基于車—車通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中的移動授權(quán)計(jì)算分析

靳東明+李博

摘要：該文首先分析研究了CBTC系統(tǒng)生成移動授權(quán)（MA）的流程，剖析了該流程存在的問題。然后對基于車-車通信的下一代列車控制系統(tǒng)的移動授權(quán)生成流程進(jìn)行分析，說明了其相對于傳統(tǒng)CBTC系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。同時，該文還對適用于基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)的基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和軟件仿真，確認(rèn)了相對于基于相對位置的移動授權(quán)計(jì)算方法，該方法可以縮小行車間隔，提高行車效率，降低車與車之間發(fā)生通信延時的影響。

關(guān)鍵詞：車車通信；移動授權(quán)；追蹤間隔優(yōu)化

中圖分類號：U285 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0259-05

Abstract： In this paper， the generation of Movement Authority（MA） for a CBTC system is introduced and the problem in this generation is analyzed. Compared with CBTC system， the generation of MA for the next generation of train operation control system Based on vehicle to vehicle communication and its advantage is introduced. Meanwhile， the mathematical model for the method of MA calculation Based on relative velocity for the train operation control system Based on vehicle to vehicle communication is established and a software is written to test and verify the performance of this method compared with the method if MA calculation Based on relative position for a CBTC system. It turns out that this method can optimize tracking interval， improve the transportation efficiency and eliminate the effect of communication delay between vehicles.

Key words： vehicle to vehicle communication； MA； tracking interval optimization

1 概述

目前各大城市的地鐵線路上都采用了基于車-地通信的列車控制系統(tǒng)。它以運(yùn)用雙向的車-地通信技術(shù)為基礎(chǔ)，采用移動閉塞方式，大大的提高了城市軌道交通的運(yùn)營效率。但是，隨著基于車-地通信的列車控制系統(tǒng)在正線上的大量運(yùn)行，其缺點(diǎn)也逐漸暴露出來，有以下幾點(diǎn)：

① 車地通信的延時會降低系統(tǒng)性能；

② 影響行車安全的子系統(tǒng)之間的接口太多，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性；

③ 較多的軌旁設(shè)備導(dǎo)致系統(tǒng)維護(hù)成本比較高；

④ 軌旁系統(tǒng)的限制導(dǎo)致運(yùn)營的靈活程度較差。

為了解決這些問題，國外廠商ALSTOM率先提出基于車-車通信的下一代列車控制系統(tǒng)。相對于基于車-地通信的列車控制系統(tǒng)，基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

① 精簡軌旁設(shè)備，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低系統(tǒng)造價，減少信號系統(tǒng)的維護(hù)成本；

② 縮短系統(tǒng)的反應(yīng)時間，提供更小的運(yùn)行間隔時間，提高運(yùn)行效率；

③ 在保證安全的前提下，可以為運(yùn)營提供更加靈活和多樣化的運(yùn)輸組織方案。

2 CBTC系統(tǒng)的移動授權(quán)計(jì)算問題分析

基于車地通信的列車控制系統(tǒng)中由ZC子系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算移動授權(quán)。在計(jì)算移動授權(quán)之前，聯(lián)鎖設(shè)備需接收ATS子系統(tǒng)的進(jìn)路控制命令，完成排列進(jìn)路。然后ZC子系統(tǒng)通過接收管轄范圍內(nèi)每輛列車的位置報告，并結(jié)合聯(lián)鎖發(fā)送的軌旁設(shè)備狀態(tài)以及進(jìn)路信息、ATS系統(tǒng)發(fā)送的臨時限速信息、相鄰ZC子系統(tǒng)發(fā)送的移交列車信息以及設(shè)備狀態(tài)信息，為每輛列車計(jì)算并分配相應(yīng)的移動授權(quán)。同時ZC系統(tǒng)提供篩選功能，實(shí)現(xiàn)對位置報告列車的前端和后端是否存在隱藏列車的自動檢測，判斷列車是否具備計(jì)算移動授權(quán)的條件[1]。

在基于車地通信的列車控制系統(tǒng)中，生成移動授權(quán)并生效需要ATS系統(tǒng)，聯(lián)鎖系統(tǒng)，ZC子系統(tǒng)以及車載子系統(tǒng)之間互相大量的信息傳遞。任何子系統(tǒng)之間的接口出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致移動授權(quán)的生成或生效出現(xiàn)問題。

