第三节　列车防护控制技术

CBTC系统能够在保证安全的基础上实现高密度移动闭塞列车追踪间隔，依赖的是对安全高效的移动授权生成技术，和一次连续式速度-距离曲线列车安全制动模型的合理应用。

移动闭塞下列车移动授权生成原理如图3-24所示。

CI系统是CBTC运行的基础，实现道岔、进路和信号机之间安全的联锁关系，并将相关联锁状态发送给ZC使用，确保列车不会闯入未锁闭的道岔或未开放的线路区段中。

ZC通过接收列车位置汇报形成在线列车运行序列，并将列车位置和线路占用情况进行安全匹配，对每列车安全位置占用的线路轨道区段进行占用标示。

根据列车位置及其前方线路上区段占用情况和障碍物的状态，ZC可为每列车计算和生成移动授权（MA）。

ATP车载系统接收来自ZC的MA，根据一次连续式速度-距离曲线列车安全制动模型计算列车紧急制动触发（EBI）速度，并实时监督列车实际速度与EBI速度之间的差值，当列车超速时可立即触发紧急制动，以保证列车在MA范围内安全停车。

综上，在CBTC系统中，ZC负责为列车计算和生成MA信息，保证列车在MA范围内运行时不会出现列车撞车等危险情况，ATP车载系统负责根据MA信息计算EBI速度并实现超速防护，保证列车不出现越过MA防护范围以及超出MA或线路数据库规定的防护速度的危险情况，从而通过ZC和ATP车载系统的安全交互实现列车运行的安全防护。

一、列车管理和移动授权生成技术

ZC通过为各列车计算移动授权的方式完成将线路资源向列车的分配，在保证行车安全的同时控制列车在线路上高效追踪。移动授权是指从列车车尾开始，到行驶前方终点障碍物的这段线路，移动授权允许列车在前方可用线路范围运行，其含义如图3-25所示。

（一）列车注册和注销

为保证所生成移动授权的安全性，ZC需要对管辖范围内所有列车进行有效管理，不仅需要保证列车位置的安全性，还要保证列车在线路上运行的列车序列的正确性，因此需要对所有进入和退出其控制范围的列车实行准入注册和退出注销机制，在其控制范围内运行时要求列车实时汇报位置。特别的，对于从一个ZC管辖范围进入另一个ZC管辖范围时，要进行列车信息的交互，保证越区切换的安全性。

1.列车注册

列车在进入ZC控制范围时，必须先提出注册申请，ZC确认列车信息正确且前后无其他列车影响时，才允许列车注册。

ZC确认列车信息有3种方式，一是由人工确认；二是利用轨旁铺设的次级占用检查设备对列车的位置信息进行筛选确认（图3-26），只有筛选通过才允许列车注册；三是ZC切换过程中相邻ZC自动进行列车信息的交互，从另一ZC范围内接收列车的相应信息（见越区切换部分）。

列车筛选分为前端筛选和后端筛选，其目的是确认列车前方和后方无其他隐藏列车（包括可能允许上线的所有列车和工程车等）。列车筛选的实现方法为：ZC检查VOBC汇报的列车位置信息和轨道区段占用信息，当列车车头位置距离所占用区段边界小于线路上可能出现的最小车长，且其外方区段空闲时，则可认为列车筛选成功，允许列车注册。

以图3-26为例，当同时满足如下条件时认为列车前端筛选通过：

（1）Section2状态为占用。

（2）d<Lmin。d为列车车头至该计轴的距离，Lmin为线路上可能出现的最小车长。

（3）Section3状态为空闲。

同理可以对后端筛选的通过条件按照列车车尾后方区段的占用状态以及列车车尾至计轴的距离进行定义。

2.列车注销

列车完成在ZC控制范围内的运行任务，退出ZC控制范围时，必须向ZC提出注销申请以释放相应线路资源。如果ZC控制范围内的列车没有进行注销而失去通信，则ZC将该列车作为故障车处理，将在线路上划分一定的防护区段，以保证相邻列车的安全。

列车注销过程为，VOBC根据列车运行计划向ZC提出注销申请，ZC接收申请后对列车位置进行检查，确认该列车已经或即将出清其控制范围后向VOBC发送注销确认信息，并持续检查列车位置直至其完全出清本ZC控制范围后将该列车信息从管理列车信息表中删除。

