基于多源信息的CBTC列車序列描述方法

陳瑞軍 夏庭鍇

(1.呼和浩特城市軌道交通投資建設(shè)集團有限公司， 010090， 呼和浩特； 2.卡斯柯信號有限公司， 200071， 上?！蔚谝蛔髡?， 正高級工程師)

在經(jīng)過十多年的發(fā)展，CBTC(基于通信的列車控制)已經(jīng)成為城市軌道交通信號系統(tǒng)的標準配置[1]。當前我國運營的CBTC系統(tǒng)大多屬于第二代CBTC[2]。經(jīng)過多年的實際運營考驗，第二代CBTC系統(tǒng)在獲得巨大成功的同時也因子系統(tǒng)劃分和通信接口制式不統(tǒng)一而大大提高了運營管理成本，這個現(xiàn)狀催生了互聯(lián)互通CBTC標準[3]。在制定了互聯(lián)互通CBTC標準后，各信號廠商必然面臨升級既有CBTC以匹配新標準的問題。如何降低CBTC系統(tǒng)核心功能模塊與外部接口的耦合、保證核心功能模塊的泛化能力成為CBTC系統(tǒng)設(shè)計必須要考慮的問題。子系統(tǒng)功能模塊的泛化能力越高，表明該子系統(tǒng)模塊受系統(tǒng)接口變化的影響越小。

軌旁ATP是CBTC系統(tǒng)的一個重要子系統(tǒng)，列車序列管理是軌旁ATP(列車自動防護)的核心功能之一，負責計算所有列車在軌道上的排列順序，是軌旁ATP計算移動授權(quán)的基礎(chǔ)。本文以此功能模塊為研究對象，提出了互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)功能模塊低耦合的設(shè)計方法。實踐證明，相對于文獻[2]中提到的方案，本文的設(shè)計方法可降低互聯(lián)互通CBTC接口變化對核心功能模塊的影響，進而降低軌旁ATP的設(shè)計復(fù)雜度。

1 CBTC軌旁ATP的主要功能

ATP是既有CBTC系統(tǒng)的核心模塊，一般劃分為軌旁ATP和車載ATP兩個部分。如圖1所示，軌旁ATP負責采集車載ATP無法直接獲取的軌旁設(shè)備信息及其他列車狀態(tài)信息，并將信息進行匯總處理，發(fā)送給其管轄范圍內(nèi)的所有列車。

圖1 軌旁ATP與車載ATP間的信息交互方式Fig.1 Information exchange format between trackside ATP and on-board ATP

正常運營時，車載ATP會將自身的定位信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到軌旁ATP，但實際運營中還需處理以下特殊情況：① 因網(wǎng)絡(luò)通信故障或車載ATP自身故障導(dǎo)致軌旁ATP無法接收到列車位置信息。② 運營方需將工程車(通常車長較小且未裝備車載ATP)駛?cè)胝€執(zhí)行維修或救援任務(wù)。為了保證軌旁ATP能在上述特殊情形下不間斷更新列車位置，通常CBTC系統(tǒng)均配置有軌旁檢測設(shè)備(如計軸、軌道電路等)，通過這些設(shè)備的占用信息向軌旁ATP提供無法報告位置信息的列車的位置。這樣，軌旁ATP實際上有兩種方式獲取軌道上運行列車的位置：一是通過車載ATP發(fā)送的列車位置報告；二是通過軌旁檢測設(shè)備提供的軌道區(qū)段占用信息。

