基于自律分散技術(shù)的列車控制系統(tǒng)設(shè)計

程 景，王硯帛，彭朝亮

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，碩士研究生，四川 成都 610031）

在以往的體系結(jié)構(gòu)中，集中式計算機系統(tǒng)占了統(tǒng)治地位。被稱為主機的大型計算機承擔(dān)了系統(tǒng)的幾乎全部處理任務(wù)。但集中式會有一些缺陷，諸如主機一旦出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)可能崩潰；系統(tǒng)要發(fā)生改變時，必須先停止工作，再對系統(tǒng)進(jìn)行修改等。針對這種局面，日本國森欣司教授在1977年創(chuàng)造性地提出了自律分散系統(tǒng)（ADS）。經(jīng)過近20年的理論與應(yīng)用研究、國際學(xué)術(shù)交流以及標(biāo)準(zhǔn)化工作，形成了較為完整的技術(shù)體系〔1-2〕。

基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）是指利用高精度的列車定位雙向連續(xù)、大容量的車—地數(shù)據(jù)通信，車載、地面的安全功能處理器，實現(xiàn)連續(xù)、自動的列車控制系統(tǒng)〔3〕。而列控技術(shù)的一種解決思路是設(shè)置1個地面控制中心，將各種行車許可和實時信息通過通信技術(shù)傳達(dá)給列車，達(dá)到控制列車運行的目的。從系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)角度講，這樣做仍然是一種集中式系統(tǒng)，控制中心要對它所轄區(qū)段的所有列車的運行狀況進(jìn)行分析，然后根據(jù)各種條件來分別計算每列車的行車授權(quán)，再依靠傳輸設(shè)備將它們傳達(dá)出去〔4〕。而基于自律分散技術(shù)的列車控制系統(tǒng)既可以吸取CBTC的優(yōu)點，又把列車控制的自主權(quán)轉(zhuǎn)移給了列車本身，從根本上實現(xiàn)了“信息集中，控制分散”。為此，探討其實現(xiàn)的方案。

1 自律分散系統(tǒng)

1.1 自律分散系統(tǒng)定義及技術(shù)若一個系統(tǒng)滿足以下2個屬性，稱之為自律分散系統(tǒng)：

1）自律可控性。系統(tǒng)中任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、正在維修或剛剛加入，都不影響其他子系統(tǒng)的運行與管理。

2）自律可協(xié)調(diào)性。系統(tǒng)中任何子系統(tǒng)出現(xiàn)故障、正在維修或剛剛加入，其他子系統(tǒng)之間能夠完成各自的任務(wù)并以協(xié)作方式運行〔1〕。

因此，自律分散系統(tǒng)ADS中的子系統(tǒng)都有自我管理能力，同時不干涉其他子系統(tǒng)的運行，更不接受其他子系統(tǒng)的干涉，但是可以與其他子系統(tǒng)以協(xié)作的方式運行。

ADS的技術(shù)包括：1）在線擴展。系統(tǒng)在線擴展包括原子節(jié)點和系統(tǒng)2個層次上的擴展；2）在線維護(hù)。自律分散系統(tǒng)在運行的同時可進(jìn)行部分子系統(tǒng)或其內(nèi)部軟件模塊的測試。3）容錯。子系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，不能影響到整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自律分散系統(tǒng)ADS的結(jié)構(gòu)模型如圖1。ADS主要由原子節(jié)點（如圖中的計算機）、數(shù)據(jù)域、內(nèi)容代碼與數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)成。

圖1 自律分散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

原子節(jié)點（Atom）：可以認(rèn)為前面所說的子系統(tǒng)。它是構(gòu)成ADS的基本單元。對應(yīng)的物理系統(tǒng)是微型計算機、控制計算機或傳感器等設(shè)備。在具體的系統(tǒng)中，各個節(jié)點可能承擔(dān)的任務(wù)各不相同，因此它們各自擁有不同的應(yīng)用功能軟件。每個節(jié)點對其自身也要進(jìn)行管理，與傳統(tǒng)系統(tǒng)的操作系統(tǒng)相對應(yīng)，ADS中的原子節(jié)點也有自己的自主控制處理器ACP（Autonomous Control processor）。這個管理系統(tǒng)的一個重要作用是根據(jù)事先制定的發(fā)送接收原則，自動地在數(shù)據(jù)域內(nèi)提取必要的信息，或?qū)⒈镜匦畔⒁詮V播形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)域中去。

