时空地图在列控系统中应用的可能性探讨

◎徐志洪

一、引言

列控系统是对列车运行全过程或一部分作业实现自动控制的行车系统。其核心部分是列车运行速度的安全控制。

当前CTCS-2 级和CTCS-3 级列控系统在国内客运专线和高速铁路中得到了广泛运用，两者都是在参照欧洲标准的基础上采用先引进吸收再创新而形成的。而且都由车载设备与地面信号设备共同组成的列车运行控制系统，是地面联锁向车载设备的延伸。整个系统的高效、安全运行与通信的实时性、信息的准确完整性紧密相关；通信技术是列控信号技术的骨架支撑。

二、当前列控系统面临的问题

1.轨道电路故障占用和占用丢失。

轨道电路是列控系统的关键组成设备，其可靠性对运输安全显得格外重要。但在实际运用和维护中，因为众多内、外因素制约，常会造成故障占用（飞车）和占用丢失（失去分路），轻者影响效率，重者酿成事故。故障占用和占用丢失已成为影响行车安全和运输效率的两大顽疾。目前采取的防护措施是在站内三点检查的基础上，普遍增加区间逻辑三点检查功能，以期对行车安全有所补强。但随着列车进一步提速、节能环保和列车车辆轻质化，轨道电路占用丢失的机率会进一步增加。

2.通信超时和故障问题。

针对CTCS-2 和CTCS-3 列控系统，广泛应用了GSM-R 技术，尤其是CTCS-3 列控系统，是基于GSM-R 无线通信网络的车-地信息双向传输的系统。对通信的实时性要求更加突出，C3 无线超时就是指车载ATP 或地面RBC 中心在20s 内没有收到对方发来的数据。通信超时和故障问题会引起列控系统降级或制动、停车，而且通信干扰和场强覆盖都需要不间断监控。通信超时和故障问题难以根除。

三、时空地图的引入和以自主运行为核心的新型列控系统探讨

时空是空间与时间的简略集合名词，属于四维时间-空间，即四维时空。时空地图是由一维时间和三维空间的组成的，用于标识某一时间某一物体的空间位置。物质的运动构建了时空，任何事物都处于一定的时空之中，这种时空是四维的时空。物体定位可以用以空间三维坐标和一维时间确定的四维时空坐标系中的四维坐标确定。

1.时空地图引入列控系统的设想。

列车无论停在车站，还是运行在线路上，都可以使用四维时空坐标系中的点或线段来定位或标识。同一时间，如果两列车在同一空间点汇合，就意味着它们发生冲撞事故。为确保列车运行和停车安全，就必须从根本上保证两列车在四维时空坐标系中的位置不能重合，且必须有一定的空间间隔。所以，针对CTCS-2 和CTCS-3 列控系统过分依赖轨道电路控车和通信实时性要求高的问题，新系统控制不再使用轨道电路作为联锁要件，而是将列车运行图转换成四维时空坐标系中列车的位置信息。同时为减少通信超时对列控系统的影响，更多的使用了车载与轨旁设备的近距离无线联络，也不再使用无线闭塞中心RBC 设备。

2.以自主运行为核心的新型列控系统探讨。

新型列控系统建立在四维时空地图基础上。该地图是列车安全运行的重要参照和蓝本。它是根据线路参数和既有运行图相结合后制作的，可以动态绘制出列车的理想运行痕迹。每列车的车载设备界面显示按调度计划运行图转换成四维时空图，并按运行图的时间在图中标识出列车的实际和理想运行轨迹。列车运行采取实际位置追踪计划位置的机制自主完成速度控制。理论上要求列车实时位置与计划位置时的理想坐标相一致。当有临时限速命令下达或有外界影响时，要求列车按限制速度曲线运行。

正常情况下，列车按分散自主运行，各列车间互不关联，对外除向车站和调度中心发送位置、速度信息外，系统设备基本处于休眠状态，这就大大减轻无线通信的负荷。

3.异常情况下的调整和安全保障。

（1）可靠的列车定位系统。列车的空间位置需要连续、准确的定位系统来保障。新型列控系统采用了多种定位方式互补。用轨旁设备定位、列车自身定位和采用GPS 定位等多种方式。拟以列车车载测速单元或雷达获取连续定位信息为基础，并通过选路上定制安装的轨旁设备将列车的定位数据进行间隔准确校正，保证定位信息精度。各定位方式获取的数据在允许误差范围内并行工作，系统优先使用车载定位信息，防止隧道等不良状况造车定位中断或较大偏差。

（2）列车运行速度的控制和调整。行车安全与运行速度息息相关。最大允许速度既接受铁路线路、机车车辆等固定参数制约，又受到环境（风、雨、沙、雪、地震）和临时限速等随机参数限制。固定参数可以车载上事前储备，随机参数只能来自轨旁设备或无线通信。车载设备根据两种约束条件按最严格约束确定列车准许速度。

（3）列车运行速度控制方式的转变。为了减少通信延时和中断对列控系统的影响。新型列控系统采用模糊控制方式进行列车速度管理，列车位置比照位置时间地图的计划位置追踪运行，可实现自动、自主驾驶。

（4）列车晚点或异常处理。本务车的车载设备实时下载保存前后车辆在时间地图的实际位置信息，时刻保持与它们的通信链路正常（但不发生联络或呼叫）。当本车出现异常状况且实际运行轨迹超出时空地图计划位置容许误差，本列车晚点会超出一定范围而可能影响后续列车正常运行时，需及时与前、后车取得联系，实现前后列车间车车直接关联，并及时建立与地面相邻车站和调度中心的实时链接。开启实时通信，启动车车联控的模式，依据实际空间距离按移动闭塞制式紧追踪运行。

四、结束语

时空地图引入运行速度控制，开发以四维时空地图为基本参考和自主运行的新型列控系统，是对目前基于轨道电路和无线通信列控系统的一种颠覆。基于四维时空地图跟踪的自主型列控系统正是应用传统信号基础理论、时空地图和先进定位技术构建新列控的有益探索。新系统不再像传统列控一样存在区分普速或高铁、控制制式切换等复杂问题，由实时精准控制改为自主模糊控制。信号系统轨旁设备更具有了广域适应性，系统通用性和扩展性也会更好。因为有效避开了轨道分路不良的干扰，还特别满足偏远地区、恶劣环境等各种不同速度和线路等级的实际应用需求。