固定閉塞下具有容錯(cuò)性質(zhì)的車(chē)次追蹤模型

袁志明，遲 騁，郭 戩

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

隨著鐵路信息化建設(shè)的不斷發(fā)展和完善，智能化的調(diào)度指揮系統(tǒng)已逐步成為我國(guó)鐵路行車(chē)指揮中不可或缺的重要部分。列車(chē)調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS）和分散自律調(diào)度集中（CTC）系統(tǒng)提高了行車(chē)指揮的效率和安全性，成為調(diào)度人員制定調(diào)度決策，指揮列車(chē)運(yùn)行的必要工具。

調(diào)度指揮人員從調(diào)度指揮系統(tǒng)中獲取列車(chē)的時(shí)空位置，結(jié)合其他信息制定列車(chē)的運(yùn)行決策，或?qū)α熊?chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。因而車(chē)次號(hào)的正確性是制定調(diào)度指揮決策的基礎(chǔ)之一，也是CTC系統(tǒng)自動(dòng)化功能正常運(yùn)行的基本條件。但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，由于采集設(shè)備的擾動(dòng)、通信信道的干擾或線(xiàn)路上輕車(chē)跳動(dòng)等原因，導(dǎo)致車(chē)次信息的丟失或車(chē)次顯示錯(cuò)誤，通常需要人為地頻繁介入才能保證調(diào)度系統(tǒng)中車(chē)次信息的完全正確性。

文獻(xiàn)[1]、[2]中對(duì)于車(chē)次追蹤算法的研究，在車(chē)站元素的狀態(tài)與列車(chē)的狀態(tài)可以建立完備對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，以進(jìn)路和線(xiàn)形連接元素模式為主導(dǎo)，站內(nèi)追蹤過(guò)程與車(chē)站的進(jìn)路完全綁定，站間追蹤綁定區(qū)段對(duì)象，這限制了算法實(shí)現(xiàn)的靈活性。由于車(chē)站拓?fù)湫问?、進(jìn)路形式以及站間連接關(guān)系的多樣性，很難將所有的模式進(jìn)行詳細(xì)的歸類(lèi)劃分，而車(chē)站與車(chē)站間的聯(lián)系也并不一定以區(qū)間的方式連接，諸如有些大的編組站存在多個(gè)場(chǎng)間通過(guò)道岔實(shí)現(xiàn)過(guò)渡連接，這些均會(huì)增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性。

本文在車(chē)次追蹤問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限自動(dòng)機(jī)理論，以提高追蹤車(chē)次的正確性為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種以車(chē)站對(duì)象為主導(dǎo)并具有容錯(cuò)性質(zhì)的車(chē)次追蹤模型，并對(duì)算法進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 車(chē)次追蹤問(wèn)題的分析

在固定閉塞模式下，調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)車(chē)站元素的占用情況來(lái)推算列車(chē)的實(shí)際位置，同時(shí)結(jié)合計(jì)劃信息、人工輸入、無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)系統(tǒng)等輔助信息來(lái)獲取初始列車(chē)車(chē)次信息以及糾正錯(cuò)誤的車(chē)次信息。

由于調(diào)度指揮系統(tǒng)沒(méi)有同線(xiàn)路上的列車(chē)建立直接的聯(lián)系，其獲取的所有列車(chē)的位置信息均是建立在間接的推算上，即主要通過(guò)車(chē)站元素（道岔，區(qū)段，股道等）的狀態(tài)信息來(lái)推算列車(chē)的實(shí)際位置，即車(chē)站元素與列車(chē)位置存在的相互對(duì)應(yīng)性，在理想情況下，這種對(duì)應(yīng)性可以視為完備的。而在實(shí)際的非理想環(huán)境中，調(diào)度系統(tǒng)獲取到的車(chē)站元素狀態(tài)信息并不能與列車(chē)的位置建立起完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如列車(chē)占用某車(chē)站股道，該股道應(yīng)為占用狀態(tài)，但也有可能由于輕車(chē)跳動(dòng)等原因，導(dǎo)致股道狀態(tài)顯示為空閑。而某股道為占用狀態(tài)，也并不能以此確定該股道上有列車(chē)停留，也有可能是由于計(jì)軸故障或是發(fā)生了其他問(wèn)題，導(dǎo)致了該股道繼電器導(dǎo)向了安全側(cè)。另外由于傳輸系統(tǒng)的原因，也可能導(dǎo)致調(diào)度系統(tǒng)獲取的車(chē)站元素狀態(tài)信息并不完備，從而也干擾到了其輸出的車(chē)次追蹤結(jié)果的正確性。