列车注销过程有三种：一是列车转为故障后，并按照故障车的处理流程出清ZC控制范围；二是VOBC退出运营时提出注销申请，ZC检查列车满足条件后与VOBC通信确认允许列车注销；三是ZC切换过程中相邻ZC自动进行列车信息的交互，将列车纳入到另一ZC控制范围内（见越区切换部分）。

3.越区切换

每个ZC拥有一定的管辖范围，只能授予列车在其辖区内活动的权限。当线路上有多个ZC分段控制，列车需要从一个ZC控制范围内运行到另一个ZC控制范围时，需要由VOBC和两个ZC共同配合完成越区切换流程。越区切换过程中，列车MA延伸到ZC边界时，ZC会请求相邻的ZC为该列车计算MA，ZC切换过程由VOBC和两个相邻ZC自动完成，无须人工干预。

按照越区切换过程中列车越过ZC边界点的顺序，可分为触发切换、越过边界点和切换注销三个过程。越区切换过程如图3-27所示。

（1）触发切换

当列车正常运行过程中，当前受控ZC（移交ZC）为列车计算的MA（MA1）到达ZC管辖范围边界时，移交ZC将检查越区切换的条件。当移交ZC确认列车满足切换条件后，将开始与相邻管辖区的ZC（接管ZC）进行信息交互，向接管ZC发送即将切换的列车的运行信息和为其生成的MA1信息，并接收由接管ZC为该列车生成的允许列车在接管ZC范围内运行的MA（MA2），移交ZC将MA1和MA2进行处理后生成整体的MA发送给VOBC使用。

（2）越过分界点

VOBC按照移交ZC的MA运行，直到列车车头越过ZC分界点时，VOBC开始与接管ZC通信，向接管ZC发送列车位置并申请MA，同时保留与移交ZC的通信信息。VOBC与接管ZC注册成功并收到其生成的完成MA（混合了MA1和MA2）信息后，VOBC开始受接管ZC控制。

（3）切换注销

VOBC按照接管ZC的MA运行，当列车车尾越过ZC边界后，VOBC与移交ZC注销，释放在移交ZC范围内占用的资源。

在列车跨越ZC边界运行的整个过程中，为保证列车能够不降级或减速安全交接，移交ZC与接管ZC及列车之间存在着复杂的信息交互，详细信息交互过程如图3-28所示。

（二）列车排列和运行控制状态管理

为实现对其管辖范围内列车的动态管理，ZC需要确定其管辖范围内的所有列车的安全位置，并根据确定的列车位置，结合列车的运行方向及联锁汇报的线路情况，确定在其管辖范围内线路上运行的所有列车的顺序关系，形成并持续更新列车运行序列信息。

在列车运行过程中，可能会存在正常运行的列车（称为通信列车）以及降级或故障列车（称为非通信列车）混合运行的情况。对于通信列车，ZC只需要根据列车的位置汇报和计轴区段的占用/空闲信息，即可确认通信列车所在位置、运行方向以及在线路中的前后关系，从而明确列车在线路拓扑和列车运行序列中的位置；对于非通信列车，将只能够通过计轴区段的占用/空闲，以及进路的方向进行推断来完成，但可能无法确定一个计轴区段内存在的非通信列车数量。由于ZC列车分割的主要功能是用于通信列车的移动授权计算，因此对于非通信列车之间的列车分割并不需要精确地完成，只需要确定列车所在的大概区域，以及其在列车运行序列中先后顺序即可。

ZC对于管辖范围内多车的管理是通过将每列列车的运行过程划分为不同的运行控制状态来实现的。对于处于不同运行控制状态的列车，ZC会实施相应的操作，保证安全运行。根据列车的运行过程，一般把列车运行状态划分为：登录状态、接管状态、进入控制状态、正常运行状态、移交状态、折返状态、注销状态以及故障状态。列车运行控制状态的含义描述见表3-1。

续上表

每列车在任意时刻只能处于某一种状态，不同列车有可能处于相同状态或不同状态。各运行控制状态间的转移有着明确的限制条件，在每一个处理周期内，ZC都会对其管辖范围内的列车控制状态进行更新处理。ZC能够根据每周期获得的联锁系统信息及列车信息，综合列车当前所处的运行控制状态，准确地判断列车是否能够转移至其他状态或是维持原状态。由于实际线路的不同及交互信息的时序不同，运行控制状态的转移复杂多变，ZC必须考虑到所有可能发生的情况，以保证列车运行控制状态管理的安全性。列车运行控制状态转移如图3-29所示。

