第三節　列車防護控制技術

CBTC系統能夠在保證安全的基礎上實現高密度移動閉塞列車追蹤間隔，依賴的是對安全高效的移動授權生成技術，和一次連續式速度-距離曲線列車安全制動模型的合理應用。

移動閉塞下列車移動授權生成原理如圖3-24所示。

CI系統是CBTC運行的基礎，實現道岔、進路和信號機之間安全的聯鎖關系，并將相關聯鎖狀態發送給ZC使用，確保列車不會闖入未鎖閉的道岔或未開放的線路區段中。

ZC通過接收列車位置匯報形成在線列車運行序列，并將列車位置和線路占用情況進行安全匹配，對每列車安全位置占用的線路軌道區段進行占用標示。

根據列車位置及其前方線路上區段占用情況和障礙物的狀態，ZC可為每列車計算和生成移動授權（MA）。

ATP車載系統接收來自ZC的MA，根據一次連續式速度-距離曲線列車安全制動模型計算列車緊急制動觸發（EBI）速度，并實時監督列車實際速度與EBI速度之間的差值，當列車超速時可立即觸發緊急制動，以保證列車在MA范圍內安全停車。

綜上，在CBTC系統中，ZC負責為列車計算和生成MA信息，保證列車在MA范圍內運行時不會出現列車撞車等危險情況，ATP車載系統負責根據MA信息計算EBI速度并實現超速防護，保證列車不出現越過MA防護范圍以及超出MA或線路數據庫規定的防護速度的危險情況，從而通過ZC和ATP車載系統的安全交互實現列車運行的安全防護。

一、列車管理和移動授權生成技術

ZC通過為各列車計算移動授權的方式完成將線路資源向列車的分配，在保證行車安全的同時控制列車在線路上高效追蹤。移動授權是指從列車車尾開始，到行駛前方終點障礙物的這段線路，移動授權允許列車在前方可用線路范圍運行，其含義如圖3-25所示。

（一）列車注冊和注銷

為保證所生成移動授權的安全性，ZC需要對管轄范圍內所有列車進行有效管理，不僅需要保證列車位置的安全性，還要保證列車在線路上運行的列車序列的正確性，因此需要對所有進入和退出其控制范圍的列車實行準入注冊和退出注銷機制，在其控制范圍內運行時要求列車實時匯報位置。特別的，對于從一個ZC管轄范圍進入另一個ZC管轄范圍時，要進行列車信息的交互，保證越區切換的安全性。

1.列車注冊

列車在進入ZC控制范圍時，必須先提出注冊申請，ZC確認列車信息正確且前后無其他列車影響時，才允許列車注冊。

ZC確認列車信息有3種方式，一是由人工確認；二是利用軌旁鋪設的次級占用檢查設備對列車的位置信息進行篩選確認（圖3-26），只有篩選通過才允許列車注冊；三是ZC切換過程中相鄰ZC自動進行列車信息的交互，從另一ZC范圍內接收列車的相應信息（見越區切換部分）。

列車篩選分為前端篩選和后端篩選，其目的是確認列車前方和后方無其他隱藏列車（包括可能允許上線的所有列車和工程車等）。列車篩選的實現方法為：ZC檢查VOBC匯報的列車位置信息和軌道區段占用信息，當列車車頭位置距離所占用區段邊界小于線路上可能出現的最小車長，且其外方區段空閑時，則可認為列車篩選成功，允許列車注冊。

以圖3-26為例，當同時滿足如下條件時認為列車前端篩選通過：

（1）Section2狀態為占用。

（2）d<Lmin。d為列車車頭至該計軸的距離，Lmin為線路上可能出現的最小車長。

（3）Section3狀態為空閑。

同理可以對后端篩選的通過條件按照列車車尾后方區段的占用狀態以及列車車尾至計軸的距離進行定義。

2.列車注銷

列車完成在ZC控制范圍內的運行任務，退出ZC控制范圍時，必須向ZC提出注銷申請以釋放相應線路資源。如果ZC控制范圍內的列車沒有進行注銷而失去通信，則ZC將該列車作為故障車處理，將在線路上劃分一定的防護區段，以保證相鄰列車的安全。

列車注銷過程為，VOBC根據列車運行計劃向ZC提出注銷申請，ZC接收申請后對列車位置進行檢查，確認該列車已經或即將出清其控制范圍后向VOBC發送注銷確認信息，并持續檢查列車位置直至其完全出清本ZC控制范圍后將該列車信息從管理列車信息表中刪除。