比如，在列車運(yùn)行過程中，列車收到一條移動授權(quán)報文并判定其有效后，ZC與車載子系統(tǒng)之間發(fā)生通信阻塞，列車將無法收到后續(xù)更新的移動授權(quán)。但如果在下一周期，ZC為列車計(jì)算的移動授權(quán)回縮，列車將因通信阻塞而無法及時收到軌旁發(fā)送的更新移動授權(quán)報文。列車仍按照上一周期收到的移動授權(quán)運(yùn)行，存在一定的安全風(fēng)險。

基于車-車通信的下一代列車控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的CBTC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行精簡，將聯(lián)鎖的排列進(jìn)路功能和ZC系統(tǒng)的功能集成到車載子系統(tǒng)中，通過車與車直接通信，列車自主定位前后列車，實(shí)現(xiàn)由車載系統(tǒng)生成移動授權(quán)的功能。在保證行車安全的基礎(chǔ)上，可以減少系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高行車效率，降低上述故障發(fā)生的可能。

3 基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)生成移動授權(quán)流程

ATS子系統(tǒng)將辦理進(jìn)路請求信息通過DCS無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載VOBC系統(tǒng)。車載VOBC在對列車頭尾進(jìn)行篩選，確認(rèn)列車的頭部尾部都是安全之后，開始生成移動授權(quán)。endprint

VOBC系統(tǒng)首先根據(jù)ATS的辦理進(jìn)路請求信息和自身數(shù)據(jù)庫存儲的線路設(shè)備信息對進(jìn)路上線路設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行遍歷，找出列車進(jìn)路上的障礙物，距離列車最近的障礙物將被作為進(jìn)路終點(diǎn)，然后再結(jié)合列車位置信息計(jì)算移動授權(quán)MA。之后，車載VOBC系統(tǒng)根據(jù)ATS的臨時限速命令和自身生成的移動授權(quán)MA計(jì)算ATP列車速度限制曲線，控制列車運(yùn)行。

與CBTC系統(tǒng)不同，在基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)下，根據(jù)不同的移動授權(quán)終點(diǎn)，有著不同的子系統(tǒng)信息交互方案：

? 道岔

在基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)中，車載設(shè)備通過與軌旁控制器通信來控制道岔搬動。

首先，列車通過在車載數(shù)據(jù)庫中查找與進(jìn)路信息相關(guān)的道岔數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)查找結(jié)果向軌旁的對象控制裝置請求這些道岔的狀態(tài)監(jiān)督和控制。

如果對象控制器回復(fù)的進(jìn)路相關(guān)軌旁設(shè)備的狀態(tài)滿足要求，并且鎖閉到正確的狀態(tài)時，列車的移動授權(quán)則相應(yīng)的向前延伸。車載VOBC根據(jù)這個移動授權(quán)信息實(shí)時的計(jì)算安全制動曲線，從而控制列車的運(yùn)行。當(dāng)列車的位置越過相應(yīng)的軌旁設(shè)備時，車載VOBC向該設(shè)備的對象控制器發(fā)送釋放該軌旁設(shè)備的命令，然后該軌旁設(shè)備可以快速的允許其他列車使用。一旦目標(biāo)控制器被占用，只要它不釋放，該設(shè)備不可被其他列車使用，并執(zhí)行相應(yīng)的安全原則。

? 另一列通信狀態(tài)正常的列車

在基于車-地通信的CBTC系統(tǒng)中，由于車地通信延時導(dǎo)致后車無法準(zhǔn)確的獲取前車的實(shí)時位置。為了解決這一問題，ZC根據(jù)列車發(fā)送的位置報文信息，結(jié)合列車的運(yùn)動趨勢對列車的車頭和車尾位置進(jìn)行了安全性補(bǔ)償。即在列車報告給ZC的位置基礎(chǔ)上，為列車的頭、尾添加一定的安全包絡(luò)，以確定列車的安全位置。并且ZC在為后車計(jì)算移動授權(quán)時，默認(rèn)前車為靜止?fàn)顟B(tài)，將MA的終點(diǎn)延伸到前車尾端的安全補(bǔ)償包絡(luò)。這是以降低行車效率來保證行車安全的一種方法。

