区段占用状态对联锁系统的影响研究

2022-10-10赵海新

都市快轨交通 2022年4期

赵海新

（北京交大微联科技有限公司，北京 100043）

近年来，城市轨道交通的迅速发展为城市经济带来巨大商机，极大地促进了周边地区经济的快速发展，对加强区域交流与协作有着积极作用，强化了城市综合服务功能，改善了城市交通环境，同时也为信号系统的发展带来了良好的市场前景，而既有的以地面信号为主的信号系统难以满足高密度、高安全、高可靠的要求，城市轨道的建设和运营均对信号系统有更高的要求。无线通信技术日趋成熟，城市轨道交通中基于通信的列车控制系统(communication-based train control，CBTC)得到了广泛应用，并成为城市轨道交通信号系统的新标准。

计算机联锁系统(computer interlocking，CI)处于信号系统最核心的位置，对于列车的安全稳定运行有至关重要的作用，是保证轨道交通安全运行的不可或缺的系统之一。计算机联锁系统是通过技术方法，使信号机、道岔和进路按照一定程序并满足一定条件后才能动作或建立起来的相互制约关系，其中区段占用状态作为计算机联锁系统最基本的联锁检查条件，是铁路信号控制系统最基本、最重要的参数状态之一，将直接影响列车运行效率和行车安全。

目前广泛使用的CBTC，相对既往信号系统更具有列车追踪间隔时间短的显著优势，这与信号系统对轨道区段的划分方式密切相关。通过将物理区段细分为多个较短的逻辑区段，使得同一个大物理区段可以容纳多列车追踪运行，但同时也引入了新的问题，需处理两种区段状态。在CBTC系统中区段占用状态有两个信息来源，在特定情况下会出现两者信息不一致的情况，造成信号故障关闭或进路不能正常解锁，影响运营效率。

在此背景下，研究区段占用状态的处理对计算机联锁系统的影响，对于保证列车的安全稳定高效运行有至关重要的作用。

1 物理区段与逻辑区段介绍

在基于通信的列车运行控制CBTC系统中，区段主要划分为物理区段和逻辑区段两种，其占用或空闲状态分别从计轴系统和区域控制器(zone controller，ZC)2个通道采集得到。

物理区段由安装在轨旁的计轴磁头分割，也称为计轴区段。计轴设备基于统计车轴数的原理，在区间两端分别设置计轴磁头，室外磁头连接至室内计轴主机，通过脉冲磁场检测车轮的驶入、驶出数量并进行对比，从而判断该物理区段的占用或空闲状态信息，再通过继电器接口提供给计算机联锁系统。

逻辑区段由物理区段在逻辑上进行划分而得，也称为虚拟区段。在基于通信的列车控制系统管辖区域内，列车采用高精度的定位技术实现列车的自主实时精确定位，车载超速防护(automatic train protection，ATP)系统对列车进行防护。车载ATP会将列车的位置汇报给ZC，然而物理区段的设计不便于列车的高精度定位，因此将物理区段在逻辑上划分为若干个较短的逻辑区段[1]，ZC会将物理区段状态与列车精确定位进行校核，并由ZC把列车定位信息转换为逻辑区段的占用或空闲状态信息，再通过通信接口提供给计算机联锁系统。

如图1所示，TA1101为物理区段，TA1101A、TA1101B、TA1101C、TA1101D为逻辑区段。

图1 两种区段示意 Figure 1 Two kinds of section occupation

当列车驶入该区段时，若联锁与ZC通信中断，联锁无法从ZC获取逻辑区段状态信息，则只能使用物理区段状态信息进行联锁逻辑处理，因此，如图1所示列车位置，联锁界面上只会显示出物理区段TA1101占用。

当联锁与ZC通信正常时，ZC可从联锁获得物理区段状态，同时从车载ATP得到位置报告信息，ZC综合处理这些信息，对逻辑区段状态进行判断并发送给计算机联锁系统。因此，如图1所示列车位置，计算机联锁系统除了能显示物理区段TA1101占用之外，还可显示TA1101A、TA1101B、TA1101C占用，TA1101D未占用的信息。

显然，通过划分逻辑区段，大大提高了列车运行控制精度，也提高了列车位置显示的精度。当计算机联锁系统针对移动闭塞信号控制级别进路进行条件检查时，前行列车出清监控区段(如第1逻辑区段)之后，计算机联锁系统综合判断逻辑区段和物理区段的状态信息，该条进路的信号即可为后续列车开放，从而实现了多列车同一进路运行，大幅提高运行效率。

