趙宏濤,齊 威,王振東,唐 彬,曹 楨
信號分散自律調(diào)度集中(Centralized Traffic Control,CTC)系統(tǒng)[1]是鐵路運輸日常組織工作的指揮中樞。通過聯(lián)鎖、列控、區(qū)間閉塞等信號設(shè)備,CTC 系統(tǒng)可實現(xiàn)對管轄區(qū)段內(nèi)的列/調(diào)車作業(yè)指揮和管理,以及車站設(shè)備監(jiān)控和運維等工作,保證鐵路平穩(wěn)、可靠、安全、高效運行。
CTC 系統(tǒng)車站自律機(jī)將運輸指揮階段計劃和調(diào)車計劃轉(zhuǎn)換為內(nèi)部進(jìn)路指令,并在靜態(tài)進(jìn)路文件、動態(tài)設(shè)備狀態(tài)和外部事件驅(qū)動下,執(zhí)行計劃兌現(xiàn)工作[2]。隨著列/調(diào)車指令的狀態(tài)遷移,站場顯示區(qū)段依次呈現(xiàn)空閑、鎖閉、占用和出清等狀態(tài)。在信號設(shè)備和軌道電路故障、人為操作錯誤及施工維修等場景下,CTC 顯示終端有可能出現(xiàn)光帶殘留,若不及時有效處置,將導(dǎo)致自律機(jī)后續(xù)排路操作的進(jìn)路沖突、站場對象不空閑等沖突報警[3-4],進(jìn)而引起計劃兌現(xiàn)延遲或失敗,影響行車效率和安全。周果等[5]利用Markov 決策過程方法在列控系統(tǒng)中解決區(qū)間軌道電路殘留光帶問題;趙曉風(fēng)等[6]和張友鵬等[7]在軌道電路層級尋求輕車跳動解決方案。綜合分析看,目前行業(yè)內(nèi)對于CTC 系統(tǒng)殘留光帶監(jiān)控技術(shù)還缺乏有效解決方案,相關(guān)研究還有待深化。為此,在鐵路智能化、安全化的發(fā)展趨勢下,開展CTC 系統(tǒng)中殘留光帶監(jiān)控及報警功能的研究,及時發(fā)現(xiàn)站場異常狀態(tài)并恢復(fù)行車秩序,具有重要現(xiàn)實意義。
CTC 系統(tǒng)殘留光帶監(jiān)控方案擬在不影響自律機(jī)主業(yè)務(wù)邏輯的基礎(chǔ)上,利用既有結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)及關(guān)聯(lián)關(guān)系,通過站場對象的狀態(tài)預(yù)置及對象狀態(tài)遷移監(jiān)控技術(shù)[8],在CTC 端實現(xiàn)殘留光帶的無縫可靠監(jiān)控報警。
CTC 系統(tǒng)中,車站以站場圖區(qū)元素方式進(jìn)行形式化展示[9],元素類別主要包括道岔、軌道區(qū)段、按鈕、信號機(jī)、絕緣節(jié)、脫軌器、表示燈、車次窗、進(jìn)路窗等。軌道區(qū)段又分為站內(nèi)股道、無岔區(qū)段和站間區(qū)段。
道岔、軌道區(qū)段、信號機(jī)等站場元素,由聯(lián)鎖系統(tǒng)和列控中心通過軌道電路實現(xiàn)狀態(tài)采集和進(jìn)路控制[10],由CTC 系統(tǒng)實施狀態(tài)維護(hù)和監(jiān)控,以及業(yè)務(wù)運算和卡控功能。根據(jù)《調(diào)度集中系統(tǒng)技術(shù)條件》(Q/CR 518-2016),CTC 顯示終端的道岔和軌道區(qū)段狀態(tài)主要包括空閑、鎖閉和占用3種。