在基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)中，后車通過與前車直接進(jìn)行無線通信來獲得對方的信息。在計(jì)算MA時，后車會不斷向前車請求發(fā)送位置信息，根據(jù)前車發(fā)過來的位置信息與速度，實(shí)時更新MA。相比于基于車地通信的CBTC系統(tǒng)，這種通信方式可以大大的降低車地通信系統(tǒng)之間信息交互的延時和復(fù)雜度，縮短計(jì)算MA所需的時間，從而可以采取一種更加能縮短行車間隔的移動授權(quán)計(jì)算方法——基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法。

4 基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法

4.1 移動授權(quán)終點(diǎn)的計(jì)算

當(dāng)后車以前車作為前方障礙物計(jì)算移動授權(quán)時，基于相對速度的移動授權(quán)的終點(diǎn)為假定前車以當(dāng)前速度觸發(fā)緊急制動停車后的列車尾端。

考慮最不利情況，即前車的緊急制動距離最小的情況，前車在收到后車的位置請求信息時，已經(jīng)開始緊急制動。

當(dāng)前車收到后車的位置請求信息時，前車根據(jù)自己的當(dāng)前速度算出自己緊急制動距離。其中為前車收到位置請求時的速度，為前車最大制動減速度。

用前車當(dāng)前位置加上計(jì)算出的緊急制動距離即為后車移動授權(quán)的終點(diǎn)。計(jì)算完成后，前車通過車車之間通信將移動授權(quán)終點(diǎn)信息傳遞給后車。

下面考慮前后車通信發(fā)生延時的情況對后車移動授權(quán)終點(diǎn)計(jì)算的影響。在t時刻，前車的位置為，速度為，然而由于通信延時，前車在t時刻，仍按照t-1時刻前車的信息計(jì)算移動授權(quán)終點(diǎn)。當(dāng)以基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法計(jì)算移動授權(quán)終點(diǎn)時，實(shí)際的移動授權(quán)終點(diǎn)和后車計(jì)算的移動授權(quán)終點(diǎn)的誤差如下面公式：

設(shè)t-1到t時刻前車的列車加速度為，可將公式（1）化為公式（2），如下所示：

由公式（2）可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前車在t-1時刻以最大制動減速度行駛時，為0；隨著前車在t-1時刻的行駛加速度從逐漸增大，也隨之增大。由此可得出結(jié)論，當(dāng)前車的行駛加速度靠近列車最大制動減速度時，基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法可以降低前后車通信延時帶來的影響。

4.2 基于移動授權(quán)的后車限制速度的計(jì)算

后車以前車發(fā)送過來的緊急制動停車位置為移動授權(quán)終點(diǎn)來計(jì)算緊急制動曲線。

后車緊急制動曲線從開始制動到制動結(jié)束共分為三段，以及。

其中為后車緊急制動距離，為考慮最壞情況下，列車牽引切除之前以最大加速度走行的距離，為列車牽引切除后，制動建立之前，列車的惰行距離，為列車緊急制動過程運(yùn)行的距離。

其中為后車當(dāng)前速度，為ATP設(shè)備反應(yīng)時間，為后車牽引切除時間，為后車最大牽引加速度，為當(dāng)前坡度加速度，為列車制動建立時間，為列車最大制動額減速度。

考慮到前車和后車之間的制動性能不同，增加了一個大于δ（0<δ<）小于的可變參數(shù)，用于調(diào)整基于相對速度的移動閉塞的行車間隔。若不增加該參數(shù)（=0），當(dāng)前車的制動性能劣于后車或者與后車相近時（），根據(jù)移動授權(quán)計(jì)算時前后車制動距離之間的關(guān)系（式6）后車的緊急制動開始位置將在前車緊急制動開始位置的前方或與前車重疊。

列車如果按照這樣的制動曲線行駛一定會影響行車安全。通過改變參數(shù)能保證一定的行車間隔，增大安全余量，保障行車安全。

4.3 仿真驗(yàn)證

下面本文基于Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)具有人機(jī)交互界面的仿真軟件對兩個前后車追蹤的簡單場景進(jìn)行模擬，對基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法和目前采用的基于位置的移動授權(quán)計(jì)算方法達(dá)到的行車效果進(jìn)行比較。

