列車自主運(yùn)行系統(tǒng)的行車資源管理方法

鄭 娜

（上海富欣智能交通控制有限公司 設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中心，上海201203）

列車自主運(yùn)行系統(tǒng)（TACS，Train Autonomous Circumambulation System）是傳統(tǒng)基于通信的列車控制（CBTC，Communication Based Train Control）系統(tǒng)在城市軌道交通規(guī)模應(yīng)用[1]后的下一代軌道交通列車運(yùn)行控制（簡(jiǎn)稱：列控）系統(tǒng)。TACS以車車通信為核心，優(yōu)化了傳統(tǒng)的車–地–車控制架構(gòu)和通信鏈路[2]，具備列車自主進(jìn)路、自主防護(hù)、自動(dòng)駕駛、自主調(diào)整功能，實(shí)現(xiàn)列車的自主運(yùn)行[3-4]。

TACS主要包括列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS，Automatic Train Supervision）系統(tǒng)、對(duì)象控制器（OC，Object Controller）、車載控制器（OBC，On-Board Controller）[5]。OBC集成了原CBTC系統(tǒng)中軌旁的區(qū)域控制功能，實(shí)現(xiàn)進(jìn)路、道岔、信號(hào)機(jī)的聯(lián)鎖關(guān)系，并通過(guò)列車之間數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)列車自身移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算[6]。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CBI，Computer Based Interlocking）和區(qū)域控制器（ZC，Zone Controller）[7]設(shè)備，簡(jiǎn)化了軌旁設(shè)備布置，減少了系統(tǒng)維護(hù)成本[8]。也正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)，列車只能通過(guò)無(wú)線通信來(lái)獲得軌旁設(shè)備狀態(tài)和其他列車位置，而無(wú)線通信的時(shí)延和丟包問(wèn)題增加了系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

行車資源的運(yùn)用有效地降低了這個(gè)安全風(fēng)險(xiǎn)，本文提出了TACS的行車資源管理辦法，包括行車資源的交互方法、交疊檢查方法和回收方法。其中，交互方法確保列車自己獨(dú)立持有進(jìn)路的資源，保障了列車的安全性；交疊檢查方法進(jìn)一步確保了行車資源的唯一性，保證系統(tǒng)的安全。

由于行車資源在傳輸時(shí)可能會(huì)丟失，影響列車正常運(yùn)營(yíng)，采用資源回收方法可以解決資源丟失所產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)問(wèn)題。

1 行車資源功能分析

1.1 安全風(fēng)險(xiǎn)

TACS中，列車自主防護(hù)原理是根據(jù)自主進(jìn)路結(jié)果并結(jié)合實(shí)時(shí)的前車位置和速度，自主計(jì)算列車移動(dòng)授權(quán)，生成列車安全防護(hù)曲線。保障列車運(yùn)行安全的資源包括行車資源和軌旁設(shè)備[9]。

在傳統(tǒng)列控系統(tǒng)中，地面控制設(shè)備每周期采集繼電器獲得軌旁設(shè)備狀態(tài)。TACS中，列車通過(guò)與OC通信獲得軌旁設(shè)備狀態(tài)，如果無(wú)線通信接口在一個(gè)通信周期內(nèi)未收到OC的數(shù)據(jù)包，這時(shí)并不會(huì)認(rèn)為通信中斷，只有連續(xù)幾個(gè)周期未收到數(shù)據(jù)包，才會(huì)認(rèn)為通信中斷。假設(shè)通信中斷時(shí)間是t，列車如果在t時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到新的數(shù)據(jù)包，那么這段時(shí)間內(nèi)列車記錄的軌旁設(shè)備狀態(tài)的準(zhǔn)確度會(huì)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而減低。例如，列車當(dāng)前獲取計(jì)軸區(qū)段是空閑，后N個(gè)周期沒(méi)有收到OC的數(shù)據(jù)包（N小于通信中斷的周期數(shù)），那么在這N個(gè)周期內(nèi)，雖然有可能計(jì)軸區(qū)段已經(jīng)占用，但列車還是認(rèn)為它是空閑狀態(tài)。當(dāng)N大于或等于通信中斷的周期數(shù)時(shí)，列車判斷通信中斷，會(huì)將設(shè)備狀態(tài)設(shè)置為安全狀態(tài)，機(jī)軸區(qū)段也會(huì)設(shè)置為占用。但在判斷通信中斷的這一小段時(shí)間內(nèi)存在著一定風(fēng)險(xiǎn)。