CTC 系統(tǒng)顯示終端分別以紅、白光帶表示軌道區(qū)段的占用和鎖閉狀態(tài)。初始,軌道電路無列車行駛或???,軌道繼電器勵磁吸起,站場顯示為區(qū)段空閑;隨著車站信號設(shè)備狀態(tài)、列車運行狀態(tài)等輸入數(shù)據(jù)的驅(qū)動,CTC 系統(tǒng)執(zhí)行計劃的安全卡控和進(jìn)路觸發(fā)操作,通過聯(lián)鎖設(shè)備實現(xiàn)列/調(diào)車進(jìn)路的預(yù)先鎖閉和接近鎖閉,即出現(xiàn)CTC 站場軌道區(qū)段鎖閉白光帶;當(dāng)列車壓入軌道電路區(qū)段,軌道繼電器被列車輪對短接而落下,實現(xiàn)區(qū)段占用狀態(tài)采集和監(jiān)控,即出現(xiàn)CTC站場軌道區(qū)段占用紅光帶。由此可見,軌道區(qū)段狀態(tài)的正確跳轉(zhuǎn)、采集和監(jiān)控是CTC 系統(tǒng)進(jìn)行行車安全卡控、排路命令執(zhí)行狀態(tài)反饋的重要依據(jù)。
由于各種原因,CTC 系統(tǒng)會偶發(fā)[11]殘留光帶現(xiàn)象,影響行車組織的有序執(zhí)行,體現(xiàn)為后臺自律模式下的進(jìn)路指令自動觸發(fā)失敗、行車報警激增、計劃兌現(xiàn)延后、人工干預(yù)頻繁等。殘留光帶的表現(xiàn)形式主要為軌道區(qū)段的非行車鎖閉和異常占用,主要原因如下。
1)輕車跳動[12]。空心車軸運用導(dǎo)致的接收器接收電壓錯誤、軌面生銹導(dǎo)致的區(qū)段分路不良,以及單機(jī)車高速通行短軌道區(qū)段等,易引發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)三點檢查失敗,產(chǎn)生輕車跳動。在CTC 系統(tǒng)顯示終端表現(xiàn)為鎖閉光帶殘留或閃紅現(xiàn)象。
2)設(shè)備故障。軌道電路的電纜、接觸器、繼電器等發(fā)生的接觸不良、損壞等故障[13],導(dǎo)致軌道電路無法正常檢測列車位置和信號。此外,鋼軌復(fù)雜部件長時間被列車輪碾壓、撞擊,以及熱脹冷縮產(chǎn)生的鋼軌爬行等,也會導(dǎo)致殘留光帶現(xiàn)象。
3)突發(fā)事件。風(fēng)雨雪震、道床積水、電磁電氣干擾等異常事件,甚至為防治冰凍災(zāi)害而在軌道撒鹽導(dǎo)致的道床電阻降低等,都會干擾信號電路的正常工作。
4)施工維修。在軌道電路的安裝、維護(hù)和修復(fù)過程中,操作人員可能會出現(xiàn)誤操作,如設(shè)備設(shè)置錯誤、施工損壞,甚至器件遺漏導(dǎo)致的軌道短接等。
在分散自律控制模式下,操作員在CTC 設(shè)備上編制計劃、執(zhí)行排路、監(jiān)控站場運行及設(shè)備狀態(tài)。雖然殘留光帶的源頭在聯(lián)鎖設(shè)備端,但其表現(xiàn)和影響均在CTC 設(shè)備端。因此,考慮在CTC 車站自律機(jī)上增加功能,通過監(jiān)控站場對象狀態(tài)和進(jìn)路指令狀態(tài),實現(xiàn)對殘留光帶的監(jiān)測。
CTC 車站自律機(jī)將中心計劃轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化的進(jìn)路指令,在滿足觸發(fā)時機(jī)并通過行車安全檢查后,創(chuàng)建關(guān)聯(lián)進(jìn)路命令,指揮聯(lián)鎖進(jìn)行排路操作。進(jìn)路指令和排路命令在其生命周期內(nèi),具備唯一標(biāo)識ID。為便于描述,定義指令標(biāo)識ID 為repID,命令標(biāo)識ID 為cmdID。指令的狀態(tài)包括等待、重試、失敗、排路成功、占用和出清等;命令的狀態(tài)包括初始、已發(fā)送、超時和成功等。
