基于CBTC的燈泡線線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

駱正新，孫曉光，耿 鵬

（通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

燈泡線(balloon loop)，又稱單向循環(huán)線，用以供列車直接掉頭，無需轉(zhuǎn)軌甚至無需停車[1]。燈泡線也叫調(diào)頭線，用于列車換向，以期減少車輛車輪偏磨，延長(zhǎng)車輛檢修和使用周期，降低維護(hù)成本，縮減檢修規(guī)模，提高運(yùn)營(yíng)效率[2]。如圖1所示，紐約地鐵南碼頭站環(huán)形回車道就是一種燈泡線。在車站后設(shè)置類似燈泡狀的環(huán)形線，列車通過環(huán)形線，不用換端就可完成折返作業(yè)(類似環(huán)線運(yùn)行模式)[3]。

圖1 紐約地鐵環(huán)形回車道Figure 1 Balloon loop of the New York City Subway

CBTC系統(tǒng)可以利用高精度的列車定位，采取雙向連續(xù)、大容量的車地?cái)?shù)據(jù)通信，以及車載、地面的安全功能處理，實(shí)現(xiàn)一種連續(xù)自動(dòng)的列車運(yùn)行控制[4]。根據(jù)《車載電子地圖技術(shù)規(guī)范》，在描述靜態(tài)線路拓?fù)鋾r(shí)，基于通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)(communication based train control system，CBTC)規(guī)定，以信號(hào)平面圖從左到右的鏈接方向?yàn)檎?電子地圖的上行方向)，從右到左為反向(電子地圖的下行方向)。線路的運(yùn)營(yíng)方向分下行和上行，線路的運(yùn)營(yíng)方向與CBTC系統(tǒng)內(nèi)部方向存在兩種關(guān)系：下行為正向，即信號(hào)平面設(shè)備圖從左至右為運(yùn)營(yíng)方向的下行方向，下行方向與CBTC內(nèi)部線路的正向相同；或者上行正向，即以信號(hào)設(shè)備平面圖從左至右為運(yùn)營(yíng)方向的上行方向，上行方向與CBTC內(nèi)部線路的正向相同。根據(jù)《城市軌道交通基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通接口規(guī)范》，涉及“上行”“下行”的方向定義，均采用運(yùn)營(yíng)方向規(guī)定的上下行[5]。列車運(yùn)行方向根據(jù)運(yùn)營(yíng)方向報(bào)告，如CBTC-ZC子系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)定的上下行方向，即下行是正向或者上行是正向，并以此確定列車運(yùn)行方向在CBTC-ZC系統(tǒng)內(nèi)部是正向還是反向。

然而，當(dāng)存在燈泡線時(shí)，在CBTC系統(tǒng)內(nèi)部的現(xiàn)有拓?fù)涿枋龇椒ㄖ袝?huì)出現(xiàn)以下問題：拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)系難以確定和描述，列車的安全位置計(jì)算方法不適用，以及無法判斷列車方向與信號(hào)機(jī)等其他設(shè)備方向是否一致等。為此，筆者提出一種方法：基于互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)的線路拓?fù)浞绞?，解決燈泡線線路場(chǎng)景下的線路拓?fù)涿枋黾皯?yīng)用。

2 線路分析

列車經(jīng)過燈泡線某個(gè)點(diǎn)時(shí)，運(yùn)營(yíng)方向會(huì)發(fā)生變化，這個(gè)點(diǎn)可以稱為拐點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)有的靜態(tài)線路描述方式，在描述靜態(tài)線路拓?fù)鋾r(shí)，ZC(區(qū)域控制器)內(nèi)部規(guī)定正向(positive)為從左到右，運(yùn)營(yíng)規(guī)定線路下行方向可能為從左至右或從右至左，即可能下行正向或下行反向，列車運(yùn)行方向根據(jù)運(yùn)營(yíng)方向報(bào)告，ZC需根據(jù)運(yùn)營(yíng)規(guī)定的上下行方向確定列車的方向在ZC內(nèi)部是正向還是反向。

存在燈泡線會(huì)帶來一些問題，下面結(jié)合圖2進(jìn)行討論。其中存在兩個(gè)燈泡線，有兩個(gè)拐點(diǎn)，分別為拐點(diǎn)1(GD-1)和拐點(diǎn)2(GD-2)，具體描述如下。

