CBTC系統(tǒng)列車識別與追蹤技術(shù)研究

張 博，楊 展，劉中舉

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

計算機與通信信號

CBTC系統(tǒng)列車識別與追蹤技術(shù)研究

張 博，楊 展，劉中舉

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

列車識別與追蹤是列車運行監(jiān)控的基礎(chǔ)。本文就CBTC系統(tǒng)列車識別與追蹤技術(shù)，通過ATS仿真平臺中實際站場圖例，對列車識別與追蹤實現(xiàn)過程中需要的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和車次號追蹤的實現(xiàn)方法進(jìn)行探討。應(yīng)用Visual C++6.0平臺根據(jù)實際線路進(jìn)行仿真驗證。

CBTC；仿真平臺；列車識別與追蹤；車次號

近年來，城市化進(jìn)程的不斷加快對城市軌道交通信號系統(tǒng)提出了新的要求?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂疲–BTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)以其軌旁設(shè)備少、線路追蹤間隔時間短、運輸效率高等特點，發(fā)展迅速，逐漸成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的主流。我國第一條地鐵線路的成功開通，標(biāo)志著城市軌道交通信號技術(shù)進(jìn)入發(fā)展高峰期。本文根據(jù)項目經(jīng)驗，對CBTC系統(tǒng)列車識別與追蹤技術(shù)進(jìn)行探討。

1 CBTC系統(tǒng)特點

CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)，通過移動閉塞技術(shù)來縮短運行間隔，從而提高列車的運行效率和系統(tǒng)的靈活性。在CBTC系統(tǒng)中，車載控制器（VOBC）主動地進(jìn)行列車的測速和定位，將列車位置信息通過無線通信發(fā)送到軌旁區(qū)域控制器（ZC），ZC負(fù)責(zé)追蹤線路上所有列車并為列車計算移動授權(quán)（MA），VOBC根據(jù)ZC計算的MA命令來控制列車的安全運行，并確保在任何最不利情況下，列車不會超越目標(biāo)距離和目標(biāo)速度。

2 ATS系統(tǒng)仿真平臺簡介

列車自動監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）系統(tǒng)仿真平臺是對ATS系統(tǒng)從配置到功能的逼真模擬。本設(shè)計中的ATS系統(tǒng)仿真平臺，主要由ATS模擬子系統(tǒng)、列車模擬子系統(tǒng)和聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)組成。

其中ATS模擬子系統(tǒng)提供ATS系統(tǒng)全部功能，實現(xiàn)列車識別與追蹤、列車運行調(diào)整等。列車模擬子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對列車的模擬運行，模擬列車在調(diào)度員的調(diào)度命令下，根據(jù)聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)有關(guān)信號設(shè)備狀態(tài)信息控制列車運行。聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)是對ATS系統(tǒng)聯(lián)鎖功能的模擬，接收調(diào)度員各項聯(lián)鎖操作命令，控制軌旁信息設(shè)備狀態(tài)變化，然后把這些狀態(tài)變化信息反饋在ATS系統(tǒng)監(jiān)控界面上。

3 列車識別與追蹤概述

CBTC系統(tǒng)列車識別與追蹤的任務(wù)是完成對系統(tǒng)內(nèi)所有列車的實時動態(tài)跟蹤。列車車次號是CBTC系統(tǒng)對列車進(jìn)行識別與追蹤的基礎(chǔ)，對列車的識別與追蹤是根據(jù)車次號實現(xiàn)的。一般當(dāng)列車從車庫或車輛段出發(fā)進(jìn)入“轉(zhuǎn)換軌”時，表明該列車即將進(jìn)入正線投入運營，調(diào)度員需要對該列車進(jìn)行有效的監(jiān)控，因此系統(tǒng)開始對列車進(jìn)行識別與追蹤，直至列車到站折返或者列車回庫返回車輛段，離開“轉(zhuǎn)換軌”時，表明列車離開正線，退出運營。

當(dāng)列車失去車次號或具有一個不正確的車次號時，CBTC系統(tǒng)就不可能對其進(jìn)行正確的識別與追蹤，就無法對列車運行監(jiān)控及調(diào)度指揮。正常運行的列車都與一個特定的車次號相關(guān)聯(lián)，CBTC系統(tǒng)根據(jù)該唯一的車次號對全線列車進(jìn)行識別與追蹤，車次號隨著列車的運行，將沿著列車運行線路從一個區(qū)段的車次窗內(nèi)傳遞到另一個區(qū)段的車次窗內(nèi)，列車車次號在車次窗中傳遞的過程正是系統(tǒng)對列車進(jìn)行識別與追蹤的過程。

4 列車識別與追蹤設(shè)計

CBTC系統(tǒng)是基于無線通信的列控系統(tǒng)，車-地之間信息交互不再依賴于軌道電路而是采用連續(xù)、高速、雙向的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)對列車實時連續(xù)的監(jiān)督和控制。但是在實際工程中，當(dāng)系統(tǒng)線路剛剛投入使用階段，或者列車因為設(shè)備原因通信故障時，為了保證列車運行安全，絕大部分CBTC系統(tǒng)線路配備軌道電路（TBTC）或計軸設(shè)備作為后備系統(tǒng)保證列車的安全運行。所以對基于TBTC系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)以及TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)二者共存條件下的列車識別與追蹤技術(shù)的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