圖1 描述了由階段計劃創(chuàng)建的進(jìn)路指令和排路命令,與聯(lián)鎖進(jìn)路、進(jìn)路對象(即組成該進(jìn)路的CTC系統(tǒng)站場圖區(qū)元素)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以及各對象附屬的核心屬性字段。動態(tài)對象、動態(tài)屬性和相互關(guān)系以紅色標(biāo)識。后續(xù)算法將依賴CTC內(nèi)部對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系,實現(xiàn)特定軌道區(qū)段對象的狀態(tài)更新操作。
圖1 CTC內(nèi)部對象關(guān)聯(lián)關(guān)系
作為信號采集的下游設(shè)備,CTC 系統(tǒng)不具備軌道區(qū)段關(guān)聯(lián)狀態(tài)的檢查基礎(chǔ),因此從迭代開發(fā)和便于部署等角度,將方案進(jìn)行如下設(shè)定。
1)區(qū)間軌道電路由列控中心負(fù)責(zé)[14],通過設(shè)備檢測維護(hù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)校驗和異常監(jiān)控等措施,保證驅(qū)采數(shù)據(jù)的一致性。除了一離去區(qū)段占用外,區(qū)間軌道電路狀態(tài)基本不涉及CTC 端的行車調(diào)度操作。此外,對于站內(nèi)牽出線、機(jī)調(diào)線和聯(lián)絡(luò)線[15]等與CTC 行車控制關(guān)聯(lián)不大的區(qū)域,暫時不考慮其站內(nèi)對象的殘留光帶監(jiān)控邏輯,因此需具備對特定區(qū)域站內(nèi)對象的剔除功能,即增加配置項,指明該集合中的站內(nèi)對象不參與殘留光帶的監(jiān)控邏輯。
2)對站內(nèi)軌道區(qū)段,只監(jiān)控持續(xù)性的光帶殘留,且由于紅、白2 種殘留光帶產(chǎn)生機(jī)制不同,因此需采用不同的監(jiān)控邏輯。
3)監(jiān)測殘留光帶出現(xiàn)時,車站自律機(jī)根據(jù)控制權(quán)向主控終端發(fā)送報警信息。自律機(jī)僅在殘留光帶首次出現(xiàn)時報警一次;保持該殘留(占用或鎖閉)狀態(tài)時,無重復(fù)報警;殘留光帶清除時,不報警;當(dāng)對象狀態(tài)(占用、鎖閉、空閑)變更后,再重新對該對象進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)再次出現(xiàn)殘留時,滿足條件即報警;對象保持該殘留狀態(tài)不足閾值時間時,不報警;在殘留紅白光帶間切換,且始終達(dá)不到閾值時間時,不報警。
4)在自律機(jī)剛剛啟動、控制模式切換或者主備倒機(jī)后的一段時間,設(shè)備需要接收站場表示信息,建立行車計劃、指令、命令和表示的關(guān)聯(lián)關(guān)系。在此期間,車站自律機(jī)暫不啟動殘留光帶監(jiān)控功能;一旦超過該時間段,車站自律機(jī)立即啟動殘留光帶監(jiān)控功能。5)考慮計算效率并與報警整合,殘留光帶監(jiān)控邏輯固定6 s輪巡一次。
自律機(jī)每隔6 s 依次進(jìn)行殘留白光帶、殘留紅光帶,以及殘留指令光帶的監(jiān)控邏輯處理。任意邏輯一旦觸發(fā)殘留光帶報警,自律機(jī)便立即向主控終端發(fā)送報警信息。
2.3.1殘留白光帶監(jiān)控邏輯