圖2 燈泡線站場(chǎng)示例Figure 2 Example of bulb line station

2.1 拐點(diǎn)兩側(cè)區(qū)段鏈接關(guān)系如何確定

根據(jù)互聯(lián)互通車地連續(xù)通信協(xié)議規(guī)定，車載控制器(vehicle on-board controller，VOBC)向ZC報(bào)告列車運(yùn)行方向?yàn)椋鹤钚“踩蠖酥赶蜃畲蟀踩岸说姆较?，以最小安全后端處的上下行方向確定[6]。也就是說，若列車從下行線 02111G出發(fā)，方向下行，當(dāng)最小安全末端經(jīng)過GD-1時(shí)，列車運(yùn)行方向由下行方向轉(zhuǎn)為上行方向；反之，若列車從上行線 02014G出發(fā)，方向上行，當(dāng)最小安全末端經(jīng)過GD-2時(shí)，列車運(yùn)行方向?qū)⒂缮闲修D(zhuǎn)為下行。

根據(jù)車載電子地圖，方向從左到右為正向，如02003G的下一個(gè)鏈接區(qū)段02005G，上一個(gè)鏈接區(qū)段是02001G，因此靜態(tài)拓?fù)滏溄雨P(guān)系(左右鏈接關(guān)系)為：左側(cè)下行線，02001G-＞02003G-＞02005G-＞02007G-＞02009G-＞02011G-＞02013G；左側(cè)上行線，02002G-＞02004G-＞02006G-＞02008G-＞02010G-＞02012G-＞02014 G；右側(cè)下行線，02111G-＞02113G-＞02115G-＞02117G-＞02119G-＞02121G-＞02123G；右側(cè)上行線，02112G-＞02114G-＞02116G-＞02118G-＞02120G-＞02122G-＞02124G。

拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)系描述如下：列車可以按照上行從 02002G運(yùn)行到 02001G，也可以按照上行從02001G 運(yùn)行至02002G，拐點(diǎn)兩側(cè)鏈接關(guān)系如何確定。

2.2 列車包絡(luò)跨拐點(diǎn)時(shí)如何計(jì)算

計(jì)算列車可能存在的范圍，即列車安全包絡(luò)[7]。若列車包絡(luò)跨在GD-1上，最小安全后端為02121G，并假定包絡(luò)覆蓋區(qū)段(02121G，02123G，02124G，02122G)，此時(shí)列車運(yùn)行方向?yàn)橄滦?，可根?jù)列車位置(最小安全后端和最大安全前端)，計(jì)算列車包絡(luò)覆蓋區(qū)段。列車下行，根據(jù)運(yùn)營(yíng)方向可知，下行為正向，因此應(yīng)該根據(jù) 02121G搜索正向的下一個(gè)區(qū)段，可以得到下一個(gè)為02123G。根據(jù)02123G以及此時(shí)列車運(yùn)行方向，唯一找到的下一個(gè)是02124G。若找到02124G后，會(huì)發(fā)現(xiàn)下一個(gè)區(qū)段02122G卻是02124G的上一個(gè)區(qū)段。存在拐點(diǎn)情況下，需要處理遇到拐點(diǎn)后對(duì)列車包絡(luò)計(jì)算的影響。

2.3 防護(hù)與列車運(yùn)行方向是否一致

移動(dòng)授權(quán)指列車在指定方向上可以走行的距離[8]。對(duì)于存在拐點(diǎn)情況下的信號(hào)機(jī)、車檔等的防護(hù)，判斷其方向是否與列車運(yùn)行方向一致或者相反，會(huì)影響ZC內(nèi)部信號(hào)機(jī)的接近計(jì)算以及移動(dòng)授權(quán)計(jì)算。

3 關(guān)鍵問題

分析城軌線路的物理結(jié)構(gòu)，把線路元素抽象為點(diǎn)和線，構(gòu)成線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[9]。根據(jù)前文所述，燈泡線帶來的最主要的3個(gè)問題是：拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段鏈接關(guān)系如何確定和描述；列車包絡(luò)跨在拐點(diǎn)上時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)包絡(luò)計(jì)算(或路徑搜索)；如何判斷列車方向與信號(hào)機(jī)方向是否一致。

3.1 拐點(diǎn)兩側(cè)區(qū)段鏈接關(guān)系分析

對(duì)于GD-1來說，列車可以下行方向從02123G運(yùn)行到 02124G，也可以下行方向從 02124G運(yùn)行至02123G。同理，對(duì)于GD-2來說，列車可以上行方向從02002G運(yùn)行到02001G，也可以上行方向從02001G運(yùn)行至02002G。

