CTC系统残留光带监控方案研究

赵宏涛，齐 威，王振东，唐 彬，曹 桢

信号分散自律调度集中（Centralized Traffic Control，CTC）系统［1］是铁路运输日常组织工作的指挥中枢。通过联锁、列控、区间闭塞等信号设备，CTC 系统可实现对管辖区段内的列/调车作业指挥和管理，以及车站设备监控和运维等工作，保证铁路平稳、可靠、安全、高效运行。

CTC 系统车站自律机将运输指挥阶段计划和调车计划转换为内部进路指令，并在静态进路文件、动态设备状态和外部事件驱动下，执行计划兑现工作［2］。随着列/调车指令的状态迁移，站场显示区段依次呈现空闲、锁闭、占用和出清等状态。在信号设备和轨道电路故障、人为操作错误及施工维修等场景下，CTC 显示终端有可能出现光带残留，若不及时有效处置，将导致自律机后续排路操作的进路冲突、站场对象不空闲等冲突报警［3-4］，进而引起计划兑现延迟或失败，影响行车效率和安全。周果等［5］利用Markov 决策过程方法在列控系统中解决区间轨道电路残留光带问题；赵晓风等［6］和张友鹏等［7］在轨道电路层级寻求轻车跳动解决方案。综合分析看，目前行业内对于CTC 系统残留光带监控技术还缺乏有效解决方案，相关研究还有待深化。为此，在铁路智能化、安全化的发展趋势下，开展CTC 系统中残留光带监控及报警功能的研究，及时发现站场异常状态并恢复行车秩序，具有重要现实意义。

CTC 系统残留光带监控方案拟在不影响自律机主业务逻辑的基础上，利用既有结构体数据及关联关系，通过站场对象的状态预置及对象状态迁移监控技术［8］，在CTC 端实现残留光带的无缝可靠监控报警。

1 轨道区段

CTC 系统中，车站以站场图区元素方式进行形式化展示［9］，元素类别主要包括道岔、轨道区段、按钮、信号机、绝缘节、脱轨器、表示灯、车次窗、进路窗等。轨道区段又分为站内股道、无岔区段和站间区段。

道岔、轨道区段、信号机等站场元素，由联锁系统和列控中心通过轨道电路实现状态采集和进路控制［10］，由CTC 系统实施状态维护和监控，以及业务运算和卡控功能。根据《调度集中系统技术条件》（Q/CR 518-2016），CTC 显示终端的道岔和轨道区段状态主要包括空闲、锁闭和占用3种。

1.1 轨道区段正常状态

CTC 系统显示终端分别以红、白光带表示轨道区段的占用和锁闭状态。初始，轨道电路无列车行驶或停靠，轨道继电器励磁吸起，站场显示为区段空闲；随着车站信号设备状态、列车运行状态等输入数据的驱动，CTC 系统执行计划的安全卡控和进路触发操作，通过联锁设备实现列/调车进路的预先锁闭和接近锁闭，即出现CTC 站场轨道区段锁闭白光带；当列车压入轨道电路区段，轨道继电器被列车轮对短接而落下，实现区段占用状态采集和监控，即出现CTC站场轨道区段占用红光带。由此可见，轨道区段状态的正确跳转、采集和监控是CTC 系统进行行车安全卡控、排路命令执行状态反馈的重要依据。

1.2 轨道区段异常状态

由于各种原因，CTC 系统会偶发［11］残留光带现象，影响行车组织的有序执行，体现为后台自律模式下的进路指令自动触发失败、行车报警激增、计划兑现延后、人工干预频繁等。残留光带的表现形式主要为轨道区段的非行车锁闭和异常占用，主要原因如下。

1）轻车跳动［12］。空心车轴运用导致的接收器接收电压错误、轨面生锈导致的区段分路不良，以及单机车高速通行短轨道区段等，易引发联锁系统三点检查失败，产生轻车跳动。在CTC 系统显示终端表现为锁闭光带残留或闪红现象。

