張楠喬，耿 鵬

（通號城市軌道交通技術(shù)有限公司，北京 100070）

1 研究背景

近年來城市軌道交通建設(shè)快速增長，部分新建線路也在基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）基礎(chǔ)上引入了更多自動化、智能化的功能需求，使列車運行控制系統(tǒng)向著全自動運行（FAO）方向發(fā)展[1]。FAO 互聯(lián)互通系統(tǒng)在CBTC 互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范體系基礎(chǔ)上擴(kuò)展而成，是CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)的延伸和升級，是中國城市軌道交通列車運行控制系統(tǒng)的主流技術(shù)發(fā)展方向[2]。

在城市軌道交通中，由于車站站臺土建條件的限制，運營停車點通常距離出站信號機(jī)過近，為保證列車自動運行（ATO）可控制列車?？恐猎擖c完成旅客乘降作業(yè)，車載列車自動防護(hù)（ATP）計算的緊急制動曲線終點必須延伸至出站信號機(jī)內(nèi)方[3]。為了解決這一問題，計算機(jī)聯(lián)鎖（CBI）在出站信號機(jī)內(nèi)方額外鎖閉一片區(qū)域，使得緊急制動曲線終點得以安全延伸，該額外鎖閉區(qū)域即為保護(hù)區(qū)段[4]。保護(hù)區(qū)段內(nèi)可能包含道岔，若保護(hù)區(qū)段解鎖時機(jī)過晚，將影響列車運營間隔，降低運營效率[5]。因此，CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)通常支持多種方式解鎖保護(hù)區(qū)段，包括：收到來自車載ATP 的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息后解鎖、保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時結(jié)束后解鎖等[6-8]。

FAO 互聯(lián)互通系統(tǒng)具有城市軌道交通列車運行自動化水平的最高等級，自動化等級（GoA）4 級已不再需要司機(jī)監(jiān)控列車運行，與CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)在列車安全監(jiān)控方面的人/系統(tǒng)職責(zé)劃分方式上存在明顯區(qū)別。對此，保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案是否適用于FAO 互聯(lián)互通系統(tǒng)有待研究。本文重點關(guān)注列車已?？恐琳九_時的保護(hù)區(qū)段正常解鎖方式，嘗試以保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案為基礎(chǔ)，分析其適用性，提出優(yōu)化方法原理，并設(shè)計相應(yīng)的保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案。

2 保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案

2.1 原理流程

列車順序進(jìn)入保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段后，CBI 啟動保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時：計時結(jié)束前，若CBI 收到車載ATP 發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息或區(qū)域控制器（ZC）發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息，且保護(hù)區(qū)段空閑，則CBI 解鎖保護(hù)區(qū)段；計時結(jié)束后，若保護(hù)區(qū)段空閑，則CBI 解鎖保護(hù)區(qū)段。

其中，車載ATP 僅在停穩(wěn)且不再使用保護(hù)區(qū)段授權(quán)的前提下，方可向CBI 或ZC 發(fā)送允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息，CBI 直接獲取或通過ZC 間接獲取該信息，以此實現(xiàn)保護(hù)區(qū)段快速解鎖，提高解鎖效率；若不滿足保護(hù)區(qū)段快速解鎖條件，則CBI 亦可通過延時解鎖方式解鎖保護(hù)區(qū)段。

綜上所述，保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案總體流程如圖1 所示。

圖1 保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案總體流程Fig.1 Overall process of existing overlap release scheme

2.2 存在缺陷

保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案可滿足安全性的前提在于：列車進(jìn)入保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段后，司機(jī)應(yīng)保證在一定時間內(nèi)駕駛列車于保護(hù)區(qū)段外方停車或進(jìn)入保護(hù)區(qū)段內(nèi)方。在CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)中，該限制約束尚可輸出至司機(jī)；但在FAO 互聯(lián)互通系統(tǒng)中，司機(jī)將駕駛模式升級為全自動運行模式（FAM）后，原則上已不再承擔(dān)列車運行監(jiān)控的安全職責(zé)，該風(fēng)險僅可由信號系統(tǒng)內(nèi)部消化，故上述前提已不再成立。

由此，可構(gòu)建如下危險場景：司機(jī)駕駛非連續(xù)式控制級別（CTC）列車順序進(jìn)入保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段，CBI 啟動保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時；計時結(jié)束前，司機(jī)將駕駛模式升級為FAM 模式，車載ATP 依據(jù)包含保護(hù)區(qū)段授權(quán)的移動授權(quán)控制列車運行，由于車地通信存在信息時延，計時結(jié)束后CBI 解鎖保護(hù)區(qū)段，車載ATP 仍持有保護(hù)區(qū)段授權(quán)，列車闖入已解鎖的保護(hù)區(qū)段，存在安全風(fēng)險。

