潘 亮 吳 杰 浦 倫 顧 鑫

(1.卡斯柯信號有限公司， 200072， 上海； 2．上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235，上海∥第一作者，高級工程師)

在列車自主運行系統(tǒng)中引入線路資源管理方法，以重構(gòu)城市軌道交通信號系統(tǒng)的功能，既可有效解決列車的正面沖突、側(cè)面沖突、追尾沖突及過岔脫軌等運營風(fēng)險，避免列車與乘客間發(fā)生沖突，又可利用既有線路資源進一步提高線路運力、減少站場的改造成本。但是，因列車自主規(guī)劃路徑及申請線路資源可能會導(dǎo)致多列車運行任務(wù)并發(fā)一起競爭線路資源，進而引發(fā)線路資源死鎖及列車實際運行任務(wù)與運行計劃不匹配等問題，最終導(dǎo)致運營秩序紊亂。為此，需要對線路資源管理在列車自主運行的車車通信系統(tǒng)中應(yīng)用時帶來的多車并發(fā)和線路資源死鎖問題加以分析和研究。

1 城市軌道交通線路資源的特點

城市軌道交通線路作為列車運行的基礎(chǔ)要素，主要功能體現(xiàn)在為列車提供線路空間資源。在規(guī)定時間內(nèi)通過空間資源的列車數(shù)量決定著城市軌道交通線路的通過能力。在引入線路資源管理后，需要結(jié)合城市軌道交通的運營需求，分析其線路資源管理的特點。城市軌道交通線路資源的特點主要包括以下方面：

1) 線路資源的獨占/共享。當(dāng)前后列車在一段線路區(qū)域內(nèi)追蹤運行時，該線路區(qū)域需要為這兩列車分配線路資源。后車基于信號系統(tǒng)計算得到與前車尾部間的安全距離來追蹤前車運行。在此運營場景下，該區(qū)域線路資源的狀態(tài)為“共享”；當(dāng)在一段線路區(qū)域內(nèi)僅允許一列車運行時，該段線路資源若未經(jīng)區(qū)域內(nèi)列車釋放，不得給其他列車使用，則該區(qū)域的線路資源狀態(tài)為“獨占”。

2) 線路資源的死鎖。當(dāng)多列車同時觸發(fā)運行任務(wù)請求時，這些列車在互相等待對方釋放所擁有的線路資源，但這些并發(fā)運行任務(wù)在未獲得對方的線路資源前并不會主動釋放自己所擁有的線路資源，從而造成所有列車都無法獲得新的線路資源。將某線路區(qū)域內(nèi)多列車運行任務(wù)并發(fā)而因無法獲取線路資源，導(dǎo)致列車均不能繼續(xù)向前運行的狀態(tài)，稱為“線路資源死鎖”。

3) 線路資源的分時復(fù)用。城市軌道交通線路資源屬于可基于方向和順序循環(huán)重復(fù)使用的資源。在有限的軌道線路上，通過恰當(dāng)?shù)倪\營調(diào)度策略、合理的資源劃分和分配機制，可在單位時段內(nèi)增加線路區(qū)段內(nèi)通過的列車數(shù)，以提高線路的運力。

綜上所述，城市軌道交通線路資源所具有的特點與計算機操作系統(tǒng)的算力資源和存儲資源特點非常相似。但在資源的調(diào)度管理上，兩者又有很多差異，其對比分析如表1所示。

在表1的基礎(chǔ)上，根據(jù)城市軌道交通的運營特點，本文重點研究與之相適應(yīng)的線路資源管理方法。

表1 計算機操作系統(tǒng)與城市軌道交通在資源管理上的差異

2 城市軌道交通線路資源靜態(tài)分析

傳統(tǒng)城市軌道交通線路信號系統(tǒng)的列車側(cè)面沖突防護技術(shù)，因進路未經(jīng)過資源細化分解，而導(dǎo)致辦理進路時所需消耗的線路資源較大，消耗的安全空間余量也較大。采用資源管理方法后，根據(jù)列車運行過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險，將相應(yīng)的線路區(qū)域作進一步細分，以提升線路資源的利用率。

文獻[2]中提出，線路資源需通過細分來優(yōu)化列車占用線路資源時所消耗的空間安全余量。城市軌道交通線路的空間資源通過特定功能劃分為相應(yīng)的邏輯分區(qū)。邏輯分區(qū)是列車運行空間與運行路徑的最小元素，其可分為兩種類型：道岔邏輯分區(qū)和無岔邏輯分區(qū)。

2.1 道岔邏輯分區(qū)

