張 博，楊 展，劉中舉

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

計(jì)算機(jī)與通信信號(hào)

CBTC系統(tǒng)列車識(shí)別與追蹤技術(shù)研究

張 博，楊 展，劉中舉

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 611756）

列車識(shí)別與追蹤是列車運(yùn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)。本文就CBTC系統(tǒng)列車識(shí)別與追蹤技術(shù)，通過(guò)ATS仿真平臺(tái)中實(shí)際站場(chǎng)圖例，對(duì)列車識(shí)別與追蹤實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要的線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和車次號(hào)追蹤的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討。應(yīng)用Visual C++6.0平臺(tái)根據(jù)實(shí)際線路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

CBTC；仿真平臺(tái)；列車識(shí)別與追蹤；車次號(hào)

近年來(lái)，城市化進(jìn)程的不斷加快對(duì)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)提出了新的要求?；谕ㄐ诺牧熊嚳刂疲–BTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)以其軌旁設(shè)備少、線路追蹤間隔時(shí)間短、運(yùn)輸效率高等特點(diǎn)，發(fā)展迅速，逐漸成為城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的主流。我國(guó)第一條地鐵線路的成功開(kāi)通，標(biāo)志著城市軌道交通信號(hào)技術(shù)進(jìn)入發(fā)展高峰期。本文根據(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CBTC系統(tǒng)列車識(shí)別與追蹤技術(shù)進(jìn)行探討。

1 CBTC系統(tǒng)特點(diǎn)

CBTC是基于通信的列車控制系統(tǒng)，通過(guò)移動(dòng)閉塞技術(shù)來(lái)縮短運(yùn)行間隔，從而提高列車的運(yùn)行效率和系統(tǒng)的靈活性。在CBTC系統(tǒng)中，車載控制器（VOBC）主動(dòng)地進(jìn)行列車的測(cè)速和定位，將列車位置信息通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送到軌旁區(qū)域控制器（ZC），ZC負(fù)責(zé)追蹤線路上所有列車并為列車計(jì)算移動(dòng)授權(quán)（MA），VOBC根據(jù)ZC計(jì)算的MA命令來(lái)控制列車的安全運(yùn)行，并確保在任何最不利情況下，列車不會(huì)超越目標(biāo)距離和目標(biāo)速度。

2 ATS系統(tǒng)仿真平臺(tái)簡(jiǎn)介

列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）系統(tǒng)仿真平臺(tái)是對(duì)ATS系統(tǒng)從配置到功能的逼真模擬。本設(shè)計(jì)中的ATS系統(tǒng)仿真平臺(tái)，主要由ATS模擬子系統(tǒng)、列車模擬子系統(tǒng)和聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)組成。

其中ATS模擬子系統(tǒng)提供ATS系統(tǒng)全部功能，實(shí)現(xiàn)列車識(shí)別與追蹤、列車運(yùn)行調(diào)整等。列車模擬子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的模擬運(yùn)行，模擬列車在調(diào)度員的調(diào)度命令下，根據(jù)聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)有關(guān)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)信息控制列車運(yùn)行。聯(lián)鎖模擬子系統(tǒng)是對(duì)ATS系統(tǒng)聯(lián)鎖功能的模擬，接收調(diào)度員各項(xiàng)聯(lián)鎖操作命令，控制軌旁信息設(shè)備狀態(tài)變化，然后把這些狀態(tài)變化信息反饋在ATS系統(tǒng)監(jiān)控界面上。

3 列車識(shí)別與追蹤概述

CBTC系統(tǒng)列車識(shí)別與追蹤的任務(wù)是完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有列車的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤。列車車次號(hào)是CBTC系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行識(shí)別與追蹤的基礎(chǔ)，對(duì)列車的識(shí)別與追蹤是根據(jù)車次號(hào)實(shí)現(xiàn)的。一般當(dāng)列車從車庫(kù)或車輛段出發(fā)進(jìn)入“轉(zhuǎn)換軌”時(shí)，表明該列車即將進(jìn)入正線投入運(yùn)營(yíng)，調(diào)度員需要對(duì)該列車進(jìn)行有效的監(jiān)控，因此系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)列車進(jìn)行識(shí)別與追蹤，直至列車到站折返或者列車回庫(kù)返回車輛段，離開(kāi)“轉(zhuǎn)換軌”時(shí)，表明列車離開(kāi)正線，退出運(yùn)營(yíng)。