2）设备故障。轨道电路的电缆、接触器、继电器等发生的接触不良、损坏等故障［13］，导致轨道电路无法正常检测列车位置和信号。此外，钢轨复杂部件长时间被列车轮碾压、撞击，以及热胀冷缩产生的钢轨爬行等，也会导致残留光带现象。

3）突发事件。风雨雪震、道床积水、电磁电气干扰等异常事件，甚至为防治冰冻灾害而在轨道撒盐导致的道床电阻降低等，都会干扰信号电路的正常工作。

4）施工维修。在轨道电路的安装、维护和修复过程中，操作人员可能会出现误操作，如设备设置错误、施工损坏，甚至器件遗漏导致的轨道短接等。

2 残留光带监测方案

在分散自律控制模式下，操作员在CTC 设备上编制计划、执行排路、监控站场运行及设备状态。虽然残留光带的源头在联锁设备端，但其表现和影响均在CTC 设备端。因此，考虑在CTC 车站自律机上增加功能，通过监控站场对象状态和进路指令状态，实现对残留光带的监测。

2.1 数据准备

CTC 车站自律机将中心计划转化为结构化的进路指令，在满足触发时机并通过行车安全检查后，创建关联进路命令，指挥联锁进行排路操作。进路指令和排路命令在其生命周期内，具备唯一标识ID。为便于描述，定义指令标识ID 为repID，命令标识ID 为cmdID。指令的状态包括等待、重试、失败、排路成功、占用和出清等；命令的状态包括初始、已发送、超时和成功等。

图1 描述了由阶段计划创建的进路指令和排路命令，与联锁进路、进路对象（即组成该进路的CTC系统站场图区元素）的关联关系，以及各对象附属的核心属性字段。动态对象、动态属性和相互关系以红色标识。后续算法将依赖CTC内部对象的关联关系，实现特定轨道区段对象的状态更新操作。

图1 CTC内部对象关联关系

2.2 整体方案设计

作为信号采集的下游设备，CTC 系统不具备轨道区段关联状态的检查基础，因此从迭代开发和便于部署等角度，将方案进行如下设定。

1）区间轨道电路由列控中心负责［14］，通过设备检测维护、关联数据校验和异常监控等措施，保证驱采数据的一致性。除了一离去区段占用外，区间轨道电路状态基本不涉及CTC 端的行车调度操作。此外，对于站内牵出线、机调线和联络线［15］等与CTC 行车控制关联不大的区域，暂时不考虑其站内对象的残留光带监控逻辑，因此需具备对特定区域站内对象的剔除功能，即增加配置项，指明该集合中的站内对象不参与残留光带的监控逻辑。

2）对站内轨道区段，只监控持续性的光带残留，且由于红、白2 种残留光带产生机制不同，因此需采用不同的监控逻辑。

3）监测残留光带出现时，车站自律机根据控制权向主控终端发送报警信息。自律机仅在残留光带首次出现时报警一次；保持该残留（占用或锁闭）状态时，无重复报警；残留光带清除时，不报警；当对象状态（占用、锁闭、空闲）变更后，再重新对该对象进行监控。当再次出现残留时，满足条件即报警；对象保持该残留状态不足阈值时间时，不报警；在残留红白光带间切换，且始终达不到阈值时间时，不报警。

4）在自律机刚刚启动、控制模式切换或者主备倒机后的一段时间，设备需要接收站场表示信息，建立行车计划、指令、命令和表示的关联关系。在此期间，车站自律机暂不启动残留光带监控功能；一旦超过该时间段，车站自律机立即启动残留光带监控功能。5）考虑计算效率并与报警整合，残留光带监控逻辑固定6 s轮巡一次。

2.3 自律机监控逻辑

自律机每隔6 s 依次进行残留白光带、残留红光带，以及残留指令光带的监控逻辑处理。任意逻辑一旦触发残留光带报警，自律机便立即向主控终端发送报警信息。

2.3.1残留白光带监控逻辑

残留白光带监控逻辑主要监控非人为操作，且非行车计划执行不连续导致的残留锁闭白光带，即除了以下场景外，联锁端产生的排路锁闭白光带：①人为操作方面的列/调车计划人工触发、列/调车进路序列人工触发、人工关联/不关联车次的按钮排路；②行车计划触发执行方面的列/调车计划自动触发和信号重开。

