張友兵，王建敏，于曉娜，張振興，王懷江

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)和ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)中，車(chē)載設(shè)備基于參考應(yīng)答器向無(wú)線(xiàn)閉塞中心（Radio Block Center，RBC）報(bào)告列車(chē)位置。RBC根據(jù)所控列車(chē)的狀態(tài)、控制范圍內(nèi)的列車(chē)位置、聯(lián)鎖進(jìn)路信息、臨時(shí)限速命令等信息，實(shí)時(shí)生成列車(chē)行車(chē)許可命令，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)傳輸給車(chē)載設(shè)備。車(chē)載設(shè)備根據(jù)收到的行車(chē)許可等信息監(jiān)控列車(chē)位置和速度，保障行車(chē)安全。因此，車(chē)載設(shè)備計(jì)算出準(zhǔn)確的列車(chē)位置和方向是車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備共同監(jiān)控列車(chē)運(yùn)行、保障行車(chē)安全的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一。

本文系統(tǒng)介紹了車(chē)載設(shè)備依據(jù)參考應(yīng)答器確定列車(chē)位置和方向的方法。

1 相關(guān)方向的基本概念

1.1 應(yīng)答器組方向

當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)一組應(yīng)答器時(shí)，列車(chē)上的應(yīng)答器讀取器通過(guò)瞬間電磁感應(yīng)依次激活地面應(yīng)答器，獲取相應(yīng)報(bào)文數(shù)據(jù)。應(yīng)答器組最少包含1個(gè)應(yīng)答器，最多包含8個(gè)應(yīng)答器。應(yīng)答器組又分為鏈接的應(yīng)答器組和未鏈接的應(yīng)答器組。對(duì)于鏈接的應(yīng)答器組，車(chē)載設(shè)備根據(jù)應(yīng)答器組的鏈接信息和應(yīng)答器組的實(shí)際位置對(duì)列車(chē)位置進(jìn)行校正，并以該組應(yīng)答器作為最近相關(guān)應(yīng)答器組（Last Relevant Balise Group，LRBG）向RBC發(fā)送位置報(bào)告。

以包含2個(gè)應(yīng)答器的應(yīng)答器組為例，從組內(nèi)1號(hào)應(yīng)答器到2號(hào)應(yīng)答器的方向?yàn)閼?yīng)答器組的正向，從組內(nèi)2號(hào)應(yīng)答器到1號(hào)應(yīng)答器的方向?yàn)閼?yīng)答器組的反向，如圖1所示。

圖1 應(yīng)答器組方向Fig.1 Direction of balise group

1.2 列車(chē)方向

目前，高速鐵路列車(chē)兩端一般都配備有列車(chē)車(chē)頭和駕駛室，當(dāng)列車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，一端處于激活狀態(tài)，另一端則處于非激活狀態(tài)，司機(jī)在激活端駕駛列車(chē)安全運(yùn)行。列車(chē)方向就是從列車(chē)的非激活端到激活端的方向。如圖2（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車(chē)方向?yàn)閺腂端到A端的方向。如圖2（b）所示，B端為激活端，A端為非激活端，列車(chē)方向?yàn)閺腁端到B端的方向。

圖2 列車(chē)方向Fig.2 Train direction

1.3 列車(chē)運(yùn)行方向

司機(jī)駕駛臺(tái)的方向手柄包含前向、中立、后向3個(gè)位置。方向手柄向前，列車(chē)向前運(yùn)行；方向手柄向后，列車(chē)向后運(yùn)行。列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)榱熊?chē)的實(shí)際運(yùn)行方向。如圖3（a）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車(chē)前行，列車(chē)運(yùn)行方向向右，列車(chē)運(yùn)行方向與列車(chē)方向相同。如圖3（b）所示，A端為激活端，B端為非激活端，列車(chē)退行，列車(chē)運(yùn)行方向向左，列車(chē)運(yùn)行方向與列車(chē)方向相反。