4.1 基于TBTC模式的列車追蹤

基于TBTC系統(tǒng)的列車追蹤也就是列車物理跟蹤，是根據(jù)聯(lián)鎖信號設(shè)備狀態(tài)變化按軌道電路自動跟蹤列車運行位置。追蹤過程如圖1所示，列車從甲站駛往乙站。

圖1 列車物理追蹤過程

（1）當(dāng)區(qū)段C是占用狀態(tài)，代表列車在C處，此時車次號顯示在C所對的車次窗內(nèi)；

（2）當(dāng)區(qū)段C是占用狀態(tài)，相鄰區(qū)段D由出清變?yōu)檎加?，并且線路中不存在對向運行的列車時，說明列車正在從C向D移動，車次號顯示在車頭所在區(qū)段D的車次窗內(nèi)；若考慮存在對向運行的列車，假如區(qū)段E空閑，則可以確定D是由列車從C駛向D引起的，當(dāng)E也處于占用狀態(tài)時，則無法確定D狀態(tài)的變化是由哪一輛列車引起，需要等待軌道區(qū)段C和軌道區(qū)段E的狀態(tài)變化確定車次號的移動；

（3）當(dāng)區(qū)段C由占用變成出清，區(qū)段D保持占用時，代表列車已經(jīng)完全越過C進(jìn)入D，此時車次號仍然顯示在D對應(yīng)的車次窗內(nèi)。

4.2 基于CBTC模式的列車追蹤

在CBTC模式下，將一個物理區(qū)段劃分為多個邏輯區(qū)段，每個邏輯區(qū)段都有單獨的占用/出清檢測，并且每個區(qū)段可進(jìn)入多輛列車。當(dāng)物理區(qū)段中某輛列車與地面失去通信時，該物理區(qū)段內(nèi)的所有邏輯區(qū)段都要變?yōu)檎加脿顟B(tài)，此時該物理區(qū)段不允許新的列車進(jìn)入。追蹤過程如圖2所示。

4.3 TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)共存時的列車追蹤

由于運營需求或者通信故障等原因，線路上可能同時運行通信列車和非通信車，因此系統(tǒng)需要支持通信列車和非通信列車混跑追蹤。對通信車可以采用CBTC模式追蹤，對非通信車可以采用區(qū)段占用/出清邏輯檢測追蹤。追蹤過程如圖2所示。

圖2 邏輯追蹤和列車混跑追蹤過程

5 列車識別與追蹤實現(xiàn)

CBTC系統(tǒng)對列車的識別與追蹤是以站場線路數(shù)據(jù)的有效描述為基礎(chǔ)實現(xiàn)的。本仿真系統(tǒng)主要以有向的線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為支撐，管理列車車次號在車次窗內(nèi)的顯示，確定列車運行信息，實現(xiàn)對列車運行情況的實時監(jiān)督與控制。

5.1 站場線路數(shù)據(jù)

站場線路數(shù)據(jù)是描述站場圖中各信號設(shè)備的信息，主要包括信號設(shè)備的位置、信號設(shè)備之間的邏輯關(guān)系。列車在軌道線路上的運行路徑是確定列車位置的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)列車識別與追蹤的關(guān)鍵所在。為了能夠更好更快地搜索列車在軌道線路上的運行路徑，引入了有向無環(huán)圖的概念。有向無環(huán)圖（DAG，Directed Acycline Graph）是一種類似于樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個特點：（1）圖中的節(jié)點通過有向邊連接；（2）兩個節(jié)點之間的有向路徑是互斥的。

站場線路中主要有3種信號設(shè)備：信號機、軌道區(qū)段和道岔區(qū)段，列車在軌道線路上運行的路徑也是由這3種設(shè)備組成的。下面以部分站場平面布置圖為例進(jìn)行說明。站場平面圖如圖3所示。

圖3 舉例站場平面布置圖

將舉例站場平面布置圖中的信號機、軌道區(qū)段和道岔區(qū)段作為頂點，以連接頂點的設(shè)備為弧，以上行方向為有向無環(huán)圖的方向，建立模型，如圖4所示。此時搜索列車運行路徑等價于在有向無環(huán)圖中搜索一個頂點到另一個頂點的路徑。例如信號機X2102到X2202的路徑等價于D→H的路徑（D→F→H）。

圖4 站場的有向無環(huán)圖

由于直接查找有向無環(huán)圖中兩頂點之間的路徑比較復(fù)雜，但結(jié)合站場圖的結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)其存在著特殊性，特殊在它的所有頂點的出度數(shù)都不大于2，這樣的有向無環(huán)圖與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的二叉樹非常相似。所以，尋找一種能夠在有向無環(huán)圖中動態(tài)建立“二叉樹”，然后對該“二叉樹”進(jìn)行遍歷的方法可以實現(xiàn)對上述模型中兩頂點之間的路徑的搜索。如以頂點A為根建立二叉樹，從根結(jié)點開始到葉子結(jié)點結(jié)束的路徑就是信號機S2125到后續(xù)相關(guān)信號機的所有路徑，如圖5所示。

