长沙地铁CBTC混跑模式下列车跟踪的设计与实现

郭 戬 张德明 魏元玲 杜时勇

目前主流的CBTC系统都支持CBTC列车和非CBTC列车混跑的模式，ATS子系统作为调度人员与整个CBTC系统的重要人机接口，必须能够可靠地识别和跟踪线上运营的所有列车。对于ATS，列车分为有精确位置报告的列车 (通信车)和没有位置报告的列车 (非通信车)。通信车一定是CBTC列车;非通信车可能是非CBTC列车，也可能是通信故障的CBTC列车。

1 ATS跟踪列车的传统方法

1.从联锁子系统获取逻辑区段的占用状态，可以定位列车在某个逻辑区段上，依据区段占用顺序步进跟踪列车。这种方法的优点是不用区分通信车和非通信车，跟踪逻辑简单。缺点是列车的精确位置和运用驾驶台方向 (以下简称“车头方向”)无法得知。

2.从ATP子系统获取全部列车的位置报告，对于CBTC列车，包含车载设备ID、车头方向、车头位置坐标和车长等信息;对于非CBTC列车，只能提供其占用的计轴区段，而无法提供列车的准确数目和身份标识，需要ATS识别计算。

在长沙地铁2号线，联锁系统只向ATS提供计轴区段的占用状态，而没有提供逻辑区段的占用状态。由于允许多个CBTC列车驶入同一个计轴区段，所以单纯依靠区段占用状态来跟踪列车是不可靠的;由于ATP系统不提供非CBTC列车位置，因此ATS只依靠联锁，或者只依靠ATP都不能完整可靠地跟踪列车。

2 利用联锁和ATP输入信息的跟踪列车方法

根据长沙地铁2号线信号系统的实际情况，铁科院ATS系统采用了一种利用联锁和ATP输入信息的跟踪列车方法。

1.利用ATP的列车位置报告跟踪通信车。这样相对于利用区段占用状态定位列车更为精确，而且跟踪可以不受计轴设备故障的影响。

2.利用联锁的区段占用信息跟踪非通信车。对于通信故障列车或非CBTC装备列车 (如工程车、救援车等)，仍需依靠区段占用状态进行跟踪。

3.综合利用上述2种跟踪方式，实现通信车降级为非通信车、非通信车升级为通信车的无缝衔接跟踪。

2.1 通信车的跟踪

ATS依据通信车位置报告中的信息进行定位跟踪，主要需要4个数据:车头方向、车头所处的区段、车头所处区段的位置和列车长度。对于道岔上的列车可能还需要从联锁中获取道岔位置状态。

不同厂家ATP的列车位置报告包含的信息内容和格式各不相同，需要提取计算出这4个必要数据。其中:车头方向和列车长度通常在位置报告中直接提供;车头所处区段通过ATP区段 (或坐标)到ATS区段的映射计算得出;车头所处区段的位置是在计算出车头所处ATS区段后，通过位置映射计算得出。

如果ATP对道岔区段按道岔走向进行划分，则ATS根据ATP区段就可以得知列车在道岔上的位置，可以不依赖联锁提供的道岔位置状态。

长沙地铁2号线ATP提供给ATS的列车位置报告中包括:车头方向、车头相对于某个参照位置应答器的坐标 (包括应答器ID和偏移量)、列车长度，以及列车行驶方向、运行模式等其他非定位用途的状态信息。由于其中并没有可以识别道岔位置的有效信息，因此需要从联锁获取。

应答器参照坐标的映射转换需要以下静态数据:①各应答器所处的区段和位置;②各区段的长度;③各区段的连接关系。定位算法中，应考虑某个区段没有铺设参考位置应答器的情况，可使用递归搜索方法，结合道岔位置状态搜索相邻区段。

以图1为例示意列车定位方法。

图1 通信车定位示意

应答器所处区段和位置:APR3处于P3岔前，与P3岔前计轴分割点距离为A3;区段T1长度为LT1，P1反位区段总长为LP1R，P3定位区段总长为LP31N。

区段连接关系:T1右端接P1岔前，P1反位接P3定位。

联锁输入状态:道岔P1处于反位，P3处于定位。

列车位置报告数据:应答器ID为03，车头方向为应答器左方，车头距离应答器偏移量为Oapr，列车长度为Lt。

通过递归的方式定位车头所处区段:

Oapr＞(LP3N-A3)⇒车头不在P3上，继续查找相邻的P1反位区段;

Oapr＞LP1R+(LP3N-A3)⇒车头不在P1上，继续查找相邻的T1区段;

Oapr≤LT1+LP1R+(LP3N-A3)⇒车头在T1区段上。

由此认为车头处于T1上。根据下面的公式可以得出车头在T1的位置:

OFFSET=Oapr-［LP1R+(LP3N-A3)］

用同样的算法根据车头位置和列车长度Lt反推，可以得出列车车尾位置及其占用的全部区段。将这些区段标记为有CBTC车占用，用以辅助非通信车的识别。

ATS在每列车接收到位置报告时要记录接收的时间。ATS周期检测每列通信车最后一次接收到位置报告的时间，超过一定时间没有接收，就认为列车通信中断。这个时间阈值由ATP性能决定，是在ATP与ATS接口通信正常情况下，ATP无法向ATS提供一列车位置报告的最长极限时间值。长沙地铁2号线判断列车通信中断的时间值是20 s。