图3-29中列车运行控制状态转移的触发条件见表3-2。

续上表

ZC实时根据列车的位置汇报进行排序并经过严格的逻辑判断，确定其管辖范围内各列车的运行控制状态，进而为计算列车移动授权提供基础条件。

（三）移动授权生成

CBTC系统采用移动闭塞原理来控制列车间隔，确保列车间具有适当的距离，以保证列车始终能够在ZC提供的移动授权（MA）范围内安全运行。

VOBC周期性地确定本列车的位置，并且向ZC发送位置信息以及列车行驶方向。ZC基于本控制区域内及周边线路的线路设备状态信息、区段状态信息、道岔状态信息、列车当前位置和行驶方向以及进路等信息为其辖区内的每列列车确定MA。当管辖范围内有多列车时，确认列车满足追踪条件后，ZC会将后车的移动授权设置为前车的安全车尾位置并考虑足够的防护距离，以提高列车运行效率。

移动授权根据下列因素确定：

（1）列车位置和运行方向。

（2）进路状态、区段锁闭状态和锁闭方向、道岔状态、保护区段状态、信号机状态。

（3）前方装备ATP车载设备列车的尾部最不利位置。

（4）前方未装备ATP车载设备的列车或ATP车载设备失效的列车所占用区域的边界及最不利条件下的列车尾部位置。

（5）固定闭塞和准移动闭塞下，闭塞分区的边界。

（6）站台紧急关闭状态和站台门状态。

（7）车挡前端。

（8）封锁的轨道区段边界。

移动授权生成的具体过程如下。

（1）列车运行在ZC的管辖范围内时，车载设备向ZC汇报列车位置、测距误差以及移动授权申请等信息，地面ZC根据这些信息，计算列车的安全位置，如图3-30所示。

（2）地面ZC根据计算生成的列车安全位置，匹配列车占用的线路区段。

（3）联锁系统采集线路内障碍物状态（道岔、屏蔽门、紧急停车按钮、计轴区段等），向ZC发送障碍物信息及进路信息。

（4）确定移动授权的计算范围。地面ZC接收到联锁系统的进路信息和障碍物信息，并根据列车在线路上的位置信息，确定列车当前能够使用的进路范围。

如图3-31所示，列车运行在进路R1上，进路R2、R3均已排列，地面ZC通过线路上列车运行情况及信号机的接近区段情况判断该车为最接近进路R2和R3的受控列车，将进路R1、R2、R3均分配给该列车使用，这样就确定了为该列车计算移动授权需要考虑的范围。

（5）静态障碍物状态检查。确定移动授权的计算范围后，ZC按照从近到远的顺序遍历障碍物，对于静态障碍物，地面ZC需要从列车车尾安全位置（移动授权起点），按照由近到远的顺序，遍历线路上的静态障碍物（静态障碍物包括道岔、站台安全门、站台紧急关闭按钮等）的状态，检查是否会影响列车运行的安全。

①对于静态障碍物中的道岔而言，需要检查道岔的当前状态与进路要求的联锁系统状态是否相符，若当前状态与进路要求的联锁系统状态相符，则认为道岔不会影响列车运行安全，允许将移动授权延伸通过该道岔；否则，不允许移动授权延伸，将该道岔作为遍历静态障碍物确定的终点障碍物。

②对于静态障碍物中的站台安全门（或站台紧急关闭按钮），需要检查当前状态是否为打开状态（或激活状态），若检查发现障碍物状态为打开（或激活），将不允许移动授权延伸通过该障碍物，将站台安全门（或站台紧急关闭按钮）对应的站台区域的始端位置作为遍历静态障碍物确定的终点障碍物；反之，则允许移动授权延伸通过该障碍物。

（6）动态障碍物检查。完成了静态障碍物的遍历后，ZC还需要根据线路情况及列车情况，检查移动授权遍历范围内的其他列车运行情况和临时限速区域情况。根据前行列车的位置不同又可以划分为以下几种情况：第一种情况为前车位于站台区域内，如果运营要求某一时刻只允许一列车在站台区域内运行，此时后车的移动授权将不能延伸到站台区域内，将对应的站台区域的始端作为遍历动态障碍物确定的终点障碍物；第二种情况为两列车在区间追踪运行的情况，可将前车的安全车尾位置作为遍历动态障碍物确定的终点障碍物。如图3-32所示。

