基于CBTC的灯泡线线路拓扑结构分析与设计

骆正新，孙晓光，耿 鹏

（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）

1 研究背景

灯泡线(balloon loop)，又称单向循环线，用以供列车直接掉头，无需转轨甚至无需停车[1]。灯泡线也叫调头线，用于列车换向，以期减少车辆车轮偏磨，延长车辆检修和使用周期，降低维护成本，缩减检修规模，提高运营效率[2]。如图1所示，纽约地铁南码头站环形回车道就是一种灯泡线。在车站后设置类似灯泡状的环形线，列车通过环形线，不用换端就可完成折返作业(类似环线运行模式)[3]。

图1 纽约地铁环形回车道Figure 1 Balloon loop of the New York City Subway

CBTC系统可以利用高精度的列车定位，采取双向连续、大容量的车地数据通信，以及车载、地面的安全功能处理，实现一种连续自动的列车运行控制[4]。根据《车载电子地图技术规范》，在描述静态线路拓扑时，基于通信技术的列车控制系统(communication based train control system，CBTC)规定，以信号平面图从左到右的链接方向为正向(电子地图的上行方向)，从右到左为反向(电子地图的下行方向)。线路的运营方向分下行和上行，线路的运营方向与CBTC系统内部方向存在两种关系：下行为正向，即信号平面设备图从左至右为运营方向的下行方向，下行方向与CBTC内部线路的正向相同；或者上行正向，即以信号设备平面图从左至右为运营方向的上行方向，上行方向与CBTC内部线路的正向相同。根据《城市轨道交通基于通信的列车运行控制系统(CBTC)互联互通接口规范》，涉及“上行”“下行”的方向定义，均采用运营方向规定的上下行[5]。列车运行方向根据运营方向报告，如CBTC-ZC子系统根据运营规定的上下行方向，即下行是正向或者上行是正向，并以此确定列车运行方向在CBTC-ZC系统内部是正向还是反向。

然而，当存在灯泡线时，在CBTC系统内部的现有拓扑描述方法中会出现以下问题：拐点两侧的区段链接关系难以确定和描述，列车的安全位置计算方法不适用，以及无法判断列车方向与信号机等其他设备方向是否一致等。为此，笔者提出一种方法：基于互联互通CBTC系统的线路拓扑方式，解决灯泡线线路场景下的线路拓扑描述及应用。

2 线路分析

列车经过灯泡线某个点时，运营方向会发生变化，这个点可以称为拐点。根据现有的静态线路描述方式，在描述静态线路拓扑时，ZC(区域控制器)内部规定正向(positive)为从左到右，运营规定线路下行方向可能为从左至右或从右至左，即可能下行正向或下行反向，列车运行方向根据运营方向报告，ZC需根据运营规定的上下行方向确定列车的方向在ZC内部是正向还是反向。

存在灯泡线会带来一些问题，下面结合图2进行讨论。其中存在两个灯泡线，有两个拐点，分别为拐点1(GD-1)和拐点2(GD-2)，具体描述如下。

图2 灯泡线站场示例Figure 2 Example of bulb line station

2.1 拐点两侧区段链接关系如何确定

根据互联互通车地连续通信协议规定，车载控制器(vehicle on-board controller，VOBC)向ZC报告列车运行方向为：最小安全后端指向最大安全前端的方向，以最小安全后端处的上下行方向确定[6]。也就是说，若列车从下行线 02111G出发，方向下行，当最小安全末端经过GD-1时，列车运行方向由下行方向转为上行方向；反之，若列车从上行线 02014G出发，方向上行，当最小安全末端经过GD-2时，列车运行方向将由上行转为下行。