殘留白光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控非人為操作,且非行車計劃執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的殘留鎖閉白光帶,即除了以下場景外,聯(lián)鎖端產(chǎn)生的排路鎖閉白光帶:①人為操作方面的列/調(diào)車計劃人工觸發(fā)、列/調(diào)車進(jìn)路序列人工觸發(fā)、人工關(guān)聯(lián)/不關(guān)聯(lián)車次的按鈕排路;②行車計劃觸發(fā)執(zhí)行方面的列/調(diào)車計劃自動觸發(fā)和信號重開。
殘留白光帶監(jiān)控邏輯仿照排路命令標(biāo)識符cmdID,在站內(nèi)軌道區(qū)段對象內(nèi)部新增屬性標(biāo)識符cmdIDofSamp,代表該對象的鎖閉狀態(tài)是否是某次排路操作(排路命令)導(dǎo)致。cmdIDofSamp為0 時表示該站場對象不對應(yīng)任何排路命令;cmdIDofSamp為非0 時表示該站場對象是由cmdIDofSamp數(shù)值所對應(yīng)的特定排路命令操控的。之后,自律機(jī)依據(jù)cmdID建立站內(nèi)軌道區(qū)段白光帶追蹤和處置邏輯,見圖2。
1)自律機(jī)啟動,讀取配置文件,初始化所有站場對象的cmdIDofSamp為0,并在接收行車計劃后,進(jìn)行計劃處理和定時業(yè)務(wù)監(jiān)控邏輯。
2)在計劃滿足觸發(fā)時機(jī)、執(zhí)行排路操作過程中,自律機(jī)依據(jù)進(jìn)路指令創(chuàng)建排路命令。在排路成功后,將命令cmdID通過圖1所示“排路命令—進(jìn)路—進(jìn)路對象”的鏈路關(guān)系,賦值于進(jìn)路對象cmdIDofSamp(不考慮進(jìn)路對象當(dāng)前狀態(tài));在排路命令超時失敗時,遍歷命令關(guān)聯(lián)進(jìn)路的所有進(jìn)路對象。如果進(jìn)路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID相同且非零,則復(fù)位對象的cmdIDofSamp為0;如果進(jìn)路對象的cmdIDofSamp與本命令cmdID不同,則維持對象cmdIDofSamp不變。
3)在計劃不滿足觸發(fā)時機(jī)的軌道區(qū)段常態(tài)監(jiān)控階段,如果站內(nèi)軌道區(qū)段對象狀態(tài)由“非空閑變?yōu)榭臻e”或者“非占用變?yōu)檎加谩保瑒t置對象cmdIDofSamp為0。
4)自律機(jī)監(jiān)控站內(nèi)對象保持鎖閉狀態(tài)超過時間閾值,且cmdIDofSamp為0時,即認(rèn)為該區(qū)段存在殘留白光帶,自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。
2.3.2殘留紅光帶監(jiān)控邏輯
殘留紅光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控非行車計劃執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的殘留占用紅光帶,即軌道電路一定時間內(nèi)持續(xù)紅光帶。具體方案為車站自律機(jī)監(jiān)控站內(nèi)軌道區(qū)段狀態(tài),當(dāng)其保持占用狀態(tài)超過時間閾值,且上一狀態(tài)為非鎖閉狀態(tài)時(即直接由空閑變?yōu)檎加茫?,則認(rèn)定該區(qū)段存在殘留紅光帶,自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。
2.3.3殘留指令光帶監(jiān)控邏輯