數(shù)據(jù)域（data field，DF）：為了實現(xiàn)子系統(tǒng)（原子節(jié)點）對信息的共享，設(shè)置了供信息傳播的邏輯空間，即數(shù)據(jù)域（DF）。數(shù)據(jù)域是一種邏輯空間，對物理硬件并沒有強制要求，一個網(wǎng)絡(luò)、一個存儲器，都可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)域。

內(nèi)容代碼（content code，CC）與數(shù)據(jù)驅(qū)動：數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)中使用內(nèi)容代碼來判斷一個數(shù)據(jù)是否是必要的。內(nèi)容代碼是針對數(shù)據(jù)內(nèi)容而定義的固有編碼，附加在所有數(shù)據(jù)上。在所有數(shù)據(jù)的報頭都有一個內(nèi)容代碼來表明其屬性，原子節(jié)點的ACP的作用還相當(dāng)于一個信息過濾器。當(dāng)一個數(shù)據(jù)的內(nèi)容代碼是該原子節(jié)點所感興趣的，則ACP就接收它，反之則只轉(zhuǎn)發(fā)不接收。如圖1所示，原子節(jié)點4發(fā)出一個信息，原子節(jié)點3判定該信息的內(nèi)容代碼類型是應(yīng)該接收的，則開始接收該消息；其它原子節(jié)點判定該信息是不需要的，拒絕接收此信息。這種依靠自主控制處理器和內(nèi)容代碼來判斷接收消息與否的機制稱為自律分散數(shù)據(jù)驅(qū)動方式。

原子節(jié)點在數(shù)據(jù)域內(nèi)以廣播的形式傳播消息，同時節(jié)點自律地提取自己感興趣的信息是ADS通信模式的核心思想。原子節(jié)點代替主機、建立數(shù)據(jù)域、數(shù)據(jù)驅(qū)動是ADS的三大特征。

除了內(nèi)容代碼（CC）外，發(fā)送端地址（SA）和數(shù)據(jù)本身（DATA）是信息主體。

列車控制系統(tǒng)中，以列車作為原子節(jié)點自行的計算行車曲線是實現(xiàn)自律分散控車技術(shù)的核心思想〔5〕。

2 列控系統(tǒng)功能實現(xiàn)的方案

基于自律分散技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的功能可按以下方案來實現(xiàn)。

2.1 車身編號的改造列車在運行時除了要知道線路等信息外，最關(guān)心的就是其前行列車的一些狀態(tài)。如：前行列車尾部位置，前行列車的運行狀況等等。這類消息不僅對列車的運行會產(chǎn)生影響，而且多數(shù)情況下也是隨時間變化的。

列車在運行時，僅僅是對距離自己最近的前行車所發(fā)送過來的位置等信息最感興趣，對更靠前的列車和后續(xù)列車的信息就不那么感興趣。

在自律分散系統(tǒng)中，由于位置信息是屬于同一類型，必然導(dǎo)致無論哪趟列車發(fā)出來的位置信息的內(nèi)容代碼都是相同的。因此，車載設(shè)備必須根據(jù)其它參數(shù)判斷自己的真正的前行車發(fā)來的信息。

利用發(fā)送端地址（SA）來分辨前行車是一種思路。在我國鐵路系統(tǒng)中，機車車輛都有嚴(yán)格的自身編號，如CRH2-138E，CRH3-001C等。因此，可以將車身編號改造為發(fā)送端地址，這樣列車就能夠事先知道誰是自己的前行列車，可以有選擇性地接收該車傳來的位置等信息，而對非前行車的控制信息采取過濾策略。

2.2 應(yīng)答器的設(shè)置

2.2.1 正常情況時 為了讓列車能夠知道區(qū)間內(nèi)哪趟列車是自己的前行車，可以在一個數(shù)據(jù)內(nèi)所管轄的區(qū)段的入口設(shè)置有源雙向應(yīng)答器。當(dāng)列車經(jīng)過該應(yīng)答器時，不僅知道了自己在區(qū)間中的所在位置，而且讀取應(yīng)答器中存留的上一次經(jīng)過列車的發(fā)送端地址。同時，將會有車身編號的信息發(fā)送給應(yīng)答器，供追蹤列車使用。應(yīng)答器的提取來自列車的車號接口函數(shù)為int ads_leave mgn（struct CH mgn）〔6〕。

