基于參考應答器的列車位置和方向計算原理

張友兵，王建敏，于曉娜，張振興，王懷江

(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

在CTCS-3級列控系統和ETCS-2級列控系統中，車載設備基于參考應答器向無線閉塞中心（Radio Block Center，RBC）報告列車位置。RBC根據所控列車的狀態、控制范圍內的列車位置、聯鎖進路信息、臨時限速命令等信息，實時生成列車行車許可命令，并通過無線通信系統傳輸給車載設備。車載設備根據收到的行車許可等信息監控列車位置和速度，保障行車安全。因此，車載設備計算出準確的列車位置和方向是車載設備和地面設備共同監控列車運行、保障行車安全的關鍵基礎之一。

本文系統介紹了車載設備依據參考應答器確定列車位置和方向的方法。

1 相關方向的基本概念

1.1 應答器組方向

當列車經過一組應答器時，列車上的應答器讀取器通過瞬間電磁感應依次激活地面應答器，獲取相應報文數據。應答器組最少包含1個應答器，最多包含8個應答器。應答器組又分為鏈接的應答器組和未鏈接的應答器組。對于鏈接的應答器組，車載設備根據應答器組的鏈接信息和應答器組的實際位置對列車位置進行校正，并以該組應答器作為最近相關應答器組（Last Relevant Balise Group，LRBG）向RBC發送位置報告。

以包含2個應答器的應答器組為例，從組內1號應答器到2號應答器的方向為應答器組的正向，從組內2號應答器到1號應答器的方向為應答器組的反向，如圖1所示。

圖1 應答器組方向Fig.1 Direction of balise group

1.2 列車方向

目前，高速鐵路列車兩端一般都配備有列車車頭和駕駛室，當列車正常運行時，一端處于激活狀態，另一端則處于非激活狀態，司機在激活端駕駛列車安全運行。列車方向就是從列車的非激活端到激活端的方向。如圖2（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車方向為從B端到A端的方向。如圖2（b）所示，B端為激活端，A端為非激活端，列車方向為從A端到B端的方向。

圖2 列車方向Fig.2 Train direction

1.3 列車運行方向

司機駕駛臺的方向手柄包含前向、中立、后向3個位置。方向手柄向前，列車向前運行；方向手柄向后，列車向后運行。列車運行方向為列車的實際運行方向。如圖3（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車前行，列車運行方向向右，列車運行方向與列車方向相同。如圖3（b）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車退行，列車運行方向向左，列車運行方向與列車方向相反。

圖3 列車運行方向Fig.3 Train running direction

2 位置報告中的位置和方向

2.1 位置報告

在CTCS-3級列控系統和ETCS-2級列控系統中，車載設備基于參考應答器向RBC報告列車位置，RBC根據列車位置信息向車載設備發送行車許可。

車載設備應根據位置報告參數的要求向RBC發送位置報告。如果列車停車、模式變化、列車最小安全末端越過RBC邊界、列車最大安全前端越過RBC邊界、等級變化、建立通信會話、經過應答器等情況發生，車載設備也應向RBC發送位置報告。

CTCS列車控制系統和ETCS列車控制系統均定義了D_LRBG、Q_DIRLRBG、Q_DLRBG、Q_DIRTRAIN共4個變量，如表1所示。通過這4個變量共同確定列車的位置和方向，車載設備計算這4個變量的取值并傳遞給地面設備，實現車地之間關于列車位置和方向的信息共享。一種最為常見的應答器組方向、列車方向、列車運行方向和列車前端距LRBG的絕對距離共同確定基于LRBG的列車位置和方向的例子如圖4所示。

圖4 基于LRBG的列車位置和方向Fig.4 Train position and direction based on LRBG

表1 位置報告中描述列車位置和方向的變量Tab.1 Variables of train position and direction described in position report

2.2 Q_DIRLRBG取值

如圖5（a）所示，列車A端為激活端，B端為非激活端，列車方向為從非激活端（B端）到激活端（A端）的方向。列車方向與LRBG方向相同，因此Q_DIRLRBG為1。

如圖5（b）所示，列車B端為激活端，A端為非激活端，列車方向為從非激活端（A端）到激活端（B端）的方向。列車方向與LRBG方向相反，因此Q_DIRLRBG為0。

圖5 Q_DIRLRBG取值Fig.5 Value of Q_DIRLRBG

2.3 Q_DLRBG取值

如圖6所示，列車A端在應答器組的正向側，對于A端來說，Q_DLRBG為1。列車B端在應答器組的反向側，對于B端來說，Q_DLRBG為0。

圖6 Q_DLRBG取值Fig.6 Value of Q_DLRBG

2.4 Q_DIRTRAIN取值

如圖7（a）所示，列車A端為激活端，當方向手柄向前，列車前行。此時，列車運行方向和LRBG方向相同，Q_DIRTRAIN為1。

如圖7（b）所示，列車A端為激活端，當方向手柄向后，列車退行。此時，列車運行方向和LRBG方向相反，Q_DIRTRAIN為0。

圖7 Q_DIRTRAIN取值Fig.7 Value of Q_DIRTRAIN

3 列車位置和方向的狀態轉換

3.1 列車位置和方向全場景分析

經過全部場景分析，基于參考應答器的列車位置和方向存在8種場景，如圖8所示。再通過研究，發現使用Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN可以完整描述這8種場景。Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN分別有正、反兩個方向，可以排列出8種組合，如表2所示。圖8中的場景與表2中的場景是一一對應關系。