這兩種不同的信息來源需要不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行描述。為了使軌旁ATP核心模塊的設(shè)計不受信息來源的影響，有必要設(shè)計一個介于外部接口和軌旁ATP核心邏輯之間的抽象邏輯對象，來統(tǒng)一描述“可以報告位置信息的列車”和“無法報告位置信息的列車”，本文將此中間描述層稱之為多源信息中間件。多源信息中間件的主要作用是將來源不同的列車對軌道的占用信息轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的描述方式。在既有CBTC系統(tǒng)中，通信列車會給軌旁ATP主動報告列車車頭、車位定位、運行方向、定位誤差等詳細信息，而無通信列車需依靠軌旁設(shè)備來檢測列車位置，這樣，非通信列車占用的軌道區(qū)間只能以軌道區(qū)段為單位進行描述。多源信息中間件可將上述通過兩種不同路徑獲取的信息全部轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的軌道坐標，以避免核心功能模塊處理不同數(shù)據(jù)格式。多源信息中間件還有一個優(yōu)點：如果將來互聯(lián)互通CBTC系統(tǒng)中引入新型的列車位置傳感器，多源信息中間件可將輸入信息預(yù)處理為標準的內(nèi)部格式，這樣就不會影響到軌旁ATP核心模塊的算法。

2 基于多源信息的CBTC列車定位

2.1 多源信息中間件的主要任務(wù)

由于列車信息來源于多個設(shè)備，多源信息中間件的第一個任務(wù)是定義設(shè)備信息被軌旁ATP處理的優(yōu)先級。為描述方便，本文將這些設(shè)備的名稱按優(yōu)先級從高到低分別定義為“主用檢測設(shè)備”(特指列車位置報告)、“備用檢測設(shè)備”(特指計軸設(shè)備)及將來可繼續(xù)擴展的“次級備用檢測設(shè)備”等。

在外部輸入的列車信息進入軌旁ATP核心處理模塊前，多源信息中間件會基于一定的規(guī)則，根據(jù)當前可用的信息來源選取并融合列車位置信息。在進行列車位置信息融合時，應(yīng)主要考慮以下兩個關(guān)鍵問題：

1) 因不同源信息的異步造成對列車位置信息描述的不一致問題，即不同信息來源之間無法實現(xiàn)周期級同步，單個信息源提供的僅是同一個對象在不同時刻的位置信息。

2) 由報文傳輸延時容忍度設(shè)計帶來的定位不確定性問題，即列車的物理位置和檢測位置的錯位問題。其中，報文傳輸延時容忍度是指為了保證CBTC系統(tǒng)的可用性，對所有從外部系統(tǒng)收到的報文，必須根據(jù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)狀況、處理能力，指定一個容忍時間，以保證偶發(fā)性的丟包、網(wǎng)絡(luò)延時不會導(dǎo)致報文失效。由此，軌旁ATP從報文獲知的列車位置與列車的實際位置存在一個固有偏差，報文的新鮮度決定了該偏差的實際大小。

2.2 多源信息中間件的處理步驟和典型應(yīng)用

針對上述問題，軌旁ATP的多源信息中間件需對外部輸入的報文進行處理，其處理步驟為：

步驟一：根據(jù)聯(lián)鎖提供的備用檢測設(shè)備(通常為計軸)的占用狀態(tài)、占用檢測延時特性、傳輸延時及列車最大運行速度等數(shù)據(jù)，計算軌道區(qū)段的占用信息。

步驟二：根據(jù)列車位置報告信息計算列車安全定位，再根據(jù)隨定位報告發(fā)送的報文生成時間及軌旁ATP接收到報告的時間，估計出列車定位報告的傳輸延時。然后，結(jié)合列車運動學(xué)信息和牛頓第二運動定律，計算得到通信列車保護包絡(luò)。通信列車保護包絡(luò)描述了軌旁ATP估計的列車占用軌道的最大范圍，包含兩個部分的軌道區(qū)間：一是列車報告定位所占用的軌道區(qū)間，二是軌旁ATP按照最不利條件推算得到的在報文傳輸過程中列車向前或向后可能運行的最大距離所占用的軌道區(qū)間。通信列車保護包絡(luò)的范圍通過軌道區(qū)段ID(身份標識號)和列車位置在軌道區(qū)段內(nèi)的偏移量兩個參數(shù)進行描述。

步驟三：將步驟一計算得到的軌道區(qū)段占用信息用ID描述，在被占用的軌道區(qū)段上創(chuàng)建用于描述列車占用軌道區(qū)段范圍的列車包絡(luò)(本文稱為“默認列車保護包絡(luò)”)。

