基于 UPPAAL仿真软件的CTCS-3级行车许可研究*

（上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海∥第一作者,讲师）

基于 UPPAAL仿真软件的CTCS-3级行车许可研究*

黄秀玲原萍朱文良

（上海工程技术大学城市轨道交通学院,201620,上海∥第一作者,讲师）

行车许可是列车安全运行的行车凭证,是无线闭塞中心通过与列车、联锁系统等设备的通信获得相关的信息后,生成并发送给列车,最终车载设备根据行车许可信息计算安全防护曲线,确保列车安全运行。因此,行车许可丢失或发生错误都会影响列车运行安全,而行车许可终点计算的合理性则会影响运营效率。分别分析了列车在接车、发车、区间运行等3个阶段的正常运营情况下和非正常运营情况下对行车许可的获取及采取的相应操作,然后用 UPPAAL仿真软件中的时间自动机进行仿真验证分析结果的正确性。

行车许可;无线闭塞中心;时间自动机

First-author’saddress College of Urban Railway Traffic and Transportation,Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

行 车 许 可 （Movement Authority,以 下 简 称MA）,是指列车运行的起始命令。此命令包含列车运行的距离、速度等信息,即：允许列车以多高的限速开多远。

在运营条件正常的情况下,MA是由无线闭塞中心（Radio Block Center,以下简称 RBC）发送给车载信号设备,车载设备根据获得的 MA,计算列车运行防护曲线,监控列车安全运行。MA终点受与本列车通信的 RBC控制区域内的线路参数、列车参数、闭塞方式,以及通信设备等的影响。如：移动闭塞系统和固定闭塞系统中的MA终点的计算依据不同;列车前方是否有道岔会影响 MA终点的计算;不 同 的 列 车 运 行 控 制 系 统 （Chinese Train Control System,以下间称 CTCS）级别 MA 终点的确定也不同等。因此分析在不同的条件下MA的获取,以及在故障状态下运行时正确获取 MA,对列车运行的安全性具有积极的意义。

1 CTCS-3系统中列车对 MA的接收与执行

当列车运行在 CTCS-3系统中时,列车通过车载设备向RBC发送 MA请求;RBC根据从联锁系统获得 的 信 号 授 权 （Signal Authorization,以 下 简称SA）,以及列车发送给RBC的列车位置信息,最终计算分析得到 MA,并将生成的 MA、线路参数等信息发送给列车车载设备。其中,SA包括进路类型、进路状态、降级状态、进路识别号、危险点、溜入危险等信息;列车位置信息包括本列车和前行列车发送的位置信息及列车数据等信息。列车控制车载设备根据获得的 MA终点位置、当前区间的闭塞方式、列车和线路的限速等信息,计算MA区域内的列车防护曲线,监控列车的安全运行。

当列车正常运行时,车载设备循环从RBC获得向前延伸的MA。若在当前MA范围内进路的某区段已被占用,则联锁设备向RBC发送占用消息, RBC根据该占用消息生成有条件紧急停车消息（CEM）,并发送给车载设备;车载设备根据 RBC和联锁发送的相关消息以及本列车的位置信息判断生成CEM消息的原因,并作相应的操作。当车载设备发生故障致使列车紧急停车,或因其它原因RBC向列车控制车载设备发送紧急停车消息（UEM）或者缩短行车许可（SMA）的命令,原 MA 将被中止,并按新的MA安全行车。

一般情况,MA一旦生成并且发送给列车后,列车根据该MA执行相应的操作,直到 MA结束或者超时。

2 处于不同进路中列车的MA

当列车获得 UEM信息后,需要根据列车当前所处的位置不同而采取不同的操作;而且虽然同是延伸许可,列车所处的进路不同,延伸许可也不同。因此以下分析列车在出站、区间运行、进站三个阶段中接收延伸 MA、UEM等消息后所需采取的操作。

2.1 在发车进路中列车获得的 MA

列车进入发车进路前,需经过的过程有：上电、注册到RBC、按压“启动”按钮、车载设备正式投入工作、CTC（调度集中控制系统）控制联锁办理发车进路,从而使 RBC或轨道电路向车载设备发送发车MA。

2.1.1 列车处于图1中的位置①时

若在发车进路还未办理时,发车进路中的道岔或其它站内轨道区段发生故障,此时由于列车还未得到 MA,需请示调度员,并得到调度员确认后方能发车进入发车进路。

当列车接收到发车 MA后,此时前方进路或道岔若发生故障,基于故障-安全原则,车站联锁将立即关闭出站信号机 X3,并向 RBC发送发车进路为“占用”状态;列车则接收到RBC发送的以X3信号机为目标点的CEM,并执行如下操作：

（1）通过列车的位置判断列车前端是否已经通过 X3信号机：若未通过,则“占用”状态信息是因前方轨道是处于故障状态或者是被其他列车不正常占用,此时列车需立即进行制动并停车;如果列车前端已经通过信号机X3,则表明这个“占用”状态是本列车占用该段轨道引起的（如图1中列车处于位置②时的状态）,列车将忽略该消息,继续按原来的 MA前进。

