基于V2V網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王治學(xué)

(北京瑞拓電子技術(shù)發(fā)展有限公司,北京 100400)

隨著城市化進(jìn)程的加快，從建設(shè)、運(yùn)營、管理等方面以信息共享平臺為核心的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，促使城市軌道交通的自動化水平進(jìn)入到了一個新的階段.軌道交通的運(yùn)行是建立在高度安全基礎(chǔ)之上的，為了實(shí)現(xiàn)這一目的，除了提供質(zhì)量可靠的車輛、供電、機(jī)電等設(shè)備外，還必須對這些設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，使之運(yùn)行在可控制的范圍內(nèi)，從而保證軌道交通運(yùn)行的安全、高效[1].竺方輝等[2]將城市軌道交通系統(tǒng)內(nèi)部分散、獨(dú)立的自動化系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)系統(tǒng)之間的信息交換和資源共享.蔡佳妮[3]指出由于城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間存在著大量的接口和數(shù)據(jù)交互，使其安全可靠性問題日益突出.為了兼顧城市軌道交通的安全與便捷，目前多使用基于 PSCADA(電力監(jiān)控系統(tǒng))的綜合監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)是一個可與多種機(jī)電一體化設(shè)備系統(tǒng)互聯(lián)的綜合自動化系統(tǒng)，其功能設(shè)計(jì)較為全面.在實(shí)際工程中，ISCS(信息業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng))軟硬件的安裝調(diào)試都比較順利，但是接口調(diào)試較為困難，直接影響了監(jiān)控的效果.為此，在擴(kuò)音系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了PA(放大電路)廣播綜合監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)采用一體化監(jiān)控模式，實(shí)現(xiàn)與信號系統(tǒng)的互聯(lián)互通，但由于系統(tǒng)接口的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)交換的復(fù)雜性，使得監(jiān)測效果較差.為了解決以上問題，設(shè)計(jì)了基于V2V網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)，以求為我國城市軌道交通自動化系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)提供理論參考.

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過V2V網(wǎng)絡(luò)控制流與數(shù)據(jù)流的相關(guān)度分析，可以為城市軌道交通綜合監(jiān)控提供服務(wù).系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由4個層次組成，即綜合決策層、監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和服務(wù)層.其中，綜合決策層負(fù)責(zé)信息決策，監(jiān)控層負(fù)責(zé)監(jiān)測軌道交通線路運(yùn)營情況，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)通信鏈路故障監(jiān)測信息傳輸，服務(wù)層負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場信息[4].系統(tǒng)還結(jié)合V2V網(wǎng)絡(luò)通信平臺，為各個層次提供網(wǎng)絡(luò)支持，保證數(shù)據(jù)快速共享，使得駕駛員遇到緊急情況能夠及時反應(yīng)[5].

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 綜合決策層

該層負(fù)責(zé)監(jiān)控全線系統(tǒng)，主要用于各種應(yīng)用系統(tǒng)中的信息決策，制定交通運(yùn)行計(jì)劃，與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行交互.該通訊平臺通過網(wǎng)絡(luò)通訊平臺和共享架構(gòu)提供數(shù)據(jù)傳輸支持.

1.2 監(jiān)控層

該層負(fù)責(zé)監(jiān)測站內(nèi)各子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，并根據(jù)信息設(shè)計(jì)相應(yīng)的決策層，確保各子系統(tǒng)的相對獨(dú)立性，便于根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展分析[6].該層設(shè)備主要是監(jiān)控器，對車站、車輛段、列車及主變電所進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控.全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)[7]如圖2所示.該系統(tǒng)根據(jù)軌道交通運(yùn)營管理模式，采用二級控制方式，即以車站和值班人員控制為主，在發(fā)生緊急事故時，將OCC一級控制轉(zhuǎn)換為中心調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)對整個城市軌道交通線路運(yùn)營監(jiān)測.