殘留指令光帶監(jiān)控邏輯主要監(jiān)控行車計劃的進(jìn)路指令執(zhí)行不連續(xù)導(dǎo)致的光帶殘留。這種情況在工程現(xiàn)場發(fā)生最多。例如,在短軌道正線區(qū)段,當(dāng)單機(jī)車體較短、較輕,且行駛速度快時,易造成軌道電路壓不實而產(chǎn)生遺留白光帶;在部分線路由于設(shè)備年老失修,疊加長時間機(jī)車車輛碾壓影響,極易造成軌道電路短路而產(chǎn)生遺留紅光帶。
殘留指令光帶監(jiān)控邏輯仿照進(jìn)路指令標(biāo)識符repID,在站內(nèi)軌道區(qū)段對象內(nèi)部新增屬性標(biāo)識符repIDofSamp,當(dāng)repIDofSamp與repID相等時,表示該對象的鎖閉/占用狀態(tài)是由某條進(jìn)路指令排路操作導(dǎo)致的。之后,依據(jù)repID,建立站內(nèi)軌道區(qū)段對象的白、紅光帶追蹤和處置邏輯流程,見圖3。
圖3 殘留指令狀態(tài)監(jiān)控流程
1)自律機(jī)啟動,讀取配置文件,初始化所有站場對象的屬性標(biāo)識符repIDofSamp為0,轉(zhuǎn)入定時業(yè)務(wù)監(jiān)控邏輯。
2)在進(jìn)路指令業(yè)務(wù)處理邏輯中,自律機(jī)監(jiān)測列/調(diào)車進(jìn)路開放,指令狀態(tài)更新時,通過圖1 所示“進(jìn)路指令—進(jìn)路—進(jìn)路對象”的鏈路關(guān)系,將指令repID賦值于進(jìn)路所有對象,即進(jìn)路所有對象repIDofSamp等于指令repID,建立站內(nèi)軌道區(qū)段顯示狀態(tài)與指令狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
3)在指令狀態(tài)未發(fā)生變化的軌道區(qū)段常態(tài)監(jiān)控階段,如果站場任意對象變?yōu)槌銮?,則置該對象的repIDofSamp為0;站場對象變?yōu)檎加脮r,不修改對象的repIDofSamp;站場對象變?yōu)殒i閉時,除非是進(jìn)路指令操控導(dǎo)致的對象鎖閉,否則不修改
repIDofSamp。
4)進(jìn)路指令出清超過時間閾值后,自律機(jī)監(jiān)控指令關(guān)聯(lián)進(jìn)路的所有對象。如果對象的repIDofSamp與本指令的repID相同且非零(即該對象僅為本指令使用),對象為鎖閉或占用狀態(tài),則認(rèn)為該區(qū)段存在殘留白光帶或紅光帶,自律機(jī)向主控終端發(fā)送報警信息。
搭建仿真測試環(huán)境,設(shè)計如下場景,驗證方案的有效性。
場景1 站場特定進(jìn)路在無排路操作的情況下,單獨對象由空閑變?yōu)殒i閉,或由空閑變?yōu)檎加?,且保持該狀態(tài)超過閾值時間時,由殘留白光帶監(jiān)控邏輯,或殘留紅光帶監(jiān)控邏輯判定是殘留光帶,向主控終端發(fā)送報警信息。
場景2 仿真搭建如圖4 所示的接車進(jìn)路(已刪除無關(guān)對象),進(jìn)路包含對象ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG。
圖4 仿真環(huán)境中X-ⅡG接車顯示
T1 時刻,進(jìn)路指令滿足時機(jī)自動觸發(fā)或人工觸發(fā),向聯(lián)鎖發(fā)送排路命令,進(jìn)路指令變?yōu)椤坝|發(fā)中”, 自律機(jī)置ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG 的cmdIDofSamp為命令cmdID。圖4(a)為接車進(jìn)路靜態(tài)顯示。