3 保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案A

為修復(fù)保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案中存在的缺陷，信號系統(tǒng)應(yīng)考慮如何安全收回列車可能持有的保護(hù)區(qū)段授權(quán)。對此，本文設(shè)計優(yōu)化方案A，以列車控制級別、區(qū)段占用狀態(tài)或信號機(jī)接近狀態(tài)等本質(zhì)上由車載信號設(shè)備反饋的列車控制級別為依據(jù)，CBI安全解鎖保護(hù)區(qū)段。

上述優(yōu)化手段的具體處理方法為：列車順序進(jìn)入保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段后，CBI 啟動保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時，計時結(jié)束前提前一定時間向ZC 發(fā)送保護(hù)區(qū)段無效，以此保證：計時結(jié)束時，列車未進(jìn)入保護(hù)區(qū)段或已進(jìn)入保護(hù)區(qū)段停穩(wěn)，且CBI 已檢測到該列車是否占用保護(hù)區(qū)段。據(jù)此，CBI 可在計時結(jié)束、收到車載ATP 發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息或收到ZC 發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息，且保護(hù)區(qū)段空閑時，安全解鎖保護(hù)區(qū)段。

上述CBI 提前向ZC 發(fā)送保護(hù)區(qū)段無效的處理方法，其目的即在于安全收回車載ATP 可能持有的保護(hù)區(qū)段授權(quán)。假定直至該時刻車載ATP 仍持有保護(hù)區(qū)段授權(quán)，若車載ATP 與ZC 通信正常，則CBI發(fā)送保護(hù)區(qū)段無效、ZC 收回保護(hù)區(qū)段授權(quán)，車載ATP 根據(jù)更新的移動授權(quán)信息重新計算緊急制動曲線，列車最終停于保護(hù)區(qū)段外方或觸發(fā)緊急制動闖入保護(hù)區(qū)段停穩(wěn)；若車載ATP 與ZC 通信中斷，則車載ATP 使用當(dāng)前保護(hù)區(qū)段授權(quán)達(dá)到最大超時后觸發(fā)緊急制動，列車最終停于保護(hù)區(qū)段外方或闖入保護(hù)區(qū)段停穩(wěn)。該提前量包含了上述場景中車載ATP觸發(fā)緊急制動直至停穩(wěn)且被CBI 檢測到是否占用保護(hù)區(qū)段的最大延時，保證計時結(jié)束時CBI 可安全判定保護(hù)區(qū)段是否可能被列車使用，如未使用方可解鎖保護(hù)區(qū)段。

綜上所述，保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案A 總體流程如圖2 所示。

圖2 保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案A總體流程Fig.2 Overall process of overlap release optimization scheme A

3.2 優(yōu)化方案B

為修復(fù)保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案中存在的缺陷，信號系統(tǒng)應(yīng)考慮如何安全收回列車可能持有的保護(hù)區(qū)段授權(quán)。對此，本文設(shè)計優(yōu)化方案B，以CBI 是否允許列車進(jìn)入保護(hù)區(qū)段、ZC 是否允許列車進(jìn)入保護(hù)區(qū)段等本質(zhì)上由軌旁信號設(shè)備發(fā)出的保護(hù)區(qū)段授權(quán)為依據(jù)，CBI 安全解鎖保護(hù)區(qū)段。該優(yōu)化手段將待解決問題抽象為信號系統(tǒng)是否授權(quán)列車進(jìn)入保護(hù)區(qū)段，站在發(fā)送方的角度思考并延后決策時機(jī)，以此獲得有效判定依據(jù)。

具體地，上述優(yōu)化手段的處理方法為：列車順序進(jìn)入保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段后，CBI 啟動保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時；到達(dá)“列車走行配置時間”時，CBI向ZC 發(fā)送保護(hù)區(qū)段無效；到達(dá)“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”時，若CBI 判斷車載ATP 不可能持有保護(hù)區(qū)段授權(quán)則以“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”作為計時終點，若CBI 判斷車載ATP 可能持有保護(hù)區(qū)段授權(quán)則以“CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”作為計時終點；據(jù)此，CBI 可在計時結(jié)束、收到車載ATP 發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息或收到ZC 發(fā)送的允許保護(hù)區(qū)段解鎖信息，且保護(hù)區(qū)段空閑時，安全解鎖保護(hù)區(qū)段。

