FAO互联互通系统保护区段解锁优化方案研究

张楠乔，耿 鹏

（通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070）

1 研究背景

近年来城市轨道交通建设快速增长，部分新建线路也在基于通信的列车运行控制系统（CBTC）基础上引入了更多自动化、智能化的功能需求，使列车运行控制系统向着全自动运行（FAO）方向发展[1]。FAO 互联互通系统在CBTC 互联互通技术规范体系基础上扩展而成，是CBTC 互联互通系统的延伸和升级，是中国城市轨道交通列车运行控制系统的主流技术发展方向[2]。

在城市轨道交通中，由于车站站台土建条件的限制，运营停车点通常距离出站信号机过近，为保证列车自动运行（ATO）可控制列车停靠至该点完成旅客乘降作业，车载列车自动防护（ATP）计算的紧急制动曲线终点必须延伸至出站信号机内方[3]。为了解决这一问题，计算机联锁（CBI）在出站信号机内方额外锁闭一片区域，使得紧急制动曲线终点得以安全延伸，该额外锁闭区域即为保护区段[4]。保护区段内可能包含道岔，若保护区段解锁时机过晚，将影响列车运营间隔，降低运营效率[5]。因此，CBTC 互联互通系统通常支持多种方式解锁保护区段，包括：收到来自车载ATP 的允许保护区段解锁信息后解锁、保护区段延时解锁计时结束后解锁等[6-8]。

FAO 互联互通系统具有城市轨道交通列车运行自动化水平的最高等级，自动化等级（GoA）4 级已不再需要司机监控列车运行，与CBTC 互联互通系统在列车安全监控方面的人/系统职责划分方式上存在明显区别。对此，保护区段解锁既有方案是否适用于FAO 互联互通系统有待研究。本文重点关注列车已停靠至站台时的保护区段正常解锁方式，尝试以保护区段解锁既有方案为基础，分析其适用性，提出优化方法原理，并设计相应的保护区段解锁优化方案。

2 保护区段解锁既有方案

2.1 原理流程

列车顺序进入保护区段接近区段后，CBI 启动保护区段延时解锁计时：计时结束前，若CBI 收到车载ATP 发送的允许保护区段解锁信息或区域控制器（ZC）发送的允许保护区段解锁信息，且保护区段空闲，则CBI 解锁保护区段；计时结束后，若保护区段空闲，则CBI 解锁保护区段。

其中，车载ATP 仅在停稳且不再使用保护区段授权的前提下，方可向CBI 或ZC 发送允许保护区段解锁信息，CBI 直接获取或通过ZC 间接获取该信息，以此实现保护区段快速解锁，提高解锁效率；若不满足保护区段快速解锁条件，则CBI 亦可通过延时解锁方式解锁保护区段。

综上所述，保护区段解锁既有方案总体流程如图1 所示。

图1 保护区段解锁既有方案总体流程Fig.1 Overall process of existing overlap release scheme

2.2 存在缺陷

保护区段解锁既有方案可满足安全性的前提在于：列车进入保护区段接近区段后，司机应保证在一定时间内驾驶列车于保护区段外方停车或进入保护区段内方。在CBTC 互联互通系统中，该限制约束尚可输出至司机；但在FAO 互联互通系统中，司机将驾驶模式升级为全自动运行模式（FAM）后，原则上已不再承担列车运行监控的安全职责，该风险仅可由信号系统内部消化，故上述前提已不再成立。

由此，可构建如下危险场景：司机驾驶非连续式控制级别（CTC）列车顺序进入保护区段接近区段，CBI 启动保护区段延时解锁计时；计时结束前，司机将驾驶模式升级为FAM 模式，车载ATP 依据包含保护区段授权的移动授权控制列车运行，由于车地通信存在信息时延，计时结束后CBI 解锁保护区段，车载ATP 仍持有保护区段授权，列车闯入已解锁的保护区段，存在安全风险。

3 保护区段解锁优化方案

3.1 优化方案A

为修复保护区段解锁既有方案中存在的缺陷，信号系统应考虑如何安全收回列车可能持有的保护区段授权。对此，本文设计优化方案A，以列车控制级别、区段占用状态或信号机接近状态等本质上由车载信号设备反馈的列车控制级别为依据，CBI安全解锁保护区段。

上述优化手段的具体处理方法为：列车顺序进入保护区段接近区段后，CBI 启动保护区段延时解锁计时，计时结束前提前一定时间向ZC 发送保护区段无效，以此保证：计时结束时，列车未进入保护区段或已进入保护区段停稳，且CBI 已检测到该列车是否占用保护区段。据此，CBI 可在计时结束、收到车载ATP 发送的允许保护区段解锁信息或收到ZC 发送的允许保护区段解锁信息，且保护区段空闲时，安全解锁保护区段。

上述CBI 提前向ZC 发送保护区段无效的处理方法，其目的即在于安全收回车载ATP 可能持有的保护区段授权。假定直至该时刻车载ATP 仍持有保护区段授权，若车载ATP 与ZC 通信正常，则CBI发送保护区段无效、ZC 收回保护区段授权，车载ATP 根据更新的移动授权信息重新计算紧急制动曲线，列车最终停于保护区段外方或触发紧急制动闯入保护区段停稳；若车载ATP 与ZC 通信中断，则车载ATP 使用当前保护区段授权达到最大超时后触发紧急制动，列车最终停于保护区段外方或闯入保护区段停稳。该提前量包含了上述场景中车载ATP触发紧急制动直至停稳且被CBI 检测到是否占用保护区段的最大延时，保证计时结束时CBI 可安全判定保护区段是否可能被列车使用，如未使用方可解锁保护区段。

