基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型

潘 登，梅 萌，鄭應平

(同濟大學電子與信息工程學院，上海200092)

1 引 言

RBC(Radio Block Center)切換是車—地之間大規(guī)模數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠雙向傳輸?shù)钠款i，對列車安全、高效運行影響至巨.文獻［1］研究了 ETCS(European Train Control System)系統(tǒng)RBC切換過程中車—地無線通信問題，分析了列車運行速度、列車位置報告周期對列車時間間隔的影響，給出對應的列車安全間距指標;文獻［2］建立了RBC交接失敗概率模型，分析了列車運行速度、RBC重疊范圍對交接成功概率的影響;文獻［3］研究安全數(shù)據(jù)通信在越區(qū)切換時的傳輸可靠性，給出列車速度與越區(qū)切換成功率的關系，以及越區(qū)切換時間與越區(qū)切換成功率之間的關系;文獻［4］對高速列車在移動閉塞條件下越區(qū)切換的無線通信進行形式化建模和可靠性分析，并給出對通信故障定位的表示方法.文獻［5］研究了ETCS系統(tǒng)GSM-R無線通信信道的可靠性，并分析了列車越區(qū)切換時的通信問題.上述文獻對高速列車運行控制理論與應用技術的不斷完善起到了有力地推動作用，但RBC切換過程中列車移動授權(Movement Authority，MA)的計算還主要依賴地面RBC來完成，列車主體性沒有得到更充分的體現(xiàn)，移動授權的計算效率也有待進一步提高.本文在上述既有成果的基礎上，擬深入研究基于列車主體性的RBC切換模型，為進一步提高列車運行的安全性和行車效率作一些有益的探索.

2 當前RBC切換模式及其分析

高速列車越區(qū)RBC切換場景，如圖1所示.當列車越過RBC(i)管轄區(qū)域進入與之相鄰的RBC(i+1)管轄區(qū)域時，進路信息的直接提供者也相應地由RBC(i)切換為RBC(i+1).

圖1 高速列車越區(qū)RBC切換場景示意圖Fig.1 RBC handover scene of high speed train

2.1 切換過程中車—地通信協(xié)議的動態(tài)實現(xiàn)

高速列車在越區(qū)切換時，車—地通信遵循RBC 切換協(xié)議 A 或 B［4，6］.鑒于 UML 順序圖難以準確刻畫車—地通信的并發(fā)行為，這里采用Petri網(wǎng)描述列車越區(qū)切換過程車—地通信協(xié)議動態(tài)實現(xiàn)的一般過程，如圖2所示.

對于切換協(xié)議A，車載雙電臺可與RBC(i)、RBC(i+1)分別進行通信會話.列車在預告應答器的前方行駛時，RBC(i)負責向列車發(fā)送移動授權;列車前端經(jīng)過預告應答器，即通過電臺1向RBC(i)報告;RBC(i)向列車下達切換命令，包括RBC切換地點、RBC(i+1)的ID及Net ID等信息，并向RBC(i+1)發(fā)送交接預告和請求進路信息;同時，電臺2根據(jù) RBC(i+1)的 ID和 Net ID向RBC(i+1)發(fā)起通信會話請求，直至建立通信鏈路;而RBC(i+1)向RBC(i)發(fā)送進路相關信息，并由RBC(i)生成新的移動授權，發(fā)送給電臺1;列車前端通過執(zhí)行應答器時，通過電臺1、2分別通知RBC(i)、RBC(i+1)，但 RBC(i)仍向 RBC(i+1)發(fā)送“列車前端經(jīng)過執(zhí)行應答器”的信息(作為一種冗余措施，在電臺2故障時自動切換為協(xié)議B);接著，電臺 1、2 分別與 RBC(i)、RBC(i+1)進行相應的通信業(yè)務，以實現(xiàn)RBC切換:RBC(i)在列車尾部越過執(zhí)行應答器時，進行會話管理，結束與電臺1的通信，注銷列車管轄記錄;RBC(i+1)與電臺2通信，并接管列車.

