列車安全防護包絡對CBTC列車影響的研究

石曉雯

(南寧軌道交通集團有限責任公司,南寧 530000)

1 概述

CBTC系統，通過列車自動監控（ATS）系統、列車自動控制（ATC）系統、計算機聯鎖（CBI）系統等子系統協同工作，實現以移動閉塞為原則，連續車—地雙向數據通信的安全可靠的列車自動控制。

其中，列車安全防護包絡的計算邏輯是ATC系統的關鍵技術之一，列車安全防護包絡的長度直接影響CBTC列車的安全運行。列車安全防護包絡計算需考慮列車所處線路的位置、列車的通信狀態、列車實際速度、前方線路狀態等實際情況。在地鐵運營中，前方進路情況、列車狀態等運行場景復雜多變，列車安全防護包絡長度實時變化。當列車安全防護包絡性質發生變化時，對車-車之間的安全防護、列車運行控制、后續CBTC列車正常運營造成影響。由此本文從列車安全防護包絡的計算原理、控制邏輯、現場實際情況等角度剖析并為故障下的運營管理提供相關措施。

2 列車安全防護原理

列車運行過程中，車載計算機（簡稱CC）通過軌旁信標計算列車準確定位，依靠編碼里程計完成兩個定位信標之間列車位移計算。由于列車定位是一個運動狀態，在運行過程中編碼里程計測速、系統運算均存在一定的誤差，導致列車運動過程中產生定位誤差。為充分考慮誤差帶來的影響，CC計算的列車位置以可能的安全范圍代替一個確定的位置，以增加系統的安全性能。

如圖1所示，假設沿著列運行方向線路公里標逐漸增大，“車頭位置”、“車尾位置”為CC通過信標、編碼里程計計算的，不考慮任何誤差的列車位置，分別記做H、L；“預估距離”為CC考慮設備計算誤差、測距誤差、速度、列車前后方不確定性等安全因素而計算的列車可能走過的距離，記做D；“最小車頭/尾位置”、“最大車頭/尾位置”是CC根據車頭/尾位置、預估距離計算的列車可能的最大車頭/車尾位置，即：

最小車頭/尾位置=H(L)-D;

最大車頭/尾位置=H(L)+D;

列車長度=H-L。

圖1 列車定位原理Fig.1 The principle of train positioning

因此，最小車尾位置、最大車頭位置之間的范圍則為列車有可能的位置，在此區域內列車處于安全范圍。

如圖2所示，區域控制器（簡稱ZC）周期性收到包含CC計算的列車最小車尾位置、最大車頭位置、列車速度等信息的列車位置報告后，完成ZC識別管轄區域內所有列車識別，分辨CBTC列車與非CBTC列車，并為每列車計算生成安全防護包絡（在ATC系統內識別每列車的長度為列車安全防護包絡的長度），根據ZC區域內的列車位置情況及進路情況，為每列車授權可運行終點，實現移動閉塞。

圖2 列車防護包絡產生邏輯Fig.2 Generation logic for train protection envelope

3 列車安全防護影響機制

對于車地通信正常的列車，ZC周期根據列車的位置報告更新列車安全防護的終點，但對于非受控列車即車地通信異常或非CBTC列車，ZC無法獲取列車的位置報告，導致ZC無法識別列車的真實位置。為保護其他CBTC列車的安全運行，此時ZC會根據聯鎖發送的區段占用狀態等線路條件計算，在其周圍（以計軸為界）延長列車防護包絡，形成一定距離（約480 m）的安全防護區域（簡稱“Buff er”區域），如圖 3所示。

圖3 非受控列車防護包絡示意圖Fig.3 Schematic diagram of uncontrolled train protection envelope

ATC系統應保證后續CBTC列車不侵入該安全保護區域或在此安全防護區域的CBTC列車應施加緊急防護措施，以保證列車安全可控。當列車由CBTC列車變為非受控列車時，安全防護區域延長，后續CBTC列車的授權終點在Buffer區域之外，同時在Buffer區域內的CBTC列車觸發緊急制動，列車無法繼續以CBTC模式運行。

Buffer區域的延長距離以計軸點為界，向兩邊延伸。當延伸至的下個計軸區段的長度超過480 m，則Buffer區域長度延長至下個計軸區段的計軸點；若下個計軸區段的長度小于480 m，則Buffer區域將繼續往下一個計軸區段延伸，直至距離達到480 m，并以該計軸區段的計軸點為終點。

