CBTC系统混跑模式中的移动授权计算

陈雁冰

*中铁第五勘察设计院集团有限公司 助理工程师，100026 北京

移动授权 (MA)是指列车按照给定的运行方向，被授权进入和通过一个特定的轨道区段。移动授权在每一个通信周期前由区域控制器 (ZC)签发和监督。车载控制器 (CC)执行移动授权，以维持安全的列车间隔，并通过联锁提供防护。当前主流的CBTC系统均能支持CBTC和非CBTC列车同时在线路上混合运行，允许一辆移动闭塞列车(CBTC列车)安全地跟随一辆固定闭塞列车 (故障CBTC列车、未装备车载设备的列车或者维修服务车)运行。为此将轨道区段分为固定闭塞区段、移动闭塞区段和出清区段。移动闭塞的轨道区段只对CBTC列车有效;固定闭塞的轨道区段将限制后续CBTC列车的移动授权，通过为固定闭塞轨道区段设置安全零速限制来完成，位于固定闭塞轨道区段中的任何CBTC列车，不能以ATP和ATO模式运行。

1 冲突点定义

ZC子系统在每个处理周期计算列车移动授权限制，并发送给列车。ZC通过搜索当前行车方向上列车前方的下一个有效冲突点来计算移动授权。搜索是从列车虚拟占用的尾端开始，这样可包括列车的全部有效冲突点。冲突点包括:前方CBTC列车虚拟占用尾端、固定闭塞轨道区段、进路凭证未开放的信号机、未锁闭或失去表示的道岔、线路终点、相反的行车方向、紧急停车按钮按下的站台区域、站台扣车按钮按下的站台区域、屏蔽门非计划打开的站台区域等。如果没有发现冲突点，列车移动授权将限制到15个区段，或者通过CC动态计算出一个最大距离。

2 列车筛选

如图1所示，CBTC列车追踪过程中，如果前后方列车均通信中断或失去完整性，之后后车又恢复通信，ZC无法精确追踪前车位置，不能判断计轴区段T2是否仅有一辆CBTC列车占用，可能在CBTC列车的前方还有一辆非CBTC列车 (或失去通信列车)或者一节脱钩的车厢。图1中，在后车恢复通信之后，如果不经任何处理就直接向前计算移动授权，很可能忽略失去通信的前方列车，而前车正是移动授权计算中距离当前列车最近的一个冲突点，这会影响系统的安全性。所以，在ZC子系统中，设计了一个列车筛选的算法用于判断一个区段中在一辆CBTC列车的前方或后方是否隐藏了一节或一辆其他车辆。列车筛选的结果将作为区段闭塞转换的一个重要输入。

筛选过程在于对比以下两者的距离:列车的方位和区段入口限制。具体的筛选过程是由司机以RM模式驾驶列车完成的。

对于已经定位的列车，在接近或者离去一个计轴分界点时，如果距离相邻区段小于最小列车长度，并且相邻区段空闲，那么此列车可以确定在其两端没有隐藏其他车辆。如果距离相邻区段大于最小列车长度或相邻区间占用，那么此列车仍无法判断是否在其车头或车尾隐藏了其他车辆，需要根据相邻距离继续判断，直至筛选通过。

图1 通信故障列车追踪图

根据经验，列车在以下情况需要进行列车筛选过程:①前方列车失去通信或失去完整性，与其处于同一轨道区段的后方列车，进行车头筛选;②后方列车失去通信或失去完整性，与其处于同一轨道区段的前方列车，进行车尾筛选;③如果没有与其处于同一区段的前方列车，如果故障列车行驶方向的前一区段存在CBTC列车，进行车尾筛选;④恢复通信或恢复完整性的列车;⑤意外闯入固定闭塞区段的列车。

在列车筛选过程中，ZC根据以上条件为CBTC列车设置车头或车尾未知障碍标志;如果某一列车具有车头或车尾未知障碍标志，则进入一个列车筛选流程，直至列车距离区段入口或出口距离小于最小列车长度，筛选通过，清除未知障碍标志。

3 区段闭塞转换

3.1 区段闭塞属性

轨道区段占用状态信息从CBI传到ZC，占用状态数据由CBI根据被考虑对象的实际状态来决定，不需要进行逻辑处理。ZC基于CBI所传的占用数据和当前的其他轨道状态来决定轨道区段状态。