步驟四：與步驟三創(chuàng)建的默認列車保護包絡(luò)相比，步驟二計算得到的列車定位信息可提供更精確的列車定位，所以，當列車定位報告信息和默認列車保護包絡(luò)信息均可用時，可在列車定位信息描述的軌道位置插入通信列車保護包絡(luò)。由于默認列車保護包絡(luò)的覆蓋范圍遠大于通信列車保護包絡(luò)的覆蓋范圍，所以插入通信列車保護包絡(luò)后，原默認列車保護包絡(luò)被拆分為2個默認列車保護包絡(luò)，分別位于通信列車保護包絡(luò)的前方和后方。

步驟五：創(chuàng)建通信列車保護包絡(luò)后，如果軌旁ATP根據(jù)列車定位信息能確定當前列車車頭及車頭前方的備用檢測設(shè)備對應(yīng)的軌道區(qū)段邊界之間沒有隱藏列車，則可將通信列車保護包絡(luò)前方的默認列車保護包絡(luò)刪除。對通信列車保護包絡(luò)后方也可實施同樣的操作。這個過程等價于互聯(lián)互通CBTC中的“篩選”功能。

步驟六：當車載ATP正常工作時，軌旁ATP根據(jù)收到的列車位置信息重新計算通信列車保護包絡(luò)。當與車載ATP通信中斷或收到無效的列車位置信息時，軌旁ATP會將通信列車保護包絡(luò)降級為默認列車保護包絡(luò)。此時的默認列車保護包絡(luò)是根據(jù)備用檢測設(shè)備的占用信息在原先計算的通信列車保護包絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過列車和線路的最壞情況對列車位置進行預(yù)測并經(jīng)計算轉(zhuǎn)換得到的。

步驟七：根據(jù)外部信息的有效性和當前道岔位置，軌旁ATP對經(jīng)過上述步驟計算得到的列車保護包絡(luò)(包括通信列車保護包絡(luò)和默認列車保護包絡(luò))進行拆分、合并、調(diào)整和刪除。其中，對列車保護包絡(luò)進行調(diào)整的目的是在通信列車發(fā)送的位置報告發(fā)生重疊和錯位時用于保證相鄰列車保護包絡(luò)的約束關(guān)系。

步驟八：根據(jù)以上步驟計算得到的任意兩個列車保護包絡(luò)之間的位置關(guān)系，可以等價為軌道上相應(yīng)的兩個列車的位置關(guān)系。

這樣，多源信息中間件將列車的位置、序列(在線路上的先后關(guān)系)、報文傳輸延時、報文異步、列車狀態(tài)變化抽象到了單一對象的列車保護包絡(luò)中，使得軌旁ATP的核心模塊在進行涉及到列車的運算時只需考慮列車保護包絡(luò)的位置和狀態(tài)，不再需要分別考慮來源復(fù)雜、延時多樣、異步嚴重的原始信息。此外，若接口設(shè)計發(fā)生變化，只需更新多源信息中間件的處理邏輯，不需修改軌旁ATP的核心算法。

2.3 多源信息中間件的典型應(yīng)用

圖2展示了列車保護包絡(luò)創(chuàng)建、更新和篩選的全過程。列車首次進入CBTC區(qū)域時(見圖2 a))，首先被備用檢測設(shè)備檢測到，備用檢測設(shè)備隨即將軌道占用信息傳遞到軌旁ATP。軌旁ATP發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的軌道區(qū)段被占用，但該區(qū)段卻沒有被任何列車保護包絡(luò)覆蓋，隨即在相應(yīng)位置創(chuàng)建默認列車保護包絡(luò)(見圖2 b))。列車運行過程中讀到信標并定位后，開始向軌旁ATP發(fā)送其定位報告，軌旁ATP收到該定位報告后按照上文的步驟四、步驟五進行列車保護包絡(luò)的拆分、插入、篩選等操作(見圖2 c))。