對于切換協(xié)議B，由于車載單電臺不能與RBC(i)、RBC(i+1)同時進行通信會話，高速列車越區(qū)切換過程中，車載單電臺必須先斷開與RBC(i)的通信，才能與RBC(i+1)建立通信鏈路，一定程度上延長了切換時間.

圖2 切換過程中的車—地之間通信情況Fig.2 Communications between train and ground in the process of RBC handover

2.2 切換協(xié)議分析

由于RBC管轄范圍和RBC切換成功概率的限制，高速列車必須在穿越RBC重疊區(qū)有限的時間內(nèi)，實現(xiàn)RBC的成功切換和車—地之間的連續(xù)、不間斷通信，為此預留列車向下一RBC分區(qū)注冊時間 40 s［7］.

移動授權，無論是否由RBC(i)延伸到RBC(i+1)，在RBC切換完成前，均由RBC(i)生成并發(fā)送給列車，移動授權的計算主體是RBC而非列車.RBC(i+1)通過RBC(i)向列車發(fā)送移動授權，不僅存在數(shù)據(jù)處理延時，而且需要信息發(fā)送時間和傳播時間，當列車接收到MA，列車位置、速度已經(jīng)發(fā)生了變化.為此，CTCS-3列控系統(tǒng)采取時間戳防護及加大列車間隔時間等技術措施.時間戳防護技術，采用參數(shù)預估的方法來應對數(shù)據(jù)的時效性問題，但“預估”對于安全苛求系統(tǒng)來說，是否在任何情況下都能反映列車運行的真實情況，其可信性還有待評估.由于列車能夠及時了解自身的速度、位置，根據(jù)RBC(i)、RBC(i+1)發(fā)送的信息，可計算出實時性更強的MA和行為曲線，如果能夠在保證行車安全的條件下降低列車間隔時間，將會有力促進行車效率的提高.

3 基于列車主體性的RBC切換模型

3.1 RBC切換模型的形式化描述

運用Petri網(wǎng)對基于列車主體性的RBC切換模型進行形式化描述，如圖3所示.

圖3 基于列車主體性的RBC切換模型Fig.3 RBC handover based on train subjectivity

列車行駛在預告應答器前方，由電臺1與RBC(i)完成車—地通信;列車通過預告應答器，激活電臺2，并由RBC(i)告知電臺2前方RBC(i+1)的ID和Net ID等信息，電臺2據(jù)此與RBC(i+1)聯(lián)系完成列車注冊，列車從而可以與RBC(i+1)進行信息的交換;列車尾部越過切換應答器之前，電臺1、2協(xié)同工作，為列車運行控制提供基礎數(shù)據(jù);列車尾部越過切換應答器，電臺1轉為待備狀態(tài)，由電臺2負責與RBC(i+1)信息交流并實現(xiàn)列車運行控制，直至列車通過下一個RBC分區(qū)RBC(i+2)的預告應答器，電臺1重新被激活.

若切換之前電臺1故障，電臺2與電臺1角色互換，圖3仍然適用;若切換后，電臺2故障，電臺1由待備狀態(tài)重新轉為工作狀態(tài)，與新的 RBC(i)即RBC(i+1)進行車—地通信.

3.2 應答器的設置

以列車作為移動授權MA的計算、生成主體，列車就能對RBC(i)傳至電臺1與RBC(i+1)傳至電臺2的基礎信息，以及列車性能參數(shù)與當前運行狀態(tài)，進行數(shù)據(jù)融合計算，生成列車運行控制信息及目標距離—速度連續(xù)曲線.

在基于列車主體性的RBC切換協(xié)議的條件下，為了保證列車能夠在當前預告應答器處獲得RBC(i+1)分區(qū)的移動授權信息，將預告應答器前移不小于tRegister(CTCS-3列控系統(tǒng)規(guī)定為40 s［7］)時間內(nèi)的運行距離(如圖4所示)，即由 A 移到A'，以確保電臺2在列車運行至A時向RBC(i+1)注冊成功，并建立起通信聯(lián)系.