TACS是分布式結(jié)構(gòu)，列車之間直接通信。但在與前車建立通信前，列車獲取到的前車位置不能保證其實(shí)時(shí)性。

1.2 行車資源的特點(diǎn)與作用

由于無(wú)線通信中存在時(shí)延和丟包情況，TACS接收的數(shù)據(jù)會(huì)有一定的時(shí)延等問(wèn)題。為保障列車運(yùn)行安全和正常運(yùn)營(yíng)，增加行車資源。

行車資源是列車可以行駛的軌道，在TACS里表示為軌道ID、起點(diǎn)里程值和終點(diǎn)里程值的集合列表。列車在辦理進(jìn)路預(yù)留和授權(quán)時(shí)，應(yīng)當(dāng)先獲得進(jìn)路上的行車資源，且需要將非本車持有的行車資源作為行車路徑上的障礙物。

行車資源需要具備完整性和唯一性。完整性指行車資源應(yīng)該覆蓋整個(gè)運(yùn)營(yíng)線路上的軌道，不應(yīng)有空缺的軌道空間。唯一性指同一區(qū)域行車資源不應(yīng)被多列列車同時(shí)持有。

能夠正常通信的列車持有的資源包含列車車頭和車尾的位置，包括報(bào)告位置和可能位置。列車在辦理進(jìn)路時(shí)，依次申請(qǐng)進(jìn)路位置上的資源，并且要保證在列車行進(jìn)過(guò)程中停車點(diǎn)不能超出所持有的資源的范圍。

行車資源除了用于保障列車行駛時(shí)的安全，還用于保障列車正常運(yùn)營(yíng)，防止列車在折返時(shí)死鎖。當(dāng)前面一列車在折返站臺(tái)調(diào)頭時(shí)，如果第2列列車跟隨的太近，進(jìn)入到折返站臺(tái)前道岔的側(cè)防區(qū)域，那么第1列列車會(huì)被第2列列車堵死，無(wú)法駛出折返站臺(tái)，而第2列列車也因?yàn)榈?列列車在它前方路徑上停站，無(wú)法前進(jìn)，造成兩列列車死鎖，同時(shí)也會(huì)影響后續(xù)所有列車的運(yùn)營(yíng)。為避免該情況，折返站臺(tái)可劃分一塊折返區(qū)域，在折返區(qū)域內(nèi)沒(méi)有其他列車，不會(huì)影響列車的折返，列車在折返時(shí)必須持有完整的折返區(qū)域的資源才能駛?cè)胝鄯祬^(qū)域，并在駛出折返區(qū)域后才能釋放折返區(qū)域的資源。這樣第2列列車無(wú)法在第1列列車折返時(shí)進(jìn)入折返區(qū)域，從而避免了折返時(shí)的死鎖現(xiàn)象。

在TACS中，行車資源可以按照物理區(qū)域劃分，每塊區(qū)域需要備有一個(gè)行車資源管理員設(shè)備，管理員設(shè)備功能可以由地面OC實(shí)現(xiàn)，也可以由任意一列列車的OBC來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。TACS并未對(duì)此強(qiáng)制要求。

2 行車資源交互方法

2.1 獲得行車資源所有者信息

管理員設(shè)備具有登記列車行車資源和查詢本區(qū)域行車資源的功能。所有持有該區(qū)域資源的列車和請(qǐng)求該區(qū)域資源的列車與該資源管理員設(shè)備建立通信。資源持有者向管理員設(shè)備匯報(bào)所持該區(qū)資源的情況；請(qǐng)求該區(qū)域資源的列車向該區(qū)資源管理員設(shè)備發(fā)送查詢請(qǐng)求。管理員設(shè)備根據(jù)查詢的區(qū)域和匯總的資源持有情況，告知查詢對(duì)象資源持有者的信息。