當(dāng)列車失去車次號(hào)或具有一個(gè)不正確的車次號(hào)時(shí)，CBTC系統(tǒng)就不可能對(duì)其進(jìn)行正確的識(shí)別與追蹤，就無(wú)法對(duì)列車運(yùn)行監(jiān)控及調(diào)度指揮。正常運(yùn)行的列車都與一個(gè)特定的車次號(hào)相關(guān)聯(lián)，CBTC系統(tǒng)根據(jù)該唯一的車次號(hào)對(duì)全線列車進(jìn)行識(shí)別與追蹤，車次號(hào)隨著列車的運(yùn)行，將沿著列車運(yùn)行線路從一個(gè)區(qū)段的車次窗內(nèi)傳遞到另一個(gè)區(qū)段的車次窗內(nèi)，列車車次號(hào)在車次窗中傳遞的過(guò)程正是系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行識(shí)別與追蹤的過(guò)程。

4 列車識(shí)別與追蹤設(shè)計(jì)

CBTC系統(tǒng)是基于無(wú)線通信的列控系統(tǒng)，車-地之間信息交互不再依賴于軌道電路而是采用連續(xù)、高速、雙向的無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車實(shí)時(shí)連續(xù)的監(jiān)督和控制。但是在實(shí)際工程中，當(dāng)系統(tǒng)線路剛剛投入使用階段，或者列車因?yàn)樵O(shè)備原因通信故障時(shí)，為了保證列車運(yùn)行安全，絕大部分CBTC系統(tǒng)線路配備軌道電路（TBTC）或計(jì)軸設(shè)備作為后備系統(tǒng)保證列車的安全運(yùn)行。所以對(duì)基于TBTC系統(tǒng)、CBTC系統(tǒng)以及TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)二者共存條件下的列車識(shí)別與追蹤技術(shù)的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 基于TBTC模式的列車追蹤

基于TBTC系統(tǒng)的列車追蹤也就是列車物理跟蹤，是根據(jù)聯(lián)鎖信號(hào)設(shè)備狀態(tài)變化按軌道電路自動(dòng)跟蹤列車運(yùn)行位置。追蹤過(guò)程如圖1所示，列車從甲站駛往乙站。

圖1 列車物理追蹤過(guò)程

（1）當(dāng)區(qū)段C是占用狀態(tài)，代表列車在C處，此時(shí)車次號(hào)顯示在C所對(duì)的車次窗內(nèi)；

（2）當(dāng)區(qū)段C是占用狀態(tài)，相鄰區(qū)段D由出清變?yōu)檎加?，并且線路中不存在對(duì)向運(yùn)行的列車時(shí)，說(shuō)明列車正在從C向D移動(dòng)，車次號(hào)顯示在車頭所在區(qū)段D的車次窗內(nèi)；若考慮存在對(duì)向運(yùn)行的列車，假如區(qū)段E空閑，則可以確定D是由列車從C駛向D引起的，當(dāng)E也處于占用狀態(tài)時(shí)，則無(wú)法確定D狀態(tài)的變化是由哪一輛列車引起，需要等待軌道區(qū)段C和軌道區(qū)段E的狀態(tài)變化確定車次號(hào)的移動(dòng)；

（3）當(dāng)區(qū)段C由占用變成出清，區(qū)段D保持占用時(shí)，代表列車已經(jīng)完全越過(guò)C進(jìn)入D，此時(shí)車次號(hào)仍然顯示在D對(duì)應(yīng)的車次窗內(nèi)。

4.2 基于CBTC模式的列車追蹤

在CBTC模式下，將一個(gè)物理區(qū)段劃分為多個(gè)邏輯區(qū)段，每個(gè)邏輯區(qū)段都有單獨(dú)的占用/出清檢測(cè)，并且每個(gè)區(qū)段可進(jìn)入多輛列車。當(dāng)物理區(qū)段中某輛列車與地面失去通信時(shí)，該物理區(qū)段內(nèi)的所有邏輯區(qū)段都要變?yōu)檎加脿顟B(tài)，此時(shí)該物理區(qū)段不允許新的列車進(jìn)入。追蹤過(guò)程如圖2所示。