图1 列车发车行车许可示意图

（2）当发生道岔失去表示故障时,列车接收到CEM后,返回给 RBC一个确认消息;RBC收到车载设备的确认消息后,通知车站联锁发车进路的MA状态为“无行车许可”。通过计算后,列车若可以在信号机X3前停车,则停在出站信号机 X3前;若不能,则列车先越过出站信号机X3,然后,车载设备触发紧急制动;列车停车后,司机取得调度员的允许,并通过按压越行键,以目视行车（On Sight,简为OS）模式继续前进。

2.1.2 当列车处于图1中位置④时

联锁向 RBC发送发车进路（SA_121）“占用”状态信息,RBC以出站信号机Sn为目标点,向列车发送CEM,此时列车因已通过信号机Sn而继续前进,并接收到向区间延伸的MA。

2.2 区间运行的列车在不同的运营场景接收到的MA

当列车出清发车进路并进入区间区段时,当前方无道岔则RBC循环向列车发送15个闭塞分区的MA,直到列车进站;若前方15个闭塞分区内有道岔,则 MA延伸到道岔处,当列车靠近道岔并距离道岔40 s时,延伸 MA到前方15个闭塞分区处,从而避免过早将道岔纳入某列车的MA区域范围而影响整条线路的运营效率;当列车前方下一个闭塞区间含有道岔时,将其视作站内轨道区段处理。下面将分析 MA的获取,即RBC切换过程、等级转换过程,以及区间轨道非正常占用时的状态。

2.2.1 RBC 切换过程中的 MA

当同一列车运行距离超出当前RBC的管辖范围并进入下一个 RBC管辖区域时,需进行 RBC1/ RBC2切换。为使列车安全且不减速越过RBC切换边界,RBC1提供的 MA将在 RBC2管辖区域内延长一个40 s正常行驶距离（即车载设备与RBC1断开连接,并与 RBC2建立通信会话并获得新的MA的时间内的行驶距离）+ 完整制动距离的长度,并且在RBC1/RBC2切换边界前的一段距离处设置一个预切换应答器组（LTA）。当列车经过该应答器组时,车载设备向 RBC1发送列车位置, RBC1则向车载发送RBC切换命令,同时向RBC2发送移交列车预告信息和包括MA终点距离的进路请求信息,从而提前获得 RBC2区域内的 MA。并且,此时尽管列车还未进入 RBC2管辖范围,只要RBC2管辖范围内进路发生变化,MA都需要发生变化,因此 RBC2需及时将进路信息发送给RBC1,从而及时更新当前车载设备的 MA,保护列车安全运行。

2.2.2 等级转换过程中行车许可的获得

工作在CTCS-3级列车需有 CTCS-2级列车控制系统作为后备系统,并且 CTCS-3级列车控制系统与CTCS-2级系统同时运行;只是当 CTCS-3级列车控制系统设备正常时,CTCS-2级系统的数据不参与任何系统控制。因此当某列车需进行等级切换动作时,MA需发生变化。

为确保列车进入转换后的CTCS等级系统运行时能获取正确的 MA,控制列车安全运行,列车在进行等级转换前需保存线路信息、列车数据等信息。因此,在等级转换边界前设置一等级转换预告应答器组LTA。一般该应答器设置在距离切换点前20 s（车载设备与RBC通信时间+ 司机确认时间）列车走行的距离处。当列车前端通过预告应答器组LTA时,车载设备向RBC报告列车所处进路位置, RBC便可获得准确的进路信息,并向车载设备发送MA及等级转换命令。当列车通过 CTCS-2/CTCS-3级边界时,车载设备使用已保存的 MA、前方进路相关线路数据和本列车信息,计算列车运行防护曲线,从而使列车运行在安全的状态下。

2.2.3 区间轨道非正常占用情况下的 MA

如图2所示,列车在35信号点防护区段运行, MA已延伸至41信号点。此时,车载设备将忽略接收到的CEM消息,继续按原来的 MA前进;即使35 G轨道电路故障,列车仍按原 MA运行。但当出现以下两种情况的非正常占用时,该列车的 MA将发生变化。

图2 列车区间行车许可示意图

（1）若39信号点的防护区段被另一列车非正常闯入或者轨道电路故障而导致39 G进路区段为“占用”状态的情况,按照在 MA范围内的进路上只允许包含一列车的原则,此时RBC将向列车发送一个以39信号点为目标点的CEM。车载设备接收到该消息后新生成一个以39信号点为目标点的SMA,从而确保列车的安全运行。

（2）当列车在39信号点前停车后,根据运行规则,列车在信号防护点前停车2 min,司机通过按压“越行”按钮,使列车自动转入OS模式,并按固定限速40 km/h监控列车运行。列车以 OS模式越过39信号点进入39 G故障轨道区段。当列车经过参考位置应答器并到达工作正常且锁闭的41 G轨道区段时,向 RBC 报告有效的位置。当新的进路占用与列车报告位置的时间间隔在6 s以内时,并且RBC通过判断前方无其它列车后,向列车发送新的完全监控 MA,MA的终点向前延伸;否则列车将继续以OS模式驶向前方轨道区段。