圖3 列車(chē)運(yùn)行方向Fig.3 Train running direction

2 位置報(bào)告中的位置和方向

2.1 位置報(bào)告

在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)和ETCS-2級(jí)列控系統(tǒng)中，車(chē)載設(shè)備基于參考應(yīng)答器向RBC報(bào)告列車(chē)位置，RBC根據(jù)列車(chē)位置信息向車(chē)載設(shè)備發(fā)送行車(chē)許可。

車(chē)載設(shè)備應(yīng)根據(jù)位置報(bào)告參數(shù)的要求向RBC發(fā)送位置報(bào)告。如果列車(chē)停車(chē)、模式變化、列車(chē)最小安全末端越過(guò)RBC邊界、列車(chē)最大安全前端越過(guò)RBC邊界、等級(jí)變化、建立通信會(huì)話(huà)、經(jīng)過(guò)應(yīng)答器等情況發(fā)生，車(chē)載設(shè)備也應(yīng)向RBC發(fā)送位置報(bào)告。

CTCS列車(chē)控制系統(tǒng)和ETCS列車(chē)控制系統(tǒng)均定義了D_LRBG、Q_DIRLRBG、Q_DLRBG、Q_DIRTRAIN共4個(gè)變量，如表1所示。通過(guò)這4個(gè)變量共同確定列車(chē)的位置和方向，車(chē)載設(shè)備計(jì)算這4個(gè)變量的取值并傳遞給地面設(shè)備，實(shí)現(xiàn)車(chē)地之間關(guān)于列車(chē)位置和方向的信息共享。一種最為常見(jiàn)的應(yīng)答器組方向、列車(chē)方向、列車(chē)運(yùn)行方向和列車(chē)前端距LRBG的絕對(duì)距離共同確定基于LRBG的列車(chē)位置和方向的例子如圖4所示。

圖4 基于LRBG的列車(chē)位置和方向Fig.4 Train position and direction based on LRBG

表1 位置報(bào)告中描述列車(chē)位置和方向的變量Tab.1 Variables of train position and direction described in position report

2.2 Q_DIRLRBG取值

如圖5（a）所示，列車(chē)A端為激活端，B端為非激活端，列車(chē)方向?yàn)閺姆羌せ疃耍˙端）到激活端（A端）的方向。列車(chē)方向與LRBG方向相同，因此Q_DIRLRBG為1。

如圖5（b）所示，列車(chē)B端為激活端，A端為非激活端，列車(chē)方向?yàn)閺姆羌せ疃耍ˋ端）到激活端（B端）的方向。列車(chē)方向與LRBG方向相反，因此Q_DIRLRBG為0。

圖5 Q_DIRLRBG取值Fig.5 Value of Q_DIRLRBG

2.3 Q_DLRBG取值

如圖6所示，列車(chē)A端在應(yīng)答器組的正向側(cè)，對(duì)于A端來(lái)說(shuō)，Q_DLRBG為1。列車(chē)B端在應(yīng)答器組的反向側(cè)，對(duì)于B端來(lái)說(shuō)，Q_DLRBG為0。

圖6 Q_DLRBG取值Fig.6 Value of Q_DLRBG

2.4 Q_DIRTRAIN取值

如圖7（a）所示，列車(chē)A端為激活端，當(dāng)方向手柄向前，列車(chē)前行。此時(shí)，列車(chē)運(yùn)行方向和LRBG方向相同，Q_DIRTRAIN為1。

如圖7（b）所示，列車(chē)A端為激活端，當(dāng)方向手柄向后，列車(chē)退行。此時(shí)，列車(chē)運(yùn)行方向和LRBG方向相反，Q_DIRTRAIN為0。

圖7 Q_DIRTRAIN取值Fig.7 Value of Q_DIRTRAIN

3 列車(chē)位置和方向的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

3.1 列車(chē)位置和方向全場(chǎng)景分析

經(jīng)過(guò)全部場(chǎng)景分析，基于參考應(yīng)答器的列車(chē)位置和方向存在8種場(chǎng)景，如圖8所示。再通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)使用Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN可以完整描述這8種場(chǎng)景。Q_DIRLRBG、 Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN分別有正、反兩個(gè)方向，可以排列出8種組合，如表2所示。圖8中的場(chǎng)景與表2中的場(chǎng)景是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

