陈瑞军 夏庭锴

(1.呼和浩特城市轨道交通投资建设集团有限公司， 010090， 呼和浩特； 2.卡斯柯信号有限公司， 200071， 上海∥第一作者， 正高级工程师)

在经过十多年的发展，CBTC(基于通信的列车控制)已经成为城市轨道交通信号系统的标准配置[1]。当前我国运营的CBTC系统大多属于第二代CBTC[2]。经过多年的实际运营考验，第二代CBTC系统在获得巨大成功的同时也因子系统划分和通信接口制式不统一而大大提高了运营管理成本，这个现状催生了互联互通CBTC标准[3]。在制定了互联互通CBTC标准后，各信号厂商必然面临升级既有CBTC以匹配新标准的问题。如何降低CBTC系统核心功能模块与外部接口的耦合、保证核心功能模块的泛化能力成为CBTC系统设计必须要考虑的问题。子系统功能模块的泛化能力越高，表明该子系统模块受系统接口变化的影响越小。

轨旁ATP是CBTC系统的一个重要子系统，列车序列管理是轨旁ATP(列车自动防护)的核心功能之一，负责计算所有列车在轨道上的排列顺序，是轨旁ATP计算移动授权的基础。本文以此功能模块为研究对象，提出了互联互通CBTC系统功能模块低耦合的设计方法。实践证明，相对于文献[2]中提到的方案，本文的设计方法可降低互联互通CBTC接口变化对核心功能模块的影响，进而降低轨旁ATP的设计复杂度。

1 CBTC轨旁ATP的主要功能

ATP是既有CBTC系统的核心模块，一般划分为轨旁ATP和车载ATP两个部分。如图1所示，轨旁ATP负责采集车载ATP无法直接获取的轨旁设备信息及其他列车状态信息，并将信息进行汇总处理，发送给其管辖范围内的所有列车。

图1 轨旁ATP与车载ATP间的信息交互方式Fig.1 Information exchange format between trackside ATP and on-board ATP

正常运营时，车载ATP会将自身的定位信息通过无线网络发送到轨旁ATP，但实际运营中还需处理以下特殊情况：① 因网络通信故障或车载ATP自身故障导致轨旁ATP无法接收到列车位置信息。② 运营方需将工程车(通常车长较小且未装备车载ATP)驶入正线执行维修或救援任务。为了保证轨旁ATP能在上述特殊情形下不间断更新列车位置，通常CBTC系统均配置有轨旁检测设备(如计轴、轨道电路等)，通过这些设备的占用信息向轨旁ATP提供无法报告位置信息的列车的位置。这样，轨旁ATP实际上有两种方式获取轨道上运行列车的位置：一是通过车载ATP发送的列车位置报告；二是通过轨旁检测设备提供的轨道区段占用信息。

这两种不同的信息来源需要不同的数据结构进行描述。为了使轨旁ATP核心模块的设计不受信息来源的影响，有必要设计一个介于外部接口和轨旁ATP核心逻辑之间的抽象逻辑对象，来统一描述“可以报告位置信息的列车”和“无法报告位置信息的列车”，本文将此中间描述层称之为多源信息中间件。多源信息中间件的主要作用是将来源不同的列车对轨道的占用信息转换为统一的描述方式。在既有CBTC系统中，通信列车会给轨旁ATP主动报告列车车头、车位定位、运行方向、定位误差等详细信息，而无通信列车需依靠轨旁设备来检测列车位置，这样，非通信列车占用的轨道区间只能以轨道区段为单位进行描述。多源信息中间件可将上述通过两种不同路径获取的信息全部转换为统一的轨道坐标，以避免核心功能模块处理不同数据格式。多源信息中间件还有一个优点：如果将来互联互通CBTC系统中引入新型的列车位置传感器，多源信息中间件可将输入信息预处理为标准的内部格式，这样就不会影响到轨旁ATP核心模块的算法。