列車注銷過程有三種：一是列車轉為故障后，并按照故障車的處理流程出清ZC控制范圍；二是VOBC退出運營時提出注銷申請，ZC檢查列車滿足條件后與VOBC通信確認允許列車注銷；三是ZC切換過程中相鄰ZC自動進行列車信息的交互，將列車納入到另一ZC控制范圍內（見越區切換部分）。

3.越區切換

每個ZC擁有一定的管轄范圍，只能授予列車在其轄區內活動的權限。當線路上有多個ZC分段控制，列車需要從一個ZC控制范圍內運行到另一個ZC控制范圍時，需要由VOBC和兩個ZC共同配合完成越區切換流程。越區切換過程中，列車MA延伸到ZC邊界時，ZC會請求相鄰的ZC為該列車計算MA，ZC切換過程由VOBC和兩個相鄰ZC自動完成，無須人工干預。

按照越區切換過程中列車越過ZC邊界點的順序，可分為觸發切換、越過邊界點和切換注銷三個過程。越區切換過程如圖3-27所示。

（1）觸發切換

當列車正常運行過程中，當前受控ZC（移交ZC）為列車計算的MA（MA1）到達ZC管轄范圍邊界時，移交ZC將檢查越區切換的條件。當移交ZC確認列車滿足切換條件后，將開始與相鄰管轄區的ZC（接管ZC）進行信息交互，向接管ZC發送即將切換的列車的運行信息和為其生成的MA1信息，并接收由接管ZC為該列車生成的允許列車在接管ZC范圍內運行的MA（MA2），移交ZC將MA1和MA2進行處理后生成整體的MA發送給VOBC使用。

（2）越過分界點

VOBC按照移交ZC的MA運行，直到列車車頭越過ZC分界點時，VOBC開始與接管ZC通信，向接管ZC發送列車位置并申請MA，同時保留與移交ZC的通信信息。VOBC與接管ZC注冊成功并收到其生成的完成MA（混合了MA1和MA2）信息后，VOBC開始受接管ZC控制。

（3）切換注銷

VOBC按照接管ZC的MA運行，當列車車尾越過ZC邊界后，VOBC與移交ZC注銷，釋放在移交ZC范圍內占用的資源。

在列車跨越ZC邊界運行的整個過程中，為保證列車能夠不降級或減速安全交接，移交ZC與接管ZC及列車之間存在著復雜的信息交互，詳細信息交互過程如圖3-28所示。

（二）列車排列和運行控制狀態管理

為實現對其管轄范圍內列車的動態管理，ZC需要確定其管轄范圍內的所有列車的安全位置，并根據確定的列車位置，結合列車的運行方向及聯鎖匯報的線路情況，確定在其管轄范圍內線路上運行的所有列車的順序關系，形成并持續更新列車運行序列信息。

在列車運行過程中，可能會存在正常運行的列車（稱為通信列車）以及降級或故障列車（稱為非通信列車）混合運行的情況。對于通信列車，ZC只需要根據列車的位置匯報和計軸區段的占用/空閑信息，即可確認通信列車所在位置、運行方向以及在線路中的前后關系，從而明確列車在線路拓撲和列車運行序列中的位置；對于非通信列車，將只能夠通過計軸區段的占用/空閑，以及進路的方向進行推斷來完成，但可能無法確定一個計軸區段內存在的非通信列車數量。由于ZC列車分割的主要功能是用于通信列車的移動授權計算，因此對于非通信列車之間的列車分割并不需要精確地完成，只需要確定列車所在的大概區域，以及其在列車運行序列中先后順序即可。

ZC對于管轄范圍內多車的管理是通過將每列列車的運行過程劃分為不同的運行控制狀態來實現的。對于處于不同運行控制狀態的列車，ZC會實施相應的操作，保證安全運行。根據列車的運行過程，一般把列車運行狀態劃分為：登錄狀態、接管狀態、進入控制狀態、正常運行狀態、移交狀態、折返狀態、注銷狀態以及故障狀態。列車運行控制狀態的含義描述見表3-1。

續上表

每列車在任意時刻只能處于某一種狀態，不同列車有可能處于相同狀態或不同狀態。各運行控制狀態間的轉移有著明確的限制條件，在每一個處理周期內，ZC都會對其管轄范圍內的列車控制狀態進行更新處理。ZC能夠根據每周期獲得的聯鎖系統信息及列車信息，綜合列車當前所處的運行控制狀態，準確地判斷列車是否能夠轉移至其他狀態或是維持原狀態。由于實際線路的不同及交互信息的時序不同，運行控制狀態的轉移復雜多變，ZC必須考慮到所有可能發生的情況，以保證列車運行控制狀態管理的安全性。列車運行控制狀態轉移如圖3-29所示。

