城市軌道交通線路失表道岔處列車安全防護包絡研究

左 輝

(卡斯柯信號有限公司， 610083， 成都∥工程師)

列車運行振動等原因會導致道岔密貼檢查故障，ZC(區域控制器)與聯鎖通信中斷也會導致ZC內道岔狀態未知，此時道岔的物理狀態是連通的，但有可能會被ZC判定為處于失去表示(以下簡稱“失表”)狀態[1]。列車可能通過失表的道岔,因此，ZC需要對列車可能到達的區域進行防護，以避免其他CBTC(基于通信的列車控制)列車進入該區域。具有定位信息的列車通過失表道岔時可能會失去其定位信息，故不能完全依賴列車的位置報文判定列車的位置。為此，本文提出一種失表道岔處列車安全防護的新方案，旨在保證CBTC系統安全的同時，盡量減少對采用CBTC運行模式的列車的正常運行產生影響。

本文采用列車安全防護包絡(以下簡稱“包絡”)方法對失表道岔處的列車進行安全防護。當列車可能通過失表道岔時，在列車所有可能到達的路徑上創建包絡，對列車進行防護。根據計軸或軌道電路采集的區段占用狀態，實時更新該列車包絡。當列車不可能從某路徑通過時，刪除該路徑上的列車包絡，以避免影響其他CBTC列車的正常運行。

1 列車安全防護包絡

包絡是一段軌道區域，用以描述列車可能占用的一個線路區間。任何時刻下的任何列車均應在包絡范圍之內[2]。列車的移動授權計算將包絡作為列車安全防護的重要保障，列車的移動授權不能位于其他列車的包絡范圍之內。若列車位置超出包絡范圍，可能會引起嚴重后果。

根據列車的通信狀態，包絡可分成兩類：

1) 通信列車安全防護包絡(以下簡稱“通信包絡”)：基于列車報告的位置信息對包絡進行更新，將列車車頭基于安全定位的最靠前位置作為通信包絡頭部位置，將列車車尾基于安全定位的最靠后位置作為通信包絡的尾部位置。通信包絡中有且僅有1列列車。當列車關聯1個通信包絡時，該車必須由該通信包絡完全覆蓋。不關聯通信包絡的列車不能被判定為CBTC列車，也不能計算出該車的有效移動授權。

2) 非通信列車安全防護包絡(以下簡稱“非通信包絡”)：基于計軸/軌道電路采集的區段被占用狀態對包絡進行更新，非通信包絡包括所占用計軸/軌道電路的整個區段。此外，在從占用轉為出清的計軸/軌道電路區段邊界點處，非通信包絡還應從該邊界點向占用轉出清的方向擴展1個列車懸垂距離(在計軸/軌道電路確認檢測到列車之前，列車可以在該計軸/軌道電路上運行的最大距離)。非通信包絡中可能不包含任何列車，也可能包含多列列車。當列車不關聯任何通信包絡時，該車必須由1個或多個(如列車車身跨越失表的道岔時)非通信包絡完全覆蓋。

2 失表道岔處的包絡管理

包絡會被失表道岔阻擋，但列車可以運行通過物理位置確定但狀態表示為失表的道岔，從而存在列車運行超出包絡防護的風險。為了防止該危險場景的發生，當包絡中的列車有可能通過失表道岔時，ZC將在失表道岔的另一側構建非通信包絡，以保證列車越過失表道岔后仍然處于包絡防護范圍內。失表道岔的定位和反位區段均需要構建非通信包絡。

為了提升CBTC系統的可用性，失表道岔處新構建的非通信包絡只限定在當前時刻列車可能到達的區域。對于通信包絡/非通信包絡而言，新構建的非通信包絡長度即為該通信包絡/非通信包絡被失表道岔阻擋的距離。圖1為根據通信包絡被失表道岔阻擋的距離LB構建的非通信包絡防護。

如圖1所示，當列車通過失表道岔P時，會導致道岔區域的計軸/軌道電路區段被占用，新構建的非通信包絡將根據計軸/軌道電路區段的占用狀態進行更新。如非通信包絡覆蓋的計軸/軌道電路區段均為出清狀態，該非通信包絡可被刪除，以提升CBTC系統的可用性。

圖1 在失表道岔處創建非通信包絡

3 失表道岔處包絡防護的實現方法

在線路上發生多個相鄰的道岔同時失表的情況下，列車可能的運行區域將是一個復雜的網狀結構，且對于同一個軌道區段，列車可能存在多條到達路徑。在不同路徑下，列車在該軌道區段的防護距離是不同的，ZC需根據防護的最差條件來構建非通信包絡。圖2為列車通過失表道岔P1時可能到達的路徑。