1．空闲 (U)——CBI传递空闲状态到 ZC，不需要进一步处理。

2．移动闭塞 (MB)——CBI传递占用状态到ZC。如果经验证只有CBTC列车占用轨道区段，那么轨道区段状态为移动闭塞状态。

3．固定闭塞 (FB)——CBI传递占用状态到ZC。如果轨道区段被占用且不是移动闭塞状态，那么默认为轨道区段为固定闭塞。

3.2 区段闭塞转换

在正常的系统运行情况下，列车经过初始化以后，将会从车辆段进入系统，并进入有效的轨道区段。此列车仍会处在移动闭塞轨道区段，在正线上运行。

非CBTC列车 (即故障车或来自其他线的列车)进入正线要通过司机根据信号灯行驶。这种情况下列车只能进入未占用的轨道区段，轨道区段会处在固定闭塞状态。因此列车将会在一个占用的轨道区段限界的保护区域内运行。

ZC连续检查移动闭塞轨道区段的有效性，以下几种情况可以触发移动闭塞区段转为固定闭塞状态:①遍历线路数据库中的所有轨道区段，若本区段上的CBTC列车存在车头或车尾未知障碍标志，且该列车的虚拟占用最大或最小位置已在该区段上时，将设置区段的闭塞属性为固定闭塞;②遍历线路数据库中的所有轨道区段，若本区段上的CBTC列车通信状态由正常转为通信丢失，将设置区段的闭塞属性为固定闭塞;③如果进路方向是出正线，在转换轨上通过ZC将列车自动从列车数据库中移除，例如，当列车到达转换轨，从正线向车辆段运行时，此列车将从CBTC系统中移除，不需要任何操作员人工输入，提供移动闭塞保护的冲突点也将被移除，转换轨道区段为固定闭塞;④如果与相邻ZC或CBI的通信故障，将设置此区域内所有的轨道区段为安全默认值，即固定闭塞;⑤ZC命令至少一辆车不断地报告其在移动闭塞轨道区段内的行迹，这样当一个轨道区段仍然显示占用，即使所有的CBTC列车已经出清此区段 (比如，故障占用)，ZC仍将该区段从移动闭塞变为固定闭塞;⑥每当固定闭塞区段转换为空闲时，ZC检查此转换是否符合目前的运行方向和相邻轨道区段的状态，如果检测到任何不合逻辑的转换 (非CBTC列车可能已经驶入此轨道区段)，ZC将相邻的移动闭塞轨道区段设置为固定闭塞。

ZC在以下情况将固定闭塞设置为移动闭塞:①遍历所有轨道区段中CBTC列车的车头车尾未知障碍属性。②若本区段上无CBTC列车，则继续设置该区段属性为固定闭塞。③若存在CBTC列车，判断是否符合以下条件，一是如果该列车虚拟闭塞的最大位置在该区段上，则要求列车的车头无未知障碍标志;二是如果该列车的虚拟占用的最小位置在该区段上，则要求列车的车尾无未知障碍标志。若符合以上条件，则将区段的闭塞属性设置为移动闭塞。

ZC在以下情况将新的占用设置为移动闭塞:若当前获得的区段占用状态由出清转为占用，判断占用该区段的列车属性，若此时仅有CBTC列车占用该区段，且该区段有一个相邻的移动闭塞区段，则将区段属性设置为移动闭塞。

ZC在以下情况将新的占用设置为固定闭塞:①若当前获得的区段占用状态由出清转为占用，判断占用该区段的列车属性，若此时没有CBTC列车占用该区段，且该区段有一个相邻的固定闭塞区段，则将区段属性设置为固定闭塞;②若当前获得的区段占用状态由出清转为占用，并且该区段不能成功转换为移动闭塞区段，将该区段属性设置为固定闭塞。