（7）形成移动授权。根据遍历静态障碍物及遍历列车的计算结果，确定出移动授权的终点，按照移动授权的具体实施格式将列车当前位置到终点这一段范围内的线路信息确定为移动授权。

三、列车安全制动模型

VOBC根据从ZC接收到的移动授权，依据速度-距离曲线列车安全制动模型计算紧急制动触发（EBI）速度，并将列车速度与最高允许速度进行比较，提供列车运行全过程的超速防护。

（一）速度-距离曲线安全制动模型

VOBC依据速度-距离曲线安全制动模型计算列车的EBI速度，进而防护列车间隔，保证列车的安全高效运行。该安全制动模型保证列车不会超过最具限制的速度，且列车将在防护点的前方停车。基于移动闭塞的速度-距离控制原理如图3-33所示。

采用速度-距离曲线安全制动模型进行列车安全防护时，ATP车载设备可依据移动授权、列车制动模型和实际参数实时计算当前最大允许速度，可以列车实际性能自行控制其追踪间隔，使各个列车的性能得以充分发挥。

列车实际速度防护曲线是由列车运行全过程的各点位置的限制速度构成的。根据列车与移动授权终点的位置关系不同，列车速度防护曲线可分为顶棚速度监督区和速度-距离监督区，如图3-34所示。

图3-34中，列车在顶棚速度监督区域运行时不需要考虑前方目标点，只需控制列车速度不超过该区域规定的各类固定限制速度的最小值即可，各类固定限制速度包括车辆限速、线路限速、临时限速等，如图3-34中的[P0—P1]区域。速度-距离监督区域是指列车防护速度按照一次速度距离曲线下降最终到达0的区域，如图3-34中的[P1—P2]区域，在此区域内需要按照速度-距离安全制动模型进行防护曲线计算，是列车速度防护曲线最关键和最复杂的区域。由于列车位置和各设备均存在一定的安装和测量误差，因此在列车MA终点和测量的危险点位置之间增加一段较小的保护距离，如图3-34中的[P2—P3]区域。

速度-距离曲线安全制动模型可依据牛顿第二定律规定的物理公式进行计算。模型根据列车制动过程中的一般物理规律分别描述了列车紧急制动曲线和紧急制动触发（EBI）曲线如图3-35所示。紧急制动曲线包含安全防护点、列车保证的紧急制动减速度和线路的坡度加速度等，紧急制动触发曲线包含车载设备反应时间、紧急制动触发后的切断牵引和紧急制动施加过程延时等。

模型中，列车紧急制动过程被分为三个阶段（对应图中的①②③）

第一阶段，列车以最大牵引加速度持续加速，加速时间包括紧急制动前车载反应延时和车辆牵引切断的时间延迟。

第二阶段，牵引已切断，但紧急制动力尚未达到标称值，列车在紧急制动建立等效时间内惰行。

第三阶段，列车实施紧急制动，遵循速度-距离抛物线。

在不影响列车安全的基础上，为保证列车正常运营，当列车速度即将达到紧急制动触发速度前，系统可提前切断列车牵引，避免列车持续加速，减少列车因超速导致紧急制动的次数。

（二）列车超速防护

1.紧急制动触发速度曲线计算

根据物理定义，任意时间段（tx，ty）内加速度a、速度v、位移s满足如下关系

根据列车安全制动模型的阶段划分，设列车触发紧急制动的时刻速度、时间分别为（v0，t0），第一阶段结束时列车的速度、时间分别为（v1，t1），第二阶段结束时列车的速度、时间分别为（v2，t2），第三阶段结束时列车的速度、时间分别为（v3，t3）。

对3个阶段中的加速度进行简化可得

式中，aT为列车最大牵引加速度（正值）；r1为第一阶段等效坡度加速度（上坡为正，下坡为负，下同）；r2为第二阶段等效坡度加速度；r3为第三阶段等效坡度加速度；Be为列车可保证的紧急制动率（正值）。