圖2 失表道岔處的多個運行路徑

如圖2所示，若ZC與聯鎖通信中斷，聯鎖管轄的所有道岔都被ZC判定為失表狀態，此時列車可能的運行區域是一個復雜的網狀圖，這對于需要實時計算包絡位置的ZC而言，其運算負擔較重。因此，此時的列車安全防護方案需要滿足以下要求：①按列車可能的運行路徑構建所有的包絡；②采用離線方式進行預計算，以減小ZC系統的在線運算負載；③盡量減小對其他正常運行列車的影響。

根據上述要求，對列車運行區域進行抽象描述：

1) 首先按照道岔的匯聚和發散方向，將該道岔描述為帶方向的矢量信息(以下簡稱“PV”)。因為非通信包絡創建的原因是包絡被失表道岔阻擋，所以提取創建非通信包絡的源道岔關聯矢量(以下簡稱“SrcPV”)。對于任意道岔，在道岔的發散端和匯聚端均應關聯各自的SrcPV。

2) 同理提取創建非通信包絡目的道岔的關聯矢量(以下簡稱“DstPV”)，將SrcPV到DstPV的路徑稱為道岔鏈路(以下簡稱“PntChain”)。各道岔鏈路的長度是確定的。

3) 對于某個DstPV，應建立與其關聯的所有SrcPV及PntChain的路徑列表(以下簡稱“SrcList”),并且允許同一個SrcPV通過不同的PntChain到達同一個DstPV(例如圖2所示的路徑1和路徑2)。這些抽象數據(DstPV、SrcList、SrcPV及PntChain)可采用離線方式進行預計算。

3.1 抽象數據的離線預計算

3.1.1 包絡被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B

包絡被失表道岔阻擋的最大距離Lmax_B用于檢查失表道岔的包絡影響范圍,其計算式為：

Lmax_B=max(Lmax_CT_B,Lmax_NCT_B)

(1)

式中：

Lmax_CT_B——通信列車通信包絡被阻擋的最大距離；

Lmax_NCT_B——非通信列車非通信包絡被阻擋的最大距離。

Lmax_CT_B為列車最大安全前端位于道岔處時通信包絡被失表道岔阻擋的最大距離，其計算式為：

(2)

式中：

vmax——列車的最大運行速度；

a——列車在最大牽引和最大坡度下的加速度；

T——列車位置報文的最大有效期(即從列車產生位置報文開始到ZC認為該位置報文失效的最大時延)。

Lmax_NCT_B為非通信列車占用岔區所在區段且車輛外側端點已位于下一個區段但列車車軸還未占用下一個區段時,非通信包絡被失表道岔阻擋的最大距離，其計算式為：

Lmax_NCT_B=Lmax_Sw_S+LT_O

(3)

式中：

Lmax_Sw_S——岔區最長區段的長度；

LT_O——列車的懸垂距離。

3.1.2 計算靜態鏈路配置數據表

以每個道岔在匯聚方向和發散方向關聯的SrcPV為基礎，遍歷所有可達鏈路，如果鏈路內的某一道岔與SrcPV關聯道岔的距離小于Lmax_B，則將該道岔在鏈路搜索方向的PV作為DstPV，在其SrcList中加入SrcPV和道岔鏈路PntChain。

從SrcPV到DstPV的靜態鏈路PntChain中，應進行如下定義：鏈路長度LS用以描述從SrcPV到DstPV的距離；鏈路道岔列表用以描述靜態鏈路包含的道岔和道岔狀態，其中,道岔狀態用以描述鏈路中對應道岔連通的位置，分為定位和反位兩種。在道岔列表中不包含SrcPV與DstPV關聯的道岔。

如圖3所示，假設岔P1到P3的距離小于Lmax_B，每個道岔關聯3個區段，假定每個區段的長度均為10 m，則從P1向P3方向構建的靜態鏈路配置數據示例如表1所示。

圖3 靜態鏈路示意圖

表1 靜態鏈路配置數據示意表

3.2 包絡的實時處理

3.2.1LB的動態更新

在ZC每個計算周期開始時，將SrcPV上記錄的LB設為0。在計算通信/非通信列車包絡時，當包絡擴展被失表道岔阻擋時，在該失表道岔對應方向的SrcPV上記錄其LB。如果一個失表道岔的定位和反位在道岔的匯聚方向上都存在包絡被阻擋的情況，則對應的SrcPV上只記錄最大的LB。

3.2.2 創建非通信包絡

ZC每個計算周期對所有的道岔狀態進行檢查。如果道岔處于失表狀態，以該道岔的匯聚方向和發散方向分別作為DstPV，檢查是否滿足創建非通信包絡條件。在滿足下列全部條件時，ZC認為SrcPV處的包絡被阻擋，需要在DstPV處創建新的包絡：