圖4 預告應答器的前移Fig.4 Moving forward of LTA

3.3 列車的管轄問題

當前CTCS-3型列控系統(tǒng)，很好地解決了RBC切換過程中移動授權延伸的問題，但切換前由RBC(i)對列車進行管轄，切換后由RBC(i+1)進行管轄.這里，依運行方向將列車管轄順序分為3個階段:

(1)切換前的RBC(i)管轄階段;

(2)切換過程中的RBC(i)和RBC(i+1)協(xié)同管轄階段;

(3)切換后的RBC(i+1)管轄階段.

每個RBC設置兩個“列車信息鏈表”數(shù)據(jù)結構，分別單獨或協(xié)同管轄列車信息鏈表.RBC(i)和RBC(i+1)在協(xié)同管轄階段，相互通信，按“故障—安全”原則檢查列車切換過程，避免出現(xiàn)“幽靈列車”.

3.4 基于列車主體性的數(shù)據(jù)融合算法

移動授權MA主要是對列車當前位置與MA終點(EOA)距離及對列車運行監(jiān)控行為的描述，一般由至少一個區(qū)段組成，列車運行必須以移動授權MA為依據(jù)規(guī)范運行.正常情況下，由RBC主動向車載設備發(fā)送MA，車載設備也能向RBC請求新MA，但請求新MA的參數(shù)應由RBC給出［8］.

“基于列車主體性的切換模型”與之不同.列車越區(qū) RBC切換過程中，不再需要 RBC(i)向RBC(i+1)請求進路信息以實現(xiàn)MA的延伸，只需知道RBC(i)、RBC(i+1)兩個分區(qū)與自身運行有關的信息(即列車可以安全、高效運行至終點位置)，就可以按融合算法計算出“移動授權”.當前CTCS-3型列控系統(tǒng)中的“移動授權”，由地面RBC計算、生成，再發(fā)送至列車，我們可以稱之為RBC對列車的“顯性移動授權”;“基于列車主體性的切換模型”，因其計算并生成移動授權的基礎數(shù)據(jù)與當前CTCS-3型列控系統(tǒng)完全相同，但計算的主體為列車，故RBC對列車的移動授權為“隱性移動授權”.其算法如圖5所示.

圖5 RBC切換過程中隱性移動授權的融合計算Fig.5 Fusion calculation of the hidden moving authorization in the process of RBC handover

當列車尾部越過RBC邊界，RBC(i)=RBC(i+1)，RBC(i+1)=RBC(i+2)，以完成角色的切換，即RBC(i+1)變?yōu)榻唤覴BC，RBC(i+2)變?yōu)榻邮誖BC，列車可以繼續(xù)作為計算主體根據(jù)新的切換分區(qū)發(fā)送的隱性授權信息計算、生成自己應該遵循的移動授權.

4 模型分析與仿真實驗

4.1 列車運行的主體性與安全性分析

假定預告應答器由A前移至A'，如圖4所示，當列車行駛至A'時，列車電臺2將根據(jù)RBC(i)發(fā)給RBC(i+1)的 ID 和 Net ID，與 RBC(i+1)聯(lián)系，當列車行駛至A時，電臺2已完成列車向RBC(i+1)的注冊.而電臺2注冊過程中，列車完全依靠電臺1與RBC(i)進行車—地通信，并實現(xiàn)列車運行控制，電臺2注冊過程完全不影響列車行為.

為了RBC越區(qū)切換過程中列車在正常情況下不減速運行，當前CTCS-3型列控系統(tǒng)的列車運行間距另外增加了40 s的列車運行距離.如圖1所示，列車間隔時間計算公式為

對“基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型”來說，電臺2注冊過程完全不影響列車行為，故其列車間隔時間的計算公式為

且式(2)中的t'packetage比式(1)中的tpacketage要小Δt的時間.根據(jù)科技運［2008］168號文《CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡需求規(guī)范(V1.0)》，CTCS-3型列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡信息傳輸速率首選4.8 kb/s異步透明數(shù)據(jù)傳輸方式［7］，以30字節(jié)計，Δt≈3.10s.在Δt時間余量里，用戶數(shù)據(jù)幀出錯的概率分別小于(1-95%)Δt/0.8=9.09 ×10-6、(1-99%)Δt=6.3 ×10-7，大幅提高了數(shù)據(jù)的可靠性.