圖2 全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

在監(jiān)控層和服務(wù)層之間部署V2V網(wǎng)絡(luò)通信平臺和網(wǎng)關(guān).綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)[8]如圖3所示.由圖3可知，設(shè)備層1的裝置與設(shè)備層2高級網(wǎng)關(guān)相連，設(shè)備層2高級網(wǎng)關(guān)與設(shè)備層3通信服務(wù)器相連，設(shè)備層3通信服務(wù)器均與設(shè)備層4后臺服務(wù)器相連.網(wǎng)關(guān)管理員負(fù)責(zé)對每個網(wǎng)關(guān)的設(shè)備進(jìn)行配置和管理，同時在設(shè)備層2上安裝了高級網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)關(guān)管理器.客戶機(jī)通過接收網(wǎng)關(guān)的定時廣播包來決定連接哪個網(wǎng)關(guān)，如果某個網(wǎng)關(guān)發(fā)生故障，則每個客戶機(jī)都不能接收到故障網(wǎng)關(guān)的廣播包，也不能連接該網(wǎng)關(guān)，從而避免了設(shè)備層2通信鏈路上的單點(diǎn)故障.高級網(wǎng)關(guān)通過V2V網(wǎng)絡(luò)通信平臺與后臺系統(tǒng)通信，每個高級網(wǎng)關(guān)可以同時連接4個通信服務(wù)器[9].

V2V網(wǎng)絡(luò)通信平臺主要用于各種應(yīng)用系統(tǒng)的信息傳輸，并對監(jiān)控系統(tǒng)中各個模塊產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)各個模塊之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)[10].平臺通過V2V網(wǎng)絡(luò)將短信和多媒體數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集成與傳輸,通過物理鏈路,網(wǎng)絡(luò)將各個獨(dú)立的工作站或主機(jī)連接起來，形成數(shù)據(jù)鏈[11].通過統(tǒng)一處理，在單終端上達(dá)到了資源共享.利用V2V網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過專業(yè)網(wǎng)絡(luò)將車輛的位置和速度信息發(fā)送給另一輛車，這樣當(dāng)另一輛車的駕駛員收到報警信息時，事故的可能性就會降低[12].V2V是一種傳輸、捕獲、中繼信號的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，跳轉(zhuǎn)5～10個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可探測1 mile外的流量，使得駕駛員有足夠的時間采取應(yīng)急措施；利用通信平臺收集站內(nèi)的各種信息，形成數(shù)據(jù)共享平臺，為綜合決策提供數(shù)據(jù)支持[13].如在正常運(yùn)行1線程500 ms的周期中，網(wǎng)關(guān)管理器定期向通信服務(wù)器維護(hù)鏈路心跳檢測包，若連續(xù)接收不到通信服務(wù)器響應(yīng)包的心跳檢測包，則表明通信服務(wù)器的通信鏈路連接失敗，由此就可確定設(shè)備層2通信鏈路故障.

圖3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

1.4 服務(wù)層

該層的系統(tǒng)服務(wù)器包括綜合旅游服務(wù)子服務(wù)器、自動售票機(jī)子服務(wù)器,運(yùn)營服務(wù)器包括列車自動控制子服務(wù)器和電力調(diào)度子服務(wù)器,安全服務(wù)器包括火警預(yù)報子服務(wù)器和環(huán)境控制子服務(wù)器[14].該層負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場信息，維護(hù)和管理現(xiàn)場設(shè)備，根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)，更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備運(yùn)行，充分發(fā)揮設(shè)備的作用，保障軌道交通正常運(yùn)行.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在車輛上安裝強(qiáng)大的車載設(shè)備，通過V2V網(wǎng)絡(luò),與其他車輛進(jìn)行無線通訊，將車輛定位、狀態(tài)信息采集和無線通訊等功能結(jié)合起來，使車輛之間能夠進(jìn)行廣泛的通訊，并及時向駕駛員提供周圍情況或查看道路信息、交通信息等，保證駕駛員有足夠的時間做出正確決定.

2.1 V2V網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議棧信道管理

在基于MAC層協(xié)議通信環(huán)境的V2V網(wǎng)絡(luò)中，城市軌道交通綜合監(jiān)測設(shè)備的節(jié)點(diǎn)必須采用協(xié)議棧信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.根據(jù)可同時使用的 MAC實(shí)體數(shù)，城市軌道交通綜合監(jiān)測將天線裝置分為單天線裝置和多天線裝置兩種[15].單天線裝置能夠穩(wěn)定在單一信道上傳輸信號，而多天線裝置則能夠在 CCH公用傳輸信道和 SCH同步信道上同時實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問控制和信號同步傳輸.為確保2個信道能穩(wěn)定地傳輸信號，需要采取交替協(xié)調(diào)措施，以實(shí)現(xiàn)對信道的訪問控制.交替協(xié)調(diào)措施主要有4種信道占用模式，如圖4所示.

