列车安全防护包络对CBTC列车影响的研究

石晓雯

(南宁轨道交通集团有限责任公司,南宁 530000)

1 概述

CBTC系统，通过列车自动监控（ATS）系统、列车自动控制（ATC）系统、计算机联锁（CBI）系统等子系统协同工作，实现以移动闭塞为原则，连续车—地双向数据通信的安全可靠的列车自动控制。

其中，列车安全防护包络的计算逻辑是ATC系统的关键技术之一，列车安全防护包络的长度直接影响CBTC列车的安全运行。列车安全防护包络计算需考虑列车所处线路的位置、列车的通信状态、列车实际速度、前方线路状态等实际情况。在地铁运营中，前方进路情况、列车状态等运行场景复杂多变，列车安全防护包络长度实时变化。当列车安全防护包络性质发生变化时，对车-车之间的安全防护、列车运行控制、后续CBTC列车正常运营造成影响。由此本文从列车安全防护包络的计算原理、控制逻辑、现场实际情况等角度剖析并为故障下的运营管理提供相关措施。

2 列车安全防护原理

列车运行过程中，车载计算机（简称CC）通过轨旁信标计算列车准确定位，依靠编码里程计完成两个定位信标之间列车位移计算。由于列车定位是一个运动状态，在运行过程中编码里程计测速、系统运算均存在一定的误差，导致列车运动过程中产生定位误差。为充分考虑误差带来的影响，CC计算的列车位置以可能的安全范围代替一个确定的位置，以增加系统的安全性能。

如图1所示，假设沿着列运行方向线路公里标逐渐增大，“车头位置”、“车尾位置”为CC通过信标、编码里程计计算的，不考虑任何误差的列车位置，分别记做H、L；“预估距离”为CC考虑设备计算误差、测距误差、速度、列车前后方不确定性等安全因素而计算的列车可能走过的距离，记做D；“最小车头/尾位置”、“最大车头/尾位置”是CC根据车头/尾位置、预估距离计算的列车可能的最大车头/车尾位置，即：

最小车头/尾位置=H(L)-D;

最大车头/尾位置=H(L)+D;

列车长度=H-L。

图1 列车定位原理Fig.1 The principle of train positioning

因此，最小车尾位置、最大车头位置之间的范围则为列车有可能的位置，在此区域内列车处于安全范围。

如图2所示，区域控制器（简称ZC）周期性收到包含CC计算的列车最小车尾位置、最大车头位置、列车速度等信息的列车位置报告后，完成ZC识别管辖区域内所有列车识别，分辨CBTC列车与非CBTC列车，并为每列车计算生成安全防护包络（在ATC系统内识别每列车的长度为列车安全防护包络的长度），根据ZC区域内的列车位置情况及进路情况，为每列车授权可运行终点，实现移动闭塞。

图2 列车防护包络产生逻辑Fig.2 Generation logic for train protection envelope

3 列车安全防护影响机制

对于车地通信正常的列车，ZC周期根据列车的位置报告更新列车安全防护的终点，但对于非受控列车即车地通信异常或非CBTC列车，ZC无法获取列车的位置报告，导致ZC无法识别列车的真实位置。为保护其他CBTC列车的安全运行，此时ZC会根据联锁发送的区段占用状态等线路条件计算，在其周围（以计轴为界）延长列车防护包络，形成一定距离（约480 m）的安全防护区域（简称“Buff er”区域），如图 3所示。

图3 非受控列车防护包络示意图Fig.3 Schematic diagram of uncontrolled train protection envelope

ATC系统应保证后续CBTC列车不侵入该安全保护区域或在此安全防护区域的CBTC列车应施加紧急防护措施，以保证列车安全可控。当列车由CBTC列车变为非受控列车时，安全防护区域延长，后续CBTC列车的授权终点在Buffer区域之外，同时在Buffer区域内的CBTC列车触发紧急制动，列车无法继续以CBTC模式运行。

Buffer区域的延长距离以计轴点为界，向两边延伸。当延伸至的下个计轴区段的长度超过480 m，则Buffer区域长度延长至下个计轴区段的计轴点；若下个计轴区段的长度小于480 m，则Buffer区域将继续往下一个计轴区段延伸，直至距离达到480 m，并以该计轴区段的计轴点为终点。