目前為改善調(diào)度系統(tǒng)車(chē)次追蹤信息的準(zhǔn)確性，許多線(xiàn)路上均設(shè)立了無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)信息裝置，其基本原理都是將機(jī)車(chē)監(jiān)控裝置中的車(chē)次號(hào)、機(jī)車(chē)號(hào)、公里標(biāo)等信息通過(guò)專(zhuān)用安全接口在規(guī)定的地點(diǎn)和規(guī)定的時(shí)間發(fā)送到調(diào)度集中系統(tǒng)[2]，調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)合無(wú)線(xiàn)車(chē)次信息對(duì)車(chē)次追蹤的結(jié)果進(jìn)行修正。但由于無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)系統(tǒng)的信息與固定位置有關(guān)，不能實(shí)現(xiàn)在全線(xiàn)路上信息的連續(xù)性，只是在有限的部分點(diǎn)提供信息，這也只能在一定程度上修正車(chē)次追蹤的結(jié)果。

由以上分析可知，在未能獲取詳盡的列車(chē)位置信息的情況下，只依據(jù)車(chē)站元素的狀態(tài)進(jìn)行間接運(yùn)算，即便有其他輔助手段，車(chē)次追蹤系統(tǒng)輸出的車(chē)次結(jié)果也不可能完全正確。但根據(jù)列車(chē)運(yùn)行本身的特性，建立特定有效的算法模型，可以提高車(chē)次追蹤的正確性，進(jìn)而降低因修正車(chē)次問(wèn)題導(dǎo)致的人員參與性，降低相關(guān)人員的工作強(qiáng)度，提高整個(gè)調(diào)度系統(tǒng)的可靠性。

2 有限自動(dòng)機(jī)

有限自動(dòng)機(jī)是計(jì)算機(jī)軟、硬件研究的重要基礎(chǔ)理論。在軟件設(shè)計(jì)中為設(shè)計(jì)者提供一種有效的解決問(wèn)題的思想和方法，具有任意有限數(shù)量的內(nèi)部格局或狀態(tài)，用來(lái)記憶過(guò)去輸入的有關(guān)信息，根據(jù)當(dāng)前的輸入可以確定下一步的狀態(tài)和行為，從狀態(tài)移動(dòng)到狀態(tài)。一個(gè)有限自動(dòng)機(jī)等價(jià)于一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。這樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以應(yīng)用于有限自動(dòng)機(jī)有關(guān)定理和算法的等價(jià)變換、約簡(jiǎn)，然后用程序?qū)崿F(xiàn)。

一個(gè)有限自動(dòng)機(jī)包括：

（1）一個(gè)有限的狀態(tài)集合，通常記作Q；

（2）一個(gè)有限的輸入符號(hào)集合，通常記作∑；

（3）一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)，以一個(gè)狀態(tài)和一個(gè)輸入符號(hào)作為變量，返回一個(gè)狀態(tài)。通常記作δ；

（4）一個(gè)初始狀態(tài)q0，是Q中狀態(tài)之一；

（5）一個(gè)終結(jié)狀態(tài)或接受狀態(tài)的集合F，集合F是Q的子集；

通常用“五元組”來(lái)記錄以上有限自動(dòng)機(jī)：

A = (Q, ∑ ,δ, q0, F)

3 固定閉塞下的追蹤模型

3.1 理想情況下的追蹤模型

在固定閉塞制式下，列車(chē)的運(yùn)行具有其獨(dú)特的時(shí)空屬性，即列車(chē)在某一時(shí)刻完全擁有某一閉塞區(qū)間或進(jìn)路的占有權(quán)，這種占有權(quán)具有完全的排他性質(zhì)。列車(chē)的運(yùn)行具有時(shí)間和空間上的連續(xù)性，即時(shí)間上列車(chē)每一時(shí)刻均有其固定的位置；空間上，列車(chē)在線(xiàn)路上的位移是連續(xù)的，從一個(gè)車(chē)站元素移動(dòng)到下一個(gè)車(chē)站元素，不會(huì)有在元素之間出現(xiàn)跳躍的現(xiàn)象。車(chē)次追蹤的過(guò)程即是動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的標(biāo)識(shí)每一列車(chē)的所在位置的過(guò)程。

基于列車(chē)空間上運(yùn)行的連續(xù)性和位置占有權(quán)的排他性，可以認(rèn)為列車(chē)依次經(jīng)過(guò)其路徑上的每一元素，故可以將車(chē)次與元素間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，即元素依次顯現(xiàn)的占用狀態(tài)體現(xiàn)了列車(chē)的行進(jìn)路徑，這樣就可以忽略掉其與車(chē)站內(nèi)進(jìn)路的依賴(lài)關(guān)系，僅通過(guò)計(jì)算車(chē)站元素狀態(tài)即可實(shí)現(xiàn)列車(chē)車(chē)次的追蹤。

