌道區(qū)段空閑(無論是否為虛擬軌道區(qū)段)，則RBC系統(tǒng)將向車載設(shè)備發(fā)送“人工確認(rèn)請(qǐng)求”信息，車載設(shè)備通過DMI向司機(jī)進(jìn)行提示；當(dāng)司機(jī)目視判定列車車頭至下一軌道區(qū)段的入口間無隱藏列車占用時(shí)，司機(jī)按壓確認(rèn)按鈕，車載設(shè)備向RBC系統(tǒng)返回“確認(rèn)”信息；收到“確認(rèn)”信息后，RBC系統(tǒng)向車載設(shè)備發(fā)送行車許可，列車轉(zhuǎn)入完全模式正常運(yùn)行。

（3）位置報(bào)告列車正常通過虛擬軌道區(qū)段。當(dāng)位置報(bào)告列車的最大安全前端壓入空閑的虛擬軌道區(qū)段時(shí)，RBC系統(tǒng)應(yīng)將該虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)“空閑”置為“占用”；當(dāng)位置報(bào)告列車的最小安全后端駛出該虛擬軌道區(qū)段時(shí)，RBC系統(tǒng)應(yīng)將該虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)由“占用”置為“空閑”。

2.3.2 故障工況下虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)檢測(cè)

（1）列車通信超時(shí)與恢復(fù)。當(dāng)列車通信超時(shí)時(shí)，其原位置報(bào)告所在虛擬軌道區(qū)段向兩端延伸，直至空閑的軌道電路區(qū)段或位置報(bào)告列車，兩者之間的所有虛擬軌道區(qū)段全部置為“限制性”區(qū)段。當(dāng)列車通信恢復(fù)時(shí)，其最小安全前端與最大安全后端間的所有虛擬軌道區(qū)段全部置為“占用”區(qū)段，其余區(qū)段仍保持“限制性”區(qū)段。

（2）列車完整性丟失與恢復(fù)。當(dāng)列車完整性丟失時(shí)，最大安全前端所在虛擬軌道區(qū)段保持“占用”狀態(tài)；其原位置報(bào)告所在最小安全后端向后延伸，直至空閑的軌道電路區(qū)段或位置報(bào)告列車，“占用”區(qū)段與該位置之間所在的所有虛擬軌道區(qū)段全部置為“限制性”區(qū)段。當(dāng)列車完整性恢復(fù)時(shí)，最大安全前端與最小安全后端之間所在的虛擬軌道區(qū)段置為“占用”狀態(tài)，其余區(qū)段仍為“限制性”區(qū)段，可通過人工設(shè)置或后續(xù)報(bào)告列車通過將這些“限制性”區(qū)段轉(zhuǎn)為“空閑”或“占用”狀態(tài)。

（3）RBC與聯(lián)鎖系統(tǒng)通信中斷與恢復(fù)。當(dāng)RBC系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)通信中斷時(shí)，RBC系統(tǒng)將聯(lián)鎖系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的所有軌道電路區(qū)段和虛擬軌道電路均置為“限制性”區(qū)段。當(dāng)RBC系統(tǒng)與聯(lián)鎖系統(tǒng)通信恢復(fù)時(shí)，RBC系統(tǒng)將聯(lián)鎖系統(tǒng)管轄范圍內(nèi)的所有虛擬軌道電路保持“限制性”區(qū)段；對(duì)于軌道電路區(qū)段，根據(jù)軌道電路的占用狀態(tài)置為“空閑”或“占用”。

（4）RBC與相鄰RBC系統(tǒng)通信中斷與恢復(fù)。當(dāng)RBC系統(tǒng)與相鄰RBC系統(tǒng)通信中斷時(shí)，RBC系統(tǒng)將邊界虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)置為“限制性”，向非邊界方向延伸，直至空閑的軌道電路區(qū)段或位置報(bào)告列車，兩者之間的所有虛擬軌道區(qū)段全部置為“限制性”區(qū)段。當(dāng)RBC系統(tǒng)與相鄰RBC系統(tǒng)通信恢復(fù)時(shí)，RBC系統(tǒng)將所有虛擬軌道區(qū)段占用狀態(tài)保持“限制性”區(qū)段，可通過人工設(shè)置或后續(xù)報(bào)告列車通過將這些“限制性”區(qū)段轉(zhuǎn)為“空閑”或“占用”狀態(tài)。

3 結(jié)束語

作為CTCS技術(shù)體系的重要組成部分，下一代列控系統(tǒng)是中國(guó)列車控制系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。隨著北斗定位導(dǎo)航、聯(lián)鎖列控一體化、基于IP方式的車－地?zé)o線通信等核心關(guān)鍵技術(shù)的不斷成熟，下一代列控系統(tǒng)的技術(shù)方案將逐步完善，預(yù)計(jì)會(huì)率先在西部鐵路或貨運(yùn)線路上應(yīng)用[8］。下一代列控系統(tǒng)虛擬軌道區(qū)段占用檢測(cè)方法的研究，解決了軌道電路取消后地面信號(hào)系統(tǒng)無法對(duì)列車進(jìn)行追蹤的問題，有助于加快完善下一代列控系統(tǒng)的整體解決方案。由于虛擬軌道區(qū)段占用檢測(cè)事關(guān)行車安全，還應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合下一代列控系統(tǒng)整體技術(shù)方案，不斷優(yōu)化和完善。