2.2 行車資源交互的過(guò)程

列車通過(guò)管理員設(shè)備查詢到行車路徑上所需資源的持有對(duì)象，向?qū)Ψ桨l(fā)起通信鏈接請(qǐng)求，通信建立后向資源持有者請(qǐng)求需要的資源，資源持有者需要檢查是否可以釋放該區(qū)域資源，如果不需要該區(qū)域資源，就向請(qǐng)求對(duì)象移交，如果還需要持有，則不移交，例如列車不可能把列車所處位置的資源移交出去。資源持有者可以是一列列車也可以是管理員設(shè)備。行車資源交互圖如圖1所示。

圖1 行車資源交互

受控列車應(yīng)該持有本車所處位置資源，不能釋放給其他成員，包括車頭和車尾的可能范圍。列車在辦理進(jìn)路時(shí)依次請(qǐng)求進(jìn)路上的資源，進(jìn)路上的有效資源不能釋放給其他對(duì)象。有效資源指的是從列車位置開(kāi)始沿著進(jìn)路方向的連續(xù)的資源。例如：列車1辦理進(jìn)路，延進(jìn)路方向的資源依次是A、B、C。當(dāng)前資源A被列車2持有，資源B被列車3持有，資源C是列車1持有的資源，那么列車1需要先向列車2請(qǐng)求資源A。如果列車2不釋放資源A給列車1，則列車1不應(yīng)向列車3請(qǐng)求資源B。這時(shí)如果有其他列車向列車1請(qǐng)求資源C，列車1可以將資源C釋放給請(qǐng)求者，因?yàn)镃與列車當(dāng)前的位置并不連續(xù)。當(dāng)列車2將資源A移交給列車1后，列車1不能將資源A移交給其他車，因?yàn)楫?dāng)前A是列車1的有效資源，并且列車1開(kāi)始向列車2申請(qǐng)資源B。

移交行車資源時(shí)，資源持有對(duì)象一旦發(fā)出移交數(shù)據(jù)包后，就認(rèn)為其不再持有該段資源。資源申請(qǐng)對(duì)象收到被移交出的資源數(shù)據(jù)包時(shí)，則認(rèn)為這段資源屬于資源申請(qǐng)對(duì)象的。

2.3 通信故障處理

任何列車如果和該區(qū)域管理員設(shè)備非法斷開(kāi)通信，列車變?yōu)楣收宪?，只能轉(zhuǎn)入人工模式，并需要放棄列車所持有的所有該區(qū)域的資源。此時(shí)調(diào)度員可以通過(guò)管理員設(shè)備為該故障車辦理人工進(jìn)路，協(xié)助其退出運(yùn)營(yíng)。

3 管理員設(shè)備行車資源回收方法

3.1 資源回收的原因

如果在資源移交過(guò)程中出現(xiàn)意外，如兩車之間通信中斷或者丟包（不限于這種原因），資源的原持有者已經(jīng)移交出該區(qū)域資源，但沒(méi)有任何對(duì)象收到該區(qū)域資源，導(dǎo)致該區(qū)域資源不被任何列車或者管理員設(shè)備持有，那么所有列車都將無(wú)法申請(qǐng)到該區(qū)域資源，該區(qū)域資源將成為經(jīng)過(guò)這一位置任意列車的障礙物。所以管理員設(shè)備需要通過(guò)資源回收功能來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

3.2 資源回收的原則

管理員設(shè)備記錄的每列列車的資源，在收到該列車數(shù)據(jù)包時(shí)，更新記錄的資源信息。沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包，則保持當(dāng)前該列車的資源記錄。如果多個(gè)周期沒(méi)有收到數(shù)據(jù)包，則與該列車的通信中斷，清除相應(yīng)列車所有的資源記錄。

管理員設(shè)備在某個(gè)周期內(nèi)檢查到有資源空缺，不能夠馬上回收，可能只是列車發(fā)送的時(shí)序差造成的，所以必須持續(xù)幾個(gè)周期檢查到同一區(qū)域資源都空缺，才能夠回收它。

