刘春花

（徐州市城市轨道交通有限责任公司，徐州 221000）

新时代背景下，全国大中型城市都在蓬勃发展，城市规模也在日新月异的变化中不断扩大，城市的发展带动了地区交通系统的变革，城市轨道交通因其安全、快捷、环保、高效等优点成为了城市公共交通系统的发展核心。然而，发展在提速，人们对城轨列车的运行效率的标准同样在提高。因此如何提高运行效率，降低列车运行的影响同时成为了当今轨道交通技术研究的主题。在城市轨道交通系统中，无线通信方式是现今列车自动控制系统的主要信息传输手段，而列车追踪间隔在当前移动闭塞模式下的CBTC系统中也起着重要作用。但是，通信延迟会对列车追踪间隔产生很深的影响，因此本文分析了无线通信中可能产生延迟的原因，并分析这些延迟对追踪间隔如何影响列车的效率，从而找出优化列车追踪间隔的方案。

1 研究背景

现阶段城市轨道交通作为公共交通的核心得到了快速发展，它不仅可以提供大容量、高效率、低成本的快捷出行方式，并且正在逐步改变着我国大中型城市发展结构。轨道交通的发展带动城市人口的急剧增长，人口的激增同时又给轨道交通带来了考验，如何提高运力、改善乘坐体验变得尤为重要，当前我国各个城市地铁主要采用CBTC系统，这种系统利用的是车地无线通信技术，此项技术结合车载与地面设备进行信息实时交互，并且随时调整列车闭塞区间，从而有效缩短并且最大化利用列车间隔，列车的在移动闭塞模式下的追踪间隔与列车运行效率密切相关，因此研究列车追踪间隔对提高列车效率具有极其深远的意义。

2 CBTC系统中追踪间隔

2.1 基于移动闭塞的CBTC系统定义及原理

CBTC，基于通信的列控系统是利用无线通信的轨道交通列车自动控制系统。CBTC区别于传统列控系统，不再依赖具有局限性的轨道电路，而是通过利用车地双向通信完成列车实时定位、信息交互等关键步骤，这样的系统更加具有安全性和高效性。CBTC系统主要包括列车ATS监测系统、ZC控制器、VOBC、数据存储单元DSU、CBI联锁机等，其工作原理如图1所示。

图1 CBTC系统工作原理图

2.2 列车追踪间隔的定义

列车追踪间隔是指运行列车之间的最小允许间隔时间，是列车能够按照计划运行而不受前行列车影响的最小时间间隔，如图1所示。

图2 移动闭塞模式下列车追踪间隔图

2.3 CBTC移动闭塞模式下追踪间隔的数学模型

首先应该指出的是，何为追踪间隔？线路中任意一点的追踪间隔是指前后两列车连续经过同一点的时间间隔，列车追踪间隔包括正线追踪间隔和折返追踪间隔两部分，其中正线追踪间隔又包括区间追踪间隔和站间追踪间隔两部分。在目前的基于移动闭塞的CBTC系统中，列车常使用区间追踪间隔。

2.3.1 区间追踪间隔

基于无线通信的列车控制系统一般都使用移动闭塞模式，由于移动闭塞的区间是由两车之间实时位置决定的，因此无论是在连续通信模式下的列车还是混跑列车，其间隔长度都是由ZC周期性计算出来的移动授权MA决定的。当前方障碍物信息，一般是指前车的位置信息发生改变时，ZC也会重新计算移动授权，闭塞分区随之发生变化，从而追踪间隔也会随之发生改变，区间间隔如下图所示。

图3 区间追踪间隔示意图

图3中，V是列车在速度曲线上的自动驾驶速度，对于该区段而言，追踪间隔距离L可以表示为：

式中，LT为列车长度；LA为列车当前速度下的常用制动距离；LB为安全间隔；

在正常情况下，城轨列车一般采用常用制动方式，当列车发生制动时从制动开始到列车静止列车所发生的位移称为列车常用制动距离LA，列车常用制动距离是保证列车安全运行的重要保障。假设列车常用制动减速度为a，对于列车常用制动距离则有：

设列车常用制动所用时间为t1，有：

结合上式，追踪间隔可以表示为：

3 通信延迟对移动闭塞下追踪间隔的影响

基于通信的列车控制系统利用的是车地无线通信的机制进行数据交互与列车控制，一般情况下，地面设备与车载设备需要进行实时的与周期性的信息通信，以保证列车的移动授权可以有效安全地发送和接收，所以在信息交互过程中通信延迟普遍存在CBTC系统的车地通信过程中。

3.1 通信延迟对追踪间隔的影响

上述分析可知，列车的移动授权MA是根据闭塞区间内前一列车载控制器所提供的具体信息再经过区域控制器计算发送得来的，并且ZC将持续为后续所有列车计算并发送移动授权MA。因此在移动授权计算的过程中，列车ATP逻辑运算通常为了准确地进行列车控制、减小通信延迟等，系统都必须根据列车的轨行方向上动作趋势做出安全性补偿考量，即在区域控制器ZC接收到的列车的位置的基础上，为列车添加一定的安全包络，这个安全包络包括测距误差、安全裕量以及列车在通信延迟下运行距离。

因此，列车的安全包络LC=测距误差LM+安全裕量LN+通信延迟下的运行距离LY。

需要指出的是，通信延迟下的运行距离LY与测距误差LM是不可避免的，在整个信息环路上，无论采用哪一种定位技术捕捉列车在确定位置、计算信息延迟都会发生误差，导致列车测距误差以及出现车地通信延迟误差，从而发生列车信息不准确，造成隐患。

假设通信延迟时间为Δt，它不仅影响列车追踪距离，而且影响追踪间隔，因此：

式中，TM为列控系统通信周期；TN为通信硬件设备的响应时间；TS为数据交互时间；t为越区切换所需时间。此时列车的追踪间隔应为：

由式（4）、（5）、（6）可得 ：

由数学模型可以清晰看出，通信延迟主要包含了通信周期时间、设备反应时间、信息交互时间以及切换时间，当任意一因素发生改变都会造成通信延迟，造成Δt的变化。随之，追踪间隔也将会受到影响。

3.2 通信延迟产生的原因

由此，根据上述分析可知，城市轨道交通系统通信延迟主要包含通信周期延迟、设备反应时间滞后、信息交互时间缓慢、切换时间延迟等四部分，由于CBTC系统通信周期时间与通信设备的反应时间是固定值，因此，城轨系统的通信延迟主要由信息传输与设备切换决定，也就是通常意义上讲的信道误差与AP切换延迟，综上所述我们需要在今后轨道交通技术发展过程中不断优化系统的信息传输方式，缩短各子系统的通信周期，并且尽可能的减少搜索的信道数，提高搜索成功的命中率，缩短通信延迟时间降低追踪间隔误差，为安全高效列车运行提供保障。

4 结束语

本文分析研究了CBTC系统下移动闭塞模式的追踪间隔这一重要参数，并且根据相关数据进行了数据分析与计算建模，通过计算公式总结分析了追踪间隔的根本的作用与意义以及通信延迟对追踪间隔产生影响的具体原因，此项分析研究为今后轨道交通系统里降低通信延迟与优化追踪间隔提供宝贵经验，在CBTC系统相关技术发展中具有一定深远意义。