圖3-29中列車運行控制狀態轉移的觸發條件見表3-2。

續上表

ZC實時根據列車的位置匯報進行排序并經過嚴格的邏輯判斷，確定其管轄范圍內各列車的運行控制狀態，進而為計算列車移動授權提供基礎條件。

（三）移動授權生成

CBTC系統采用移動閉塞原理來控制列車間隔，確保列車間具有適當的距離，以保證列車始終能夠在ZC提供的移動授權（MA）范圍內安全運行。

VOBC周期性地確定本列車的位置，并且向ZC發送位置信息以及列車行駛方向。ZC基于本控制區域內及周邊線路的線路設備狀態信息、區段狀態信息、道岔狀態信息、列車當前位置和行駛方向以及進路等信息為其轄區內的每列列車確定MA。當管轄范圍內有多列車時，確認列車滿足追蹤條件后，ZC會將后車的移動授權設置為前車的安全車尾位置并考慮足夠的防護距離，以提高列車運行效率。

移動授權根據下列因素確定：

（1）列車位置和運行方向。

（2）進路狀態、區段鎖閉狀態和鎖閉方向、道岔狀態、保護區段狀態、信號機狀態。

（3）前方裝備ATP車載設備列車的尾部最不利位置。

（4）前方未裝備ATP車載設備的列車或ATP車載設備失效的列車所占用區域的邊界及最不利條件下的列車尾部位置。

（5）固定閉塞和準移動閉塞下，閉塞分區的邊界。

（6）站臺緊急關閉狀態和站臺門狀態。

（7）車擋前端。

（8）封鎖的軌道區段邊界。

移動授權生成的具體過程如下。

（1）列車運行在ZC的管轄范圍內時，車載設備向ZC匯報列車位置、測距誤差以及移動授權申請等信息，地面ZC根據這些信息，計算列車的安全位置，如圖3-30所示。

（2）地面ZC根據計算生成的列車安全位置，匹配列車占用的線路區段。

（3）聯鎖系統采集線路內障礙物狀態（道岔、屏蔽門、緊急停車按鈕、計軸區段等），向ZC發送障礙物信息及進路信息。

（4）確定移動授權的計算范圍。地面ZC接收到聯鎖系統的進路信息和障礙物信息，并根據列車在線路上的位置信息，確定列車當前能夠使用的進路范圍。

如圖3-31所示，列車運行在進路R1上，進路R2、R3均已排列，地面ZC通過線路上列車運行情況及信號機的接近區段情況判斷該車為最接近進路R2和R3的受控列車，將進路R1、R2、R3均分配給該列車使用，這樣就確定了為該列車計算移動授權需要考慮的范圍。

（5）靜態障礙物狀態檢查。確定移動授權的計算范圍后，ZC按照從近到遠的順序遍歷障礙物，對于靜態障礙物，地面ZC需要從列車車尾安全位置（移動授權起點），按照由近到遠的順序，遍歷線路上的靜態障礙物（靜態障礙物包括道岔、站臺安全門、站臺緊急關閉按鈕等）的狀態，檢查是否會影響列車運行的安全。

①對于靜態障礙物中的道岔而言，需要檢查道岔的當前狀態與進路要求的聯鎖系統狀態是否相符，若當前狀態與進路要求的聯鎖系統狀態相符，則認為道岔不會影響列車運行安全，允許將移動授權延伸通過該道岔；否則，不允許移動授權延伸，將該道岔作為遍歷靜態障礙物確定的終點障礙物。

②對于靜態障礙物中的站臺安全門（或站臺緊急關閉按鈕），需要檢查當前狀態是否為打開狀態（或激活狀態），若檢查發現障礙物狀態為打開（或激活），將不允許移動授權延伸通過該障礙物，將站臺安全門（或站臺緊急關閉按鈕）對應的站臺區域的始端位置作為遍歷靜態障礙物確定的終點障礙物；反之，則允許移動授權延伸通過該障礙物。

（6）動態障礙物檢查。完成了靜態障礙物的遍歷后，ZC還需要根據線路情況及列車情況，檢查移動授權遍歷范圍內的其他列車運行情況和臨時限速區域情況。根據前行列車的位置不同又可以劃分為以下幾種情況：第一種情況為前車位于站臺區域內，如果運營要求某一時刻只允許一列車在站臺區域內運行，此時后車的移動授權將不能延伸到站臺區域內，將對應的站臺區域的始端作為遍歷動態障礙物確定的終點障礙物；第二種情況為兩列車在區間追蹤運行的情況，可將前車的安全車尾位置作為遍歷動態障礙物確定的終點障礙物。如圖3-32所示。