將內(nèi)容代碼和發(fā)送端地址在邏輯上合并成為新的內(nèi)容代碼NCC（new content code），列車在判斷完內(nèi)容代碼后，馬上判斷發(fā)送端地址，不是前行車的就自行拋棄，是的才接收。

車載設(shè)備提取位置信息中的發(fā)送端地址的接口函數(shù)為int ads_recv（struct CH mgn，const void*adf_buffer，size_t lenth）。

參數(shù)adf_buffer（ADF的緩沖區(qū)）保存發(fā)送端地址，列控系統(tǒng)對這個參數(shù)進(jìn)行檢查就可以判別是否是來自前行車的消息。CH是一個事先定義好的車號結(jié)構(gòu)體。

2.2.2 運行密度較低時 有些線路運行密度比較低，這樣必然導(dǎo)致部分列車找不到前行車，或者前行車的控制信息無效（如兩車距離位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制動距離，對后續(xù)列車影響較?。榱私鉀Q這個問題，可以給有源應(yīng)答器安裝位置信息無線接收設(shè)備和距離計算設(shè)備。當(dāng)一列車經(jīng)過應(yīng)答器時，應(yīng)答器記錄此列車的發(fā)送端地址后，開始通過無線網(wǎng)絡(luò)接收此列車的位置信息。當(dāng)此列車距離該應(yīng)答器的距離超過了事現(xiàn)設(shè)定的長度值，而在這個時間內(nèi)沒有新列車進(jìn)來，應(yīng)答器就刪除該列車的信息，同時認(rèn)為該距離長度內(nèi)是完全空閑的。

2.2.3 列車越行時 在某些線路上，有越行的情況，這樣列車的順序就會被打亂。為了解決這個問題，可以在道岔前后加裝應(yīng)答器來解決。當(dāng)沒有越行需要時，該應(yīng)答器只記錄經(jīng)過的列車的發(fā)送端地址。如某列車根據(jù)調(diào)度命令在側(cè)線避讓后續(xù)列車，當(dāng)它經(jīng)過設(shè)于側(cè)線道岔之前的有源應(yīng)答器時，將自身車號發(fā)送給該應(yīng)答器。應(yīng)答器接收到該信號后，向數(shù)據(jù)域內(nèi)發(fā)送一個列車順序更改信息。該信息的接受機制和位置信息接收機制是相同的，后續(xù)列車收到該信息的內(nèi)容代碼后就開始檢查發(fā)送端地址，只要有源設(shè)備用前行車發(fā)送端地址代替實際的應(yīng)答器的編號，就可以使后續(xù)列車分辨出是否要接收該信息。

圖2 列車順序信息的流向

圖2中，B的列車順序更改信息只會被A接收，而并不會被D接收。因為發(fā)送端地址表明的是該信息來自A的前行車B，而不是D的前行車A。這種利用列車的發(fā)送端地址代替其他設(shè)備的編號的方法叫做“偽地址”。由于此時，側(cè)線是開放的，有源應(yīng)答器在向數(shù)據(jù)域發(fā)送列車順序更改信息時，把最近一次列車C從正線經(jīng)過時的發(fā)送端地址傳達(dá)過去，保證A車開始接收C的控制信息。

同樣，當(dāng)某一列車從側(cè)線發(fā)車進(jìn)入正線后，改變了原來的行車順序，也可利用“偽地址”方法。列車經(jīng)過道岔后方的應(yīng)答器時，讀取最后一次經(jīng)過列車的發(fā)送端地址，以保證以后該列車接收前行車傳來的控制信息并將自己的車號存在有源應(yīng)答器中。此時由于道岔正向關(guān)閉，必然會給正線列車一個臨時限速信號，待道岔正向開放，臨時限速的命令取消后，通過數(shù)據(jù)域給指定的列車發(fā)送車序更改信息即可。

2.3 信息的過濾如前所述，數(shù)據(jù)域是一種邏輯上的劃分，并沒有強制的要求。在列控系統(tǒng)中，車站軟硬件設(shè)施環(huán)境好，有人值守，便于養(yǎng)護(hù)和維修，因此數(shù)據(jù)域可以以2個車站為邊界。在車站內(nèi)，可以安裝其他的必要通信設(shè)備，如對調(diào)度中心通信接口，數(shù)據(jù)域內(nèi)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)記錄監(jiān)督系統(tǒng)，臨時限速生成系統(tǒng)、旅客廣播系統(tǒng)等等。