從表2和圖8可以得到以下規(guī)律。

表2 基于LRBG的列車(chē)方向Tab.2 Train position and direction based on LRBG

圖8 基于LRBG的列車(chē)位置和方向的所有場(chǎng)景Fig.8 All scenarios of train position and direction based on LRBG

1）當(dāng)列車(chē)換端（列車(chē)的激活端和非激活端發(fā)生交換），列車(chē)方向發(fā)生變化，則Q_DIRLRBG發(fā)生變化。其中，場(chǎng)景1和場(chǎng)景5、場(chǎng)景2和場(chǎng)景6、場(chǎng)景3和場(chǎng)景7、場(chǎng)景4與場(chǎng)景8均符合這條規(guī)律。例如，在場(chǎng)景1和場(chǎng)景5中，列車(chē)均位于應(yīng)答器組的反方向側(cè)，列車(chē)運(yùn)行方向均為向遠(yuǎn)離LRBG的方向運(yùn)行，只是列車(chē)的激活端和非激活端發(fā)生變化，即列車(chē)方向發(fā)生變化，導(dǎo)致Q_DIRLRBG發(fā)生變化。

2）當(dāng)越過(guò)參考應(yīng)答器組時(shí)，Q_DLRBG發(fā)生變化。其中，場(chǎng)景1和場(chǎng)景3、場(chǎng)景2和場(chǎng)景4、場(chǎng)景5和場(chǎng)景7、場(chǎng)景6和場(chǎng)景8均符合這條規(guī)律。例如，在場(chǎng)景1和場(chǎng)景3中，列車(chē)激活端和非激活端未發(fā)生變化（列車(chē)方向未變），列車(chē)運(yùn)行方向均為向左運(yùn)行。場(chǎng)景1中的列車(chē)位于LRBG反向側(cè)，場(chǎng)景3中的列車(chē)位于LRBG正向側(cè)，即場(chǎng)景3中的列車(chē)越過(guò)LRBG就變成了場(chǎng)景1，導(dǎo)致Q_DLRBG發(fā)生變化。

3）當(dāng)列車(chē)在前行和退行之間切換時(shí)，Q_DIRTRAIN發(fā)生變化。其中，場(chǎng)景1和場(chǎng)景2、場(chǎng)景3和場(chǎng)景4、場(chǎng)景5和場(chǎng)景6、場(chǎng)景7和場(chǎng)景8均符合這條規(guī)律。例如，在場(chǎng)景1和場(chǎng)景2中，列車(chē)均位于LRBG的反向側(cè)，列車(chē)激活端和非激活端未發(fā)生變化（列車(chē)方向未變）。但是，站在激活端的角度，場(chǎng)景1的列車(chē)向前運(yùn)行，場(chǎng)景2的列車(chē)向后運(yùn)行，列車(chē)運(yùn)行方向發(fā)生變化，導(dǎo)致Q_DIRTRAIN發(fā)生變化。

3.2 列車(chē)位置和方向的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

如圖9所示，給出了不同場(chǎng)景的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，每一種狀態(tài)與其他3種狀態(tài)相連，表示從這種狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換到其他3種狀態(tài)，線(xiàn)條旁邊的文字是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。在表3中，以狀態(tài)7為初始狀態(tài)，說(shuō)明通過(guò)一步轉(zhuǎn)換、兩步轉(zhuǎn)換和三步轉(zhuǎn)換，分別可以進(jìn)入哪些狀態(tài)，并得到如下規(guī)律。

圖9 不同場(chǎng)景的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.9 State transition of different scenarios

表3 初始狀態(tài)為7的狀態(tài)轉(zhuǎn)換Tab.3 State transition with initial state 7

1）從每一個(gè)狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)一步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)入另外3種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過(guò)一步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)入狀態(tài)3、狀態(tài)5和狀態(tài)8；

2）從每一個(gè)狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)入另外3種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過(guò)兩步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)入狀態(tài)1、狀態(tài)4和狀態(tài)6；

3）從每一個(gè)狀態(tài)出發(fā)，通過(guò)三步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以進(jìn)入另外一種狀態(tài)。例如，從狀態(tài)7出發(fā)，通過(guò)三步狀態(tài)轉(zhuǎn)換，只能進(jìn)入狀態(tài)2；