在資源移交的過(guò)程中，如果因?yàn)槁┌颍熊?已經(jīng)交出資源，列車2卻沒(méi)有收到資源。管理員設(shè)備應(yīng)該在時(shí)間T1內(nèi)回收該資源，T1必須大于列車與管理員設(shè)備的通信中斷時(shí)間，避免因通信問(wèn)題造成資源不更新。

如果有列車與管理員設(shè)備非正常中斷通信，那么列車原先持有的資源將成為無(wú)主資源，管理員設(shè)備在時(shí)間T2內(nèi)，回收監(jiān)測(cè)的無(wú)主資源。T2時(shí)間應(yīng)比T1長(zhǎng)，需要保證列車能在T2時(shí)間內(nèi)完成停車操作。如果中斷通信前，列車在正常行駛，則列車所持有的資源包含它的停車點(diǎn)，包括常用制動(dòng)停車點(diǎn)和緊急制動(dòng)停車點(diǎn)。當(dāng)列車發(fā)生故障與管理員設(shè)備中斷通信時(shí)，會(huì)觸發(fā)列車的緊急制動(dòng)。在T2時(shí)間內(nèi)，故障車持有的原資源雖然被列車放棄，但因?yàn)闆](méi)有被回收，所以不會(huì)被其他列車持有，以確保故障車剎車時(shí)，其他列車不能進(jìn)入它的區(qū)域。T2時(shí)間內(nèi)能確保車輛停止，之后資源被管理員設(shè)備回收，可以由調(diào)度員通過(guò)管理員設(shè)備辦理故障車的人工進(jìn)路。

管理員設(shè)備每個(gè)周期都檢查是否有新的需要回收的資源，并檢查更新前面已檢查到的回收資源。管理員設(shè)備維護(hù)與其通信的列車列表，檢查持有本區(qū)域資源列車的通信狀態(tài)。

3.3 資源回收過(guò)程

管理員設(shè)備每個(gè)周期檢查新的需要回收的資源并設(shè)置定時(shí)器，資源回收過(guò)程如圖2所示。

圖2 檢測(cè)回收資源過(guò)程

如圖2所示，將該區(qū)域完整的行車資源，定義為A；方形網(wǎng)格表示前面幾個(gè)周期檢查到的需要回收資源，定義為B1,···,Bn，雙箭頭代表列車和管理員所持有的該區(qū)域的行車資源，定義為C1,···,Cm。

本周期檢測(cè)到需要回收的資源塊就是其他所有資源在該OC全部資源中的相對(duì)補(bǔ)集，計(jì)算式為

或者描述為

檢查結(jié)束后，記錄該補(bǔ)集的資源，并同時(shí)設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)默認(rèn)是T1。資源回收的結(jié)構(gòu)體包含內(nèi)容為：

管理員設(shè)備更新已有的回收資源，減去本周期檢查到的列車持有的資源部分，如圖3所示。如果該回收資源已清空，則取消其對(duì)應(yīng)的定時(shí)器。如果本周期檢查到有和其他列車發(fā)生通信中斷，則將當(dāng)前所有定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)改為T(mén)2，且起始時(shí)間不變。更新已檢測(cè)的回收資源如圖3所示。

再如，俄羅斯著名史詩(shī)《伊戈?duì)柍稣饔洝匪鑼?xiě)的是伊戈?duì)柡筒宸蛉薣注]波洛夫人，又稱欽察人，11—12世紀(jì)在多瑙河與伏爾加河之間的草原上和亞速海邊游牧，漁獵，最早于1055年與羅斯(即今俄羅斯)人接觸。之間的戰(zhàn)事，其中幾乎每次戰(zhàn)役都能從俄羅斯的《編年史》、《三圣編年史》、《伊帕吉夫編年史》、塔吉曉夫《俄國(guó)史》中找到歷史的記載。例如，史詩(shī)描寫(xiě)的涅米加之戰(zhàn)中，伊戈?duì)柋环?，?jì)劃出逃時(shí)：