從表2和圖8可以得到以下規律。

表2 基于LRBG的列車方向Tab.2 Train position and direction based on LRBG

圖8 基于LRBG的列車位置和方向的所有場景Fig.8 All scenarios of train position and direction based on LRBG

1）當列車換端（列車的激活端和非激活端發生交換），列車方向發生變化，則Q_DIRLRBG發生變化。其中，場景1和場景5、場景2和場景6、場景3和場景7、場景4與場景8均符合這條規律。例如，在場景1和場景5中，列車均位于應答器組的反方向側，列車運行方向均為向遠離LRBG的方向運行，只是列車的激活端和非激活端發生變化，即列車方向發生變化，導致Q_DIRLRBG發生變化。

2）當越過參考應答器組時，Q_DLRBG發生變化。其中，場景1和場景3、場景2和場景4、場景5和場景7、場景6和場景8均符合這條規律。例如，在場景1和場景3中，列車激活端和非激活端未發生變化（列車方向未變），列車運行方向均為向左運行。場景1中的列車位于LRBG反向側，場景3中的列車位于LRBG正向側，即場景3中的列車越過LRBG就變成了場景1，導致Q_DLRBG發生變化。

3）當列車在前行和退行之間切換時，Q_DIRTRAIN發生變化。其中，場景1和場景2、場景3和場景4、場景5和場景6、場景7和場景8均符合這條規律。例如，在場景1和場景2中，列車均位于LRBG的反向側，列車激活端和非激活端未發生變化（列車方向未變）。但是，站在激活端的角度，場景1的列車向前運行，場景2的列車向后運行，列車運行方向發生變化，導致Q_DIRTRAIN發生變化。

3.2 列車位置和方向的狀態轉換

如圖9所示，給出了不同場景的狀態轉換，每一種狀態與其他3種狀態相連，表示從這種狀態可以轉換到其他3種狀態，線條旁邊的文字是狀態轉換的條件。在表3中，以狀態7為初始狀態，說明通過一步轉換、兩步轉換和三步轉換，分別可以進入哪些狀態，并得到如下規律。

圖9 不同場景的狀態轉換Fig.9 State transition of different scenarios

表3 初始狀態為7的狀態轉換Tab.3 State transition with initial state 7

1）從每一個狀態出發，通過一步狀態轉換，可以進入另外3種狀態。例如，從狀態7出發，通過一步狀態轉換，可以進入狀態3、狀態5和狀態8；

2）從每一個狀態出發，通過兩步狀態轉換，可以進入另外3種狀態。例如，從狀態7出發，通過兩步狀態轉換，可以進入狀態1、狀態4和狀態6；

3）從每一個狀態出發，通過三步狀態轉換，可以進入另外一種狀態。例如，從狀態7出發，通過三步狀態轉換，只能進入狀態2；

4）不同狀態之間最多通過換端、越過LRBG、改變運行方向共三步即可實現狀態互相轉換。

4 列車位置和方向的計算方法

如果一輛列車安裝兩套車載設備，列車兩端分別安裝一套車載設備，兩套車載設備分別控制列車的兩端。激活端的車載設備處于正常工作狀態，非激活端的車載設備處于休眠狀態。下面分別研究激活端和休眠端車載設備如何計算基于LRBG的列車位置和方向。

4.1 激活端

如果激活端的方向手柄向前，列車向前移動，列車位置絕對值增大，激活端車載設備判定列車實際運行方向為正向。如果激活端的方向手柄向后，列車向后移動，列車位置絕對值減小，激活端車載設備判定列車實際運行方向為反向，如表4所示。

表4 激活端列車運行方向Tab.4 Train running direction of activation end

站在激活端車載設備的角度分析，在各個場景下，分別以列車方向為正向建立坐標系，可以得到每個場景下的LRBG方向和列車運行方向，如表5所示。根據表5可以得到表2所示結果。

表5 激活端方向判定Tab.5 Direction determination of activation end

4.2 休眠端

當激活端前行，休眠端后退，休眠端列車位置絕對值減小，則列車運行方向為正向；當激活端后退，休眠端前行，休眠端列車位置絕對值增大，則列車運行方向為反向。也就是說，基于列車位置絕對值的變化方向判斷列車運行方向時，激活端和休眠端的邏輯正好相反，如表6所示。

表6 休眠端列車運行方向Tab.6 Train running direction of sleeping end

可見，激活端和休眠端判斷的列車運行方向相同，判斷LRBG方向相同，也可以得到表5的結果。

4.3 通用的計算方法

以圖8場景8為例，說明激活端（A端）和非激活端（B端）基于參考應答器的列車位置和方向存在的規律。在場景8中，B端為非激活端，A端為激活端，B端車載設備處于休眠模式，A端車載設備處于非休眠模式。對于A端和B端，LRBG方向相同（基于相同的LRBG），列車方向一致（從未激活的B端指向激活的A端），A端和B端均位于LRBG的正向側，所以Q_DIRLRBG、Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN均相同。

對激活端和休眠端進行研究，并對表2和表5進行比較分析，可知激活端車載設備和休眠端車載設備計算列車位置和方向的方法相同。

5 總結

本文介紹了車載設備基于參考應答器確定列車位置和方向的原理、概念和方法，這種方法對激活端和非激活端的車載設備均有效，車載設備均能正確計算并向地面設備報告不同狀態下的列車位置和方向。基于準確的列車位置和方向，車載設備和地面設備可以共同保障列車安全高效運行。