定義下列標(biāo)識(shí)：

G：線(xiàn)路元素的集合（股道，區(qū)間，道岔等）；

定義元素連接函數(shù)：

定義G的子集E(p) ：

表示所有與元素p相鄰接的車(chē)站元素。

定義元素的信號(hào)狀態(tài)函數(shù)：

由（1）、（2）、（3）可得出列車(chē)位置轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

3.2 基于有限自動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)模型

由以上分析可知，列車(chē)的位置依賴(lài)于車(chē)站相鄰元素間的信號(hào)狀態(tài)和列車(chē)狀態(tài)，但在實(shí)際環(huán)境中，車(chē)站元素的狀態(tài)并不能完全體現(xiàn)列車(chē)的位置。由于各種外界干擾，信號(hào)設(shè)備本身的故障，以及傳輸設(shè)備可能出現(xiàn)的信息抖動(dòng)或丟失，使得列車(chē)位置和元素狀態(tài)間依賴(lài)關(guān)系并不牢固。

對(duì)于實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的車(chē)次追蹤系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，將故障劃分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是因?yàn)閷?shí)際的信號(hào)狀態(tài)與列車(chē)狀態(tài)的不匹配，如元素處于占用狀態(tài)，但實(shí)際上該位置并無(wú)列車(chē)；一類(lèi)為調(diào)度系統(tǒng)接收到的信號(hào)狀態(tài)由于傳輸設(shè)備等的原因，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的抖動(dòng)或丟失。針對(duì)以上兩類(lèi)問(wèn)題可以用在理想模型上建立基于有限自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，以及引入元素抖動(dòng)抑制算法解決。

3.2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型

建立有限自動(dòng)機(jī)模型，A = (Q, ∑,δ,q0,F)，其中：

Q：車(chē)站所有元素的集合；

∑：列車(chē)經(jīng)過(guò)路徑上的元素集合；

δ：列車(chē)位置轉(zhuǎn)移函數(shù)，見(jiàn)公式（4）；

q0：車(chē)站元素的初始狀態(tài)；

F ：列車(chē)在元素上的狀態(tài)集合；

由于實(shí)際環(huán)境中，車(chē)站元素和列車(chē)實(shí)際占用狀態(tài)存在多種組合，而列車(chē)的行進(jìn)依賴(lài)于列車(chē)的位置轉(zhuǎn)移函數(shù)，現(xiàn)以列車(chē)路徑上相鄰的兩元素A、B為例，列車(chē)行進(jìn)方向?yàn)閺腁至B，實(shí)現(xiàn)的列車(chē)狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖1所示。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2.2 元素抖動(dòng)抑制算法

在實(shí)際應(yīng)用中，調(diào)度集中系統(tǒng)接收到元素狀態(tài)信息經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，即元素的狀態(tài)在很短的時(shí)間內(nèi)不斷變化。這種變化若不被及時(shí)處理，則會(huì)導(dǎo)致車(chē)次追蹤系統(tǒng)內(nèi)列車(chē)狀態(tài)轉(zhuǎn)移表出現(xiàn)絮亂，無(wú)法給出列車(chē)追蹤的正確結(jié)果。為提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性能，必須過(guò)濾掉此類(lèi)干擾。

由于列車(chē)行進(jìn)的連續(xù)性和速度的限制性使得列車(chē)不可能在很短的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)元素快速地行進(jìn)到下一個(gè)元素。而列車(chē)占用位置的排他性，也不允許被占用的車(chē)站元素剛剛出清，就在很短的時(shí)間內(nèi)被占用，故在模型內(nèi)引入元素抖動(dòng)抑制算法來(lái)對(duì)信號(hào)的抖動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行處理，對(duì)信號(hào)的抖動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行濾波處理，使處理后的信號(hào)狀態(tài)更貼近于理想中的信號(hào)狀態(tài)。抖動(dòng)抑制算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

3.2.3 容錯(cuò)模型

最終的車(chē)次追蹤容錯(cuò)模型如圖3所示。

圖3 追蹤模型

模型的輸入信息為車(chē)站的元素狀態(tài)，計(jì)劃信息和無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)信息。元素的狀態(tài)信息和已建立的元素間的鄰接關(guān)系是推算列車(chē)位置的基礎(chǔ)，在對(duì)元素的狀態(tài)進(jìn)行抖動(dòng)濾波后，結(jié)合系統(tǒng)上一次的運(yùn)算結(jié)果，查詢(xún)列車(chē)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，對(duì)列車(chē)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果結(jié)合計(jì)劃和無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)信息進(jìn)行校正，校正后的結(jié)果作為下一次預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和最終的結(jié)果輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)車(chē)次追蹤問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，基于有限自動(dòng)機(jī)模型理論，提出了元素抖動(dòng)抑制算法，建立了具有容錯(cuò)性質(zhì)的車(chē)次追蹤模型，該模型具有高可靠性，高靈活性，并能有效提高車(chē)次追蹤系統(tǒng)的可靠性，對(duì)改善調(diào)度集中系統(tǒng)的車(chē)次號(hào)正確性具有重要意義。

[1]王建英. 鐵路行車(chē)調(diào)度指揮仿真系統(tǒng)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2007（5）：110-116.

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[3]John E.Hopcroft. 自動(dòng)機(jī)理論、語(yǔ)言和計(jì)算導(dǎo)論[M]. 孫家骕 ,譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2008.