列车自主运行系统中列车间隔防护功能的实现

卿建强，俎云燕，雷成健，刘 泽

（湖南中车时代通信信号有限公司 北京分公司，北京 100070）

0 引言

列车间隔防护是列车控制（简称“列控”）系统中确保列车安全运行的重要功能之一。在传统的固定闭塞模式的列控系统中，车、地间不能直接通信，系统通常基于轨道列车检测设备的占用信息以及传统联锁进路的敌对防护来实现列车间隔防护，司机以地面信号作为行车凭证，列车的运行安全由司机和地面计算机联锁（CBI）系统共同来保障。这种实现方式的线路资源利用率较低，严重影响了线路的运能运量。

随着通信技术发展，在移动闭塞模式的列控系统［1］中，如基于通信的列车控制系统（communicationbased train control，CBTC），可以通过车-地-车连续通信，由地面列控设备（ZC）根据接收到的列车汇报的实时位置、地面信号设备状态、进路状态等信息为列控计算移动授权（MA），车载列控设备（vehicle on-board controller，VOBC）根据ZC为其计算的MA信息计算安全防护速度，控制列车安全运行。传统r固定闭塞模式和基于CBTC的移动闭塞模式，都是基于传统联锁进路、以进路为最小控制单元来集中管理进路内的线路资源（道岔、轨道区段等）。这样虽然能够有效保证列车的运行安全，但是实践证明，该方式不能最大限度地提高线路资源的利用率，限制了列车的追踪折返间隔和线路的运能运量［2-3］。随着城市轨道交通发车间隔的进一步缩小，基于传统联锁进路的列车间隔防护方式弊端日益明显。本文分析了传统CBTC系统中列车间隔防护方式的弊端，提出一种基于列车自主运行控制系 统（train autonomous circumambulate system，TACS）、通过列车与列车间直接通信以及车地间列控设备间的协同控制方式实现的列车间隔防护解决方案。

1 传统CBTC系统中列车间隔防护策略

传统的CBTC系统是由地面计算机联锁（CBI）系统通过传统固定式进路（进路的始终端位置以及进路范围内包含的线路资源固定不变）联锁来集中管理进路内线路资源，以进路为单位对进路内线路资源进行集中敌对限制管理，并通过地面ZC与车载VOBC间实时通信来交互列车位置和MA信息，通过协同控制进行列车的安全间隔防护［2-3］。

CBI通过配置静态的联锁进路表，描述进路内包含所有的线路资源点、进路的敌对进路、进路的敌对侵限区段、进路保护区段的敌对保护区段。CBI系统在建立进路时检查联锁表中所有的限制条件，确保存在敌对限制的进路和保护区段不能同时建立。同时，CBI系统周期性地采集轨旁信号设备的状态信息，并周期性地将进路状态、进路的保护区段状态以及轨旁信号设备状态信息发送给轨旁ZC系统。

ZC系统周期性接收CBI系统和车载VOBC发送的轨旁设备状态信息和列车实时位置信息，为所有正常通信列车计算MA。

VOBC依据ZC为其计算的MA信息周期性地计算列车安全控车防护速度，确保列车运行安全。

通过设置传统固定式进路联锁和车载VOBC协同控制的方式，虽能确保列车间的安全间隔防护，防止列车发生追尾、对冲、侧冲的事故，但不能最大限度地提高线路资源的利用率，影响列车的追踪折返能力和车辆段（或场内）列车出入库能力，限制线路的运能运量。传统CBTC信号系统架构及交互数据示意如图1所示。

图1 传统CBTC信号系统架构示意图Fig.1 Schematic diagram of the traditional CBTC signal system architecture

2 TACS间隔防护功能

2.1 TACS组成

TACS优化了传统CBTC系统的“车-地-车”系统架构，其通过车-车、车-地-车通信系统架构，并充分利用LTE-M或安全高速的5G信息传输平台，以列车为中心，基于对线路资源分散管理的理念，通过车地联锁，实现列车的自主线路资源管理、自主计算移动授权和自主运行调整。系统在大大提高安全性、可靠性、可用性、可维护性的同时，也能大幅提升线路的运能运量，使系统的运营组织更加灵活、高效［4-5］。

TACS主要由列车自动监控系统（ATS）、轨旁对象控制器（OC）和车载VOBC设备组成。其取消了传统CBTC系统的地面CBI和ZC设备，车载VOBC系统集成了原CBTC系统地面CBI与ZC设备的轨旁核心控制功能［6-7］，地面仅设置OC、ATS设备，轨旁仅配置转辙机、无源应答器及一些轨旁相关按钮（例如紧急停车按钮、站台开关门按钮、SPKS开关等）等设备。TACS的架构如图2所示。