除上述規律外，Buffer區域的延長距離還受道岔位置影響，如圖4所示，假設G1區段的長度超過480 m，G3區段出現粉紅光帶，當道岔處于定位時，G3區段粉紅光帶的影響范圍一直至G1區段的計軸點AC1。

圖4 當道岔處于定位時的Buffer影響范圍Fig.4 Buffer influence range when turnout is in normal position

當道岔處于反位時，如圖5所示，則G3區段粉紅光帶的影響范圍僅至G1區段的計軸點AC2。需要說明的是，在此情況下，若G1為站臺區域，G2為進站進路的延續防護區段，則CBTC列車無法正常進站對標。

圖5 當道岔處于反位時的Buffer影響范圍Fig.5 Buffer influence range when turnout is in reverse position

4 實際情況

結合南寧地鐵2號線運行情況，列車實際控制情況與理論研究相符。

案例一：當道岔位置處于定位，前方出現非通信列車時后續CBTC列車的運行情況。

如圖6所示，P0101、P0104/P0105道岔均處于定位時，非通信列車A車占用G6區段，G6區段粉紅光帶，在A車兩側存在安全防護區域，其影響距離為480 m并以區段計軸點為界，即圖6中G3區段至G5區段為Buffer區段（AC3至AC6長度約為500 m），后方CBTC列車B車停在G2區段，前方移動授權距離為0 m，列車無速度碼，無法以CBTC模式運行。

如圖7可知，當G6區段由紅光帶變為非通信車占用的粉紅光帶時，隨著B車往前運行，運行至S0102信號機前時接收到ZC發送的前方可授權運行的距離變為0 m，列車目標速度即列車速度碼為0 km/h，在B車無可運行距離授權、無速度碼情況下，B車以CBTC-ATPM模式無法動車，當前速度變為0 km/h。當A車由非通信列車恢復為通信列車后，安全防護包絡距離縮短，A車收到前方運行授權并恢復速度碼。

圖6 道岔處于定位時的Buffer實際影響情況Fig.6 The actual impact of Buffer when turnout is in normal position

圖7 案例一B車數據情況Fig.7 Data of train B for Case 1

案例二：當道岔位置處于定位，前方出現非通信列車時后續CBTC列車的運行情況。

如圖8所示，P0101道岔處于反位時，非通信列車A車占用G6區段，G6區段粉紅光帶，在A車兩側存在安全防護區域，其影響距離僅到AC5，即圖8中G5區段為Buffer區段（AC5至AC6長度小于480 m），后方CBTC列車B車停在B站站臺，列車無速度碼，無法以CBTC模式運行。

圖8 道岔處于定位時的Buffer實際影響情況Fig.8 Actual impact of Buffer when turnout is in reverse position

如圖9分析可知，當G6區段由紅光帶變為非通信車占用的粉紅光帶時，隨著B車往前運行，運行至B站站臺時接收到ZC發送的前方可授權運行的距離變為0 m，列車目標速度即列車速度碼為0 km/h，在B車無可運行距離授權、無速度碼情況下，B車以CBTC-ATPM模式無法動車，當前速度變為0 km/h，最終停在B站站臺區域但無法對標停車，距離站臺停車點約7.5 m。當A車由非通信列車恢復為通信列車后，安全防護包絡距離縮短，A車收到前方運行授權并恢復速度碼。

圖9 案例二B車數據情況Fig.9 Data of train B for Case 2

5 優化建議

由于此功能為保證列車安全、信號系統安全可靠而設計，但實際運營過程中出現此類場景，若處理不當時則會對運營造成較大影響。因此，在滿足信號安全的前提下，為提高地鐵的運行效率，提出以下故障管理控制措施。

當線路中某個區段出現粉紅光帶時（非CBTC列車占用），該區段前后480 m會產生安全防護區域，若480 m達到了區段內部，則擴展到整個區段，建議后續CBTC列車以后備模式運行，若在Buffer區域內的列車，切換至后備模式運行。

若粉紅光帶區段出現在站臺后方，CBTC列車可以ATO/ATPM模式進站在距離停車點約7～8 m處自動落碼停車，后續將列車駕駛模式轉為RM模式進站對標。

通過以上兩點措施，在保證安全運行的前提下可提高故障下的地鐵運營效率。

6 結語

當線路上出現非通信列車或計軸干擾導致粉紅光帶時，若處理不當會對地鐵運營產生較大影響。因此理解地鐵信號系統中Buffer區域的產生邏輯、影響范圍及對CBTC列車影響，有利于日常運營故障處理，同時針對影響提供了兩點運營管理建議，可有效降低由于安全防護對軌道交通產生的影響，提高軌道交通運營效率。