2 基于多源信息的CBTC列车定位

2.1 多源信息中间件的主要任务

由于列车信息来源于多个设备，多源信息中间件的第一个任务是定义设备信息被轨旁ATP处理的优先级。为描述方便，本文将这些设备的名称按优先级从高到低分别定义为“主用检测设备”(特指列车位置报告)、“备用检测设备”(特指计轴设备)及将来可继续扩展的“次级备用检测设备”等。

在外部输入的列车信息进入轨旁ATP核心处理模块前，多源信息中间件会基于一定的规则，根据当前可用的信息来源选取并融合列车位置信息。在进行列车位置信息融合时，应主要考虑以下两个关键问题：

1) 因不同源信息的异步造成对列车位置信息描述的不一致问题，即不同信息来源之间无法实现周期级同步，单个信息源提供的仅是同一个对象在不同时刻的位置信息。

2) 由报文传输延时容忍度设计带来的定位不确定性问题，即列车的物理位置和检测位置的错位问题。其中，报文传输延时容忍度是指为了保证CBTC系统的可用性，对所有从外部系统收到的报文，必须根据系统的网络状况、处理能力，指定一个容忍时间，以保证偶发性的丢包、网络延时不会导致报文失效。由此，轨旁ATP从报文获知的列车位置与列车的实际位置存在一个固有偏差，报文的新鲜度决定了该偏差的实际大小。

2.2 多源信息中间件的处理步骤和典型应用

针对上述问题，轨旁ATP的多源信息中间件需对外部输入的报文进行处理，其处理步骤为：

步骤一：根据联锁提供的备用检测设备(通常为计轴)的占用状态、占用检测延时特性、传输延时及列车最大运行速度等数据，计算轨道区段的占用信息。

步骤二：根据列车位置报告信息计算列车安全定位，再根据随定位报告发送的报文生成时间及轨旁ATP接收到报告的时间，估计出列车定位报告的传输延时。然后，结合列车运动学信息和牛顿第二运动定律，计算得到通信列车保护包络。通信列车保护包络描述了轨旁ATP估计的列车占用轨道的最大范围，包含两个部分的轨道区间：一是列车报告定位所占用的轨道区间，二是轨旁ATP按照最不利条件推算得到的在报文传输过程中列车向前或向后可能运行的最大距离所占用的轨道区间。通信列车保护包络的范围通过轨道区段ID(身份标识号)和列车位置在轨道区段内的偏移量两个参数进行描述。

步骤三：将步骤一计算得到的轨道区段占用信息用ID描述，在被占用的轨道区段上创建用于描述列车占用轨道区段范围的列车包络(本文称为“默认列车保护包络”)。

步骤四：与步骤三创建的默认列车保护包络相比，步骤二计算得到的列车定位信息可提供更精确的列车定位，所以，当列车定位报告信息和默认列车保护包络信息均可用时，可在列车定位信息描述的轨道位置插入通信列车保护包络。由于默认列车保护包络的覆盖范围远大于通信列车保护包络的覆盖范围，所以插入通信列车保护包络后，原默认列车保护包络被拆分为2个默认列车保护包络，分别位于通信列车保护包络的前方和后方。

步骤五：创建通信列车保护包络后，如果轨旁ATP根据列车定位信息能确定当前列车车头及车头前方的备用检测设备对应的轨道区段边界之间没有隐藏列车，则可将通信列车保护包络前方的默认列车保护包络删除。对通信列车保护包络后方也可实施同样的操作。这个过程等价于互联互通CBTC中的“筛选”功能。

步骤六：当车载ATP正常工作时，轨旁ATP根据收到的列车位置信息重新计算通信列车保护包络。当与车载ATP通信中断或收到无效的列车位置信息时，轨旁ATP会将通信列车保护包络降级为默认列车保护包络。此时的默认列车保护包络是根据备用检测设备的占用信息在原先计算的通信列车保护包络的基础上，通过列车和线路的最坏情况对列车位置进行预测并经计算转换得到的。