综上所述，保护区段解锁优化方案A 总体流程如图2 所示。

图2 保护区段解锁优化方案A总体流程Fig.2 Overall process of overlap release optimization scheme A

3.2 优化方案B

为修复保护区段解锁既有方案中存在的缺陷，信号系统应考虑如何安全收回列车可能持有的保护区段授权。对此，本文设计优化方案B，以CBI 是否允许列车进入保护区段、ZC 是否允许列车进入保护区段等本质上由轨旁信号设备发出的保护区段授权为依据，CBI 安全解锁保护区段。该优化手段将待解决问题抽象为信号系统是否授权列车进入保护区段，站在发送方的角度思考并延后决策时机，以此获得有效判定依据。

具体地，上述优化手段的处理方法为：列车顺序进入保护区段接近区段后，CBI 启动保护区段延时解锁计时；到达“列车走行配置时间”时，CBI向ZC 发送保护区段无效；到达“非CTC 保护区段延时解锁时间”时，若CBI 判断车载ATP 不可能持有保护区段授权则以“非CTC 保护区段延时解锁时间”作为计时终点，若CBI 判断车载ATP 可能持有保护区段授权则以“CTC 保护区段延时解锁时间”作为计时终点；据此，CBI 可在计时结束、收到车载ATP 发送的允许保护区段解锁信息或收到ZC 发送的允许保护区段解锁信息，且保护区段空闲时，安全解锁保护区段。

优化方案B 可避免优化方案A 存在的两个问题：

1）若采用由车载信号设备反馈的列车控制级别为依据，则不可避免地需要考虑车载信号设备反馈信息的安全时延；

2）若启动计时即区分CTC 列车保护区段延时解锁计时、非CTC 列车保护区段延时解锁计时，则不可避免地需要考虑列车在计时结束前可能出现列车控制级别转化，即需要考虑列车可能持有保护区段授权导致的安全时延。

上述优化手段可以实现CBI 针对非CTC 列车、CTC 列车分别使用不同的保护区段延时解锁时间，有效缩短了“非CTC 保护区段延时解锁时间”，相比优化方案A 而言提高了保护区段解锁效率。

除此之外，优化方案B 进一步提出了3 种优化手段：

1）针对非CTC 列车与CTC 列车共用“列车走行配置时间”导致“非CTC 保护区段延时解锁时间”相比传统非CTC 模式信号系统仍然偏长的缺陷，提出ZC 自置保护区段无效状态的优化手段，通过将“非CTC 列车走行配置时间”与“CTC 列车走行配置时间”分开处理、“非CTC 列车走行配置时间”到达时ZC 判断是否自置保护区段无效状态的方式，进一步缩短了“非CTC 保护区段延时解锁时间”，使其完全等同于传统非CTC 模式信号系统；

2）针对“CTC 保护区段延时解锁时间”依赖于配置最大超时导致等待时间较长的缺陷，提出了CBI 与ZC 间交互保护区段解锁请求的优化手段，通过将原CBI 保护区段解锁判断逻辑部分转移至ZC 的方式，进一步缩短了“非CTC 保护区段延时解锁时间”“CTC 保护区段延时解锁时间”；

3）针对列车进入保护区段延时解锁区段时人机界面（MMI）倒计时显示与列车控制级别不匹配的缺陷，提出CBI 根据保护区段接近区段占用状态选择MMI 倒计时显示的优化手段，通过CBI 切换“非CTC 保护区段延时解锁时间”“CTC 保护区段延时解锁时间”MMI 倒计时显示的方式，进一步提高MMI 倒计时显示的可用性，使其更匹配运营人员使用习惯。

综上所述，保护区段解锁优化方案B 总体流程如图3 所示。

图3 保护区段解锁优化方案B总体流程Fig.3 Overall process of overlap release optimization scheme B

3.3 方案优劣对比

对于上述优化方案A、优化方案B，从修复缺陷、解锁效率、实现难度3 方面执行优劣对比，如表1 所示。

表1 优化方案A与优化方案B对比Tab.1 Comparison between optimization scheme A and optimization scheme B

综上所述，对于不考虑非CTC 模式运营或非CTC 模式运营频率较低的信号系统，可采用优化方案A，容忍非CTC 模式运营时较低的保护区段解锁效率，以较低的实现难度修复既有方案缺陷；对于非CTC 模式运营频率较高或运营模式冗余度要求较高的信号系统，可采用优化方案B，接受较高的实现难度，则既可修复既有方案缺陷，又可有效提高非CTC 模式、CTC 模式运营时的保护区段解锁效率。

4 结论

本文首先介绍了保护区段解锁既有方案的方法原理及总体流程，分析其存在的缺陷；然后提出了保护区段解锁优化方案A、优化方案B，分别详细说明其方法原理及总体流程，并对两者进行优劣对比，形成优化方案使用建议。本文所述保护区段解锁优化方案A、优化方案B 适用于CBTC 互联互通系统、FAO 互联互通系统，在确保安全的前提下于解锁效率与实现难度之间取得平衡，具有可行性。