根据各阶段时间定义可知

式中，T1为第一阶段列车加速总时间，T2为第二阶段列车惰行总时间；T3为第三阶段列车紧急制动过程的总时间。

将式（3-38）代入式（3-37）可分别求得列车在3个阶段的运行距离（S1，S2，S3）和各阶段末的列车速度（v1，v2，v3），进一步根据物理规律可知：

式中，L为紧急制动触发时刻列车到紧急制动停车点（PP点）的距离。

根据式（3-37），可得EBI速度v0与列车到PP点之间的距离L之间的函数关系式为

汇总式（3-38）至式（3-41），按照列车与PP点之间的距离L的不同取值，即可得到速度-距离监督区各点的紧急制动触发（EBI）速度值。

汇总顶棚速度监督区和速度-距离监督区各点的计算结果，即得到列车运行全过程的列车防护曲线。但要注意的是，由于列车具有一定的长度，当列车车头越过障碍物（或出清限速区段）时，有可能列车车尾仍受障碍物（或限速区段）的限制，因此不能仅将列车看作单质点，而是需要考虑列车实际长度和测距误差的影响，确保列车车尾越过障碍物（或出清限速区段）前均受到此障碍物或限速区段的速度限制这样的行为将其称为车尾保持

2.坡度对EBI速度计算的影响

根据速度-距离曲线计算列车防护曲线时，要保证各参数取正确可导向安全的数值，才能确保列车运行的安全性。其中线路坡度复杂多变且对列车加速度的影响较大，因此需要特别注意。

假定一段线路竖拋面示意图与其对应的坡度值之间的关系如图3-36所示。

其中坡度值符号按照上坡为正、下坡为负的原则定义。据图3-36可知，在列车长度范围内可能存在不同的坡度区段。

利用安全制动模型计算EBI速度时，坡度值的选取应注意：

（1）当前计算所选用的坡度值应为列车长度范围（或列车运行范围）内最不利的坡度值，所谓最不利的坡度值即为最小的坡度值。因为坡度值越小，表明越接近下坡，会导致加速度的增大或减速度的减小，符合“故障—安全”原则。

（2）充分考虑坡度对列车加速度的影响，一般通过对列车转动惯量的补偿来确定。列车受坡道影响的加速度包括两个因素：一是不考虑列车转动惯量时列车沿坡道方向重力的分力引起的加速度影响，二是转动惯量对加速度的影响因素（由于列车上/下坡时一部分重力转化为转动力，而使加速度变小）。

假设列车转动惯量为已知量，可得到坡度加（减）速度计算公式，见式（3-42）。

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

式中，A_gradient为考虑转动惯量后的坡度加速度；g为重力加速度（取9.8m/s2）；grad为列车行驶位置的坡度等效加速度（m/s2）；M_rotating为转动惯量（常数）。

3.多障碍物对EBI速度计算的影响

CBTC系统不仅要保证列车不超过移动授权终点的限制，还要遵守列车运行轨迹上所有可能的障碍物（包括但不限于道岔、线路限速、站台限速等）的限制，列车超速防护使用的EBI速度要保证列车不会超过每个障碍物的限速。

在对MA中包含多个障碍物的情况进行EBI计算时，首先应根据安全制动模型计算出每个障碍物对应的EBI限速值vEBIj，还要对所有障碍物对应EBI限速值进行比较，取其最小值作为最终计算的列车防护速度（EBI速度值），即

vEBI=min{vEBIj}，j∈[1，n]　　（3-43）

式中，vEBI为多个障碍物对应的最终EBI限速值；vEBIj为各个障碍物分别计算的EBI限速值；n为障碍物数量。

CBTC系统应按下列因素中最严格的限制条件计算EBI限速值的最终结果：

（1）线路限速；

（2）轨旁障碍物（如道岔、安全门、紧急停车按钮等）状态限速；

（3）临时限速；

（4）列车限制速度；

（5）与ATP车载设备驾驶模式相关的限制速度；

（6）保证列车前端进入限速区段时，列车速度低于该区段的限制速度；

（7）保证列车末端出清限速区段前，列车速度低于该区段的限制速度；

（8）保证列车在移动授权终点前安全停车。

4.列车速度实时防护

为防止列车超过最高允许速度限制或越过移动授权终点，VOBC实时对列车速度与计算获得的EBI速度进行比较，当列车速度超过EBI速度时将立即输出紧急制动命令使列车减速，保证列车在相应的安全防护范围内停车，不超过移动授权范围内障碍物的速度和位置限制。

ATP车载设备实施紧急制动时，列车停车前中途不得缓解。列车停车后，如果导致列车紧急制动的原因已解除，则紧急制动可自动缓解。但如果由于异常原因导致列车位置超出移动授权范围时，在故障排除前，VOBC将一直输出紧急制动命令，以防止列车移动。