步骤七：根据外部信息的有效性和当前道岔位置，轨旁ATP对经过上述步骤计算得到的列车保护包络(包括通信列车保护包络和默认列车保护包络)进行拆分、合并、调整和删除。其中，对列车保护包络进行调整的目的是在通信列车发送的位置报告发生重叠和错位时用于保证相邻列车保护包络的约束关系。

步骤八：根据以上步骤计算得到的任意两个列车保护包络之间的位置关系，可以等价为轨道上相应的两个列车的位置关系。

这样，多源信息中间件将列车的位置、序列(在线路上的先后关系)、报文传输延时、报文异步、列车状态变化抽象到了单一对象的列车保护包络中，使得轨旁ATP的核心模块在进行涉及到列车的运算时只需考虑列车保护包络的位置和状态，不再需要分别考虑来源复杂、延时多样、异步严重的原始信息。此外，若接口设计发生变化，只需更新多源信息中间件的处理逻辑，不需修改轨旁ATP的核心算法。

2.3 多源信息中间件的典型应用

图2展示了列车保护包络创建、更新和筛选的全过程。列车首次进入CBTC区域时(见图2 a))，首先被备用检测设备检测到，备用检测设备随即将轨道占用信息传递到轨旁ATP。轨旁ATP发现相应的轨道区段被占用，但该区段却没有被任何列车保护包络覆盖，随即在相应位置创建默认列车保护包络(见图2 b))。列车运行过程中读到信标并定位后，开始向轨旁ATP发送其定位报告，轨旁ATP收到该定位报告后按照上文的步骤四、步骤五进行列车保护包络的拆分、插入、筛选等操作(见图2 c))。

a) 列车首次进入CBTC区域

默认列车保护包络的修正计算如图3所示。如果轨旁ATP无法再从车载ATP获取新的列车位置信息，则只能根据备用检测设备的状态按以下原则计算列车位置：① 如果备用检测设备为占用状态，则轨旁ATP将该备用检测设备对应的轨道区段作为列车保护包络的计算基准；② 根据线路的最大列车运行速度和备用检测设备的最大占用检测延时，推测该区段的相邻区段是否也被列车占用(虽然该相邻区段对应的备用检测设备处于出清状态)；③ 轨旁ATP最终计算得到的默认列车保护包络应完全覆盖经上述推算后所有可能被列车占用的区段。

图3 默认列车保护包络修正计算示意图Fig.3 Diagram of correction calculation for default train protection envelope

2.4 基于计轴的多源信息中间件功能的具体实现

在目前的城市轨道交通项目中，通常采用计轴设备作为备用检测设备。计轴可能会因受扰等原因发生故障，所以轨旁ATP在计算备用检测设备状态时，还需对比列车包络状态与备用检测设备所提供信息的一致性。如果轨旁ATP根据列车包络状态认为某轨道区段上不可能存在列车，则轨旁ATP将认定该轨道区段对应的备用检测设备已发生故障。

轨旁ATP还需解决发现列车首次进入CBTC区域的及时性问题。这个问题可以通过将某些备用检测设备赋予特殊属性来实现，当这些具有特殊属性的备用检测设备被检测到为占用状态时，轨旁ATP立刻在该设备上创建默认列车保护包络，而不会判定其故障。

轨旁ATP在为列车计算保护包络时还需考虑列车运行的时空一致性，该一致性主要基于如下几个事实：① 列车运行不可能突破其最高速度；② 备用检测设备的占用信息传输到轨旁ATP具有确定的最大延时；③ 列车在运行时不能跳跃，必须依次通过连续的轨道区段。从而得到如下关系：

sc=vmaxtd,max

(1)