圖5 以節(jié)點A為根的二叉樹

采用前序遍歷，節(jié)點C到節(jié)點K的路徑為C→E→G→I→K，也就是信號機X2104到信號機X2304的路徑，結(jié)合圖3就可以得到X2104→X2304的路徑經(jīng)過的區(qū)段為D01、D03、G05、D05、G07，用這種方法就可以搜索站場圖中的列車運行路徑。

5.2 列車車次號追蹤

從前面的分析，我們已經(jīng)知道列車追蹤分為基于TBTC的物理追蹤和基于CBTC的邏輯追蹤。

物理追蹤的主要任務(wù)是根據(jù)軌道區(qū)段占用情況，對列車進(jìn)行占用追蹤和出清追蹤。當(dāng)軌道區(qū)段由占用變?yōu)榉钦加脮r，進(jìn)行出清追蹤；反之，當(dāng)軌道區(qū)段由非占用變?yōu)檎加脮r，進(jìn)行占用追蹤。

CBTC模式下，為了提高列車運行效率，將系統(tǒng)線路中的物理區(qū)段劃分為多個邏輯區(qū)段，并對每個邏輯區(qū)段進(jìn)行占用/出清檢測，這樣一個物理區(qū)段可以運行多輛列車，同時一輛列車也可以占用多個邏輯區(qū)段。當(dāng)物理區(qū)段中某列車與地面通信中斷時，為了防止其它新的列車進(jìn)入該物理區(qū)段，防護(hù)該物理區(qū)段的信號機關(guān)閉，系統(tǒng)將物理區(qū)段內(nèi)的所有邏輯區(qū)段都置為占用狀態(tài)，失去通信的列車按照Non-CBTC模式，即TBTC模式運行，此時，系統(tǒng)按照Non-CBTC模式控制列車運行。

當(dāng)發(fā)生CBTC模式的列車因為通信中斷等原因降級為Non-CBTC模式的列車，或者是CBTC模式的列車與Non-CBTC模式的列車混跑時，其追蹤過程如圖6所示。

圖6 CBTC模式列車和非CBTC模式列車混跑追蹤

5.3 列車追蹤仿真實例

鑒于篇幅限制，只對TBTC模式下的列車追蹤進(jìn)行仿真。

TBTC模式列車10201從軌道區(qū)段T0104到軌道區(qū)段T0108的追蹤過程如圖7所示。

圖7 TBTC模式列車追蹤效果圖

6 結(jié)束語

列車識別與追蹤是列車運行監(jiān)控的基礎(chǔ)，是列車運行調(diào)整、列車自動進(jìn)路等ATS系統(tǒng)功能的重要保障，正確而準(zhǔn)確的列車識別與追蹤是CBTC系統(tǒng)正常運行的前提。研究CBTC系統(tǒng)不同控制模式下的列車識別與追蹤不僅為調(diào)度員準(zhǔn)確監(jiān)督列車運行，進(jìn)行列車控制提供保障，同時對提高CBTC系統(tǒng)自動化服務(wù)水平，提高城市軌道交通信號系統(tǒng)的安全性、可靠性都有著深遠(yuǎn)的意義。

[1]中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會.城市軌道交通信號系統(tǒng)ATS技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國交通運輸協(xié)會城市軌道交通專業(yè)委員會，2009.

[2]張德明.CBTC制式下的ATS子系統(tǒng)的研究[J].鐵道通信信號，2009（12）.

[3]IEEE Std 1474.3-2008. IEEE Recommended Practice for Communications-Based Train Control (CBTC) SystemDesign and Functional Allocations[S].IEEE vehicular Technology Society. The Institute of Electronics Engineers, Inc， 2008.

[4]張?zhí)?ATS列車追蹤的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[5]田曉莉.基于CBTC的ATS列車識別與跟蹤技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6]Kenneth Diemunsch.Track Circuit Failures Their Impact on Conventional Signaling in CBTC Projects[J].IEEE Vehicular Technology Magazine，2013(8).

責(zé)任編輯 王 浩

Train identif i cation and tracking in CBTC system

ZHANG Bo, YANG Zhan, LIU Zhongju
( School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China )

Train identification and tracking were the base of train supervision. This paper mainly analyzed the technology of train identification and track, according to station graph example of the ATS simulation platform, analyzed the basic data in the designing and implementation process of the train identif i cation and the implementation method of train identif i cation number track. Finally, through the Visual C++ 6.0 platform, this theory was simulated and verif i ed based on the actual line data.

CBTC; simulation platform; train identif i cation and tracking; train number

U284.55∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0045-04

2014-11-24

張 博，在讀碩士研究生；楊 展，在讀碩士研究生。