4.3 TBTC系統(tǒng)和CBTC系統(tǒng)共存時(shí)的列車追蹤

由于運(yùn)營(yíng)需求或者通信故障等原因，線路上可能同時(shí)運(yùn)行通信列車和非通信車，因此系統(tǒng)需要支持通信列車和非通信列車混跑追蹤。對(duì)通信車可以采用CBTC模式追蹤，對(duì)非通信車可以采用區(qū)段占用/出清邏輯檢測(cè)追蹤。追蹤過(guò)程如圖2所示。

圖2 邏輯追蹤和列車混跑追蹤過(guò)程

5 列車識(shí)別與追蹤實(shí)現(xiàn)

CBTC系統(tǒng)對(duì)列車的識(shí)別與追蹤是以站場(chǎng)線路數(shù)據(jù)的有效描述為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的。本仿真系統(tǒng)主要以有向的線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為支撐，管理列車車次號(hào)在車次窗內(nèi)的顯示，確定列車運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)督與控制。

5.1 站場(chǎng)線路數(shù)據(jù)

站場(chǎng)線路數(shù)據(jù)是描述站場(chǎng)圖中各信號(hào)設(shè)備的信息，主要包括信號(hào)設(shè)備的位置、信號(hào)設(shè)備之間的邏輯關(guān)系。列車在軌道線路上的運(yùn)行路徑是確定列車位置的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)列車識(shí)別與追蹤的關(guān)鍵所在。為了能夠更好更快地搜索列車在軌道線路上的運(yùn)行路徑，引入了有向無(wú)環(huán)圖的概念。有向無(wú)環(huán)圖（DAG，Directed Acycline Graph）是一種類似于樹(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它有兩個(gè)特點(diǎn)：（1）圖中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)有向邊連接；（2）兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的有向路徑是互斥的。

站場(chǎng)線路中主要有3種信號(hào)設(shè)備：信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段和道岔區(qū)段，列車在軌道線路上運(yùn)行的路徑也是由這3種設(shè)備組成的。下面以部分站場(chǎng)平面布置圖為例進(jìn)行說(shuō)明。站場(chǎng)平面圖如圖3所示。

圖3 舉例站場(chǎng)平面布置圖

將舉例站場(chǎng)平面布置圖中的信號(hào)機(jī)、軌道區(qū)段和道岔區(qū)段作為頂點(diǎn)，以連接頂點(diǎn)的設(shè)備為弧，以上行方向?yàn)橛邢驘o(wú)環(huán)圖的方向，建立模型，如圖4所示。此時(shí)搜索列車運(yùn)行路徑等價(jià)于在有向無(wú)環(huán)圖中搜索一個(gè)頂點(diǎn)到另一個(gè)頂點(diǎn)的路徑。例如信號(hào)機(jī)X2102到X2202的路徑等價(jià)于D→H的路徑（D→F→H）。

圖4 站場(chǎng)的有向無(wú)環(huán)圖

由于直接查找有向無(wú)環(huán)圖中兩頂點(diǎn)之間的路徑比較復(fù)雜，但結(jié)合站場(chǎng)圖的結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)其存在著特殊性，特殊在它的所有頂點(diǎn)的出度數(shù)都不大于2，這樣的有向無(wú)環(huán)圖與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的二叉樹(shù)非常相似。所以，尋找一種能夠在有向無(wú)環(huán)圖中動(dòng)態(tài)建立“二叉樹(shù)”，然后對(duì)該“二叉樹(shù)”進(jìn)行遍歷的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上述模型中兩頂點(diǎn)之間的路徑的搜索。如以頂點(diǎn)A為根建立二叉樹(shù)，從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始到葉子結(jié)點(diǎn)結(jié)束的路徑就是信號(hào)機(jī)S2125到后續(xù)相關(guān)信號(hào)機(jī)的所有路徑，如圖5所示。

圖5 以節(jié)點(diǎn)A為根的二叉樹(shù)

采用前序遍歷，節(jié)點(diǎn)C到節(jié)點(diǎn)K的路徑為C→E→G→I→K，也就是信號(hào)機(jī)X2104到信號(hào)機(jī)X2304的路徑，結(jié)合圖3就可以得到X2104→X2304的路徑經(jīng)過(guò)的區(qū)段為D01、D03、G05、D05、G07，用這種方法就可以搜索站場(chǎng)圖中的列車運(yùn)行路徑。