式中：

sc——默认列车保护包络的修正距离；

vmax——列车在线路上的最大运行速度；

td,max——备用检测设备被占用信息传递到轨旁ATP的最大延时。

如图4所示，轨旁ATP根据列车定位信息计算通信列车保护包络的修正距离。

图4 通信列车保护包络修正计算示意图Fig.4 Diagram of correction calculation for communication train protection envelope

通信列车保护包络根据车载ATP发送的列车安全定位区间、轨旁与车载之间网络报文传输延时以及列车特性，运用牛顿第二运动定律计算得到：

(2)

sc,t=dr,max

(3)

式中：

sc,h——列车头部保护包络修正距离；

sc,t——列车尾部保护包络修正距离；

v——车载ATP向轨旁ATP提供的列车实时运行速度；

Δt——列车定位信息从车载ATP发送到轨旁ATP的时间间隔；

a——列车的最大牵引加速度;

dr,max——列车运行时沿运行方向的反方向运动的可能最大距离，其值由列车的制动性能及相应的运营限制决定。

由此，从列车头部安全定位向列车行进方向延伸sc,h，即可得到轨旁ATP收到列车定位信息时列车头部可能的最前端位置。相应地，从列车尾部安全定位向列车行进的反方向延伸sc,t，即可得到此时列车尾部实际可能的最后端位置。

2.5 多源信息中间件对特殊线路状态的处理

考虑到轨旁ATP采集到的列车保护包络所覆盖的道岔的状态被可能与该道岔实际锁闭位置对应的状态不一致，在计算列车保护包络时，采用的是道岔实际位置，而非道岔锁闭位置。这样在完成列车保护包络的计算后，轨旁ATP需根据轨道区段的实时链接关系(根据道岔实际采集位置进行计算而得)，对列车保护包络进行压缩和拆分。

a) 开向不明道岔出现在列车保护包络范围内的初始状态

特殊情况下，四开道岔因振动、手摇道岔等原因导致道岔既不在定位也不在反位(即线路上存在开向不明道岔)，此时列车保护包络内部存在断链点，列车保护包络的处理方式如图5所示。

当列车保护包络内部存在断链点时，轨旁ATP会将此特殊场景判定为非法场景，并按照如下原则予以处理：

1) 如果断链点出现在列车头部保护包络修正距离或列车尾部保护包络修正距离内，则压缩列车保护包络，使列车保护包络不直接跨越该断链点。在断链点的另一侧创建新的默认列车保护包络，以保证如果列车仍在运行，其仍能被原列车保护包络及新创建的默认列车保护包络所覆盖，即被缩短后的列车保护包络加上新创建的列车保护包络所覆盖的轨道区段总长度应与断链点出现前相等。

2) 如果断链点出现在列车安全定位范围内，则认为该断链点已位于列车车身内，此时需删除相应列车。如果此时对应的是通信列车保护包络，还需将该包络转变为默认列车保护包络。

如轨旁ATP能确认在1个默认列车保护包络范围内无隐藏列车，可将该默认列车保护包络删除。轨旁ATP判断在1个列车保护包络内无列车的依据是该默认列车保护包络覆盖的所有备用检测设备均报告出清。

3 结语

本文建立了统一的列车保护包络模型，设计了多源信息中间件，用以解决主用检测设备和备用检测设备提供的列车位置信息描述不一致的问题，以及由报文传输延时容忍度设计带来的定位不确定性问题和由报文异步引起的列车物理定位与逻辑定位的错位问题，进而使得轨旁ATP核心模块在处理列车相关信息时不需要面临信息来源多样、信息延时多变、报文异步导致列车逻辑错位、列车状态转变等复杂状况。同时，列车保护包络模型可以保证所增加或更换的列车检测方法(如新的测速定位传感器或新型备用检测设备)只影响多源信息中间件，而不影响轨旁ATP的核心模块，由此，该模型可进一步提高整个轨旁ATP系统的模块化程度、可维护性和可扩展性。