a) 列車首次進入CBTC區(qū)域

默認列車保護包絡(luò)的修正計算如圖3所示。如果軌旁ATP無法再從車載ATP獲取新的列車位置信息，則只能根據(jù)備用檢測設(shè)備的狀態(tài)按以下原則計算列車位置：① 如果備用檢測設(shè)備為占用狀態(tài)，則軌旁ATP將該備用檢測設(shè)備對應(yīng)的軌道區(qū)段作為列車保護包絡(luò)的計算基準；② 根據(jù)線路的最大列車運行速度和備用檢測設(shè)備的最大占用檢測延時，推測該區(qū)段的相鄰區(qū)段是否也被列車占用(雖然該相鄰區(qū)段對應(yīng)的備用檢測設(shè)備處于出清狀態(tài))；③ 軌旁ATP最終計算得到的默認列車保護包絡(luò)應(yīng)完全覆蓋經(jīng)上述推算后所有可能被列車占用的區(qū)段。

圖3 默認列車保護包絡(luò)修正計算示意圖Fig.3 Diagram of correction calculation for default train protection envelope

2.4 基于計軸的多源信息中間件功能的具體實現(xiàn)

在目前的城市軌道交通項目中，通常采用計軸設(shè)備作為備用檢測設(shè)備。計軸可能會因受擾等原因發(fā)生故障，所以軌旁ATP在計算備用檢測設(shè)備狀態(tài)時，還需對比列車包絡(luò)狀態(tài)與備用檢測設(shè)備所提供信息的一致性。如果軌旁ATP根據(jù)列車包絡(luò)狀態(tài)認為某軌道區(qū)段上不可能存在列車，則軌旁ATP將認定該軌道區(qū)段對應(yīng)的備用檢測設(shè)備已發(fā)生故障。

軌旁ATP還需解決發(fā)現(xiàn)列車首次進入CBTC區(qū)域的及時性問題。這個問題可以通過將某些備用檢測設(shè)備賦予特殊屬性來實現(xiàn)，當這些具有特殊屬性的備用檢測設(shè)備被檢測到為占用狀態(tài)時，軌旁ATP立刻在該設(shè)備上創(chuàng)建默認列車保護包絡(luò)，而不會判定其故障。

軌旁ATP在為列車計算保護包絡(luò)時還需考慮列車運行的時空一致性，該一致性主要基于如下幾個事實：① 列車運行不可能突破其最高速度；② 備用檢測設(shè)備的占用信息傳輸?shù)杰壟訟TP具有確定的最大延時；③ 列車在運行時不能跳躍，必須依次通過連續(xù)的軌道區(qū)段。從而得到如下關(guān)系：

sc=vmaxtd,max

(1)

式中：

sc——默認列車保護包絡(luò)的修正距離；

vmax——列車在線路上的最大運行速度；

td,max——備用檢測設(shè)備被占用信息傳遞到軌旁ATP的最大延時。

如圖4所示，軌旁ATP根據(jù)列車定位信息計算通信列車保護包絡(luò)的修正距離。

圖4 通信列車保護包絡(luò)修正計算示意圖Fig.4 Diagram of correction calculation for communication train protection envelope

通信列車保護包絡(luò)根據(jù)車載ATP發(fā)送的列車安全定位區(qū)間、軌旁與車載之間網(wǎng)絡(luò)報文傳輸延時以及列車特性，運用牛頓第二運動定律計算得到：

(2)

sc,t=dr,max

(3)

式中：

sc,h——列車頭部保護包絡(luò)修正距離；

sc,t——列車尾部保護包絡(luò)修正距離；

v——車載ATP向軌旁ATP提供的列車實時運行速度；

Δt——列車定位信息從車載ATP發(fā)送到軌旁ATP的時間間隔；

a——列車的最大牽引加速度;

dr,max——列車運行時沿運行方向的反方向運動的可能最大距離，其值由列車的制動性能及相應(yīng)的運營限制決定。

由此，從列車頭部安全定位向列車行進方向延伸sc,h，即可得到軌旁ATP收到列車定位信息時列車頭部可能的最前端位置。相應(yīng)地，從列車尾部安全定位向列車行進的反方向延伸sc,t，即可得到此時列車尾部實際可能的最后端位置。