ZC在以下情况将轨道区段的状态设置为出清:获得区段的占用状态，若区段当前为空闲状态，则清除该区段的闭塞属性;否则，保持其原来的闭塞属性。

轨道区段闭塞属性状态转换图见图2。

图2 闭塞状态转换图

4 移动授权计算

4.1 CBTC列车跟随非CBTC列车

当一列CBTC列车追踪一列非CBTC列车时，如图3所示，CBTC列车的MA计算过程如下。

图3 MA计算CBTC列车跟随非CBTC列车

1．CBTC列车的MA延伸到前车所占用的轨道区段的尾端;T1为移动闭塞区段;T2为固定闭塞区段。

2．非CBCT列车通过绿灯并且受固定闭塞区段的保护;CBTC列车MA延伸至前车固定闭塞区段的始端。

3．非CBTC出清站间区段，CBTC列车的移动授权延伸到新的固定闭塞区段的边界。

4.2 前车发生可恢复故障

前车发生可恢复通信故障时，两车的MA计算过程如下，如图4所示。

图4 MA计算前车可恢复通信故障

2．前车发生通信故障，后车MA回撤到最大车头位置。

3．前车在中心调度员确认下一站空闲的情况下，以RM模式向前运行。

4．当前车虚拟闭塞占用站台区段时，前车恢复通信，但此时不能直接恢复到自动驾驶AM模式;前车车头置未知障碍标志，并启动该列车车头的筛选过程。

5．当前车以人工驾驶RM模式行驶到距离站台区段足够小的时候 (即S1＜MinTrainLen)，并且站台区段空闲，转为AM模式行驶;MA延伸到T4区段出口处;T3转换为移动闭塞区段。

6．后车在中心调度员确认下一站空闲的情况下以RM模式向前运行。

7．当后车虚拟闭塞最大位置距离T2区段出口距离足够小的时候 (即S2＜MinTrainLen)，并且站台区段空闲，转为AM模式行驶;MA延伸到出站信号机;T2转换为移动闭塞区段。

4.3 前车发生不可恢复故障

前车发生不可恢复通信故障时，后车MA延伸过程如图5所示。

图5 MA计算前车不可恢复通信故障

1．前后车通信完好，追踪运行，后车MA延伸到前车车尾;前车MA延伸到出站信号机。

基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台，建立了电力系统模型，分别对电力系统输电线路发生三相短路以及误同期合闸进行了仿真计算，并分析了三相短路和误同期合闸对电力系统的影响．该研究为电气设备的选型、线路保护配置确定提供了理论依据，对电网初期设计和后期启动调试具有重要参考价值．

2．前车发生通信故障，后车MA回撤到最大车头位置;故障列车切换成RM模式驶入下一站。

3．由于后车车头与前车处于同一区段，后车车头置未知障碍标志，T2转为固定闭塞区段。

4．故障列车在受限人工驾驶模式下按地面信号指示前进，直至完全驶出车站。

5．后车在确认下一车站空闲后才能以RM模式行驶，直到距离站台区段入口处足够小的时候(即S＜MinTrainLen)，此时前方列车出清站台区段，后车收到延伸至出站信号机的MA，转为AM模式行驶。

6．当故障列车发生故障前虚拟占用涵盖的计轴区段空闲时，ZC从数据库中移除故障列车的信息。

4.4 后车发生不可恢复故障

后车发生不可恢复通信故障时，前车的MA计算过程如下，见图6。

1．前后车通信完好，追踪运行，后车MA延伸到前车车尾;前车MA延伸到出站信号机。

2．后车发生通信故障，前车MA回撤到最大车头位置;前车置车尾未知障碍标志。

3．由于前车车尾有未知障碍标志，并且后车车头虚拟闭塞已经占用T2区段，所以T2转换为固定闭塞区段;此时由于前车位于T2区段，前车置车头未知障碍标志。

图6 MA计算后车不可恢复通信故障

4．前车以RM模式按地面信号指示前进，当其距离站台区段出口足够近的时候 (即S1＜MinT-rainLen)，车头筛选通过，清除其车头未知障碍标志。

5．前车驶入T4区段，当其车尾距离站台区段出口足够近的时候 (即S2＜MinTrainLen)，车尾筛选通过;清除其车尾未知障碍标志。

6．由于前车车头和车尾均无未知障碍标志，T4转换为移动闭塞区段;前车恢复到AM模式继续行驶。

7．由于后车通信一直没有恢复，以RM模式按地面信号指示前进，ZC采用固定闭塞保证安全。

5 结束语

移动授权计算是CBTC系统的核心功能之一，具有SIL4级别的安全完整性。混跑模式中的移动授权计算是该功能的难点。本文设计了一套列车筛选—区段闭塞状态转换—移动授权计算的方法，建立了该过程中需要的一套操作规则，解决了混跑模式中的移动授权计算问题，对提高CBTC系统的安全性和运营效率具有一定的现实意义。

［1］ IEEE Std 1474.1-1999，IEEE Standard for Communications-Based Train Control CBTC Performance and Functional Requirements［S］．1999．

［2］ IEEE Std 1474.3-2003，IEEE Recommended Practice for Communications-Based Train Control(CBTC)System Design and Functional Allocations［S］．2003．

［3］ USSI．深圳2号线技术投标文件．

［4］ 西门子广州市轨道交通四、五号线信号系统技术规格书．