下一代列控系统虚拟轨道区段占用检测方法研究

刘 剑

（中国铁道科学研究院集团有限公司 科技管理部，北京 100081）

在中国列车控制系统(CTCS)的技术体系中，从CTCS-0级列控系统到CTCS-3级列控系统，轨道电路一直以来都是“不可或缺”的核心设备，负责完成列车占用检测及列车完整性检查等功能[1］。下一代列控系统的核心特征之一是采用以卫星导航为核心的多源融合定位技术实现列车自主定位，进而取代传统的基于轨道电路的被动式定位[2-4］。通过轨道电路使用的减少(甚至完全不使用)，大幅度降低轨旁的调试工作量和日常维护量，进而降低整个信号系统的生命周期成本。轨道电路被取消后，如何利用列车位置报告等信息综合计算虚拟轨道区段的占用状态，已经成为下一代列控系统需要首先研究的技术难题。

1 下一代列控系统

1.1 系统架构

CTCS技术规范仅对下一代列控系统进行了总体描述，其功能需求、系统结构、内外部接口等仍然处于研究阶段。根据研究，下一代列控系统可由列车调度集中指挥控制系统(CTC)、联锁系统、无线闭塞中心系统(RBC)、数据存储单元系统(DSU)、差分站、信号集中监测系统(CSM)等组成[5-7］。下一代列控系统结构示意图如图1所示。

在下一代列控系统中，CTC系统负责对区域内信号设备进行集中控制，对列车进行直接指挥、管理；除传统的站内联锁功能外，由于取消地面列控中心系统，联锁系统应与RBC系统共同实现区间闭塞、区间运行方向的控制功能；除行车许可等既有功能外，RBC系统新增差分信息转发、虚拟轨道区段的占用检测等功能；临时限速服务器升级为数据存储单元，通过无线移动通信系统向车载设备提供电子地图；车地间采用基于IP的通信方式，同时兼容GSM-R，LTE-R或5G等不同通信制式。

针对虚拟轨道区段，RBC系统负责根据列车位置报告实时计算区段占用状态，CTC系统负责完成虚拟轨道区段占用显示及故障情况下人工设置功能，联锁系统利用虚拟轨道区段占用状态完成联锁逻辑运算。

1.2 数据流

下一代列控系统数据流如图2所示，虚拟轨道区段的数据流变化主要体现在以下方面。

（1）根据列车位置报告实时计算虚拟轨道区段的占用状态后，RBC系统将其发送给联锁系统，用于联锁逻辑运算；同时发送给CTC系统，用于列车位置动态显示。

（2）CTC系统与RBC系统间新增虚拟轨道区段占用状态的人工设置命令信息。在列车通信超时、列车完整性丢失等故障情况下，调度员可通过CTC系统向RBC系统下达人工设置命令，将“限制性”区段变为“空闲”区段，实现故障快速恢复。

（3）RBC系统与相邻RBC系统间新增虚拟轨道区段占用状态等信息，保证列车正常通过RBC边界。

2 下一代列控系统虚拟轨道区段占用检测分析

2.1 虚拟轨道区段设置

为简化系统结构、减少日常维护量，在下一代列控系统中，轨道电路的使用将大幅减少。区间不再设置轨道电路；中间小站根据用户需求(如是否有调车作业需求)决定是否设置轨道电路；为便于日常调车等作业，大站仍设置轨道电路。

对于未设置轨道电路的站内区段，可以按照平行作业要求划分为若干虚拟区段，同时设置若干虚拟信号机；对于未设置轨道电路的区间，按照自动闭塞要求设置若干虚拟闭塞分区，同时设置若干虚拟区间信号机(室外设置标志牌，便于故障情况下的恢复)，以下将站内虚拟区段和区间虚拟闭塞分区统称为虚拟轨道区段。虚拟轨道区段设置示意图如图3所示。

图2 下一代列控系统数据流图Fig.2 Data flow diagram of next generation train control system

2.2 占用检测原理

虚拟轨道区段的占用状态可分为3种：空闲、占用、限制性(或称封锁)。空闲区段表示虚拟轨道区段内无任何列车占用；占用区段表示虚拟轨道区段内有列车占用，该列车可能是位置报告列车也可能是非位置报告列车；限制性区段表示系统无法判定虚拟轨道区段内是否有列车占用。对于限制性区段，RBC系统禁止后车的行车延伸进入该区段。只有人工干预或有位置报告的列车通过该区段后，该区段才能变为空闲区段或占用区段。

下一代列控系统中，车载设备根据应答器、速度传感器、卫星导航等多种定位方式综合计算列车当前位置，列车完整性检查由车辆自身(如动车组)或列尾装置提供。车载设备计算的列车位置报告模型仍可由估计前端、过读误差、欠读误差及列车完整性等组成。列车位置报告模型如图4所示。

当列车位置报告显示其安全位置(最大安全前端至最小安全后端之间)的任意一部分位于该虚拟轨道区段内时，RBC系统应判定该虚拟轨道区段处于“占用”状态；当RBC判定该虚拟轨道区段内既没有位置报告列车，也没有非位置报告列车时，RBC系统应将该虚拟轨道区段置于“空闲”状态。