本軟件通過兩個操縱桿模擬前后兩輛車的運(yùn)行，并啟用定時器來模擬前后車的周期性通信。前車根據(jù)式（1），以自身位置和速度為輸入?yún)?shù)計(jì)算出移動授權(quán)終點(diǎn)發(fā)給后車，每隔300ms更新一次；后車根據(jù)公式（4）（5）（6）（7）以及前車發(fā)過來的移動授權(quán)終點(diǎn)和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算出移動授權(quán)下的限制速度，控制自身運(yùn)行。

通過在軟件界面測試參數(shù)欄目中填寫初始參數(shù)：前后車起始速度，前后車起始間隔，線路坡度，列車最大限制速度以及系統(tǒng)防護(hù)距離，即可仿真出在不同移動授權(quán)計(jì)算方法在不同工況下的表現(xiàn)。同時該軟件運(yùn)用畫圖控件直觀表現(xiàn)出前后車運(yùn)行時的速度，位置和行車間隔，并將兩種移動授權(quán)計(jì)算方法的行車效果在同一張圖上顯示以做更好的對比。軟件默認(rèn)列車參數(shù)為：=0.8s，=0.8s，=3.5s，=1.2m/s2。endprint

場景一：前車以40Km/h速度勻速行駛，后車以60Km/h的速度追蹤前車。取前后車起始間隔為500m，線路坡度為6‰，系統(tǒng)防護(hù)距離為30m。

運(yùn)行結(jié)果如下圖8，9，其中圖8橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為速度（單位：Km/h），圖9橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為列車行駛距離（單位：m）。

從圖8和圖9中可以看到在后車以60Km/h速度勻速一段時間后，根據(jù)移動授權(quán)減速至與前車速度相同。

圖9中可以看到運(yùn)用基于相對速度的的移動授權(quán)計(jì)算方法的行車間隔明顯小于基于相對位置的移動授權(quán)計(jì)算方法的行車間隔。

場景二：在場景一的基礎(chǔ)上，在后車以最小間隔跟隨前車運(yùn)行時，控制操縱桿使前車以0.8m/s2的減速度運(yùn)行，后車根據(jù)前車速度變化控制自身速度。

運(yùn)行結(jié)果如下圖10，11，其中圖10橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為速度（單位：Km/h），圖11橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為列車行駛距離（單位：m）。

從圖10中可以看出，當(dāng)前車減速后，采用基于相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法的后車對前車的速度跟隨性明顯好于采用基于相對位置的移動授權(quán)計(jì)算方法的后車的速度跟隨性。

類似于圖9，從圖11我們也可以明顯看到基于相對速度的的移動授權(quán)計(jì)算方法的行車間隔更小。

本文在4.1中提出在行車加速度接近最大制動減速度時，基于車-車通信與相對速度的移動授權(quán)計(jì)算方法可以降低車與車之間通信延時的影響。下面用軟件仿真出前車與后車發(fā)生300ms的通信延時的情況，在場景一與場景二下運(yùn)行，比較無延時和有300ms延時的行車效果。

運(yùn)行結(jié)果如下圖12，13，其中圖12橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為速度（單位：Km/h），圖13橫坐標(biāo)為時間（單位：100ms），縱坐標(biāo)為列車行駛距離（單位：m）。

從圖12，13可以看到，加了300ms通信延時的后車速度和位置曲線與前車的速度和位置曲線基本重合，說明在這種方法與場景下，通信延時導(dǎo)致的移動授權(quán)發(fā)送延遲對于列車的限制速度曲線計(jì)算影響很小，不會影響到列車行車安全與效率。

5 結(jié)束語

本文主要分析了在基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)中移動授權(quán)的計(jì)算，指出了基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)計(jì)算移動授權(quán)時，在降低系統(tǒng)復(fù)雜性與減少子系統(tǒng)之間接口故障方面的優(yōu)越性。本文還對基于相對速度和車-車通信的移動授權(quán)的計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析，并依托Microsoft Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，根據(jù)數(shù)學(xué)模型編寫仿真軟件，對該方法和目前采用的基于相對位置的移動授權(quán)計(jì)算方法對列車的控制效果做了仿真對比。發(fā)現(xiàn)該方法可以降低車-車之間通信延時的影響，縮小行車間隔，提高行車效率，為基于車-車通信的列車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供一定的思路和參考。

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