除上述规律外，Buffer区域的延长距离还受道岔位置影响，如图4所示，假设G1区段的长度超过480 m，G3区段出现粉红光带，当道岔处于定位时，G3区段粉红光带的影响范围一直至G1区段的计轴点AC1。

图4 当道岔处于定位时的Buffer影响范围Fig.4 Buffer influence range when turnout is in normal position

当道岔处于反位时，如图5所示，则G3区段粉红光带的影响范围仅至G1区段的计轴点AC2。需要说明的是，在此情况下，若G1为站台区域，G2为进站进路的延续防护区段，则CBTC列车无法正常进站对标。

图5 当道岔处于反位时的Buffer影响范围Fig.5 Buffer influence range when turnout is in reverse position

4 实际情况

结合南宁地铁2号线运行情况，列车实际控制情况与理论研究相符。

案例一：当道岔位置处于定位，前方出现非通信列车时后续CBTC列车的运行情况。

如图6所示，P0101、P0104/P0105道岔均处于定位时，非通信列车A车占用G6区段，G6区段粉红光带，在A车两侧存在安全防护区域，其影响距离为480 m并以区段计轴点为界，即图6中G3区段至G5区段为Buffer区段（AC3至AC6长度约为500 m），后方CBTC列车B车停在G2区段，前方移动授权距离为0 m，列车无速度码，无法以CBTC模式运行。

如图7可知，当G6区段由红光带变为非通信车占用的粉红光带时，随着B车往前运行，运行至S0102信号机前时接收到ZC发送的前方可授权运行的距离变为0 m，列车目标速度即列车速度码为0 km/h，在B车无可运行距离授权、无速度码情况下，B车以CBTC-ATPM模式无法动车，当前速度变为0 km/h。当A车由非通信列车恢复为通信列车后，安全防护包络距离缩短，A车收到前方运行授权并恢复速度码。

图6 道岔处于定位时的Buffer实际影响情况Fig.6 The actual impact of Buffer when turnout is in normal position

图7 案例一B车数据情况Fig.7 Data of train B for Case 1

案例二：当道岔位置处于定位，前方出现非通信列车时后续CBTC列车的运行情况。

如图8所示，P0101道岔处于反位时，非通信列车A车占用G6区段，G6区段粉红光带，在A车两侧存在安全防护区域，其影响距离仅到AC5，即图8中G5区段为Buffer区段（AC5至AC6长度小于480 m），后方CBTC列车B车停在B站站台，列车无速度码，无法以CBTC模式运行。

图8 道岔处于定位时的Buffer实际影响情况Fig.8 Actual impact of Buffer when turnout is in reverse position

如图9分析可知，当G6区段由红光带变为非通信车占用的粉红光带时，随着B车往前运行，运行至B站站台时接收到ZC发送的前方可授权运行的距离变为0 m，列车目标速度即列车速度码为0 km/h，在B车无可运行距离授权、无速度码情况下，B车以CBTC-ATPM模式无法动车，当前速度变为0 km/h，最终停在B站站台区域但无法对标停车，距离站台停车点约7.5 m。当A车由非通信列车恢复为通信列车后，安全防护包络距离缩短，A车收到前方运行授权并恢复速度码。

图9 案例二B车数据情况Fig.9 Data of train B for Case 2

5 优化建议

由于此功能为保证列车安全、信号系统安全可靠而设计，但实际运营过程中出现此类场景，若处理不当时则会对运营造成较大影响。因此，在满足信号安全的前提下，为提高地铁的运行效率，提出以下故障管理控制措施。

当线路中某个区段出现粉红光带时（非CBTC列车占用），该区段前后480 m会产生安全防护区域，若480 m达到了区段内部，则扩展到整个区段，建议后续CBTC列车以后备模式运行，若在Buffer区域内的列车，切换至后备模式运行。

若粉红光带区段出现在站台后方，CBTC列车可以ATO/ATPM模式进站在距离停车点约7～8 m处自动落码停车，后续将列车驾驶模式转为RM模式进站对标。

通过以上两点措施，在保证安全运行的前提下可提高故障下的地铁运营效率。

6 结语

当线路上出现非通信列车或计轴干扰导致粉红光带时，若处理不当会对地铁运营产生较大影响。因此理解地铁信号系统中Buffer区域的产生逻辑、影响范围及对CBTC列车影响，有利于日常运营故障处理，同时针对影响提供了两点运营管理建议，可有效降低由于安全防护对轨道交通产生的影响，提高轨道交通运营效率。