2 区段占用状态不一致的原因

物理区段的状态信息来源于计轴系统，逻辑区段的状态信息来源于ZC对接收到的列车定位信息的判断处理。从两个通道得到的两种区段类型、区段状态信息都是安全的，都可以作为联锁的安全输入数据而参与联锁运算[2]，但是计轴系统可能出现故障，车载ATP的列车定位存在误差，另外各子系统间信息传递还会因传输延时影响ZC和计算机联锁系统对区段状态的判断，以上多方面因素都可能导致两种区段信息不同步[3]。以下为3种影响区段状态的典型场景。

2.1 计轴ARB故障

计轴设备经过长时间发展之后，已经拥有了很高的安全性，但是由于受强电干扰、磁头受到金属物干扰，或者通过检测点时测速过低、计轴器自身故障等原因，计轴系统还是经常会出现一些故障[4]。

ARB为Always Report Block的缩写，意为总是汇报占用。计轴ARB故障是指计轴区段中实际无车，而计轴却向计算机联锁系统报告物理区段占用的一种故障。

对于计轴ARB故障，由于在地铁运营过程中，列车追踪间隔短，运行间隔小，计轴故障后依靠人工操作计轴复位功能，立即解决设备故障的难度较大，也会降低CBTC系统运营效率。因此，CBTC系统中设计ZC能够结合物理区段占用信息和列车位置信息，自动识别并屏蔽计轴ARB故障，提高运营效率。

2.2 列车定位误差

逻辑区段的状态信息来源于ZC对接收到的列车定位信息的判断处理，但由于信号设备延时、测速装置本身的安装误差、测速设备的精度、车辆的空转滑行、车辆轮径的磨损等因素，都会造成列车测速测距的误差；除此之外，还有设备间的传输延时(包括允许的通信中断时间)、列车与轨旁设备间的响应时间等，这些因素都会造成设备获知的列车位置、速度与列车实际的位置、速度之间的误差，从而构成列车的定位误差。由于列车的定位误差，列车的所有可能位置构成一个区间，这个区间就是列车安全包络。

如图2所示，列车的安全包络主要由测距误差、保护距离余量、估计运行距离等组成[5]。

图2 进行安全包络补偿后的列车位置示意 Figure 2 Train position after safety envelope compensation

1) 测距误差：指列车从速度传感器等定位设备获得的列车位置与列车真实位置之间的误差；

2) 保护距离余量：指为了保持列车追踪间隔，保证在最不利情况下，如列车发生较大的空滑，或者制动力部分失效的情况下，不发生列车追尾或碰撞等事故而加上的保护距离；

3) 估计运行距离：指在通信延迟的条件下，列车从车载设备产生当前列车位置通过无线通信的方式发送给地面设备使用该位置期间，估算的列车行驶距离。

对于列车的定位误差，系统采取了一系列的措施来尽量缩小该误差，如采用高精度的速度传感器、设置地面应答器综合定位等。高精度的速度传感器能获取更高精度的定位数据；应答器能对经过该应答器的列车进行绝对位置校正，缩小列车定位误差。但受当前列车定位方法制约，列车的定位误差终不能完全消除。

2.3 系统的延时

系统的延时主要存在于各设备间进行信息传输的过程中。当车地通信中断时，计算机联锁系统只能从计轴系统获取物理区段占用信息，信息传输过程的延时很少；当车地连续通信时，信息传输过程如图3所示，系统延时可能在3个环节发生。

图3 车地连续通信时信息传输示意 Figure 3 Information transmission in vehicle-ground continuous communication

1) 车载ATP向ZC实时报告列车位置，位置报告需要通过无线传输，可能发生较长时间的延时。

2) 逻辑区段占用信息由ZC向联锁传输时，以及物理区段占用信息由联锁向ZC传输时可能发生延时。

3) 物理区段占用信息由计轴系统报告给联锁，再由联锁转发给ZC，ZC处理后得出逻辑区段状态再反馈给联锁，经校正后的逻辑区段状态比物理区段状态滞后了两个通信传输时间加ZC的处理时间。

