基于城市軌道交通CBTC系統中通信延遲對列車追蹤間隔的影響分析與研究

劉春花

（徐州市城市軌道交通有限責任公司，徐州 221000）

新時代背景下，全國大中型城市都在蓬勃發展，城市規模也在日新月異的變化中不斷擴大，城市的發展帶動了地區交通系統的變革，城市軌道交通因其安全、快捷、環保、高效等優點成為了城市公共交通系統的發展核心。然而，發展在提速，人們對城軌列車的運行效率的標準同樣在提高。因此如何提高運行效率，降低列車運行的影響同時成為了當今軌道交通技術研究的主題。在城市軌道交通系統中，無線通信方式是現今列車自動控制系統的主要信息傳輸手段，而列車追蹤間隔在當前移動閉塞模式下的CBTC系統中也起著重要作用。但是，通信延遲會對列車追蹤間隔產生很深的影響，因此本文分析了無線通信中可能產生延遲的原因，并分析這些延遲對追蹤間隔如何影響列車的效率，從而找出優化列車追蹤間隔的方案。

1 研究背景

現階段城市軌道交通作為公共交通的核心得到了快速發展，它不僅可以提供大容量、高效率、低成本的快捷出行方式，并且正在逐步改變著我國大中型城市發展結構。軌道交通的發展帶動城市人口的急劇增長，人口的激增同時又給軌道交通帶來了考驗，如何提高運力、改善乘坐體驗變得尤為重要，當前我國各個城市地鐵主要采用CBTC系統，這種系統利用的是車地無線通信技術，此項技術結合車載與地面設備進行信息實時交互，并且隨時調整列車閉塞區間，從而有效縮短并且最大化利用列車間隔，列車的在移動閉塞模式下的追蹤間隔與列車運行效率密切相關，因此研究列車追蹤間隔對提高列車效率具有極其深遠的意義。

2 CBTC系統中追蹤間隔

2.1 基于移動閉塞的CBTC系統定義及原理

CBTC，基于通信的列控系統是利用無線通信的軌道交通列車自動控制系統。CBTC區別于傳統列控系統，不再依賴具有局限性的軌道電路，而是通過利用車地雙向通信完成列車實時定位、信息交互等關鍵步驟，這樣的系統更加具有安全性和高效性。CBTC系統主要包括列車ATS監測系統、ZC控制器、VOBC、數據存儲單元DSU、CBI聯鎖機等，其工作原理如圖1所示。

圖1 CBTC系統工作原理圖

2.2 列車追蹤間隔的定義

列車追蹤間隔是指運行列車之間的最小允許間隔時間，是列車能夠按照計劃運行而不受前行列車影響的最小時間間隔，如圖1所示。

圖2 移動閉塞模式下列車追蹤間隔圖

2.3 CBTC移動閉塞模式下追蹤間隔的數學模型

首先應該指出的是，何為追蹤間隔？線路中任意一點的追蹤間隔是指前后兩列車連續經過同一點的時間間隔，列車追蹤間隔包括正線追蹤間隔和折返追蹤間隔兩部分，其中正線追蹤間隔又包括區間追蹤間隔和站間追蹤間隔兩部分。在目前的基于移動閉塞的CBTC系統中，列車常使用區間追蹤間隔。

2.3.1 區間追蹤間隔

基于無線通信的列車控制系統一般都使用移動閉塞模式，由于移動閉塞的區間是由兩車之間實時位置決定的，因此無論是在連續通信模式下的列車還是混跑列車，其間隔長度都是由ZC周期性計算出來的移動授權MA決定的。當前方障礙物信息，一般是指前車的位置信息發生改變時，ZC也會重新計算移動授權，閉塞分區隨之發生變化，從而追蹤間隔也會隨之發生改變，區間間隔如下圖所示。

圖3 區間追蹤間隔示意圖

圖3中，V是列車在速度曲線上的自動駕駛速度，對于該區段而言，追蹤間隔距離L可以表示為：

式中，LT為列車長度；LA為列車當前速度下的常用制動距離；LB為安全間隔；

在正常情況下，城軌列車一般采用常用制動方式，當列車發生制動時從制動開始到列車靜止列車所發生的位移稱為列車常用制動距離LA，列車常用制動距離是保證列車安全運行的重要保障。假設列車常用制動減速度為a，對于列車常用制動距離則有：

設列車常用制動所用時間為t1，有：

結合上式，追蹤間隔可以表示為：

3 通信延遲對移動閉塞下追蹤間隔的影響

基于通信的列車控制系統利用的是車地無線通信的機制進行數據交互與列車控制，一般情況下，地面設備與車載設備需要進行實時的與周期性的信息通信，以保證列車的移動授權可以有效安全地發送和接收，所以在信息交互過程中通信延遲普遍存在CBTC系統的車地通信過程中。

3.1 通信延遲對追蹤間隔的影響

上述分析可知，列車的移動授權MA是根據閉塞區間內前一列車載控制器所提供的具體信息再經過區域控制器計算發送得來的，并且ZC將持續為后續所有列車計算并發送移動授權MA。因此在移動授權計算的過程中，列車ATP邏輯運算通常為了準確地進行列車控制、減小通信延遲等，系統都必須根據列車的軌行方向上動作趨勢做出安全性補償考量，即在區域控制器ZC接收到的列車的位置的基礎上，為列車添加一定的安全包絡，這個安全包絡包括測距誤差、安全裕量以及列車在通信延遲下運行距離。

因此，列車的安全包絡LC=測距誤差LM+安全裕量LN+通信延遲下的運行距離LY。

需要指出的是，通信延遲下的運行距離LY與測距誤差LM是不可避免的，在整個信息環路上，無論采用哪一種定位技術捕捉列車在確定位置、計算信息延遲都會發生誤差，導致列車測距誤差以及出現車地通信延遲誤差，從而發生列車信息不準確，造成隱患。

假設通信延遲時間為Δt，它不僅影響列車追蹤距離，而且影響追蹤間隔，因此：

式中，TM為列控系統通信周期；TN為通信硬件設備的響應時間；TS為數據交互時間；t為越區切換所需時間。此時列車的追蹤間隔應為：

由式（4）、（5）、（6）可得 ：

由數學模型可以清晰看出，通信延遲主要包含了通信周期時間、設備反應時間、信息交互時間以及切換時間，當任意一因素發生改變都會造成通信延遲，造成Δt的變化。隨之，追蹤間隔也將會受到影響。

3.2 通信延遲產生的原因

由此，根據上述分析可知，城市軌道交通系統通信延遲主要包含通信周期延遲、設備反應時間滯后、信息交互時間緩慢、切換時間延遲等四部分，由于CBTC系統通信周期時間與通信設備的反應時間是固定值，因此，城軌系統的通信延遲主要由信息傳輸與設備切換決定，也就是通常意義上講的信道誤差與AP切換延遲，綜上所述我們需要在今后軌道交通技術發展過程中不斷優化系統的信息傳輸方式，縮短各子系統的通信周期，并且盡可能的減少搜索的信道數，提高搜索成功的命中率，縮短通信延遲時間降低追蹤間隔誤差，為安全高效列車運行提供保障。

4 結束語

本文分析研究了CBTC系統下移動閉塞模式的追蹤間隔這一重要參數，并且根據相關數據進行了數據分析與計算建模，通過計算公式總結分析了追蹤間隔的根本的作用與意義以及通信延遲對追蹤間隔產生影響的具體原因，此項分析研究為今后軌道交通系統里降低通信延遲與優化追蹤間隔提供寶貴經驗，在CBTC系統相關技術發展中具有一定深遠意義。