4）不同狀態(tài)之間最多通過(guò)換端、越過(guò)LRBG、改變運(yùn)行方向共三步即可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)互相轉(zhuǎn)換。

4 列車(chē)位置和方向的計(jì)算方法

如果一輛列車(chē)安裝兩套車(chē)載設(shè)備，列車(chē)兩端分別安裝一套車(chē)載設(shè)備，兩套車(chē)載設(shè)備分別控制列車(chē)的兩端。激活端的車(chē)載設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，非激活端的車(chē)載設(shè)備處于休眠狀態(tài)。下面分別研究激活端和休眠端車(chē)載設(shè)備如何計(jì)算基于LRBG的列車(chē)位置和方向。

4.1 激活端

如果激活端的方向手柄向前，列車(chē)向前移動(dòng)，列車(chē)位置絕對(duì)值增大，激活端車(chē)載設(shè)備判定列車(chē)實(shí)際運(yùn)行方向?yàn)檎?。如果激活端的方向手柄向后，列?chē)向后移動(dòng)，列車(chē)位置絕對(duì)值減小，激活端車(chē)載設(shè)備判定列車(chē)實(shí)際運(yùn)行方向?yàn)榉聪?，如?所示。

表4 激活端列車(chē)運(yùn)行方向Tab.4 Train running direction of activation end

站在激活端車(chē)載設(shè)備的角度分析，在各個(gè)場(chǎng)景下，分別以列車(chē)方向?yàn)檎蚪⒆鴺?biāo)系，可以得到每個(gè)場(chǎng)景下的LRBG方向和列車(chē)運(yùn)行方向，如表5所示。根據(jù)表5可以得到表2所示結(jié)果。

表5 激活端方向判定Tab.5 Direction determination of activation end

4.2 休眠端

當(dāng)激活端前行，休眠端后退，休眠端列車(chē)位置絕對(duì)值減小，則列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)檎?；?dāng)激活端后退，休眠端前行，休眠端列車(chē)位置絕對(duì)值增大，則列車(chē)運(yùn)行方向?yàn)榉聪?。也就是說(shuō)，基于列車(chē)位置絕對(duì)值的變化方向判斷列車(chē)運(yùn)行方向時(shí)，激活端和休眠端的邏輯正好相反，如表6所示。

表6 休眠端列車(chē)運(yùn)行方向Tab.6 Train running direction of sleeping end

可見(jiàn)，激活端和休眠端判斷的列車(chē)運(yùn)行方向相同，判斷LRBG方向相同，也可以得到表5的結(jié)果。

4.3 通用的計(jì)算方法

以圖8場(chǎng)景8為例，說(shuō)明激活端（A端）和非激活端（B端）基于參考應(yīng)答器的列車(chē)位置和方向存在的規(guī)律。在場(chǎng)景8中，B端為非激活端，A端為激活端，B端車(chē)載設(shè)備處于休眠模式，A端車(chē)載設(shè)備處于非休眠模式。對(duì)于A端和B端，LRBG方向相同（基于相同的LRBG），列車(chē)方向一致（從未激活的B端指向激活的A端），A端和B端均位于LRBG的正向側(cè)，所以Q_DIRLRBG、Q_DLRBG和Q_DIRTRAIN均相同。

對(duì)激活端和休眠端進(jìn)行研究，并對(duì)表2和表5進(jìn)行比較分析，可知激活端車(chē)載設(shè)備和休眠端車(chē)載設(shè)備計(jì)算列車(chē)位置和方向的方法相同。

5 總結(jié)

本文介紹了車(chē)載設(shè)備基于參考應(yīng)答器確定列車(chē)位置和方向的原理、概念和方法，這種方法對(duì)激活端和非激活端的車(chē)載設(shè)備均有效，車(chē)載設(shè)備均能正確計(jì)算并向地面設(shè)備報(bào)告不同狀態(tài)下的列車(chē)位置和方向?；跍?zhǔn)確的列車(chē)位置和方向，車(chē)載設(shè)備和地面設(shè)備可以共同保障列車(chē)安全高效運(yùn)行。