2.3 在接车进路中列车获得的 MA

列车在进站过程中,接车进路中轨道区段随列车的顺序占用和出清逐段解锁,因此列车处于如图3中的4个不同的位置时所接收到的MA不同。当列车停稳计时结束后,接车进路状态无效,MA缩短到列车前端位置。

2.3.1 正常情况下的接车进路中的 MA

如图3所示,当列车在位置①时,列车已得到以出站信号机 X3为终点的 MA,并继续前进。当列车行至位置②时,RBC以进站信号机 X为目标点,向列车发送CEM。但经过判断,该CEM消息乃是由于本列车进入 X_S3区段引起的,因此列车忽略该CEM继续前行。

图3 列车接车行车许可示意图

当列车进入到位置③处时,联锁又向RBC发送进路被占用的状态信息,并且启动股道判断列车停稳计时,直到列车进入位置④,列车停车后,RBC向联锁报告列车速度为零的信息;等到计时40 s后判断列车停稳,接车股道进路被解锁,联锁向 RBC发送接车进路“无进路（No Route）”信息;RBC收到该“无进路”信号后,向列车发送到列车前端的MA,于是列车将 MA缩短至列车前端,使列车保持停车状态。

2.3.2 列车进出站过程中站内轨道故障时的 MA

当站内轨道发生故障时,由于在接发车过程中所采取的方法一致,因此,经过分析,概括了接车过程中站内轨道非正常占用和道岔失去表示情况下列车 MA的获得,并归纳如表1所示。

表1 站内轨道非正常占用/道岔失去表示情况下MA分析

3 仿真设计分析

根据分析,利用UPPAAL软件对列车在不同的状态下获得的MA,以及获得MA后的对应操作进行仿真。设计包含以下3个仿真模型的自动机网络：

System={EVC,RBC,iLock}

图4、图5、图6分别是列车车载（EVC）模型、RBC模型、联锁（iLock）模型,表2为 EVC 模型的位置、通道、函数及变量定义。通过对该自动机网络仿真得出当列车按以上原则进行操作后,列车能安全发车到进站停车。为使系统能遍历全部的结点,在设计激励条件时采用一些变量。如图4中变量signal_out是用来区分当列车获得 CEM 后是否能在信号机或道岔前制动停车：当signal_out为奇数时,认为其可以直接制动停车;当signal_out为偶数时,认为列车不能在信号机或道岔前制动停车,需继续前行越过信号机或道岔并制动停车。

图4 EVC模型

图5 RBC模型

图6 iLock模型

4 结语

MA的正确获取在列车防护曲线的正确计算以及保证列车安全运行方面发挥着重要的作用。因此,列车无论在接车、发车以及区间段中运行,都必须获得正确的 MA,确认本列车的 MA范围内无其它列车且能正常接收到下一下区段的 MA信息,否则导致列车进入错误进路或其它危险区段,从而引起列车相撞等事故。同时MA的获取需要避免列车因本列车占用轨道而误判断前方进路有其它列车存在,使列车制动,从而影响列车的正常运行和线路的运营密度。鉴于MA在列车安全运行以及轨道交通运营密度中起到的重要作用,本文以 CTCS-3级中不同状况下的列车获得的 MA为例,对不同状态下MA的获取进行了系统深入的研究分析,并用UPPAAL软件对本文的分析进行仿真,从而验证本文分析的正确性。希望这一分析对今后关于MA的研究有一定的参考意义。

［1］ 中华人民共和国铁道部科学技术司.CTCS-3级列控系统总体技术方案（V1.0）［S］.2008.

［2］ 中华人民共和国铁道部科学技术司.CTCS-3级列控系统需求功能规范（FRS）（V1.0）［S］.2008.

［3］ 中华人民共和国铁道部科学技术司.CTCS技术规范总则（暂行）［S］.2004.

［4］ 谭耿.基于 UPPAAL的 RBC系统控车流程建模分析［D］.北京：北京交通大学,2008.

Analysis of CTCS 3 Grade Driving License Based on UPPAAL Simulation Software

Huang Xiuling,Yuan Ping,Zhu Wenliang

Driving license（DL）is the guarantee for railway safe operation.To communicate with the train,the interlock system and other equipment like RBC（radio block center）will generate and send DL information to the train, the equipment on the train will calculate the safety protection curve to ensure the train operation safety.Any loss or error happens in DL will directly affect the safety of train running,and the rationality in DL terminal calculation also has impact on the operational efficiency of railway.In this paper,the acquisition of DL and the corresponding operation in the departure,receiving and section running steps when the train is in normal or abnormal operation scenarios are analyzed respectively,a time automata in UPPAAL simulation software is used to verify the result of analysis.

driving license;radio block center;timed automata

U 292

2012-10-25）