T2時刻,進(jìn)路排路成功,ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG全部鎖閉,顯示進(jìn)路為鎖閉開放狀態(tài),見圖4(b)。
T3 時刻,列車占用無岔ⅠAG,如圖4(c)所示,此時無殘留光帶,無報警。
T4時刻,列車占用進(jìn)路股道ⅡG,出清ⅠAG/1#/3#/7#,如圖4(d)所示,無殘留光帶,無報警。
如果列車僅占用進(jìn)路股道ⅡG,但ⅠAG 出清后變?yōu)殒i閉,或出清后變?yōu)檎加?,如圖4(e)所示,在ⅠAG 保持該狀態(tài)超過閾值時間后,自律機(jī)由殘留白光帶監(jiān)控邏輯,或殘留紅光帶監(jiān)控邏輯判定ⅠAG 存在殘留光帶,向主控終端發(fā)送報警信息。
場景3 以圖4 接車進(jìn)路X-ⅡG 為例:T1 時刻,進(jìn)路排路成功;T2 時刻,列車駛?cè)脒M(jìn)路;T3時刻,列車壓入3#道岔后,再壓入7#道岔和ⅡG 股道;T4 時刻,ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清,但3#道岔保持占用。在指令保持占用狀態(tài)時,無報警;指令出清后,由殘留指令光帶監(jiān)控邏輯判定3#道岔殘留,向主控終端發(fā)送報警信息。
場景4 以圖4 接車進(jìn)路X-ⅡG 為例:T1 時刻,進(jìn)路排路成功;T2 時刻,列車駛?cè)脒M(jìn)路;T3時刻,列車壓入1#道岔;T4 時刻,列車壓入3#道岔,但未壓實,導(dǎo)致3#道岔保持鎖閉狀態(tài);T5 時刻,列車壓入7#道岔和ⅡG股道;T6時刻,ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清,但3#道岔始終保持鎖閉。在指令出清后,由殘留指令光帶監(jiān)控邏輯判定3#道岔光帶殘留,向主控終端發(fā)送報警信息。
場景5 在行調(diào)臺未向車站下發(fā)階段計劃的前提下,操作員在CTC 終端僅通過按鈕排列列車或調(diào)車進(jìn)路。在列/調(diào)車駛?cè)脒M(jìn)路后,如果存在場景3 或場景4 的問題,由于3#道岔不滿足前述3 種監(jiān)控報警條件,則方案存在漏報警缺陷。
場景6 站內(nèi)對象閃現(xiàn)紅光帶不足閾值時間即恢復(fù)空閑,則方案存在漏報警的缺陷。
分析以上場景,方案可以有效應(yīng)對場景1~4對應(yīng)的殘留光帶問題。至于場景5 中無行車計劃下的人工按鈕排路,或者場景6 中不影響行車前提下的軌道區(qū)段一定閾值內(nèi)的短暫閃爍,則可通過與運輸指揮人員溝通討論,由聯(lián)鎖系統(tǒng)保證設(shè)備運行正常,CTC系統(tǒng)可不產(chǎn)生監(jiān)控報警輸出。
針對CTC 系統(tǒng)中影響行車效率和安全的殘留光帶問題,車站自律機(jī)利用動靜態(tài)數(shù)據(jù),建立進(jìn)路指令、排路命令與站場軌道區(qū)段(占用、鎖閉、空閑)狀態(tài)的鏈路關(guān)系,依靠站場對象的狀態(tài)預(yù)置以及對象狀態(tài)遷移監(jiān)控技術(shù),實現(xiàn)殘留光帶監(jiān)控功能。仿真試驗表明,方案在CTC 系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下,能夠有效應(yīng)對各場景下的殘留光帶問題,提升行車計劃兌現(xiàn)效率,保障行車安全和行車效率,滿足預(yù)期目標(biāo)。后續(xù)考慮建立一定區(qū)域內(nèi)站內(nèi)軌道區(qū)段狀態(tài)聯(lián)動機(jī)制,并逐步降低光帶殘留時間閾值,完善對軌道區(qū)段閃紅或閃白的監(jiān)控功能。