如圖1所示，道岔邏輯分區(qū)可分為道岔可動區(qū)和道岔側(cè)防區(qū)。其中：道岔可動區(qū)對應(yīng)的邏輯分區(qū)用于規(guī)避列車過岔脫軌風(fēng)險；道岔側(cè)防區(qū)對應(yīng)的邏輯分區(qū)可分為道岔定位側(cè)防區(qū)和道岔反位側(cè)防區(qū)，用以規(guī)避列車側(cè)面沖突風(fēng)險。

圖1 道岔區(qū)域邏輯分區(qū)示意圖

2.2 無岔邏輯分區(qū)

無岔邏輯分區(qū)需根據(jù)對應(yīng)的風(fēng)險源進行劃分。例如：為避免乘客在站臺候車時的風(fēng)險，需定義站臺門對應(yīng)的邏輯分區(qū)；為避免區(qū)間內(nèi)逃生乘客與列車發(fā)生沖突，需定義乘客逃生區(qū)段對應(yīng)的邏輯分區(qū)；為避免通風(fēng)井處因多列車進入而阻滯了有害空氣的疏散，需定義通風(fēng)井邏輯分區(qū)；等等。

2.3 邏輯分區(qū)的特點分析

邏輯分區(qū)具有方向?qū)傩?。多列車征用同一個邏輯分區(qū)的線路資源時，應(yīng)通過列車運行方向確定列車之間的沖突關(guān)系。對于某一個邏輯分區(qū)，若前后車運行任務(wù)經(jīng)過該邏輯分區(qū)的方向一致且道岔位置一致，則可同時共享該邏輯分區(qū)的線路資源。此時應(yīng)通過前后車實時交互列車定位信息計算兩列車的安全位置，以確保前后車跟馳運行安全。若一個邏輯分區(qū)內(nèi)所有列車都已經(jīng)出清，則應(yīng)立即釋放該邏輯分區(qū)的線路資源。

根據(jù)相應(yīng)的風(fēng)險源，邏輯分區(qū)具備線路資源“獨占”的特點。若該邏輯分區(qū)內(nèi)前后車的運行方向不一致、道岔位置不一致，或者該邏輯分區(qū)內(nèi)僅允許一列車通行，則該邏輯分區(qū)的線路資源只能分配給一列車。只有邏輯分區(qū)方向的鎖閉狀態(tài)解除后，方可將該獨占的邏輯分區(qū)資源分配給后續(xù)列車。

3 城市軌道交通線路資源動態(tài)分析

3.1 線路資源死鎖

由表1可知，與計算機操作系統(tǒng)一樣，線路資源管理在執(zhí)行過程中也存在死鎖現(xiàn)象。一旦發(fā)生死鎖，基于線路資源管理的整個系統(tǒng)都無法繼續(xù)正常運轉(zhuǎn)，因此需要通過對線路資源進行靜態(tài)和動態(tài)分析，以研究規(guī)避死鎖的方法。圖2和圖3為兩個典型的線路資源死鎖導(dǎo)致列車實際運行與運行計劃不匹配的場景。這兩個場景共同特點是：折返線為前后兩列車的沖突區(qū)域，前車(A車)申請折返線所需的第二段運行任務(wù)線路資源的時機均滯后于后車(B車)到達折返線執(zhí)行運行任務(wù)的觸發(fā)時機。

a) 列車大小交路站后折返路線示意圖

b) 圖定計劃

c) 實際運行

a) 列車大小交路站后折返路線示意圖

b) 圖定計劃

Fig.2 Mismatch between actual turn-back operation and fixed plan after full-length and short-length routing stations

對于圖2所示的站后折返場景，若A車和B車均自主申請前方運行任務(wù)的線路資源，軌旁線路資源管理器不作干涉，則可能會導(dǎo)致B車先于A車進入乙站。這雖然不會導(dǎo)致兩列車之間的死鎖，但卻與圖定計劃不符，導(dǎo)致運行秩序紊亂。

對于圖3所示的站前折返場景，若前車(A車)和后車(B車)分別基于運行任務(wù)自主申請折返線的線路資源，軌旁線路資源管理器若加以防范，雖然可滿足正常折返的運營需求，但在前車(A車)故障時，不能滿足與相鄰列車連掛后救援的運營需求；若線路資源管理器不做干涉，則會導(dǎo)致A車無法完成折返，造成線路資源死鎖，產(chǎn)生如圖3 c)所示的情況。

