白廣爭郜洪民李 亮白廣良高 磊

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京；2.中國石油遼河油田興隆臺采油廠，124011，盤錦；3.北京華鐵信息技術(shù)有限公司，100081，北京∥第一作者，助理研究員）

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)不斷推進，不同線路間的互聯(lián)互通已成為目前城市軌道交通領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通能夠有效提高信號設(shè)備的利用效率，有助于資源統(tǒng)一調(diào)配，并可為城市軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化運營打下堅實的基礎(chǔ)［1］。目前，我國基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)尚未形成統(tǒng)一的技術(shù)標準，市場上不同廠家CBTC系統(tǒng)的技術(shù)也各具特色，要互聯(lián)互通必須對現(xiàn)有不同廠家的子系統(tǒng)進行全面完善的評估，以此組建新的確保運營安全的CBTC系統(tǒng)。文獻［2］指出，信號系統(tǒng)互聯(lián)互通中所面對的問題主要為列車自動調(diào)整、電子地圖及物理對象編碼、通信協(xié)議和安全認證等。為反映互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)所存在的差異性，結(jié)合具體案例對所產(chǎn)生的相關(guān)問題進行分析，以期為決策者提供理論參考。

1 CBTC系統(tǒng)的互聯(lián)互通方案

圖1 CBTC系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

通常情況下，CBTC系統(tǒng)可以分為車載系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)，如圖1所示。其中地面系統(tǒng)包括聯(lián)鎖（CI）系統(tǒng)、列車自動監(jiān)督（ATS）系統(tǒng)和區(qū)域控制器（ZC）系統(tǒng)。

通過統(tǒng)一車地通信協(xié)議和電子地圖的方式實現(xiàn)信息的交互，并實現(xiàn)不同信號廠商的車載設(shè)備與地面設(shè)備的跨線和共線互聯(lián)互通運營［3］。其運營示意 圖如圖2所示。

圖2 CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通運營示意圖

同時，對于兩條線路相交的換乘站，地面系統(tǒng)還需滿足接口耦合，實現(xiàn)地面信息的共享傳輸，如圖3所示。文獻［3］對互聯(lián)互通條件下ATS接口的耦合機制進行了研究。

圖3 互聯(lián)互通換乘站地面系統(tǒng)的接口耦合

互聯(lián)互通不僅要求信號制式、設(shè)備接口等的統(tǒng)一，更需要從交互接口、交互功能、多車追蹤、故障恢復(fù)、運行指標等其他多個方面進行綜合評估，以檢驗由不同廠家子系統(tǒng)重新組建的新CBTC系統(tǒng)的整體安全性。

根據(jù)車地通信交互方式的不同，CBTC系統(tǒng)列車的運行等級通常分為3種，其中：CBTC連續(xù)式運行等級是指車載與地面系統(tǒng)采用無線通信的方式進行實時數(shù)據(jù)交互的運行模式；點式運行等級是指列車通過運行至地面安裝的應(yīng)答器時獲取應(yīng)答器的定位信息和信號燈相關(guān)信息，與此同時，地面通過計軸區(qū)段的占用或出清來獲得列車的位置信息，由此實現(xiàn)車與地信息交互的運行模式；聯(lián)鎖級運行等級是指列車僅獲取應(yīng)答器信息進行定位，不處理信號燈相關(guān)信息，而地面通過計軸占用或出清來獲得列車的位置信息，由此實現(xiàn)車地信息交互的運行模式。城市軌道交通的互聯(lián)互通方案要求在這3種列車運行等級下，均能夠?qū)崿F(xiàn)CBTC互聯(lián)互通運營。

2 互聯(lián)互通測試場景

互聯(lián)互通測試包括接口測試、功能測試和工程數(shù)據(jù)測試等3個方面，用以驗證各廠家車載系統(tǒng)功能在其他廠家地面系統(tǒng)的共線以及跨線運營上是否可以滿足［4］。結(jié)合列車的3種運行等級，CBTC互聯(lián)互通的測試驗證場景主要可分為：連續(xù)式運行等級下的跨線運行、共線運行；點式運行等級下的跨線運行、共線運行；連續(xù)式與點式運行等級的共線運行，以及其他雜散場景測試。