2.2 非通信车的跟踪

ATS根据区段占用信息对非通信车进行跟踪，其关键是对非通信车的准确识别。长沙地铁2号线运营时段的运用列车，绝大多数都是CBTC列车，少数情况下出现通信故障列车或非CBTC装备列车上线，因此要尽量保证不重复或错误识别非通信车。

非通信车识别的3个条件:①区段处于计轴占用状态，且区段没有CBTC车占用;②区段处于计轴占用状态后，持续一段时间仍没有CBTC车占用;③非折返线、转换轨等尽头区段，有通信车通信中断证据，或相邻区段存在已识别的非通信车。

第1个条件是识别非通信车的基本前提。正常情况下，CBTC车和非CBTC车不允许进入同一个计轴区段。

第2个条件是防止重复识别，考虑联锁输入的区段占用状态可能早于ATP输入的列车位置报告的情况。长沙2号线判断时间为2 s。

第3个条件是防止错误识别，考虑计轴故障的情况，在相邻区段没有占用的情况下，除非是线路的尽头区段，否则某个区段不会凭空被一列车占用。

考虑到系统自动识别非通信车的功能可能会发生遗漏或错误识别，长沙2号线ATS系统提供了人工标记、删除非通信车的功能。调度指挥人员可以在有权限的ATS人机交互界面上进行操作。

ATS依据区段占用顺序步进跟踪非通信车，因此只需要各区段的连接关系与通信车跟踪所需要的静态数据一致，就可以确定列车运行方向 (不一定是车头方向，有退行或静止换端的可能)。以图2为例示意非通信车的跟踪方法。

区段连接关系:T1右端接P1岔前，P1反位接P3定位。

联锁输入状态:道岔P1处于反位且区段占用，P3处于定位且区段占用，T1区段由空闲变为占用状态。

如果在P1道岔区段没有已经识别的非通信车，则根据非通信车识别条件，判断是否注册一个新的非通信车;如果在P1道岔区段存在已经识别的非通信车，如图2下半部分所示，则将该列车跟踪到T1区段，运行方向为左方。

图2 非通信车跟踪示意

非通信车在没有占用任何区段的情况下被注销;或者接收到ATP列车位置报告，在非通信车占用区段上有通信车注册时，如该非通信车与新注册通信车的车组号一致，或该非通信车车组号无效(无法识别)，则注销该非通信车。

2.3 通信车与非通信车的转换

在实际运营过程中要考虑通信车和非通信车的无缝切换跟踪。列车通信状态的变化，通常发生在列车人工换端重启车载设备的过程中。备用列车出段后到达某一中间站的泊车线关电待命，也会从通信车降级为非通信车，有任务时加电启动又会升级为通信车;同时也存在因设备故障、恢复，导致列车通信状态发生变化的情况。

在ATS将通信车注销后，如其所在区段没有出清仍为计轴占用状态，则ATS的非通信车识别逻辑会在这些区段上识别出一个非通信车，实现通信车降级为非通信车的替代过程。图3中左侧为通信车的注销流程，右侧为非通信车的识别跟踪流程，两侧结合并由加粗箭头的走向描述了通信车降级为非通信车的过程。

在ATS注册一个新通信车之前，如其所占用的区段有车组号相同或无法识别车组号的非通信车，则先将该非通信车注销，再注册新通信车，实现非通信车升级为通信车的替代过程。图4为通信车的识别跟踪流程，其中加粗箭头描述了非通信车升级为通信车的过程。

图3 通信车降级为非通信车过程

图4 非通信车升级为通信车过程

上述转换方案在列车静止或低速状态下发生通信状态变化时，可以保证ATS对列车的不间断跟踪。在长沙地铁2号线试运行期间，发现列车在通信状态发生变化的同时，运行到了新的区段，这样会导致列车通信中断被注销后，无法继续识别跟踪降级后的非通信车;或者列车恢复通信时不能及时注销原非通信车，造成识别重复的情况。为解决上述问题，在识别非通信车时验证区段有无通信车通信中断证据，注册通信车前检查区段上有无非通信车的同时，检查其相邻区段有无通信车通信中断或有无非通信车，这样就可以保证列车在通信状态改变同时发生跨区段的情况下，更可靠地连续跟踪。

3 总结

ATS是负责城市轨道交通列车监督和调度指挥的重要系统，列车跟踪功能则是ATS系统的重要基础功能，列车跟踪正确是ATS系统其他主要功能如自动进路、运行调整等正常运行的前提。铁科院ATS系统根据长沙地铁2号线ATP、联锁的接口功能特性，制定了可靠灵活的列车跟踪方法，支持CBTC列车和非CBTC列车混跑模式下的列车跟踪;对于ATS系统国产化、兼容适应国内外其他信号系统具有借鉴意义。本文所述列车跟踪方法已在长沙地铁2号线运用，ATS列车监控功能自动化程度高，效果良好。

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