以某個(gè)周期收集的需回收的資源Bx為例，如圖3的方形網(wǎng)格，雙箭頭是列車和管理員所持有的該區(qū)域的行車資源，定義為C1,···,Cm。

圖3 更新已檢測(cè)到的回收資源

更新后的資源是所有列車的資源在準(zhǔn)備回收資源Bx中的相對(duì)補(bǔ)集，其中，x∈(1,···,n)，計(jì)算式為

或者描述為

更新當(dāng)前每個(gè)回收資源，如果待回收資源為空，則刪除空的回收資源塊。

檢查當(dāng)前存在的資源塊的定時(shí)器是否到時(shí)間，到時(shí)間后，回收對(duì)應(yīng)的資源到本管理員設(shè)備。

管理員設(shè)備需要維護(hù)與其通信的列車列表，判斷是否有列車中斷通信。管理員設(shè)備每周期檢查列車列表，如果與其通信的列車有所管理區(qū)域的資源，則添加該列車到列車列表。

在收到列表中列車的數(shù)據(jù)包時(shí)，如果該列車不持有該區(qū)域的資源，則將其從列表里刪除。

管理員設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)，按照T2時(shí)長(zhǎng)回收區(qū)域內(nèi)的行車資源。

4 管理員設(shè)備資源交疊檢查方法

4.1 資源交疊檢查的必要性與原則

列車的“地盤(pán)”不重合，是保證列車安全的有效手段。正常情況下不會(huì)出現(xiàn)資源交疊的情況，但如果有通信問(wèn)題或回收不當(dāng)，則有可能產(chǎn)生交疊。交疊后果會(huì)很嚴(yán)重，兩輛車可行駛的軌道區(qū)域如果有交疊會(huì)導(dǎo)致兩車有相撞的潛在風(fēng)險(xiǎn)，管理員設(shè)備需要通過(guò)行車資源交疊檢查功能有效發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題。

管理員設(shè)備判斷資源重疊時(shí)，同樣需要在一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到同樣區(qū)域的資源被兩列列車持續(xù)持有，才能判斷為重疊。時(shí)間必須大于列車與管理員設(shè)備的通信中斷時(shí)間，避免由于通信問(wèn)題造成資源未更新。

4.2 資源交疊檢查的具體過(guò)程

管理員設(shè)備每個(gè)周期都檢查所有通信列車的資源，包括自身的資源是否有兩兩交疊的情況。本周期檢測(cè)到的交疊資源連同交疊的列車ID，需要與前面周期檢查到的交疊資源進(jìn)行比較。

已經(jīng)記錄的交疊資源J1，每個(gè)周期都需要檢查更新。J1需要與本周期檢查到的同樣兩列列車的交疊資源J比較，與J取交集。而新檢查到的交疊資源應(yīng)該與J1取補(bǔ)集，計(jì)算公式為

如果J不為空，則需要設(shè)置一個(gè)定時(shí)器并記錄，定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)是參數(shù)配置，應(yīng)大于通信中斷時(shí)間，結(jié)構(gòu)體包含內(nèi)容為：

如果J1為空，應(yīng)該取消J1的定時(shí)器，并清空J(rèn)1對(duì)象。

如果有交疊的定時(shí)器到時(shí)，那么TACS需要做最高等級(jí)的故障報(bào)警，確保該區(qū)域內(nèi)所有列車盡可能立刻停車。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的列車自主運(yùn)行系統(tǒng)行車資源管理辦法在青島1號(hào)線某試驗(yàn)段上試用的結(jié)果表明，該方法有效地規(guī)避了無(wú)線通信中延時(shí)和丟包問(wèn)題帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，保障了列車的安全。其中，行車資源交互方法，確保列車自己獨(dú)立持有進(jìn)路的資源，保障了列車自主進(jìn)路和自主防護(hù)的正確執(zhí)行。交疊檢查方法進(jìn)一步確保了行車資源的唯一性，保障系統(tǒng)的安全。而資源回收方法，解決了資源交互時(shí)可能產(chǎn)生的資源丟失問(wèn)題，保障了列車的正常運(yùn)營(yíng)。在試驗(yàn)線上，多車追蹤在行車資源的防護(hù)下安全可靠的執(zhí)行。未來(lái)，行車資源管理方法還可以進(jìn)一步完善，提高人工防護(hù)列車故障時(shí)的安全性。