因此，拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段不存在左右鏈接關(guān)系，或者說拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段互為下一個(gè)或上一個(gè)區(qū)段。

3.2 跨在拐點(diǎn)上的列車包絡(luò)計(jì)算分析

列車包絡(luò)跨在拐點(diǎn)上時(shí)分為兩部分，一部分為列車最小安全末端至拐點(diǎn)之間的包絡(luò)，另一部分為拐點(diǎn)至最大安全前端之間的包絡(luò)。

1) 最小安全末端至拐點(diǎn)之間的包絡(luò)：根據(jù)列車運(yùn)行方向，可以唯一確定 CBTC系統(tǒng)內(nèi)部搜索方向(正向還是反向)，包絡(luò)計(jì)算與無燈泡線時(shí)的情況一致。

2) 拐點(diǎn)至最大安全前端之間的包絡(luò)：此時(shí)發(fā)現(xiàn)包絡(luò)正確的搜索方向與列車運(yùn)行方向確定的搜索方向相反，因此包絡(luò)計(jì)算從拐點(diǎn)開始，以列車運(yùn)行方向的反方向進(jìn)行搜索，直至找到列車最大安全前端所在的區(qū)段。

3.3 防護(hù)方向與列車運(yùn)行方向配置

信號(hào)機(jī)配有靜態(tài)方向，即信號(hào)機(jī)的防護(hù)方向，且是按照線路的運(yùn)營(yíng)方向來配置的。當(dāng)信號(hào)機(jī)位置與拐點(diǎn)重合時(shí)，需要規(guī)定信號(hào)機(jī)的方向是以內(nèi)方區(qū)段的線路運(yùn)營(yíng)方向還是以外方區(qū)段的線路運(yùn)營(yíng)方向來配置。另外，也需要規(guī)定信號(hào)機(jī)的保護(hù)區(qū)段方向是以內(nèi)方區(qū)段的線路運(yùn)營(yíng)方向還是以外方區(qū)段的線路運(yùn)營(yíng)方向來定義。

根據(jù)信號(hào)機(jī)靜態(tài)配置的方向，CBTC內(nèi)部需要判斷信號(hào)機(jī)的防護(hù)方向與列車運(yùn)行方向是否一致。判斷時(shí)，需要結(jié)合從列車至信號(hào)機(jī)中間經(jīng)過的拐點(diǎn)數(shù)目，以及列車當(dāng)前的運(yùn)行方向，從而判斷列車方向與信號(hào)機(jī)方向是否一致。

靜態(tài)配置中保護(hù)區(qū)段方向以及車檔防護(hù)方向，可以規(guī)定配置為與線路運(yùn)營(yíng)方向一致。

4 拓?fù)湓O(shè)計(jì)

由本文第3.1節(jié)和3.2節(jié)可知，只要解決了前兩個(gè)問題，燈泡線就和普通站場(chǎng)沒有區(qū)別。根據(jù)以上分析，結(jié)合拐點(diǎn)所具有的特性，通過對(duì)拐點(diǎn)進(jìn)行特殊處理，該問題是可以解決的。

拐點(diǎn)兩側(cè)的區(qū)段關(guān)系是對(duì)等的，是互為上一個(gè)或者互為下一個(gè)，而且根據(jù)其中一個(gè)，一定能找到另外一個(gè)，在路徑中一定是緊鄰的兩個(gè)區(qū)段。如果將拐點(diǎn)作為拐點(diǎn)兩側(cè)區(qū)段的鏈接關(guān)系中下一個(gè)或者上一個(gè)鏈接對(duì)象，該問題可以得到解決。

尋找下(上)一個(gè)鏈接對(duì)象時(shí)，邏輯處理如下：若下(上)一個(gè)對(duì)象為拐點(diǎn)，則查看該拐點(diǎn)的兩側(cè)區(qū)段；若當(dāng)前區(qū)段為拐點(diǎn)兩側(cè)區(qū)段的其中一個(gè)區(qū)段，則另一個(gè)區(qū)段為該區(qū)段實(shí)際的下(上)一個(gè)區(qū)段。

由圖2可知，02001G的上一個(gè)是拐點(diǎn) GD-2，02003G的上一個(gè)也是拐點(diǎn)GD-2；02123G的下一個(gè)是GD-1，02124G的下一個(gè)也是GD-1。