残留白光带监控逻辑仿照排路命令标识符cmdID，在站内轨道区段对象内部新增属性标识符cmdIDofSamp，代表该对象的锁闭状态是否是某次排路操作（排路命令）导致。cmdIDofSamp为0 时表示该站场对象不对应任何排路命令；cmdIDofSamp为非0 时表示该站场对象是由cmdIDofSamp数值所对应的特定排路命令操控的。之后，自律机依据cmdID建立站内轨道区段白光带追踪和处置逻辑，见图2。

1）自律机启动，读取配置文件，初始化所有站场对象的cmdIDofSamp为0，并在接收行车计划后，进行计划处理和定时业务监控逻辑。

2）在计划满足触发时机、执行排路操作过程中，自律机依据进路指令创建排路命令。在排路成功后，将命令cmdID通过图1所示“排路命令—进路—进路对象”的链路关系，赋值于进路对象cmdIDofSamp（不考虑进路对象当前状态）；在排路命令超时失败时，遍历命令关联进路的所有进路对象。如果进路对象的cmdIDofSamp与本命令cmdID相同且非零，则复位对象的cmdIDofSamp为0；如果进路对象的cmdIDofSamp与本命令cmdID不同，则维持对象cmdIDofSamp不变。

3）在计划不满足触发时机的轨道区段常态监控阶段，如果站内轨道区段对象状态由“非空闲变为空闲”或者“非占用变为占用”，则置对象cmdIDofSamp为0。

4）自律机监控站内对象保持锁闭状态超过时间阈值，且cmdIDofSamp为0时，即认为该区段存在残留白光带，自律机向主控终端发送报警信息。

2.3.2残留红光带监控逻辑

残留红光带监控逻辑主要监控非行车计划执行不连续导致的残留占用红光带，即轨道电路一定时间内持续红光带。具体方案为车站自律机监控站内轨道区段状态，当其保持占用状态超过时间阈值，且上一状态为非锁闭状态时（即直接由空闲变为占用），则认定该区段存在残留红光带，自律机向主控终端发送报警信息。

2.3.3残留指令光带监控逻辑

残留指令光带监控逻辑主要监控行车计划的进路指令执行不连续导致的光带残留。这种情况在工程现场发生最多。例如，在短轨道正线区段，当单机车体较短、较轻，且行驶速度快时，易造成轨道电路压不实而产生遗留白光带；在部分线路由于设备年老失修，叠加长时间机车车辆碾压影响，极易造成轨道电路短路而产生遗留红光带。

残留指令光带监控逻辑仿照进路指令标识符repID，在站内轨道区段对象内部新增属性标识符repIDofSamp，当repIDofSamp与repID相等时，表示该对象的锁闭/占用状态是由某条进路指令排路操作导致的。之后，依据repID，建立站内轨道区段对象的白、红光带追踪和处置逻辑流程，见图3。

图3 残留指令状态监控流程

1）自律机启动，读取配置文件，初始化所有站场对象的属性标识符repIDofSamp为0，转入定时业务监控逻辑。

2）在进路指令业务处理逻辑中，自律机监测列/调车进路开放，指令状态更新时，通过图1 所示“进路指令—进路—进路对象”的链路关系，将指令repID赋值于进路所有对象，即进路所有对象repIDofSamp等于指令repID，建立站内轨道区段显示状态与指令状态的关联关系。

3）在指令状态未发生变化的轨道区段常态监控阶段，如果站场任意对象变为出清，则置该对象的repIDofSamp为0；站场对象变为占用时，不修改对象的repIDofSamp；站场对象变为锁闭时，除非是进路指令操控导致的对象锁闭，否则不修改

repIDofSamp。

4）进路指令出清超过时间阈值后，自律机监控指令关联进路的所有对象。如果对象的repIDofSamp与本指令的repID相同且非零（即该对象仅为本指令使用），对象为锁闭或占用状态，则认为该区段存在残留白光带或红光带，自律机向主控终端发送报警信息。