5.2 列車車次號(hào)追蹤

從前面的分析，我們已經(jīng)知道列車追蹤分為基于TBTC的物理追蹤和基于CBTC的邏輯追蹤。

物理追蹤的主要任務(wù)是根據(jù)軌道區(qū)段占用情況，對(duì)列車進(jìn)行占用追蹤和出清追蹤。當(dāng)軌道區(qū)段由占用變?yōu)榉钦加脮r(shí)，進(jìn)行出清追蹤；反之，當(dāng)軌道區(qū)段由非占用變?yōu)檎加脮r(shí)，進(jìn)行占用追蹤。

CBTC模式下，為了提高列車運(yùn)行效率，將系統(tǒng)線路中的物理區(qū)段劃分為多個(gè)邏輯區(qū)段，并對(duì)每個(gè)邏輯區(qū)段進(jìn)行占用/出清檢測(cè)，這樣一個(gè)物理區(qū)段可以運(yùn)行多輛列車，同時(shí)一輛列車也可以占用多個(gè)邏輯區(qū)段。當(dāng)物理區(qū)段中某列車與地面通信中斷時(shí)，為了防止其它新的列車進(jìn)入該物理區(qū)段，防護(hù)該物理區(qū)段的信號(hào)機(jī)關(guān)閉，系統(tǒng)將物理區(qū)段內(nèi)的所有邏輯區(qū)段都置為占用狀態(tài)，失去通信的列車按照Non-CBTC模式，即TBTC模式運(yùn)行，此時(shí)，系統(tǒng)按照Non-CBTC模式控制列車運(yùn)行。

當(dāng)發(fā)生CBTC模式的列車因?yàn)橥ㄐ胖袛嗟仍蚪导?jí)為Non-CBTC模式的列車，或者是CBTC模式的列車與Non-CBTC模式的列車混跑時(shí)，其追蹤過(guò)程如圖6所示。

圖6 CBTC模式列車和非CBTC模式列車混跑追蹤

5.3 列車追蹤仿真實(shí)例

鑒于篇幅限制，只對(duì)TBTC模式下的列車追蹤進(jìn)行仿真。

TBTC模式列車10201從軌道區(qū)段T0104到軌道區(qū)段T0108的追蹤過(guò)程如圖7所示。

圖7 TBTC模式列車追蹤效果圖

6 結(jié)束語(yǔ)

列車識(shí)別與追蹤是列車運(yùn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)，是列車運(yùn)行調(diào)整、列車自動(dòng)進(jìn)路等ATS系統(tǒng)功能的重要保障，正確而準(zhǔn)確的列車識(shí)別與追蹤是CBTC系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。研究CBTC系統(tǒng)不同控制模式下的列車識(shí)別與追蹤不僅為調(diào)度員準(zhǔn)確監(jiān)督列車運(yùn)行，進(jìn)行列車控制提供保障，同時(shí)對(duì)提高CBTC系統(tǒng)自動(dòng)化服務(wù)水平，提高城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的安全性、可靠性都有著深遠(yuǎn)的意義。

[1]中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì).城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)ATS技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)城市軌道交通專業(yè)委員會(huì)，2009.

[2]張德明.CBTC制式下的ATS子系統(tǒng)的研究[J].鐵道通信信號(hào)，2009（12）.

[3]IEEE Std 1474.3-2008. IEEE Recommended Practice for Communications-Based Train Control (CBTC) SystemDesign and Functional Allocations[S].IEEE vehicular Technology Society. The Institute of Electronics Engineers, Inc， 2008.

[4]張?zhí)?ATS列車追蹤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[5]田曉莉.基于CBTC的ATS列車識(shí)別與跟蹤技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[6]Kenneth Diemunsch.Track Circuit Failures Their Impact on Conventional Signaling in CBTC Projects[J].IEEE Vehicular Technology Magazine，2013(8).

責(zé)任編輯 王 浩

Train identif i cation and tracking in CBTC system

ZHANG Bo, YANG Zhan, LIU Zhongju
( School of Information Science & Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China )

Train identification and tracking were the base of train supervision. This paper mainly analyzed the technology of train identification and track, according to station graph example of the ATS simulation platform, analyzed the basic data in the designing and implementation process of the train identif i cation and the implementation method of train identif i cation number track. Finally, through the Visual C++ 6.0 platform, this theory was simulated and verif i ed based on the actual line data.

CBTC; simulation platform; train identif i cation and tracking; train number

U284.55∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0045-04

2014-11-24

張 博，在讀碩士研究生；楊 展，在讀碩士研究生。