優(yōu)化方案B 可避免優(yōu)化方案A 存在的兩個問題：

1）若采用由車載信號設(shè)備反饋的列車控制級別為依據(jù)，則不可避免地需要考慮車載信號設(shè)備反饋信息的安全時延；

2）若啟動計時即區(qū)分CTC 列車保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時、非CTC 列車保護(hù)區(qū)段延時解鎖計時，則不可避免地需要考慮列車在計時結(jié)束前可能出現(xiàn)列車控制級別轉(zhuǎn)化，即需要考慮列車可能持有保護(hù)區(qū)段授權(quán)導(dǎo)致的安全時延。

上述優(yōu)化手段可以實現(xiàn)CBI 針對非CTC 列車、CTC 列車分別使用不同的保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間，有效縮短了“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”，相比優(yōu)化方案A 而言提高了保護(hù)區(qū)段解鎖效率。

除此之外，優(yōu)化方案B 進(jìn)一步提出了3 種優(yōu)化手段：

1）針對非CTC 列車與CTC 列車共用“列車走行配置時間”導(dǎo)致“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”相比傳統(tǒng)非CTC 模式信號系統(tǒng)仍然偏長的缺陷，提出ZC 自置保護(hù)區(qū)段無效狀態(tài)的優(yōu)化手段，通過將“非CTC 列車走行配置時間”與“CTC 列車走行配置時間”分開處理、“非CTC 列車走行配置時間”到達(dá)時ZC 判斷是否自置保護(hù)區(qū)段無效狀態(tài)的方式，進(jìn)一步縮短了“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”，使其完全等同于傳統(tǒng)非CTC 模式信號系統(tǒng)；

2）針對“CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”依賴于配置最大超時導(dǎo)致等待時間較長的缺陷，提出了CBI 與ZC 間交互保護(hù)區(qū)段解鎖請求的優(yōu)化手段，通過將原CBI 保護(hù)區(qū)段解鎖判斷邏輯部分轉(zhuǎn)移至ZC 的方式，進(jìn)一步縮短了“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”“CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”；

3）針對列車進(jìn)入保護(hù)區(qū)段延時解鎖區(qū)段時人機(jī)界面（MMI）倒計時顯示與列車控制級別不匹配的缺陷，提出CBI 根據(jù)保護(hù)區(qū)段接近區(qū)段占用狀態(tài)選擇MMI 倒計時顯示的優(yōu)化手段，通過CBI 切換“非CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”“CTC 保護(hù)區(qū)段延時解鎖時間”MMI 倒計時顯示的方式，進(jìn)一步提高M(jìn)MI 倒計時顯示的可用性，使其更匹配運營人員使用習(xí)慣。

綜上所述，保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案B 總體流程如圖3 所示。

圖3 保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案B總體流程Fig.3 Overall process of overlap release optimization scheme B

3.3 方案優(yōu)劣對比

對于上述優(yōu)化方案A、優(yōu)化方案B，從修復(fù)缺陷、解鎖效率、實現(xiàn)難度3 方面執(zhí)行優(yōu)劣對比，如表1 所示。

表1 優(yōu)化方案A與優(yōu)化方案B對比Tab.1 Comparison between optimization scheme A and optimization scheme B

綜上所述，對于不考慮非CTC 模式運營或非CTC 模式運營頻率較低的信號系統(tǒng)，可采用優(yōu)化方案A，容忍非CTC 模式運營時較低的保護(hù)區(qū)段解鎖效率，以較低的實現(xiàn)難度修復(fù)既有方案缺陷；對于非CTC 模式運營頻率較高或運營模式冗余度要求較高的信號系統(tǒng)，可采用優(yōu)化方案B，接受較高的實現(xiàn)難度，則既可修復(fù)既有方案缺陷，又可有效提高非CTC 模式、CTC 模式運營時的保護(hù)區(qū)段解鎖效率。

4 結(jié)論

本文首先介紹了保護(hù)區(qū)段解鎖既有方案的方法原理及總體流程，分析其存在的缺陷；然后提出了保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案A、優(yōu)化方案B，分別詳細(xì)說明其方法原理及總體流程，并對兩者進(jìn)行優(yōu)劣對比，形成優(yōu)化方案使用建議。本文所述保護(hù)區(qū)段解鎖優(yōu)化方案A、優(yōu)化方案B 適用于CBTC 互聯(lián)互通系統(tǒng)、FAO 互聯(lián)互通系統(tǒng)，在確保安全的前提下于解鎖效率與實現(xiàn)難度之間取得平衡，具有可行性。