3.1.1 引發(fā)線路資源死鎖的條件

根據(jù)表1的分析及圖3的場景分析，可以總結(jié)出引發(fā)資源死鎖的條件，主要包括以下4個方面：

1) 互斥條件。線路資源不能同時被多列車同時分配或使用，對多列車所需的資源需要進行排他性控制，即“獨占”控制。敵對防護和側(cè)沖防護涉及的運營場景主要包括圖4 a)的交匯運行、圖4 b)的分岔運行、圖4 c)的側(cè)面沖突敵對運行、圖4 d)的交叉運行及圖4 e)的敵對運行等場景，還包括需要獨占相關(guān)線路資源(如通風(fēng)井區(qū)域等)的其它運營場景。

a) 交匯運行

b) 分岔運行

c) 側(cè)面沖突敵對運行

d) 交叉運行

e) 敵對運行

2) 不剝奪條件。對于已為當(dāng)前列車分配的線路資源，在該資源未獲得釋放前，不可將此資源強行分配給其他列車；只有在該資源被當(dāng)前列車釋放后，才允許為其他列車分配。

3) 接近觸發(fā)逐段申請。將列車運行任務(wù)分解為若干個短任務(wù)，列車在獲取當(dāng)前任務(wù)后，基于當(dāng)前車速觸發(fā)申請下一個短任務(wù)所需的線路資源;在等待申請新資源的同時，列車仍保持對已分配得到線路資源的占用狀態(tài)。

4) 環(huán)路死鎖條件。由于多列車均自主申請任務(wù)，可能形成任務(wù)的循環(huán)鏈，鏈中的每一個列車運行任務(wù)應(yīng)獲得相應(yīng)的線路資源。與此同時，該資源也是下一個運行任務(wù)所需申請的線路資源，進而造成線路資源死鎖環(huán)路等待。圖5為線路資源死鎖環(huán)路等待的4類典型運營場景。

3.1.2 規(guī)避線路資源死鎖的技術(shù)措施

若要防止列車之間發(fā)生如圖3、圖5所示場景下的線路資源死鎖，需要在技術(shù)上采取有效的措施，以規(guī)避引發(fā)線路資源死鎖的條件。

3.1.2.1 線路資源死鎖的靜態(tài)預(yù)防

基于環(huán)路死鎖條件和互斥條件的站型拓撲關(guān)系，將有沖突關(guān)系的死鎖防護區(qū)域合并為1個道岔邏輯分區(qū)。在制定運行計劃前，計算列車通過該死鎖防護區(qū)的時間，以確定該死鎖防護區(qū)的最大負荷量，進而確定該死鎖防護區(qū)域的列車通過能力。在此基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃前后兩列車運行線之間的時序關(guān)系，在編制運行計劃層面上規(guī)避圖5所示的線路資源死鎖環(huán)路等待的4類場景。

a) 第一類資源死鎖環(huán)路等待

b) 第二類資源死鎖環(huán)路等待

c) 第三類資源死鎖環(huán)路等待

d) 第四類資源死鎖環(huán)路等待

3.1.2.2 線路資源死鎖的動態(tài)預(yù)防

傳統(tǒng)信號系統(tǒng)的進路申請采用“整段申請、整段鎖閉”方式，即在規(guī)定的進路檢查條件滿足時才鎖閉整段進路。為了防止線路資源死鎖，本文提出動態(tài)申請和分配線路資源，采用的方式為“整段申請、逐段分配”，即：列車運行任務(wù)中的任意一段線路區(qū)域在相關(guān)聯(lián)鎖安全防護條件滿足的情況下，可以立即為列車分配該區(qū)段的所有線路資源。此時列車在匯總線路資源分配情況、前車安全位置、當(dāng)前列車運行方向等信息，以及線路資源情況后，通過車車協(xié)同控制完成跟馳運行。

信號系統(tǒng)采用動態(tài)申請和動態(tài)分配線路資源的方式，在分配資源前根據(jù)運行計劃安排的順序，對列車當(dāng)前運行任務(wù)所需要的線路資源進行一次性申請，完成資源排序后對該排序予以確認和校驗，用以規(guī)避引發(fā)線路資源死鎖的第3個條件——接近觸發(fā)逐段申請。如對于圖2、圖3所示的兩種運營場景，ATS(列車自動監(jiān)控)在為前車發(fā)布第一段運行任務(wù)時，軌旁線路資源管理器將前車后續(xù)折返任務(wù)所覆蓋的所有邏輯分區(qū)設(shè)為死鎖防護模式，并將該折返區(qū)域內(nèi)所有的邏輯分區(qū)和第一段任務(wù)所需的線路整合成一個資源集合。待線路資源管理器確認將前車所需的資源集合排入資源序列后，ATS再向后車發(fā)布運行任務(wù)。當(dāng)前車進入折返線且第二段運行任務(wù)已確認觸發(fā)，再解除該折返區(qū)域內(nèi)邏輯分區(qū)的死鎖防護模式，將折返線至乙站的線路資源分配給后車。這樣，既可避免發(fā)生線路資源死鎖的情況，又能確保前后車的運行任務(wù)與運行計劃一致。