我國軌道交通種類繁多，因此站間距的差異也很大。如果把相鄰的2個車站作為一個數(shù)據(jù)域的2個界限，那么有些情況在一條線路上就可能需要設(shè)置過多的數(shù)據(jù)域，而每個數(shù)據(jù)域內(nèi)實際運行的列車過少，基于內(nèi)容代碼和數(shù)據(jù)域通信的自律分散列控系統(tǒng)就失去了原有的意義。此外，數(shù)據(jù)域是一個邏輯概念，列車在軌道上運行，要多次穿越數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域之間也要涉及到數(shù)據(jù)交換問題。因此，較長的線路可以30～50 km設(shè)為一個數(shù)據(jù)域，較短的線路一條線路只設(shè)1個數(shù)據(jù)域。

以車站為數(shù)據(jù)域，通常情況下，線路上一個車站是2個相鄰數(shù)據(jù)域的公共端。某車站n在接收到下一數(shù)據(jù)域（第n個）的信息時，根據(jù)自律分散原則，提取出對上一數(shù)據(jù)域（第n-1個）有影響的控制信息，然后車站作為一個原子節(jié)點將該控制信息注入到上一數(shù)據(jù)域內(nèi)。該過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)域之間的信息交換關(guān)系

信息提取是指車站作為一個自律分散系統(tǒng)的原子節(jié)點，可以根據(jù)設(shè)置在數(shù)據(jù)域入口的有源車—地設(shè)備讀取在第n個數(shù)據(jù)域內(nèi)的最后一列車的編號，這個編號就是列車控制信息的發(fā)送端地址。車站原子節(jié)點自律地接收此車發(fā)出控制信息，然后轉(zhuǎn)發(fā)到第n-1個數(shù)據(jù)域內(nèi)，完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)。此時，車站子系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)控制信息的時候，仍然使用“偽地址”方法。這樣，第n-1個數(shù)據(jù)域內(nèi)的列車就不需要再分辨自己是否是本數(shù)據(jù)內(nèi)的第一列車，只需要繼續(xù)接收其上一列的控制信息就可以完成自律控制了。

列車作為一個原子節(jié)點，它向數(shù)據(jù)域內(nèi)注入控制信息是沒有方向性的，前行列車一定會收到后續(xù)列車的控制信息。在一個確定的數(shù)據(jù)域內(nèi)，由于事先規(guī)定了新內(nèi)容代碼，前行列車可以自動拋棄該信息。為了防止無用的控制信息被轉(zhuǎn)發(fā)到其他數(shù)據(jù)域上，應(yīng)作如下設(shè)置：位于n-1和n數(shù)據(jù)域的車站在轉(zhuǎn)發(fā)位置等信息時，設(shè)置上下行線單向單工通道，該信息只能由數(shù)據(jù)域n傳向數(shù)據(jù)域n-1。這樣可以避免數(shù)據(jù)域n-1內(nèi)的無用信息進(jìn)入到數(shù)據(jù)域n內(nèi)。數(shù)據(jù)域n-1和數(shù)據(jù)域n-2之間的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，是要依賴此處的地面有源設(shè)備所記錄的，通過它的最后一列車的車身編號（SA）來轉(zhuǎn)發(fā)信息的。線路運輸繁忙時，數(shù)據(jù)域n中的列車編號信息早已被數(shù)據(jù)域n-1中的列車所取代。因此，數(shù)據(jù)域n中的控制信息不會無限制地向后傳遞。

2.4 其它信息的接入

2.4.1 施工作業(yè)信息 在鐵路方面，部分線路要進(jìn)行日常維修，為了保證行車和人身安全，也應(yīng)將施工、巡道等信息發(fā)送到數(shù)據(jù)域中。同時，施工人員也要接受來自數(shù)據(jù)域的列車位置信息，以及時避讓，防止事故。

在施工作業(yè)前，將通信設(shè)備加入到所在數(shù)據(jù)域內(nèi)。方法如下：無論任何情況下，為了保證作業(yè)人員安全，開機后必須接受該數(shù)據(jù)域內(nèi)所有上下行列車的位置信息。也就是說，通信設(shè)備在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)域注冊就可以接收控制信息并從中提取出列車位置信息。