图3 虚拟轨道区段设置示意图Fig.3 Schematic diagram of virtual track section layout

2.3 占用状态检测方法

针对正常工况和故障工况下典型场景，分析虚拟轨道区段占用状态检测方法。

2.3.1 正常工况下虚拟轨道区段占用状态检测

（1）RBC系统重启。RBC系统重启后，调度员在CTC上点击“系统初始化”，RBC系统开始初始化进程。对于轨道电路区段(或计轴区段)，RBC系统根据轨道电路(或计轴区段)的占用状态将该区段直接置为“空闲”或“占用”；对于虚拟轨道区段，若有位置报告表明该列车占用了该区段，则RBC系统将该虚拟轨道区段置为“占用”，否则将该虚拟轨道区段置为“限制性”。处于“限制性”状态的虚拟轨道区段，可以通过人工设置或位置报告列车通过2种方式将该区段转为“空闲”或“占用”。

当现场作业人员确认该虚拟轨道区段无列车占用时，调度员可在CTC上选择该虚拟轨道区段，将该区段占用状态置为“空闲”；若确认该虚拟轨道区段有列车占用时，调度员可在CTC上选择该虚拟轨道区段，将该区段占用状态置为“占用”。当RBC系统判定有位置报告列车正在占用“限制性”虚拟轨道区段时，人工设置命令无法将该区段置为“空闲”。鉴于虚拟轨道区段占用状态的人工设置命令为“安全”命令，因而CTC系统与RBC系统间应仿照临时限速命令，采用“二次确认”方式来提高系统的整体安全性。

图4 列车位置报告模型Fig.4 Train location reporting model

当位置报告列车(车头无隐藏列车)进入“限制性”虚拟轨道区段时，RBC系统将该区段自动置为“占用”区段；当位置报告列车(车尾无隐藏列车)出清“限制性”虚拟轨道区段后，RBC系统将该区段自动置为“空闲”区段。

（2）列车正常升级出站。初始状态：尚未定位的非位置报告列车停在股道(虚拟轨道区段)。CTC排列出站进路后，出站虚拟信号机开放允许信号，调度员通知司机正常发车；通过列车运行前方的第一组应答器(位于股道上)，列车成功定位，车载设备向RBC系统发送位置报告；收到位置报告时，若列车运行前方的下一轨道区段空闲(无论是否为虚拟轨道区段)，则RBC系统将向车载设备发送“人工确认请求”信息，车载设备通过DMI向司机进行提示；当司机目视判定列车车头至下一轨道区段的入口间无隐藏列车占用时，司机按压确认按钮，车载设备向RBC系统返回“确认”信息；收到“确认”信息后，RBC系统向车载设备发送行车许可，列车转入完全模式正常运行。

（3）位置报告列车正常通过虚拟轨道区段。当位置报告列车的最大安全前端压入空闲的虚拟轨道区段时，RBC系统应将该虚拟轨道区段占用状态“空闲”置为“占用”；当位置报告列车的最小安全后端驶出该虚拟轨道区段时，RBC系统应将该虚拟轨道区段占用状态由“占用”置为“空闲”。

2.3.2 故障工况下虚拟轨道区段占用状态检测

（1）列车通信超时与恢复。当列车通信超时时，其原位置报告所在虚拟轨道区段向两端延伸，直至空闲的轨道电路区段或位置报告列车，两者之间的所有虚拟轨道区段全部置为“限制性”区段。当列车通信恢复时，其最小安全前端与最大安全后端间的所有虚拟轨道区段全部置为“占用”区段，其余区段仍保持“限制性”区段。

（2）列车完整性丢失与恢复。当列车完整性丢失时，最大安全前端所在虚拟轨道区段保持“占用”状态；其原位置报告所在最小安全后端向后延伸，直至空闲的轨道电路区段或位置报告列车，“占用”区段与该位置之间所在的所有虚拟轨道区段全部置为“限制性”区段。当列车完整性恢复时，最大安全前端与最小安全后端之间所在的虚拟轨道区段置为“占用”状态，其余区段仍为“限制性”区段，可通过人工设置或后续报告列车通过将这些“限制性”区段转为“空闲”或“占用”状态。

（3）RBC与联锁系统通信中断与恢复。当RBC系统与联锁系统通信中断时，RBC系统将联锁系统管辖范围内的所有轨道电路区段和虚拟轨道电路均置为“限制性”区段。当RBC系统与联锁系统通信恢复时，RBC系统将联锁系统管辖范围内的所有虚拟轨道电路保持“限制性”区段；对于轨道电路区段，根据轨道电路的占用状态置为“空闲”或“占用”。

（4）RBC与相邻RBC系统通信中断与恢复。当RBC系统与相邻RBC系统通信中断时，RBC系统将边界虚拟轨道区段占用状态置为“限制性”，向非边界方向延伸，直至空闲的轨道电路区段或位置报告列车，两者之间的所有虚拟轨道区段全部置为“限制性”区段。当RBC系统与相邻RBC系统通信恢复时，RBC系统将所有虚拟轨道区段占用状态保持“限制性”区段，可通过人工设置或后续报告列车通过将这些“限制性”区段转为“空闲”或“占用”状态。

3 结束语

作为CTCS技术体系的重要组成部分，下一代列控系统是中国列车控制系统未来的发展方向。随着北斗定位导航、联锁列控一体化、基于IP方式的车－地无线通信等核心关键技术的不断成熟，下一代列控系统的技术方案将逐步完善，预计会率先在西部铁路或货运线路上应用[8］。下一代列控系统虚拟轨道区段占用检测方法的研究，解决了轨道电路取消后地面信号系统无法对列车进行追踪的问题，有助于加快完善下一代列控系统的整体解决方案。由于虚拟轨道区段占用检测事关行车安全，还应进一步结合下一代列控系统整体技术方案，不断优化和完善。