对于系统的延时，虽然可以通过采用提高无线信号质量等方法尽量减少系统延时，但也不能完全避免。

3 区段占用状态不一致时的处理方法

当两种区段占用状态不一致时，计算机联锁系统如何对这两种区段状态信息进行处理，直接影响到联锁本身的功能和安全。

3.1 “只使用逻辑区段状态信息”处理方法

在CBTC系统中，要实现移动闭塞功能，必须要使用逻辑区段状态信息。因此联锁可采用“只使用逻辑区段状态信息”的处理方法。具体实现为：除了联锁与ZC通信中断，联锁只能使用物理区段状态信息的情况，只要联锁与ZC能进行正常通信，联锁就仅使用从ZC采集到的逻辑区段状态信息。

但采用该处理方法，由于列车定位误差及系统延时的存在，可能出现逻辑区段占用状态与区段实际占用状态不一致而影响运营效率的情况，下面通过具体场景进行分析。

初始状态为保持ZC与车载ATP持续通信的列车占用物理区段TA1101，占用逻辑区段TA1101B、TA1101C，如图4(a)所示。

这时若发生无线通信中断，位置不能实时更新，系统出于安全考虑会扩大列车安全包络，若列车安全包络越过信号机，则会导致列车占用物理区段TA1101，占用逻辑区段TA1101B、TA1101C、TA1102A，如图4(b)所示。

随着列车的行驶，列车通过应答器校正位置，回缩包络，信号机后第一逻辑区段TA1102A出清，区段占用状态变为：占用物理区段TA1101，占用逻辑区段TA1101B、TA1101C，如图4(c)所示。

图4 连续通信中断导致列车包络变化场景示意 Figure 4 Train envelope change caused by continuous communication interruption

此时若简单地用逻辑区段状态信息作为区段状态信息，联锁会检测到信号机后第一逻辑区段TA1102A没有正常顺序占用出清。出于安全考虑，联锁将关闭信号灯，需要进行人工干预才能恢复，降低了列车运营效率。因此联锁简单地只使用逻辑区段状态而屏蔽物理区段状态的方案是不完备的，有可能导致已开放的信号故障关闭，需再次开放信号。

3.2 “区段融合”处理方法

目前，联锁对区段占用状态处理的主流方式为采用“区段融合”处理方法，即在原有的“只使用逻辑区段信息”判断策略的基础上，对逻辑区段的状态判定使用“与占用”判断策略，当逻辑区段和物理区段都判断该区段占用时联锁才判定区段占用，具体运算过程如表1所示。

表1 “与占用”方案对逻辑区段状态运算结果 Table 1 Operation results of “and occupation” scheme on logical section status

采用“区段融合”处理方法，可有效通过物理区段的空闲来屏蔽由于列车定位误差导致的逻辑区段不正常占用出清的问题。但在对逻辑区段采用“与占用”判断策略时，只有在物理区段和逻辑区段都为占用时才判定区段占用，即当物理区段和逻辑区段占用状态不一致时，联锁都将判定区段空闲，也有可能影响列车运营效率，下面通过具体场景进行分析。

初始状态为保持ZC与车载ATP持续通信的列车从TA1101向TA1102方向高速行驶，占用物理区段TA1101；由于列车高速运行，列车头部的安全包络会向前延伸较长距离，越过信号灯，占用逻辑区段TA1101B、TA1101C、TA1102A，如图5(a)所示。

随着列车的行驶，当列车通过应答器时会校正列车位置，而此时由于车载ATP向ZC发送列车位置信息时发生延时，使ZC没有及时接收应答器修正误差后的列车位置信息，ZC会依然判定逻辑区段TA1102A为占用状态，如图5(b)所示。

图5 高速行驶时受系统延时影响情景示意 Figure 5 Scenarios affected by system delay when the train is running at a high speed

在列车实际越过信号机后，联锁中物理区段TA1102及逻辑区段TA1102A均为占用状态，如图5(c)所示。需要注意的是，此时联锁中物理区段TA1102的占用状态为列车实际位置到达TA1102导致的占用，而逻辑区段TA1102A的占用状态信息为之前列车包络跨压导致的占用。

联锁从计轴系统采集到物理区段TA1102占用的信息后，会将TA1102占用信息转发给ZC。在ZC在收到物理区段TA1102的占用信息前，ZC会根据收到的经过应答器修正误差的列车位置信息判定TA1102A为空闲状态，如图5(d)所示。

而在ZC收到物理区段TA1102的占用信息后，判定逻辑区段TA1102A占用，如图5(e)所示。

因此图5(d)所示的TA1102A空闲的状态只会短暂出现，就马上变为图5(e)所示的TA1102A占用状态。

联锁中物理区段TA1102和逻辑区段TA1102A的状态信息变化如图6所示。在列车实际进入区段TA1102A之后，联锁中接收到逻辑区段TA1102A的状态信息依次为“占用”“出清”“占用”，而物理区段TA1102的状态信息一直为“占用”。