1) SrcPV阻擋了包絡的擴展。此時SrcPV關聯的道岔處于失表狀態，SrcPV上記錄的阻擋包絡擴展距離LB>0，且從靜態鏈路可達性角度判定該SrcPV可能會對DstPV產生影響(即SrcPV屬于DstPV關聯的SrcList的成員)。

2) SrcPV與DstPV間的鏈路可能連通。此時在SrcPV與DstPV間的鏈路路徑上若存在道岔(即鏈路內的道岔數大于0)，并且每個道岔都位于指定位置或處于失表狀態，則判定該鏈路可能連通；如果鏈路上不存在道岔，則直接判定該鏈路連通。

3) SrcPV上記錄的阻擋包絡擴展距離大于SrcPV與DstPV間的鏈路長度即(LB>LS)。

上述全部條件滿足時，需要在所有直接關聯DstPV的區段上創建非通信包絡，此時新創建包絡的長度LC=LB-LS,新包絡的一端覆蓋到DstPV關聯的道岔位置，另一端為從該道岔位置沿著DstPV方向搜索LC長度得到的新位置。

如果存在多個SrcPV都滿足上述全部條件，則每個SrcPV可能計算出不同的LC，此時應采用最大的LC長度來創建新包絡。

3.2.3 刪除無效的包絡

為了減少對正常運行列車的影響，當構建的包絡覆蓋區域內計軸/軌道電路區段已全部出清，則表明列車不會進入該區域，此時可將該包絡刪除。

ZC每個計算周期執行一次上文的“LB的動態更新”“創建非通信包絡”“刪除無效的包絡”3個步驟，即可實現包絡對列車通過失表道岔的防護。

4 道岔失表時包絡防護示例

以一列非通信列車通過失表道岔時的4個場景為例,說明本文提出的列車安全防護新方案。4個場景均基于以下假設:道岔P1、P3狀態為失表但其實際位置為定位，道岔P2、P4狀態為定位；列車位于非通信包絡1中，從P1向P3運行。

場景1：如圖4所示，列車未越過道岔P1，ZC在列車可能進入的道岔定位和反位區域內構建了非通信包絡2、非通信包絡3和非通信包絡4。此時因P2為定位，P2指向P4方向的區域是列車不可到達的區域，所以P2—P4鏈路上不需要創建包絡。

場景2：如圖5所示，列車通過定位道岔P1后，P1關聯的計軸/軌道電路區段出清，列車占用的區段位于非通信包絡2中，其他包絡覆蓋的區段均為出清狀態。此時保留列車可能進入的非通信包絡1和非通信包絡4，刪除圖3中的非通信包絡3(因列車不可能進入)。

圖4 非通信列車通過失表道岔場景1

圖5 非通信列車通過失表道岔場景2

場景3：如圖6所示，列車進入P3道岔區域，與P3關聯的計軸/軌道電路區段被占用，列車可能進入P3的反位區域，因此ZC新建非通信包絡5。此時因P4為定位，列車不可能通過P4，所以P4—P2鏈路上不需要創建包絡。

圖6 非通信列車通過失表道岔場景3

場景4：如圖7所示，列車出清道岔P3關聯的計軸/軌道電路區段，ZC刪除非通信包絡1、非通信包絡2及非通信包絡5。列車向前移動時，包絡住列車的非通信包絡4也跟隨移動，若列車占用的區段遠離P3，則非通信包絡4也將離開P3的關聯區段。

5 結語

從行車安全角度，使用包絡對列車進行防護是一種有效的方法。道岔失表是常見的故障，當列車可能通過失表道岔時，即時創建包絡，以覆蓋列車可能通過失表道岔后進入的區域，并根據計軸/軌道電路區段的被占用狀態推導列車的位置，動態更改包絡的覆蓋范圍。這樣,既能避免其他CBTC列車進入該區域進而引發碰撞危險，又能避免失表道岔影響范圍擴大對其他列車的正常運行造成影響。當線路上多個相鄰的道岔同時失表之后，列車可能的運行區域將是一個復雜的網狀結構，此時應對各種可能的場景進行離線預計算，用專用的配置數據將復雜的網絡結構轉為簡單的查表運算，以降低ZC的實時運算負擔。

圖7 非通信列車通過失表道岔場景4

本文所述的列車安全防護新方案已經在北京、上海等城市軌道交通項目中得以應用。實踐表明，該方案提高了CBTC系統的安全性，可有效維持城市軌道交通線路高效、有序的運營。