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摘要：基于通信的列车运行控制系统 CBTC 依赖于车载设备和地面区域控制器之间的实时连续双向通信，通过不停地更新移动授权指挥列车运行，达到较小的行车间隔，从而确保列车在系统控制的线路内安全、有效的运行。本文通过剖析CBTC系统构成和移动授权的概要，进一步分析移动授权计算方法及故障情况下移动授权的范围。
关键词：CBTC系统；移动授权；区域控制器
1 概述
伴随着无线通信技术的迅速发展，其可靠性、可用性得到极大提高，基于通信的列车控制（Communication Based Train Control，CBTC）系统应运而生，已广泛应用于城市轨道交通领域中。CBTC系统的主要任务是通过为每列通信列车提供一个移动授权来保证列车在系统控制的线路内安全运行。因此，生成合理安全的移动授权，是保证整个系统正常运转的关键。
2 CBTC系统结构剖析
CBTC系统是由车地通信和列车定位构成的列车控制系统，采用具有安全车载功能和地面处理性能的技术手段来控制列车的速度。CBTC 信号系统架构主要由计算机联锁子系统（CI）、区域控制器系统（ZC）、车载控制器（CC）、线路控制器（LC）列车自动监控系统（ATS）和数据通信子系统（DCS）等组成。CC与 ZC通过DCS网络完成数据通信，ZC为列车实时计算并发送移动授权，CC控制列车安全运行。整个系统可以划分为CBTC地面设备和CBTC车载设备两大部分，地面和车载设备通过数据通信网络连接起来，构成系统的核心。
1）ATS子系统
ATS子系统的主要功能是在控制中心显示控制范围内列车运行状态及设备状态。根据CBTC系统的特殊要求，ATS系统中要求包括操作员工作站、时刻表工作站、培训工作站和其他相应的设备和网络等。
2）CI子系统
CI子系统的主要功能是监督和直接控制道岔、轨道区段、信号机和其他室外设备，实现各个设备之间的正确联锁关系，保证列车运行安全；对于来自操作设备的错误操作，具备有效的防护能力。
3）ZC子系统
ZC子系统需要根据从CC、CI、ATS和LC接收到的各种状态信息和数据信息，为位于ZC控制区域内的列车生成移动授权MA，并及时将MA通过DCS系统发往车载CC设备以控制列车的运行。其主要功能包括：计算自动防护AP（安全包络线）；计算每列车的移动授权；管理防护区域；监控PSD等等。
4）CC子系统
在CC中，为确保安全，列车必须对自身位置和运行方向进行精确判定。为判定位置，列车的车载计算机与速度传感器、加速度计（用于测量距离）及轨旁定位应答器共同合作，实现列车的准确定位。
5）LC子系统
在CBTC系统中LC是用来完成整个CBTC系统数据库管理工作的子系统，该数据库将包括静态数据库、动态数据库、配置数据库、参数数据库等。其主要功能包括：管理临时限速；保证LC、CC 和ZC的时钟同步；管理 ATC 的数据和软件版本。
6）DCS子系统
DCS子系统为CBTC信号系统提供轨旁、车载之间的数据通信。实现CBTC系统中各子系统设备之间端到端的通信。
3 移动授权的概述
移动授权（Movement Authority，MA）是为了实现列车分隔而由CBTC分配、监督和执行的，其表现形式是一段带有运行许可方向的轨道线路，它由联锁系统提供防护。其范围是指从列车的尾部的最小位置（列车报告位置+位置不确定性+倒溜距离）起到前方终点障碍物的这部分线路。其中障碍物主要有前方列车尾部、信号机、道岔、ZC边界等。
移动授权包含三个要素：移动授权起点、移动授权终点和移动授权方向。当列车在受控线路区域内按照正常时刻表运行时，CC将列车的位置与运行方向发送给ZC，并根据自己的制动曲线来决定是否向ZC申请MA的延伸，而ZC使用列车当前位置、行驶方向、进路以及周围线路的当前状态（来自于CI）来确定每列列车的MA，然后通过DCS通信子系统向CC传达列车的MA。整个过程中，ZC实时地与LC、CC、CI等子系统进行信息交互，有规律地、周期性地通过DCS系统向其管辖区域内运行列车的CC发送MA，同时ZC还会把列车MA内的进路及障碍物状态告诉CC。
4 移动授权计算及故障时MA范围分析
CBTC中移动授权的计算以及分配均由ZC子系统来实现。实践中，通信列车处在ZC控区范围时，CC就会向控制系统定期发送列车位置以及运行方向等相关信息数据；ZC结合目前的列车位置信息数据，对列车分配情况进行合理的移动授权。ZC将移动授权的分配分为两个过程：一是数据准备过程，即从各个系统中获取相应的状态和数据信息；二是数据处理过程，即移动授权的计算，将数据准备过程得到的信息进行加工处理，生成移动授。
4.1移动授权分配的数据准备
分配移动授权时需要考虑各个子系统的状态及其传送的各种状态信息，如CI的进路信息、道岔和信号机的状态信息及屏蔽门信息等；列车位置和运行方向等信息；ATS的临时限速信息；相邻ZC的移动授权请求信息，因此ZC系统必须提供丰富的接口从其他系统中获取相应的信息。
4.2移动授权分配的数据处理