图6 联锁中区段状态变化示意 Figure 6 Section status change in interlocking

在这种情况下，即使采用“区段融合”处理方法，也会出现检测到区段TA1102A的状态信息不正常占用出清的情况，可能会因系统未防范该情况而造成进路不能正常解锁，影响列车运营效率。

3.3 新的解决方案

经过上述分析，目前主流的“区段融合”处理方法虽然有一定效果，但也没有完全解决联锁在对区段占用状态判断过程中出现的所有问题。对此本文提出两种新的解决方案。

1) 在“区段融合”的基础上，联锁与ZC接口信息中增加“列车跨压(跨压就是表示列车实际位置已经越过信号机内第一区段，尚未出清信号机接近区段的状态)信号机信息”，由ZC依据当前列车位置进行判断选择信息发送时机，联锁收到此信息且采集到的信号机内第一区段占用后，关闭进路防护信号机，并开始进行进路解锁流程判断。增加异常处理方式：如没有收到“列车跨压信号机”信息，等列车完全进入信号机防护区段后，联锁自动关闭信号，进路不解锁，如图7中(g)、(h)；如收到“列车跨压信号机”信息，而信号机内方第一区段无占用，则联锁不关闭信号。联锁对进路的处理能规避TA1102A区段短暂的“占用-空闲-占用”状态变化，如图7所示。

图7 联锁中区段状态变化示意 Figure 7 Section status change in interlocking

2) 在现有“区段融合”处理方法的基础上，增加“即时占用，延时出清”的判断策略，即基于“区段融合”方式，联锁在检测到区段状态由空闲转换为占用时立即将区段状态判定为占用，而在检测到区段状态由占用转换为空闲时，延时一定时间再将区段状态由占用转换为空闲。

采用“区段融合”处理方法，可有效通过物理区段的空闲来屏蔽由于列车定位误差导致的逻辑区段不正常占用出清的问题，但在特殊场景下，即使采用“区段融合”处理方法，也会出现检测到区段状态不正常占用出清的情况，可能会因系统未防范该情况而造成进路不能正常解锁，影响列车运营效率。若增加“即时占用，延时出清”的判断策略，则可有效过滤干扰状态，下面通过图8中的具体场景进行分析。

图8 联锁中区段状态变化示意 Figure 8 Section status change in interlocking

初始状态为保持ZC与车载ATP持续通信的列车从TA1101向TA1102方向高速行驶，占用物理区段TA1101；由于列车高速运行使得列车头部的安全包络会向前延伸较长距离，越过信号灯，占用逻辑区段TA1101B、TA1101C、TA1102A，随着列车的行驶，当列车通过应答器时会校正列车位置，而此时由于车载ATP向ZC发送列车位置信息时发生延时，使ZC没有及时接收应答器修正误差后的列车位置信息，ZC会依然判定逻辑区段TA1102A为占用状态，当ZC在收到物理区段TA1102的占用信息前，ZC会根据收到的经过应答器修正误差的列车位置信息判定TA1102A为空闲状态，之后ZC收到物理区段TA1102的占用信息后，判定逻辑区段TA1102A占用，导致TA1102A空闲的状态会短暂出现，再立即变为占用状态。

在这种情况下，即使采用“区段融合”处理方法，也会出现检测到区段TA1102A的状态信息不正常占用出清的情况，可能会因系统未防范该情况而造成进路不能正常解锁，影响列车运营效率。若是增加“即时占用，延时出清”的判断策略，即将ZC根据收到的经过应答器修正误差后的列车位置信息延迟2 s左右判定TA1102A为空闲状态，则能有效得到连续的占用和空闲状态。

与原有方案相比，此方案能有效避免上述场景分析中出现的问题，提高运营效率。

以上两种新的解决方案，基于物理区段和逻辑区段占用、出清状态进行综合处理，采用“列车跨压信号机信息” 的判断策略，保证了信号机的关闭时机和进路解锁与列车的实际走行一致；采用“即时占用，延时出清”的判断策略，确保了因列车定位误差、系统延迟导致的逻辑区段状态突变不会对联锁进路处理造成影响，且“即时占用，延时出清”对于信号系统而言也是导向安全侧的处理措施。