“基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型”的列車間隔時間與先前相比，最大可以減少

列車的主體性對安全行車的重要性主要表現(xiàn)在以下兩個方面:

(1)節(jié)省了以延伸移動授權為目的的相鄰RBC之間的通信時間.為安全行車和確?？煽客ㄐ盘峁┝?.10 s的空間余量，增強了列車運行的安全性;為確?？煽客ㄐ盘峁┝?.10 s的時間余量，大幅提高車—地通信的抗干擾能力［7］.

(2)數(shù)據(jù)的時效性和精確性得到提高.列車作為隱性移動授權的計算、生成主體，可以根據(jù)即時采集的列車位置、速度等數(shù)據(jù)，以及線路信息，計算、生成MA和自身行為曲線，從而能更充分地利用列車主體性能，使行為得到優(yōu)化，取得安全和效率綜合最優(yōu)的目的.

4.2 效率分析

參數(shù)設定如下:列車注冊時限tdeadline=40 s［7］，通信折算時間tpacketage=12 s［5］，列車長度取典型值trainlength=400 m［1］，列車定位誤差取 error=20 m［7］.不失一般性，假定列車制動停車的平均加速度a=-1.5 m/s2，分別計算當前CTCS-3型列控系統(tǒng)和基于列車主體性切換模型的列車間隔控制參數(shù)，如表1、表2所示.

表1 CTCS-3型列控系統(tǒng)列車間隔控制的參數(shù)Table 1 Parameters of CTCS-3 train control system for train interval control(a=-1.5 m/s2)

表2 基于列車主體性切換模型的列車間隔控制的參數(shù)Table 2 Parameters of the handover model based on train subjectivity for interval control(a=-1.5 m/s2)

比較表1、表2的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)相同性能、相同速度的列車采取相同控制策略時，“基于列車主體性RBC切換模型”的列車間隔時間和列車間距，均比當前CTCS-3型列控系統(tǒng)大幅減小，如圖6、圖7所示.

圖8、圖9為列車速度—距離監(jiān)控曲線(按平均加速度a=-1.5 m/s2計算)，相同速度的列車采取相同的制動停車策略情況下，后者的行駛距離遠低于前者.

圖9 基于列車主體性RBC切換模型的列車速度距離監(jiān)控曲線Fig.9 Train speed-distance monitoring curves of the RBC handover model based on train subjectivity

圖10對基于列車主體性的RBC切換模型的行車效率給出了更為明確的結論，列車間隔時間從300-500 km/h分別降低了約35.51%-27.10%不等;列車間距從300-500 km/h分別降低了約47.16%-39.48%不等.

圖10 基于列車主體性的RBC切換模型的行車效率分析Fig.10 Analysis on the efficiency of train organization under the RBC handover model based on train subjectivity

5 研究結論

性能分析與仿真試驗表明，基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型可有效促進列車安全、高效運行，并顯著提高行車組織的效率，為列車運行控制與行車組織提供了更大的靈活性.同時，新的切換模型在技術上提出了更高的要求，還需要繼續(xù)深入研究，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)列車主體性的增強，切換模型基于列車的主體性，在軟、硬件上需要采取先進措施大幅增強列車的主體智能，加強安全性冗余設計，進一步提高列車數(shù)據(jù)融合算法等數(shù)據(jù)處理能力;

(2)擴大GSM-R無線通信網(wǎng)絡的跨區(qū)覆蓋范圍，目前，GSM-R無線通信網(wǎng)絡跨區(qū)覆蓋為80-85 s［7］，需要對 GSM-R 無線通信網(wǎng)絡分區(qū)及覆蓋范圍進行必要的改造;

(3)RBC對列車的管轄與動態(tài)管理;

(4)車—地通信的信息格式，信息格式應適應列車主體性的提高作出相應的規(guī)定.

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