根据车载电子地图，方向从左到右为正向，如02003G的下一个链接区段02005G，上一个链接区段是02001G，因此静态拓扑链接关系(左右链接关系)为：左侧下行线，02001G-＞02003G-＞02005G-＞02007G-＞02009G-＞02011G-＞02013G；左侧上行线，02002G-＞02004G-＞02006G-＞02008G-＞02010G-＞02012G-＞02014 G；右侧下行线，02111G-＞02113G-＞02115G-＞02117G-＞02119G-＞02121G-＞02123G；右侧上行线，02112G-＞02114G-＞02116G-＞02118G-＞02120G-＞02122G-＞02124G。

拐点两侧的区段链接关系描述如下：列车可以按照上行从 02002G运行到 02001G，也可以按照上行从02001G 运行至02002G，拐点两侧链接关系如何确定。

2.2 列车包络跨拐点时如何计算

计算列车可能存在的范围，即列车安全包络[7]。若列车包络跨在GD-1上，最小安全后端为02121G，并假定包络覆盖区段(02121G，02123G，02124G，02122G)，此时列车运行方向为下行，可根据列车位置(最小安全后端和最大安全前端)，计算列车包络覆盖区段。列车下行，根据运营方向可知，下行为正向，因此应该根据 02121G搜索正向的下一个区段，可以得到下一个为02123G。根据02123G以及此时列车运行方向，唯一找到的下一个是02124G。若找到02124G后，会发现下一个区段02122G却是02124G的上一个区段。存在拐点情况下，需要处理遇到拐点后对列车包络计算的影响。

2.3 防护与列车运行方向是否一致

移动授权指列车在指定方向上可以走行的距离[8]。对于存在拐点情况下的信号机、车档等的防护，判断其方向是否与列车运行方向一致或者相反，会影响ZC内部信号机的接近计算以及移动授权计算。

3 关键问题

分析城轨线路的物理结构，把线路元素抽象为点和线，构成线路拓扑结构[9]。根据前文所述，灯泡线带来的最主要的3个问题是：拐点两侧的区段链接关系如何确定和描述；列车包络跨在拐点上时，如何实现包络计算(或路径搜索)；如何判断列车方向与信号机方向是否一致。

3.1 拐点两侧区段链接关系分析

对于GD-1来说，列车可以下行方向从02123G运行到 02124G，也可以下行方向从 02124G运行至02123G。同理，对于GD-2来说，列车可以上行方向从02002G运行到02001G，也可以上行方向从02001G运行至02002G。

因此，拐点两侧的区段不存在左右链接关系，或者说拐点两侧的区段互为下一个或上一个区段。

3.2 跨在拐点上的列车包络计算分析

列车包络跨在拐点上时分为两部分，一部分为列车最小安全末端至拐点之间的包络，另一部分为拐点至最大安全前端之间的包络。

1) 最小安全末端至拐点之间的包络：根据列车运行方向，可以唯一确定 CBTC系统内部搜索方向(正向还是反向)，包络计算与无灯泡线时的情况一致。

2) 拐点至最大安全前端之间的包络：此时发现包络正确的搜索方向与列车运行方向确定的搜索方向相反，因此包络计算从拐点开始，以列车运行方向的反方向进行搜索，直至找到列车最大安全前端所在的区段。

3.3 防护方向与列车运行方向配置

信号机配有静态方向，即信号机的防护方向，且是按照线路的运营方向来配置的。当信号机位置与拐点重合时，需要规定信号机的方向是以内方区段的线路运营方向还是以外方区段的线路运营方向来配置。另外，也需要规定信号机的保护区段方向是以内方区段的线路运营方向还是以外方区段的线路运营方向来定义。

根据信号机静态配置的方向，CBTC内部需要判断信号机的防护方向与列车运行方向是否一致。判断时，需要结合从列车至信号机中间经过的拐点数目，以及列车当前的运行方向，从而判断列车方向与信号机方向是否一致。

静态配置中保护区段方向以及车档防护方向，可以规定配置为与线路运营方向一致。

4 拓扑设计

由本文第3.1节和3.2节可知，只要解决了前两个问题，灯泡线就和普通站场没有区别。根据以上分析，结合拐点所具有的特性，通过对拐点进行特殊处理，该问题是可以解决的。