在連續(xù)式運行等級下，互聯(lián)互通方案主要驗證功能包括列車的追蹤運行、跨邊界移交、移動授權(quán)有效性、停車保證、保護區(qū)段解鎖等；點式運行等級下，互聯(lián)互通方案主要驗證功能包括點式開口功能、保護區(qū)段解鎖功能、紅燈誤出發(fā)、點式運行曲線、列車升級等；聯(lián)鎖式運行等級下，測試列車的點式升級、連續(xù)式升級、列車定位等功能。

在進行測試的過程中，不同廠家CBTC系統(tǒng)功能劃分的差異性使得通過互聯(lián)互通重新組成的CBTC系統(tǒng)不可避免地出現(xiàn)一些防護漏洞，而這些漏洞的根源主要在于設(shè)計方案的不統(tǒng)一。以下通過分析“二次闖燈”這一典型的互聯(lián)互通故障案例，來反映其中存在的問題。

3 二次闖燈問題分析

3.1 問題描述

列車在線路上運行時，根據(jù)地面應(yīng)答器信息及測速裝置共同確定自身位置。由于列車的測速裝置存在測速誤差，應(yīng)答器存在安裝誤差，這就造成了列車定位具有不確定性［5］。列車的實際位置加上此不確定性，形成了列車的位置安全包絡(luò)。ZC系統(tǒng)以列車安全包絡(luò)［6］作為列車的具體位置進行追蹤。當列車剛經(jīng)過應(yīng)答器時，列車的不確定性主要由應(yīng)答器的安裝誤差構(gòu)成。隨著列車的繼續(xù)運行，其不確定性在應(yīng)答器安裝誤差的基礎(chǔ)上，不斷累計測速誤差，從而導(dǎo)致總位置不確定性持續(xù)增大。直至列車經(jīng)過下一個應(yīng)答器，方可消除測速誤差。

由于不同線路上應(yīng)答器的安裝距離及精度不盡相同，則同一列車在跨線互聯(lián)互通運營時，列車位置不確定性增長情況也各不相同：若線路上應(yīng)答器安裝較密集，則線路上所運行列車的累計誤差較小，總位置不確定性也??；反之，若線路上應(yīng)答器安裝較稀疏，則列車運行過程中的累計誤差較大，總位置不確定性也較大。

在進行城市軌道交通室外信號設(shè)備布置設(shè)計時，信號機的位置均會被安裝在計軸的分界點處，同時布設(shè)相應(yīng)的應(yīng)答器，用于支持后備點式等級列車的運行，如圖4所示。而這種為后備模式所作的設(shè)計方案，易引起二次闖燈現(xiàn)象。

圖4 應(yīng)答器與計軸點相對位置示意圖

二次闖燈是指CBTC連續(xù)式運行等級列車在通過信號機時，由于不確定性較大，列車包絡(luò)已經(jīng)越過了前方計軸點，引起信號機關(guān)燈，但列車實體還在本計軸區(qū)段內(nèi)；在車載無線掃過信號機對應(yīng)計軸前的應(yīng)答器時，列車又被重新矯正位置，使列車的不確定性減小，車頭重新回退到本計軸區(qū)段內(nèi)；而此時列車由于慣性，再次闖入前方已關(guān)燈進路，最終導(dǎo)致闖紅燈。

二次闖燈問題只發(fā)生在CBTC連續(xù)式運行等級模式下。在非CBTC連續(xù)式運行等級下，聯(lián)鎖系統(tǒng)通過計軸設(shè)備獲得列車的位置占用信息，而不采用由ZC系統(tǒng)通過列車位置報告所獲得的列車包絡(luò)所發(fā)來的占用信息，這就不會出現(xiàn)列車重定位后回縮的現(xiàn)象，也就不會出現(xiàn)二次闖燈問題。