（7）形成移動授權。根據遍歷靜態障礙物及遍歷列車的計算結果，確定出移動授權的終點，按照移動授權的具體實施格式將列車當前位置到終點這一段范圍內的線路信息確定為移動授權。

三、列車安全制動模型

VOBC根據從ZC接收到的移動授權，依據速度-距離曲線列車安全制動模型計算緊急制動觸發（EBI）速度，并將列車速度與最高允許速度進行比較，提供列車運行全過程的超速防護。

（一）速度-距離曲線安全制動模型

VOBC依據速度-距離曲線安全制動模型計算列車的EBI速度，進而防護列車間隔，保證列車的安全高效運行。該安全制動模型保證列車不會超過最具限制的速度，且列車將在防護點的前方停車。基于移動閉塞的速度-距離控制原理如圖3-33所示。

采用速度-距離曲線安全制動模型進行列車安全防護時，ATP車載設備可依據移動授權、列車制動模型和實際參數實時計算當前最大允許速度，可以列車實際性能自行控制其追蹤間隔，使各個列車的性能得以充分發揮。

列車實際速度防護曲線是由列車運行全過程的各點位置的限制速度構成的。根據列車與移動授權終點的位置關系不同，列車速度防護曲線可分為頂棚速度監督區和速度-距離監督區，如圖3-34所示。

圖3-34中，列車在頂棚速度監督區域運行時不需要考慮前方目標點，只需控制列車速度不超過該區域規定的各類固定限制速度的最小值即可，各類固定限制速度包括車輛限速、線路限速、臨時限速等，如圖3-34中的[P0—P1]區域。速度-距離監督區域是指列車防護速度按照一次速度距離曲線下降最終到達0的區域，如圖3-34中的[P1—P2]區域，在此區域內需要按照速度-距離安全制動模型進行防護曲線計算，是列車速度防護曲線最關鍵和最復雜的區域。由于列車位置和各設備均存在一定的安裝和測量誤差，因此在列車MA終點和測量的危險點位置之間增加一段較小的保護距離，如圖3-34中的[P2—P3]區域。

速度-距離曲線安全制動模型可依據牛頓第二定律規定的物理公式進行計算。模型根據列車制動過程中的一般物理規律分別描述了列車緊急制動曲線和緊急制動觸發（EBI）曲線如圖3-35所示。緊急制動曲線包含安全防護點、列車保證的緊急制動減速度和線路的坡度加速度等，緊急制動觸發曲線包含車載設備反應時間、緊急制動觸發后的切斷牽引和緊急制動施加過程延時等。

模型中，列車緊急制動過程被分為三個階段（對應圖中的①②③）

第一階段，列車以最大牽引加速度持續加速，加速時間包括緊急制動前車載反應延時和車輛牽引切斷的時間延遲。

第二階段，牽引已切斷，但緊急制動力尚未達到標稱值，列車在緊急制動建立等效時間內惰行。

第三階段，列車實施緊急制動，遵循速度-距離拋物線。

在不影響列車安全的基礎上，為保證列車正常運營，當列車速度即將達到緊急制動觸發速度前，系統可提前切斷列車牽引，避免列車持續加速，減少列車因超速導致緊急制動的次數。

（二）列車超速防護

1.緊急制動觸發速度曲線計算

根據物理定義，任意時間段（tx，ty）內加速度a、速度v、位移s滿足如下關系

根據列車安全制動模型的階段劃分，設列車觸發緊急制動的時刻速度、時間分別為（v0，t0），第一階段結束時列車的速度、時間分別為（v1，t1），第二階段結束時列車的速度、時間分別為（v2，t2），第三階段結束時列車的速度、時間分別為（v3，t3）。

對3個階段中的加速度進行簡化可得

式中，aT為列車最大牽引加速度（正值）；r1為第一階段等效坡度加速度（上坡為正，下坡為負，下同）；r2為第二階段等效坡度加速度；r3為第三階段等效坡度加速度；Be為列車可保證的緊急制動率（正值）。