2.5 多源信息中間件對特殊線路狀態(tài)的處理

考慮到軌旁ATP采集到的列車保護包絡(luò)所覆蓋的道岔的狀態(tài)被可能與該道岔實際鎖閉位置對應(yīng)的狀態(tài)不一致，在計算列車保護包絡(luò)時，采用的是道岔實際位置，而非道岔鎖閉位置。這樣在完成列車保護包絡(luò)的計算后，軌旁ATP需根據(jù)軌道區(qū)段的實時鏈接關(guān)系(根據(jù)道岔實際采集位置進行計算而得)，對列車保護包絡(luò)進行壓縮和拆分。

a) 開向不明道岔出現(xiàn)在列車保護包絡(luò)范圍內(nèi)的初始狀態(tài)

特殊情況下，四開道岔因振動、手搖道岔等原因?qū)е碌啦砑炔辉诙ㄎ灰膊辉诜次?即線路上存在開向不明道岔)，此時列車保護包絡(luò)內(nèi)部存在斷鏈點，列車保護包絡(luò)的處理方式如圖5所示。

當列車保護包絡(luò)內(nèi)部存在斷鏈點時，軌旁ATP會將此特殊場景判定為非法場景，并按照如下原則予以處理：

1) 如果斷鏈點出現(xiàn)在列車頭部保護包絡(luò)修正距離或列車尾部保護包絡(luò)修正距離內(nèi)，則壓縮列車保護包絡(luò)，使列車保護包絡(luò)不直接跨越該斷鏈點。在斷鏈點的另一側(cè)創(chuàng)建新的默認列車保護包絡(luò)，以保證如果列車仍在運行，其仍能被原列車保護包絡(luò)及新創(chuàng)建的默認列車保護包絡(luò)所覆蓋，即被縮短后的列車保護包絡(luò)加上新創(chuàng)建的列車保護包絡(luò)所覆蓋的軌道區(qū)段總長度應(yīng)與斷鏈點出現(xiàn)前相等。

2) 如果斷鏈點出現(xiàn)在列車安全定位范圍內(nèi)，則認為該斷鏈點已位于列車車身內(nèi)，此時需刪除相應(yīng)列車。如果此時對應(yīng)的是通信列車保護包絡(luò)，還需將該包絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槟J列車保護包絡(luò)。

如軌旁ATP能確認在1個默認列車保護包絡(luò)范圍內(nèi)無隱藏列車，可將該默認列車保護包絡(luò)刪除。軌旁ATP判斷在1個列車保護包絡(luò)內(nèi)無列車的依據(jù)是該默認列車保護包絡(luò)覆蓋的所有備用檢測設(shè)備均報告出清。

3 結(jié)語

本文建立了統(tǒng)一的列車保護包絡(luò)模型，設(shè)計了多源信息中間件，用以解決主用檢測設(shè)備和備用檢測設(shè)備提供的列車位置信息描述不一致的問題，以及由報文傳輸延時容忍度設(shè)計帶來的定位不確定性問題和由報文異步引起的列車物理定位與邏輯定位的錯位問題，進而使得軌旁ATP核心模塊在處理列車相關(guān)信息時不需要面臨信息來源多樣、信息延時多變、報文異步導(dǎo)致列車邏輯錯位、列車狀態(tài)轉(zhuǎn)變等復(fù)雜狀況。同時，列車保護包絡(luò)模型可以保證所增加或更換的列車檢測方法(如新的測速定位傳感器或新型備用檢測設(shè)備)只影響多源信息中間件，而不影響軌旁ATP的核心模塊，由此，該模型可進一步提高整個軌旁ATP系統(tǒng)的模塊化程度、可維護性和可擴展性。