3.2 與圖定運行計劃不匹配

文獻[3]中闡明了利用接近觸發(fā)逐段申請資源的方式和采用動態(tài)規(guī)劃模型分配線路資源的策略，通過求解最優(yōu)值函數(shù)來決策兩列車從當(dāng)前位置觸發(fā)至都通過道岔區(qū)域的最小耗時，以確定前后列車通過道岔的順序。其模型目標是在多列車之間建立協(xié)同運行機制，使列車能更快地通過道岔區(qū)域，但該模型并未考慮列車通過道岔順序與圖定運行計劃的匹配性。因此，受制于各列車實際運行過程的各種不確定性，前后車在交匯運行時易發(fā)生實際運行與圖定運行計劃不匹配的現(xiàn)象，導(dǎo)致運行秩序混亂，進而引發(fā)與其他在線運行列車間的線路資源死鎖問題，以及換乘樞紐站內(nèi)該線路與其他線路間客流銜接能力降低等問題。

圖6為大小交路混合或兩個交路交匯下的運營場景，仍采用圖2 a)的折返路線。如圖6 a)所示，前車(A車)和后車(B車)均需執(zhí)行到達乙站下行站臺的運行任務(wù)，設(shè)ta1,t、tb1,t分別為圖定計劃中A車從乙站上行站臺出發(fā)的時刻和B車從丙站下行站臺出發(fā)的時刻，ta2,t、tb2,t分別為A車、B車到達乙站下行站臺的時刻，Ta,t、Tb,t分別A車和B車運行的時間段。基于圖定運行計劃，A車需滿足ta1,t≥tb1,t。圖中的ta2,t≤tb2,t，B車執(zhí)行任務(wù)耗時較長，因此Tb,t完全包含在Ta,t內(nèi)，即前車插入后車任務(wù)范圍，實際運行情況與圖定運行計劃是一致的。

a) 圖定計劃

b) 實際運行

如圖6 b)所示，前車(A車)和后車(B車)均需執(zhí)行到達乙站下行站臺的運行任務(wù)，設(shè)ta1,s、tb1,s分別為實際運行時A車到達乙站上行站臺的時刻和B車到達丙站下行站臺的時刻，ta2,s、tb2,s分別為A車、B車到達乙站下行站臺的時刻，Ta,s、Tb,s分別A車和B車運行的時間段。由于ta1,s≥tb1,s，若列車基于任務(wù)自主申請原則采用列車接近觸發(fā)逐段申請線路資源或在動態(tài)規(guī)劃模型申請線路資源，通過最優(yōu)決策判斷兩列車通過道岔區(qū)域的最小耗時，則導(dǎo)致乙站下行站臺被B車先行征用，進而產(chǎn)生ta2,s≥tb,s的情況，此時Tb,s不能完全包含Ta,s，即B車先于A車到達乙站下行站臺，最終導(dǎo)致前后車運行順序與運行計劃不匹配的現(xiàn)象。

圖6中，由于不能確定多列車獲得的運行任務(wù)順序是否與運行計劃要求的順序一致，應(yīng)采用線路資源死鎖靜態(tài)預(yù)防和動態(tài)預(yù)防相結(jié)合的原則，建立合理的線路資源排序機制，以規(guī)避上述問題。

4 結(jié)語

在列車運行過程中，因列車運行任務(wù)并發(fā)導(dǎo)致線路資源死鎖及與運行計劃不匹配問題，是列車自主運行控制系統(tǒng)帶來的一個常見且復(fù)雜的問題。本文通過對比計算機操作系統(tǒng)資源管理特點與城市軌道交通線路資源管理特點的異同，分析了線路資源死鎖產(chǎn)生的條件，提出了解決線路資源死鎖問題的技術(shù)思路及措施，以期在有效減少系統(tǒng)復(fù)雜度及系統(tǒng)運作成本的前提下，對線路資源進行動態(tài)劃分及分配，以提高線路資源的利用率，確保在各種情況下行車組織均能高效、安全地完成目標任務(wù)。