图2 TACS架构示意图Fig.2 Schematic diagram of TACS architecture

2.2 TACS中列车间隔防护的原理

为保证列车运行的安全，对TACS进行车-地一体化设计，以规避在线列车发生追尾、对冲、侧冲的风险。同时，TACS的设计基于线路资源分散管理的理念，对轨旁线路资源的颗粒度更加细化处理［8-10］，从而最大限度地提高线路资源的利用率。系统为所有线路资源点都计算了安全防护区域，且将所有的线路资源点都设置为独占属性。

TACS列车基于ATS下发的列车运行计划来管理线路资源，并主动向地面OC系统顺序申请计划运行路径范围内的线路资源。OC系统接收到TACS列车发送的资源征用申请时，对线路资源分配冲突检测进行统筹管理，完成资源的分配及回收，确保资源使用唯一性，即同一资源同一时刻只能供一列列车使用［11-12］。

TACS列车基于线路资源的获取情况、资源的防护区范围以及相邻前车位置信息，自主计算出列车安全运行路径范围。根据线路资源的获取情况，所计算的安全运行路径范围逐步往前延伸。列车若已获取某线路资源点，为列车计算的安全路径的终点可以延伸至下一个未获取到的线路资源点防护区边界，再考虑回撤一定的安全防护距离；列车若没有获取到某线路资源点，为列车计算的安全路径的终点则不能进入或越过该资源防护区［13-14］。

TACS列车周期性地识别安全路径范围内的所有障碍物（包括前车）以及相邻目标列车，主动与目标列车注册建链、建立通信、交互信息，以获取相邻目标列车的位置、速度、方向等运行信息。TACS列车基于自主计算的安全路径、轨旁信号设备状态、障碍物信息以及相邻列车位置及运行信息计算列车移动授权和安全控车防护速度，确保列车运行安全。

列车使用完某资源后，可向OC系统申请释放该资源；OC回收该资源，可将其分配给下一列申请列车。

TACS基于线路资源分散管理的理念实现列车自主间隔防护，其处理数据流如图3所示。

图3 TACS系统列车自主间隔防护流程示意Fig.3 Schematic diagram of the train autonomous interval protection process in TACS

2.3 TACS列车间隔防护解决方案

TACS将线路资源由传统固定进路集中式管理转为分散式管理。列车车载VOBC向地面OC系统顺序、逐个申请列车计划运行路径内的线路资源；OC系统进行线路资源的分配冲突检测管理，检查条件通过，则将该资源分配给申请列车使用。列车自主计算的安全路径终点根据线路资源的获取情况逐步往前延伸，列车自主计算的安全路径为可变式（路径的始终端位置以及路径范围内包含的线路资源是可变的）路径，因此不能像传统CBTC系统那样以进路为控制对象，通过配置静态的联锁进路表来管理进路间的敌对限制关系、防护列车间的运行间隔。TACS通过对线路资源点间的敌对限制管理来实现列车间隔防护，同时又能提升线路资源的利用率。

2.3.1 线路资源分配管理

TACS对线路资源进行分散式精细化管理，将线路上道岔和停车区域都视为线路资源点，并且对线路资源点进行独占式管理。OC系统对线路资源分配冲突检测进行统筹管理。当OC系统接收到TACS列车发送的资源征用申请时，分配冲突校验条件通过后，方可将该资源分配给申请列车使用，以确保资源使用的唯一性。

资源分配冲突检测条件主要包括：（1）接收到车载VOBC下发的该资源征用申请；（2）系统未处于上电锁闭状态；（3）该资源未处于分配状态；（4）该资源未处于有效安全防护区域内或封锁区域内；（5）若有道岔资源，道岔处于单锁闭状态时，只能接受道岔既有位置的征用申请。

2.3.2 线路资源防护区域的计算

为提高线路资源的利用率，TACS将线路上的道岔都设置为单动道岔，同时将道岔和停车区域都计算出固定长度的安全防护区域范围。其中，为道岔设置的防护区示意如图4所示。

图4 道岔防护区边界点设置示意Fig.4 Schematic diagram of boundary points of switch protection zone

TACS为道岔设置的防护区包括岔前防护区、岔后正向防护区、岔后侧向防护区3部分。

在线路拓扑图中，根据道岔的警冲标至其岔心的距离，计算出由该道岔警冲标位置分别映射到该道岔岔后直向股和岔后侧向股上的位置；再往外延伸L1距离（可根据项目的实际情况设置，原则上L1≥5 m），该位置为岔后防护区边界点位置；从岔尖往外延伸L2距离（可根据项目的实际情况设置，原则上L2≥3 m），该位置为岔前防护区边界点位置。