作業(yè)需要臨時限速，通信設(shè)備在向數(shù)據(jù)域內(nèi)發(fā)送臨時限速信息時，應(yīng)先注冊到數(shù)據(jù)域中去。由于這種通信是臨時性的，信息量相對較小且固定。因此注冊過程可以通過內(nèi)容代碼強制注冊，即該通信設(shè)備的內(nèi)容代碼指示這是由于線路作業(yè)引起的臨時限速，事先規(guī)定所有列車都應(yīng)該接收此信息。信息內(nèi)容包括限速地點、限速等級、限速時間等等。由于臨時限速的位置有一定的隨機性，為了保證安全，該信息應(yīng)該至少雙向傳達(dá)到2個相鄰的數(shù)據(jù)域中去。調(diào)度中心也會收到該信息并只對其進(jìn)行監(jiān)督記錄，只有信息有誤或認(rèn)為非法接入時才會做出干涉。

2.4.2 旅客列車信息 如前所述，列車位置信息在傳遞的時候并沒有一個明確的方向，只是大體呈一個帶狀，既可向后傳遞給后續(xù)列車，也可向前傳遞給前方車站。因此，在車站設(shè)置位置信息接收設(shè)備，計算機就能知道列車的位置、速度等信息。此時車站計算機可以自律地計算出要在本站停靠的列車到達(dá)的大體時間，并和本站的列車時刻表進(jìn)行對比，如果晚點就可及時通知旅客。

要指出的是，由于位置等信息在向前傳遞時，有被數(shù)據(jù)域交界處的網(wǎng)關(guān)過濾掉的可能，因此這項服務(wù)并不能保證實時性。解決方案有以下2種方法：

1）只有列車進(jìn)入所在車站，數(shù)據(jù)域才進(jìn)行位置對比并判斷列車是否晚點。

2）由于數(shù)據(jù)域分界點一般都設(shè)在大型車站，因此由該車站負(fù)責(zé)判斷其所轄數(shù)據(jù)域內(nèi)的列車是否晚點，然后通過有線通信方式通知下一個數(shù)據(jù)域內(nèi)的小車站。

3 結(jié)束語

基于通信的列車控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)大密度的軌道交通運輸，是未來各種軌道交通發(fā)展的必然趨勢。自律分散技術(shù)在我國屬于新興學(xué)科，在智能電網(wǎng)、智能鐵路運輸調(diào)度、大系統(tǒng)工程等領(lǐng)域有著廣闊的前景〔7-8〕。而基于自律分散技術(shù)、以通信為核心的列車控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，是一種創(chuàng)新。這種創(chuàng)新體現(xiàn)在行車憑證由作為子系統(tǒng)的列車自己產(chǎn)生，列車只要能接收到少量的控制信息就能正常地運行。由于列控的主要任務(wù)都由列車自身完成，不需要一個集中的控制中心，這大大地減少了系統(tǒng)的風(fēng)險。此外，前行列車高頻度地發(fā)送自身位置信息并能被后續(xù)列車接收，對研究移動閉塞的實現(xiàn)模式有相當(dāng)?shù)囊饬x。

〔1〕森欣司.自律分散概念の提案〔C〕//電氣學(xué)會論文志.日本：電氣學(xué)會，1984：303.

〔2〕譚永東.自律分散系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)化問題研究〔D〕.成都：西南交通大學(xué)，2007.

〔3〕蔣晟.基于通信的列車控制—CBTC〔J〕.科協(xié)論壇（2.下），2009（5）：74-75.

〔4〕張超，董德存.基于無線通信的列車控制系統(tǒng)〔J〕.城市軌道交通研究，2005（3）：75.

〔5〕M.Matsumoto，et al.The New ATC System with an Autonomous Speed Control with On-bord Equipment〔C〕.The 5th International Symposium on Autonomous Decentralized Systems（ISADS ’01），IEEE，2001：235-238.

〔6〕譚珍珠.自律分散協(xié)議及其在Linux上的實現(xiàn)〔J〕.鐵路計算機應(yīng)用，2009，18（2）：51-54.

〔7〕吳江嬌，趙青.基于無線通信的移動閉塞列控系統(tǒng)——SPARCS〔J〕.現(xiàn)代城市軌道交通，2009（1）：51-54.

〔8〕Kinji Mori.Trend of Autonomous Decentralized Systems〔EB/OL〕//Proceeding of the 10th IEEE International Workshop on Future Trends of Distributed Computing Systems（FTDCS’04），2004.〔2010-3-18〕.http：//www.ieee.org/conferences_events/index.html.