將道岔區(qū)域分為岔前區(qū)域、岔后定位區(qū)域、岔后反位區(qū)域進(jìn)行描述[10]。對(duì)于單個(gè)道岔計(jì)軸區(qū)段，可以分為3個(gè)block，即岔前block、岔后定位block、岔后反位block。對(duì)于無岔計(jì)軸區(qū)段，可以根據(jù)其包含的無岔邏輯區(qū)段作為block單位。

4.1 鏈接對(duì)象結(jié)構(gòu)體定義

線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)定義為鏈接對(duì)象，而鏈接對(duì)象的結(jié)構(gòu)定義即為線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鏈接對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以定義如下：

1) 鏈接對(duì)象類型：1為無岔block，2為道岔block，3為道岔，4為拐點(diǎn)，0xff為無效值。

2) 鏈接對(duì)象ID：block編號(hào)，或者道岔編號(hào)，或者拐點(diǎn)編號(hào)，不存在則填無效值。

3) 鏈接對(duì)象方向：若對(duì)象為道岔時(shí)取值有效(1表示由岔前向岔后方向，2表示由岔后向岔前方向)，若對(duì)象為拐點(diǎn)、block時(shí)填寫無效值(無效值為0xff)。

4.2 燈泡線拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義

拐點(diǎn)是燈泡線特有的線路對(duì)象，拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)體定義如下：

1) 拐點(diǎn)編號(hào)：拐點(diǎn)的唯一ID。

2) 拐點(diǎn)逆時(shí)針方向的起始 block：block的唯一ID，即拐點(diǎn)兩側(cè)block中沿逆時(shí)針方向的下一個(gè)鏈接對(duì)象為拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的block。

3) 拐點(diǎn)順時(shí)針方向的起始 block：block的唯一ID，即拐點(diǎn)兩側(cè)block中沿順時(shí)針方向的下一個(gè)鏈接對(duì)象為拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的block。

4) block到拐點(diǎn)的方向：即按照從左到右的方向搜索，block的下一個(gè)鏈接對(duì)象還是上一個(gè)鏈接對(duì)象為拐點(diǎn)。

4.3 道岔結(jié)構(gòu)體定義

道岔作為鏈接對(duì)象的一種，主要跟岔前 block和岔后block相關(guān)，其結(jié)構(gòu)體定義如下：

1) 道岔編號(hào)：道岔的唯一ID。

2) 岔前block編號(hào)：block的ID。

3) 岔后定位block編號(hào)：block的ID。

4) 岔后反位block編號(hào)：block的ID。

4.4 block區(qū)段結(jié)構(gòu)體定義

鏈接對(duì)象類型分為 block(含無岔 block和道岔block)、道岔、拐點(diǎn)。拐點(diǎn)結(jié)構(gòu)和道岔結(jié)構(gòu)的定義在本文第4.2節(jié)和4.3節(jié)中已有闡述，而block數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義保持不變。

1) block編號(hào)：唯一ID。

2) block區(qū)段長(zhǎng)度：?jiǎn)挝籧m。

3) 左端連接對(duì)象：不存在則對(duì)象類型填無效值。

4) 右端連接對(duì)象：不存在則填無效值。

5) 所屬計(jì)軸：不存在則填無效值。

6) 所屬邏輯區(qū)段：不存在則填無效值。

7) 所屬軌道區(qū)段編號(hào)：不存在則填無效值。

5 結(jié)語

由于拐點(diǎn)的存在，所有涉及路徑搜索的邏輯均需要考慮搜索過程中是否遇到拐點(diǎn)，一旦遇到拐點(diǎn)，需要將搜索方向轉(zhuǎn)為當(dāng)前搜索方向的反方向。相反，若從起始block開始，根據(jù)指定方向搜索，只要沒有遇到拐點(diǎn)，就可以保持該方向搜索，直至找到目標(biāo)區(qū)段。因此，在涉及連續(xù)搜索下(上)一個(gè)鏈接block時(shí)，或者進(jìn)路搜索或者 MA延伸時(shí)，需要增加記錄搜索過程中遇到的拐點(diǎn)數(shù)目，根據(jù)拐點(diǎn)數(shù)目及時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)換搜索方向。

本文分析了基于互聯(lián)互通CBTC線路描述方式上如何考慮對(duì)存在燈泡線的線路拓?fù)涿枋龅闹С?，并給出了實(shí)現(xiàn)思路。