根據各階段時間定義可知

式中，T1為第一階段列車加速總時間，T2為第二階段列車惰行總時間；T3為第三階段列車緊急制動過程的總時間。

將式（3-38）代入式（3-37）可分別求得列車在3個階段的運行距離（S1，S2，S3）和各階段末的列車速度（v1，v2，v3），進一步根據物理規律可知：

式中，L為緊急制動觸發時刻列車到緊急制動停車點（PP點）的距離。

根據式（3-37），可得EBI速度v0與列車到PP點之間的距離L之間的函數關系式為

匯總式（3-38）至式（3-41），按照列車與PP點之間的距離L的不同取值，即可得到速度-距離監督區各點的緊急制動觸發（EBI）速度值。

匯總頂棚速度監督區和速度-距離監督區各點的計算結果，即得到列車運行全過程的列車防護曲線。但要注意的是，由于列車具有一定的長度，當列車車頭越過障礙物（或出清限速區段）時，有可能列車車尾仍受障礙物（或限速區段）的限制，因此不能僅將列車看作單質點，而是需要考慮列車實際長度和測距誤差的影響，確保列車車尾越過障礙物（或出清限速區段）前均受到此障礙物或限速區段的速度限制這樣的行為將其稱為車尾保持

2.坡度對EBI速度計算的影響

根據速度-距離曲線計算列車防護曲線時，要保證各參數取正確可導向安全的數值，才能確保列車運行的安全性。其中線路坡度復雜多變且對列車加速度的影響較大，因此需要特別注意。

假定一段線路豎拋面示意圖與其對應的坡度值之間的關系如圖3-36所示。

其中坡度值符號按照上坡為正、下坡為負的原則定義。據圖3-36可知，在列車長度范圍內可能存在不同的坡度區段。

利用安全制動模型計算EBI速度時，坡度值的選取應注意：

（1）當前計算所選用的坡度值應為列車長度范圍（或列車運行范圍）內最不利的坡度值，所謂最不利的坡度值即為最小的坡度值。因為坡度值越小，表明越接近下坡，會導致加速度的增大或減速度的減小，符合“故障—安全”原則。

（2）充分考慮坡度對列車加速度的影響，一般通過對列車轉動慣量的補償來確定。列車受坡道影響的加速度包括兩個因素：一是不考慮列車轉動慣量時列車沿坡道方向重力的分力引起的加速度影響，二是轉動慣量對加速度的影響因素（由于列車上/下坡時一部分重力轉化為轉動力，而使加速度變小）。

假設列車轉動慣量為已知量，可得到坡度加（減）速度計算公式，見式（3-42）。

A_gradient=g×grad/（1000+10×M_rotating）　　（3-42）

式中，A_gradient為考慮轉動慣量后的坡度加速度；g為重力加速度（取9.8m/s2）；grad為列車行駛位置的坡度等效加速度（m/s2）；M_rotating為轉動慣量（常數）。

3.多障礙物對EBI速度計算的影響

CBTC系統不僅要保證列車不超過移動授權終點的限制，還要遵守列車運行軌跡上所有可能的障礙物（包括但不限于道岔、線路限速、站臺限速等）的限制，列車超速防護使用的EBI速度要保證列車不會超過每個障礙物的限速。

在對MA中包含多個障礙物的情況進行EBI計算時，首先應根據安全制動模型計算出每個障礙物對應的EBI限速值vEBIj，還要對所有障礙物對應EBI限速值進行比較，取其最小值作為最終計算的列車防護速度（EBI速度值），即

vEBI=min{vEBIj}，j∈[1，n]　　（3-43）

式中，vEBI為多個障礙物對應的最終EBI限速值；vEBIj為各個障礙物分別計算的EBI限速值；n為障礙物數量。

CBTC系統應按下列因素中最嚴格的限制條件計算EBI限速值的最終結果：

（1）線路限速；

（2）軌旁障礙物（如道岔、安全門、緊急停車按鈕等）狀態限速；

（3）臨時限速；

（4）列車限制速度；

（5）與ATP車載設備駕駛模式相關的限制速度；

（6）保證列車前端進入限速區段時，列車速度低于該區段的限制速度；

（7）保證列車末端出清限速區段前，列車速度低于該區段的限制速度；

（8）保證列車在移動授權終點前安全停車。

4.列車速度實時防護

為防止列車超過最高允許速度限制或越過移動授權終點，VOBC實時對列車速度與計算獲得的EBI速度進行比較，當列車速度超過EBI速度時將立即輸出緊急制動命令使列車減速，保證列車在相應的安全防護范圍內停車，不超過移動授權范圍內障礙物的速度和位置限制。

ATP車載設備實施緊急制動時，列車停車前中途不得緩解。列車停車后，如果導致列車緊急制動的原因已解除，則緊急制動可自動緩解。但如果由于異常原因導致列車位置超出移動授權范圍時，在故障排除前，VOBC將一直輸出緊急制動命令，以防止列車移動。