由于二次闖燈問題在不同的場景下，表現(xiàn)出不同的結(jié)果，因此極易混淆其問題的根源。以下對車頭是否會出現(xiàn)回縮，以及車頭回縮后引起的故障現(xiàn)象展開分析。

3.2 二次闖燈數(shù)學(xué)建模

設(shè)列車與ZC的通信周期為T1，列車收到計軸外方應(yīng)答器定位信息的時刻為t0。列車在一個通信周期T1內(nèi)平均運行速度為v，應(yīng)答器的絕對位置為S0，應(yīng)答器安裝位置不確定性為ε，車載無線至車鉤的長度為l外懸。列車在收到應(yīng)答器信息后，待將信息打包發(fā)送給ZC的時刻為t，忽略t-t0時間段內(nèi)列車走行不確定性，列車的包絡(luò)最大前端St計算公式為：

設(shè)發(fā)生重定位的計軸點外方應(yīng)答器與該計軸點間的設(shè)計安裝距離為l0，則該計軸點的絕對位置為：

若t時刻的前一時刻列車已經(jīng)越過計軸點，而在t時刻，列車在重定位后，發(fā)給ZC的包絡(luò)最大前端位置在計軸外方，即滿足式（3），則車頭會出現(xiàn)回縮至計軸點外方的情況。

將式（1）、（2）代入式（3）并約減，得：

否則，若式（4）不成立，則列車不會出現(xiàn)車頭再次回縮至計軸點外方的情況。由于在運營過程中，列車經(jīng)過信號機處應(yīng)答器的速度v及時間段（t-t0）均不是確定值，因此是否出現(xiàn)車頭回縮現(xiàn)象仍然是隨機的。若適當增大該應(yīng)答器安裝位置不確定性，即ε越大，則式（4）不發(fā)生的概率越大，即列車車頭越不易發(fā)生回縮。但這一調(diào)整方式在不同廠家的工程實施方案中并沒有得到統(tǒng)一。

若出現(xiàn)列車車頭回縮至計軸點外方的現(xiàn)象，則有兩種故障表現(xiàn)形式：其一為在列車回縮后，ZC判定列車前方信號機為禁止信號，為列車分配的移動授權(quán)（MA）回縮至信號機處，列車由于慣性闖過安全點而降級，同時列車闖紅燈進入前方進路；其二為ZC未判定出前方信號機為禁止信號，列車能夠保持CBTC連續(xù)式運行等級進入前方進路，但聯(lián)鎖判定為闖紅燈，列車通過前方進路后，不自動對進路解鎖。以下詳細這分析這兩種不同現(xiàn)象的產(chǎn)生原理。

3.3 故障分析與解決方案

對于CBTC連續(xù)式運行等級列車闖過信號機的過程，不考慮進路鎖閉、道岔、保護區(qū)段等其他因素的影響，只考慮存在變化的數(shù)據(jù)因素，其信息流如圖5所示。列車將不斷變化的位置信息發(fā)送給ZC；ZC根據(jù)列車的位置，將占用信息發(fā)給CI；CI根據(jù)占用信息設(shè)置信號機狀態(tài)，并將信號燈狀態(tài)發(fā)送給ZC；ZC根據(jù)信號燈狀態(tài)和列車的位置信息，最終確定列車的MA，并發(fā)送至列車。

根據(jù)ZC收到列車的位置及信號機的不同情況組合可分為4種狀態(tài)。ZC分別對這4種狀態(tài)進行判斷，并計算出對應(yīng)的MA，如表1所示。