3 方案验证

搭建仿真测试环境，设计如下场景，验证方案的有效性。

场景1 站场特定进路在无排路操作的情况下，单独对象由空闲变为锁闭，或由空闲变为占用，且保持该状态超过阈值时间时，由残留白光带监控逻辑，或残留红光带监控逻辑判定是残留光带，向主控终端发送报警信息。

场景2 仿真搭建如图4 所示的接车进路（已删除无关对象），进路包含对象ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG。

图4 仿真环境中X-ⅡG接车显示

T1 时刻，进路指令满足时机自动触发或人工触发，向联锁发送排路命令，进路指令变为“触发中”， 自律机置ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG 的cmdIDofSamp为命令cmdID。图4（a）为接车进路静态显示。

T2时刻，进路排路成功，ⅠAG/1#/3#/7#/ⅡG全部锁闭，显示进路为锁闭开放状态，见图4（b）。

T3 时刻，列车占用无岔ⅠAG，如图4（c）所示，此时无残留光带，无报警。

T4时刻，列车占用进路股道ⅡG，出清ⅠAG/1#/3#/7#，如图4（d）所示，无残留光带，无报警。

如果列车仅占用进路股道ⅡG，但ⅠAG 出清后变为锁闭，或出清后变为占用，如图4（e）所示，在ⅠAG 保持该状态超过阈值时间后，自律机由残留白光带监控逻辑，或残留红光带监控逻辑判定ⅠAG 存在残留光带，向主控终端发送报警信息。

场景3 以图4 接车进路X-ⅡG 为例：T1 时刻，进路排路成功；T2 时刻，列车驶入进路；T3时刻，列车压入3#道岔后，再压入7#道岔和ⅡG 股道；T4 时刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔保持占用。在指令保持占用状态时，无报警；指令出清后，由残留指令光带监控逻辑判定3#道岔残留，向主控终端发送报警信息。

场景4 以图4 接车进路X-ⅡG 为例：T1 时刻，进路排路成功；T2 时刻，列车驶入进路；T3时刻，列车压入1#道岔；T4 时刻，列车压入3#道岔，但未压实，导致3#道岔保持锁闭状态；T5 时刻，列车压入7#道岔和ⅡG股道；T6时刻，ⅠAG/1#/7#/ⅡG 依次出清，但3#道岔始终保持锁闭。在指令出清后，由残留指令光带监控逻辑判定3#道岔光带残留，向主控终端发送报警信息。

场景5 在行调台未向车站下发阶段计划的前提下，操作员在CTC 终端仅通过按钮排列列车或调车进路。在列/调车驶入进路后，如果存在场景3 或场景4 的问题，由于3#道岔不满足前述3 种监控报警条件，则方案存在漏报警缺陷。

场景6 站内对象闪现红光带不足阈值时间即恢复空闲，则方案存在漏报警的缺陷。

分析以上场景，方案可以有效应对场景1～4对应的残留光带问题。至于场景5 中无行车计划下的人工按钮排路，或者场景6 中不影响行车前提下的轨道区段一定阈值内的短暂闪烁，则可通过与运输指挥人员沟通讨论，由联锁系统保证设备运行正常，CTC系统可不产生监控报警输出。

4 结论

针对CTC 系统中影响行车效率和安全的残留光带问题，车站自律机利用动静态数据，建立进路指令、排路命令与站场轨道区段（占用、锁闭、空闲）状态的链路关系，依靠站场对象的状态预置以及对象状态迁移监控技术，实现残留光带监控功能。仿真试验表明，方案在CTC 系统正常工作状态下，能够有效应对各场景下的残留光带问题，提升行车计划兑现效率，保障行车安全和行车效率，满足预期目标。后续考虑建立一定区域内站内轨道区段状态联动机制，并逐步降低光带残留时间阈值，完善对轨道区段闪红或闪白的监控功能。