停车区域资源防护区范围可以与自身区段范围保持一致。

2.3.3 存在重叠防护区域的相邻线路资源管理

若相邻资源防护区域未重叠，线路资源间相互独立，系统对防护区域没有重叠的线路资源进行单独管理。

若计算出的两相邻道岔的防护区域存在重叠区域，例如图5所示渡线道岔，道岔1和道岔3的岔后侧向存在重叠防护区，则标记为道岔1和道岔3间的“重叠防护区”。

图5 渡线道岔防护区边界点设置示意Fig.5 Schematic diagram of the protection area of cross switches

又如图6所示，汇流型组合道岔1和道岔3防护区域间存在重叠防护区域，标记为道岔1和道岔3间的“重叠防护区”。

图6 汇流型组合道岔防护区域设置示意Fig.6 Schematic diagram of the protection area of confluence type combined switches

当两相邻道岔的防护区域间存在重叠区域时，可根据道岔间拓扑链接关系，对这些道岔资源按需进行侧防式分配管理和捆绑式分配管理，以防止列车间发生侧冲或对冲风险。

（1）侧防式分配，即车载VOBC系统根据从OC系统接收到的道岔资源的分配状态信息以及道岔资源分配时持有的列车ID，判断该重叠防护区域应划分归属的道岔防护区。TACS根据表1处理逻辑判断该重叠防护区域允许进入的时机，并配置需侧冲防护的相邻道岔静态配置数据表。像渡线道岔组合类型、汇流型组合道岔类型的道岔可以采用该配置方式。车载VOBC系统判断列车是否能进入该重叠防护区的逻辑计算原则如表1所示。

表1 列车进入重叠防护区的逻辑计算原则Tab.1 Logical calculation principle for trains into the overlapping protection zone

（2）捆绑式分配，即需捆绑分配的道岔同一时间只能分配给某一列车使用，且同时分配同时释放，并配置需捆绑分配的道岔静态配置数据表。像交叉渡线道岔组合类型的道岔需进行捆绑式分配。当车载VOBC向OC系统申请需捆绑分配的道岔组合中的某一个道岔时，OC系统根据静态配置数据表对该道岔集统筹进行分配冲突检查，只有在确保该道岔组合都允许分配给该申请列车时，方可将该需捆绑分配的道岔组合同时分配给该申请列车使用。

如图7所示的交叉渡线中，道岔1和道岔4被配置为需捆绑分配的道岔组合，道岔2和道3被配置为需捆绑分配的道岔组合，同时因为道岔1与道岔3间存在“重叠防护区”，所以需将道岔1的侧防相邻道岔编号配置为道岔3，同理，道岔4的侧防相邻道岔编号配置为道岔2。道岔2和道3的配置方式与道岔1和道4的配置方式相同。

图7 交叉渡线道岔防护区域设置示意图Fig.7 Schematic diagram of the protection zone layout of double crossover switches

3 仿真测试

目前，基于该间隔防护方案的TACS列控系统已在半实物仿真测试平台进行了系统性能测试。半实物仿真测试平台包括实物ATS系统、OC系统、车载VOBC系统设备、DCS设备，以及列车运行模型仿真、仿真驾驶台模型、仿真BTM模型、轨旁设备仿真等系统。仿真测试平台采用面向对象的建模技术进行仿真模型的设计及开发，其中各子系统间的接口按照真实系统的标准设计，实现了仿真系统可与真实系统无缝连接。同时，仿真实验配置长沙轨道交通4号线星城车辆段至汉王陵公园站之间的线路（车辆段+正线四站三区间）数据，共编制了100多个相关测试用例。测试结果显示，在同等线路环境下，该列车间隔防护方案中TACS系统相比于常规CBTC系统有更为高效的运输能力，使列车追踪折返间隔及列车出库入库能力能提升至少15%。

4 结语

本文阐述了TACS列控系统中基于线路资源分散管理的列车间隔防护解决方案。该方案能在有效保证列车行车安全间隔的前提下，大幅提高线路资源的利用率，提升线路的运能运量，也使得系统运营组织更加灵活，提升乘客乘坐的便捷性和舒适性。该列车间隔防护技术代表着城轨交通列车控制系统技术发展的主流方向。

本文虽然只例示了TACS列控系统中常见的单动道岔、双动道岔、交叉渡线道岔、汇流型组合道岔类型的列车侧冲防护解决方案，但对于其他拓扑结构的组合道岔（例如车辆段、场内咽喉区一束道岔）资源防护区间存在重叠防护区时，其间隔防护处理的原则也可与本文所阐述的设计原则一致。