表1中，狀態(tài)3表示信號機處于延時關(guān)燈階段。對于狀態(tài)4的MA計算，若狀態(tài)4由狀態(tài)2轉(zhuǎn)移而來，則計算的MA無效，列車因闖過安全點而降級；若由狀態(tài)1或狀態(tài)3轉(zhuǎn)移至狀態(tài)4，則MA正常延伸。在列車出現(xiàn)車頭回縮至計軸點外方現(xiàn)象的情況下，整個過燈過程狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖6所示。兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的區(qū)別關(guān)鍵在于ZC收到CI所發(fā)送信號關(guān)燈的時刻。

圖5 CBTC連續(xù)式運行等級列車行車控制數(shù)據(jù)流

表1 列車過燈過程狀態(tài)定義及MA計算

圖6 列車過燈車頭回縮情況下的兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖7 列車過燈車頭回縮后不降級對應(yīng)事件時序圖

現(xiàn)進一步考慮圖6 b）中第二種狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。在第一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，由狀態(tài)1到達狀態(tài)3，同時ZC將占用信息發(fā)送給CI；CI根據(jù)信號機內(nèi)方第一區(qū)段的占用信息，開始信號機延時關(guān)燈。若在CI延時關(guān)燈期間，發(fā)生車頭回縮的情況，則信號不再延時關(guān)燈，待列車位移增加，再次進入前方計軸，則CI判定屬于正常越過允許信號，不構(gòu)成闖紅燈情況；若在CI延時關(guān)燈結(jié)束后，CI收到車頭回撤，在第3次狀態(tài)轉(zhuǎn)移期間即由狀態(tài)1轉(zhuǎn)移到狀態(tài)3之前，CI邏輯關(guān)燈，并在下一個CI-ZC通信周期，CI將關(guān)燈信息發(fā)送給ZC；ZC在第4次狀態(tài)轉(zhuǎn)移期間收到信號機為禁止狀態(tài)，則會出現(xiàn)CI判定闖紅燈、ZC未判定闖紅燈的現(xiàn)象。此現(xiàn)象下CBTC連續(xù)式運行等級列車正常越過信號機，但進路不能自動解鎖。對應(yīng)的事件發(fā)生時序如圖7所示。

綜合以上分析，對于CBTC連續(xù)式運行等級列車過信號機的過程，若列車經(jīng)過應(yīng)答器重新定位，不發(fā)生位置由計軸內(nèi)方回撤至計軸外方，則列車能夠正常通過信號機，且不會引起其他故障。而若列車車頭發(fā)生位置回撤，則會引起多種隨機的故障現(xiàn)象。這些故障現(xiàn)象在互聯(lián)互通的測試中均出現(xiàn)過多次。

解決二次闖燈故障，應(yīng)從根本上避免發(fā)生列車車頭回撤現(xiàn)象。具體解決措施包括增加應(yīng)答器的安裝密度、適當降低信號機前應(yīng)答器的安裝精度，以及ZC/車載系統(tǒng)通過配合使邏輯占用不回撤等。無論是從應(yīng)答器的布設(shè)方案著手，或從軟件系統(tǒng)功能防護的角度出發(fā)，均有必要采取統(tǒng)一的方案來規(guī)避故障現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

總體而言，自主化互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)已取得了一定的成就，但互聯(lián)互通相關(guān)技術(shù)的成熟度還有待進一步加強，需要依據(jù)互聯(lián)互通現(xiàn)場及實驗室的測試情況，來進一步明確功能劃分、完善規(guī)范標準（這是在互聯(lián)互通開展過程中產(chǎn)生相關(guān)問題的根源）。

結(jié)合文中所列舉的案例，為了更好地實現(xiàn)城市軌道交通線路的互聯(lián)互通，需要從頂層設(shè)計上著手，制定CBTC系統(tǒng)的通用技術(shù)標準，包括安全協(xié)議標準、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標準、應(yīng)用功能技術(shù)標準，甚至包括一些重要的通信參數(shù)標準，如通信周期、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包格式等。在此基礎(chǔ)上，進一步確定CBTC系統(tǒng)互聯(lián)互通框架。這樣既可有效避免安全漏洞，也可降低走錯路、彎路的風(fēng)險。