1)單一信道連續(xù)占用模式.多天線裝置在1條信道上工作，即CCH公用傳輸信道或SCH同步信道，當(dāng)在1條信道上工作時，另外1條信道停止傳輸.

2)信道交替占用模式.多天線裝置在2條信道上工作，即CCH公用傳輸信道和SCH同步信道往復(fù)交替?zhèn)鬏斝盘枺惶嬷芷跒樾盘柾絺鬏數(shù)囊话?

3)搶占模式.多天線裝置在2條信道上后采用不固定的交替方式傳輸信號，當(dāng)CCH公用傳輸信道處于空閑狀態(tài)時， SCH同步信道可提前占用時隙，但在下個交替周期時，應(yīng)再次切換到 CCH公用傳輸信道.

4)擴(kuò)展模式.多天線裝置在2條信道上工作時，SCH同步信道在多天線設(shè)備同時工作的情況下，不需要在同步間隔時間開始時切換到 CCH公共傳輸信道，就可以請求多個同步間隔時間的占用，從而實(shí)現(xiàn)信道的相對自由切換.

圖4 V2V網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議棧4種信道占用模式

2.2 V2V網(wǎng)絡(luò)窗口丟包退避算法

由于每個節(jié)點(diǎn)在V2V模式下都可以檢測到信道資源分配過程中的數(shù)據(jù)包丟失情況，所以該模式下V2V網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過固定最小競爭窗口進(jìn)行退避，有效減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞不確定性.

圖5 一維Markov模型

由于每個節(jié)點(diǎn)都有1個唯一媒體訪問控制地址，因此所有車輛和廣播新聞媒體的訪問控制地址信息都與源節(jié)點(diǎn)相關(guān)，從而使接收節(jié)點(diǎn)能夠接收來自源節(jié)點(diǎn)的媒體訪問控制地址信息.媒體存取控制地址和接收時間信息存在于本地鄰居中，如果是媒體存取控制地址信息，則更新接收時間；否則，則添加 MAC地址和接收時間.同時，如果通信范圍內(nèi)的某個節(jié)點(diǎn)離開了該范圍，則不會發(fā)送通知，因此應(yīng)設(shè)置觀察間隔，以更新本地鄰居信息，刪除過期的鄰居信息，并在觀察周期結(jié)束時獲得競爭節(jié)點(diǎn)的數(shù)量.為保證最小競爭窗口選擇結(jié)果的準(zhǔn)確性，初始觀測值應(yīng)為本次監(jiān)測和前2次監(jiān)測的平均值，判別其結(jié)果是否小于設(shè)定的閾值：若是，則不滿足最小競爭窗口與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，此時最小競爭窗口的初始值為常數(shù)，否則，按最小競爭窗口與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系取整數(shù).

在確定最小競爭窗口初始值后，構(gòu)建一維Markov模型，以減小碰撞概率，如圖5(W0為退避系數(shù))所示.

由圖5可知，通過離散Markov鏈，節(jié)點(diǎn)在某個時刻傳送數(shù)據(jù)的概率τ是獨(dú)立的退避過程.用{k}描述每個節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)狀態(tài)，k為退避計(jì)數(shù)值，設(shè)傳送數(shù)據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率為P{b(t)=k}，由此得到的Markov鏈極限平穩(wěn)分布公式為

(1)

式中：Pk為穩(wěn)態(tài)概率，t為時間段，k∈[0,W0-1].可推導(dǎo)出某個時刻傳送數(shù)據(jù)的概率

(2)

結(jié)合式(2)，每次發(fā)送之前，需先等到退避計(jì)數(shù)值降為0.通常在信道繁忙的情況下，其概率表達(dá)式為

Pb=1-(1-τ)n′，

(3)

式中n′ 表示節(jié)點(diǎn)競爭信道.該公式表達(dá)的是當(dāng)信道忙概率為1的情況下，減去所有競爭節(jié)點(diǎn)都空閑時的概率.

在信道不存在誤碼情況下，碰撞信號傳輸概率

Pc=Pb-Ps，

(4)

式中Ps表示節(jié)點(diǎn)成功傳輸且不發(fā)生碰撞的概率.當(dāng)某個時刻傳送數(shù)據(jù)的概率Pc≤1，可以確定碰撞信號傳輸概率最小，此時的最小競爭窗口與節(jié)點(diǎn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系是1個單調(diào)遞增函數(shù).在節(jié)點(diǎn)間競爭通道被選擇時，只有1個對應(yīng)的競爭窗口.隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，最小競爭窗增大，碰撞概率減小.