在CBTC系统中，移动授权的计算是由区域控制器完成的，它是CBTC模式下行车的核心，能接收其控制范围内列车发出的所有位置信息，根据ATS的进路请求，控制道岔、信号机，完成联锁功能，并根据所管辖区域轨道上障碍物位置，向所管辖区域的所有列车提供各自的移动授权。ZC为列车分配移动授权的主要依据为联锁的进路信息和列车的位置报告信息。只有当列车前方进路设置且锁闭时，ZC才考虑将移动授权延长至进路中。列车的位置报告为ZC提供列车精确的位置及状态信息，可以使ZC对列车的控制更加准确。根据处理的不同信息，可以将信息处理分为两部分：一是列车管理；二是线路上障碍物的处理。
1）列车管理是指根据列车的位置及状态信息，将列车分成6种不同的管理状态：初始化状态（Z_REC）、预注册状态（P_REG）、已注册状态（A_REG）、ZC切换输出状态（O_REG）、ZC切换输人状态（I_REG）和删除状态（D_REG）。ZC根据列车的管理状态决定是否为列车分配移动授权，只有当列车处于A_REG、O_REG或I_REG这三种状态时，ZC才能为列车计算移动授权。
2）线路上障碍物指轨道线路上影响移动授权延伸的限制点，障碍物的处理指对这些限制条件的处理，如前方列车、信号机和道岔等。障碍物既可能是动态的（如前行列车），又可能是静态的（如道岔、信号机等）。ZC系统需要考虑各种各样的障碍物，选取最近的障碍物作为移动授权的终点，常见要处理的障碍物有：
（1）前方列车。当前方列车在移动闭塞状态下行驶时，移动授权的终点可以延伸到前行列车的车尾。如果前方列车处于非移动闭塞状态行驶时，移动授权的终点只能延伸到前方列车所占轨道电路的起点。
（2）道岔。在移动授权延伸至道岔时，需要充分考虑列车到达道岔的时间。如果过早地将移动授权跨过道岔，在道岔受到干扰或失去表示时，将导致授权的回撤并有可能引发紧急制动。此外，由于过早地征用道岔，道岔便不能被其他列车使用，将会降低运输效率。
（3）信号机。禁止信号是否作为移动授权的障碍物有两种情况，当没有防护进路，这时移动授权的终点是禁止的信号机；当有防护进路但防护进路未锁闭，这时移动授权的终点是禁止的信号机。
（4）ZC边界。线路尽头、相邻ZC切换点和ZC与车辆段的接口点都被称作ZC的边界点，在为列车分配MA时，ZC只需考虑边界内的因素，MA的终点只能延伸到边界点。
（5）非安全站台。非安全站台是指当站台紧急停车按钮激活或者屏蔽门为非安全状态的情况，非安全的站台也是移动授权的障碍物。
4.3 故障情况下移动授权范围
1）道岔故障。若在某进路中的道岔故障，则ZC发送给列车的移动授权会回撤到这条进路的入口处。
2）ZC故障。ZC故障后，其控制区域将不支持CBTC模式，区域内的CBTC列车将实施紧急制动，接近此区域的CBTC列车将不能进入此区域，需降级为RM（限制人工驾驶）模式下运行。对于区域内的列车，正常情况下ATS 会为每列列车准备进路，列车根据信号机显示运行，在信号机前可根据车载显示屏提示建立 iATPM（受ATP保护的点式iATP）模式行车。
3）前车发生不可恢复故障。当前车发生不可恢复的故障时，列车MA计算过程如图5所示。其中，图5（a）：前方列车通信完好，则正常追踪运行。后车的MA延伸到前车车尾，前车的MA延伸到前方出站信号机。图5（b）：当前车出现故障，则前车立即紧急制动。后车的MA回撤到前车所在轨道的始端。
图5 前车发生不可恢复故障
4）CBTC列车追踪非CBTC列车
当一列CBTC列车追踪一列非CBTC列车时，列车的MA计算过程。其中，前方非CBTC列车根据信号机的指示行车，后方CBTC 列车的MA延伸到前方非CBTC列车所在轨道的始端。前方CBTC列车出清当前轨道区段，后方CBTC列车的MA延伸到前方非CBTC列车所在轨道的始端。
5）CBTC列车追踪通信故障列车
当CBTC列车追踪通信故障列车时，列车的 MA计算过程如图6 所示。其中，图6（a）：前方列车通信完好，则正常追踪运行。后车的MA延伸到前车车尾，前车的MA延伸到前方出站信号机。图6（b）：前方列车发生通信故障，立即紧急制动。后车的MA回撤到前车所在轨道的始端。图6（c）：前车在中心调度员确认下一站空闲下，可以 RM模式向前运行。后车的MA始终在前车所在轨道始端。图6（d）：前车运行到能读信标的位置，在中心调度员确认下，可以 iATP 模式向前运行。后车的 MA 仍在前车所在轨道的始端。
图6 CBTC 列车追踪通信故障列车
5结论
MA的生成涉及到CBTC系统中多个子系统之间的信息交互，是联系各子系统的纽带，并且直接影响线路的通行效率和CBTC系统的安全运行。因此，对于熟悉CBTC系统MA计算方法，通过寻求优化遍历MA路径算法，提升障碍物信息收集的准确性，可以有助于提高MA的计算效率及其在故障情况下MA范围的准确性，亦是提升CBTC系统可靠有效运行的关键所在。
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论文作者:唐可
论文发表刊物:《防护工程》2018年第33期
论文发表时间:2019/2/22
标签：列车论文; 前车论文; 进路论文; 信号机论文; 系统论文; 子系统论文; 道岔论文; 《防护工程》2018年第33期论文;