拐点两侧的区段关系是对等的，是互为上一个或者互为下一个，而且根据其中一个，一定能找到另外一个，在路径中一定是紧邻的两个区段。如果将拐点作为拐点两侧区段的链接关系中下一个或者上一个链接对象，该问题可以得到解决。

寻找下(上)一个链接对象时，逻辑处理如下：若下(上)一个对象为拐点，则查看该拐点的两侧区段；若当前区段为拐点两侧区段的其中一个区段，则另一个区段为该区段实际的下(上)一个区段。

由图2可知，02001G的上一个是拐点 GD-2，02003G的上一个也是拐点GD-2；02123G的下一个是GD-1，02124G的下一个也是GD-1。

将道岔区域分为岔前区域、岔后定位区域、岔后反位区域进行描述[10]。对于单个道岔计轴区段，可以分为3个block，即岔前block、岔后定位block、岔后反位block。对于无岔计轴区段，可以根据其包含的无岔逻辑区段作为block单位。

4.1 链接对象结构体定义

线路拓扑结构中的节点定义为链接对象，而链接对象的结构定义即为线路拓扑结构设计。链接对象的数据结构可以定义如下：

1) 链接对象类型：1为无岔block，2为道岔block，3为道岔，4为拐点，0xff为无效值。

2) 链接对象ID：block编号，或者道岔编号，或者拐点编号，不存在则填无效值。

3) 链接对象方向：若对象为道岔时取值有效(1表示由岔前向岔后方向，2表示由岔后向岔前方向)，若对象为拐点、block时填写无效值(无效值为0xff)。

4.2 灯泡线拐点结构体定义

拐点是灯泡线特有的线路对象，拐点结构体定义如下：

1) 拐点编号：拐点的唯一ID。

2) 拐点逆时针方向的起始 block：block的唯一ID，即拐点两侧block中沿逆时针方向的下一个链接对象为拐点对应的block。

3) 拐点顺时针方向的起始 block：block的唯一ID，即拐点两侧block中沿顺时针方向的下一个链接对象为拐点对应的block。

4) block到拐点的方向：即按照从左到右的方向搜索，block的下一个链接对象还是上一个链接对象为拐点。

4.3 道岔结构体定义

道岔作为链接对象的一种，主要跟岔前 block和岔后block相关，其结构体定义如下：

1) 道岔编号：道岔的唯一ID。

2) 岔前block编号：block的ID。

3) 岔后定位block编号：block的ID。

4) 岔后反位block编号：block的ID。

4.4 block区段结构体定义

链接对象类型分为 block(含无岔 block和道岔block)、道岔、拐点。拐点结构和道岔结构的定义在本文第4.2节和4.3节中已有阐述，而block数据结构的定义保持不变。

1) block编号：唯一ID。

2) block区段长度：单位cm。

3) 左端连接对象：不存在则对象类型填无效值。

4) 右端连接对象：不存在则填无效值。

5) 所属计轴：不存在则填无效值。

6) 所属逻辑区段：不存在则填无效值。

7) 所属轨道区段编号：不存在则填无效值。

5 结语

由于拐点的存在，所有涉及路径搜索的逻辑均需要考虑搜索过程中是否遇到拐点，一旦遇到拐点，需要将搜索方向转为当前搜索方向的反方向。相反，若从起始block开始，根据指定方向搜索，只要没有遇到拐点，就可以保持该方向搜索，直至找到目标区段。因此，在涉及连续搜索下(上)一个链接block时，或者进路搜索或者 MA延伸时，需要增加记录搜索过程中遇到的拐点数目，根据拐点数目及时调整转换搜索方向。

本文分析了基于互联互通CBTC线路描述方式上如何考虑对存在灯泡线的线路拓扑描述的支持，并给出了实现思路。