2.3 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳送流程設(shè)計(jì)

將有效監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)，通過主機(jī)對城市軌道交通進(jìn)行實(shí)時綜合監(jiān)控.中央監(jiān)控系統(tǒng)中的狀態(tài)數(shù)據(jù)直接上傳到主機(jī)，數(shù)據(jù)由站級存儲轉(zhuǎn)化為站級，并選擇性地傳輸?shù)街醒雽?其具體過程如下：

Step1：各子系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)并存儲.

Step2：中央監(jiān)控系統(tǒng)是在預(yù)定可控性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，按照預(yù)先設(shè)定的自我管理協(xié)調(diào)模式，主動上傳需要集中協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù).

Step3：所有工作站和控制中心的設(shè)備狀態(tài)通過事件服務(wù)更新.

Step4：各個位置或控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)督或協(xié)調(diào)，一旦發(fā)現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)，則應(yīng)立刻發(fā)出預(yù)警信號.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與參數(shù)

以某市3號線地鐵交通為例.該地鐵系統(tǒng)為全封閉運(yùn)行，車輛平均運(yùn)行速度>36 km/h.A型車輛長度為21.0 m，寬度為2.9 m，軸重<17 t；B型車輛長度為18.0 m，寬度為2.7 m，軸重<15 t.兩者的線路半徑分別大于210、260 m.動力系統(tǒng)監(jiān)控平臺如圖6所示.

圖6 動力系統(tǒng)監(jiān)控平臺

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，影響監(jiān)控結(jié)果的指標(biāo)主要有兩種，分別是數(shù)據(jù)包碰撞概率P1和數(shù)據(jù)包過期丟棄概率P2，即

(5)

(6)

式中：n表示發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)包總數(shù)，m表示過期丟棄數(shù)據(jù)包總數(shù)，N表示發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù).數(shù)據(jù)包碰撞概率低、數(shù)據(jù)包過期丟棄概率高，說明監(jiān)控系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)是真實(shí)有效的，在真實(shí)有效數(shù)據(jù)支持下，該系統(tǒng)監(jiān)控效果較好.

3.3 結(jié)果與分析

分別使用PSCADA綜合監(jiān)控系統(tǒng)、PA廣播綜合監(jiān)控系統(tǒng)和基于V2V網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)對比數(shù)據(jù)包碰撞概率和數(shù)據(jù)包過期丟棄概率.對比結(jié)果如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)包碰撞概率和數(shù)據(jù)包過期丟棄概率對比

由圖7可知， PSCADA綜合監(jiān)控系統(tǒng)受到測控單元、監(jiān)控單元及整流器監(jiān)控單元等接口調(diào)試不及時影響，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，最小碰撞概率為0.17，最大過期概率為0.18.PA廣播綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合工控機(jī)軟件，與信號系統(tǒng)直接相連，有人工廣播、預(yù)錄音廣播、PA界面、主控與屏蔽門接口等，接口眾多，數(shù)據(jù)交互量大，也出現(xiàn)了丟包問題，最小碰撞概率為0.18，最大過期概率為0.18.基于V2V網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)采用了V2V網(wǎng)絡(luò)窗口丟包退避算法，使信道資源分配公平，最小碰撞概率為0.05，最大過期概率為0.27.

通過上述對比結(jié)果可知，使用基于V2V網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)包碰撞概率低、數(shù)據(jù)包過期丟棄概率高，系統(tǒng)監(jiān)控效果較好.

4 結(jié)語

綜合監(jiān)控系統(tǒng)層之間的數(shù)據(jù)傳輸是多層、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的重要環(huán)節(jié)，在設(shè)備層和通信服務(wù)器層之間設(shè)置網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可以保證監(jiān)控業(yè)務(wù)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行.在V2V網(wǎng)絡(luò)廣播模式下，通過對最小競爭窗口丟包進(jìn)行算法研究，有效地減少了網(wǎng)絡(luò)擁塞的不確定性.在V2V網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用改進(jìn)的媒體訪問控制層協(xié)議是一種新的部署方式.該系統(tǒng)雖然能進(jìn)行精確監(jiān)控，但車輛節(jié)點(diǎn)間的通信距離并不能被控制，因此建議采用無線信號功率來控制車輛節(jié)點(diǎn)間的通信距離，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整信號傳輸功率，以提高網(wǎng)絡(luò)性能.