基于車車通信的列控系統(tǒng)后備模式研究

李強 ，陳子健

(1.蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省工業(yè)交通自動化工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730070)

目前，城市軌道交通主要采用的列車運行控制系統(tǒng)為基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communica‐tion Based Train Control, CBTC)，是一種典型的多模列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用點式系統(tǒng)作為后備系統(tǒng)，正常情況下利用車地無線通信獲得移動授權，當通信故障時，車載系統(tǒng)通過地面設備可變應答器或環(huán)線獲得移動授權和控制命令，采取固定閉塞的運行方式。該模式需要鋪設大量軌旁設備，僅能實現軌旁設備到車載的單向且不連續(xù)的傳輸，且僅當列車通過有源信標時才能獲得軌旁發(fā)出的信息，對列車運行影響較大，易造成大規(guī)模晚點。由于長期演進系統(tǒng)(Long Term Evolution, LTE)中無線通信技術的發(fā)展，“車?車”(Train to Train，T2T)的通信方式成為了可能。曹源等[1?4]提出了基于超短波的直接通信方案，實現了兩車間的直接通信，MORENO等[5?12]證明了車車通信方式可以應用于城市軌道交通中無線通信系統(tǒng)，因此，新一代的基于車車通信的列控系統(tǒng)產生。該系統(tǒng)采用“車?車”的通信方式，能實現兩車間的直接通信，減少軌旁設備的配置，提高運行效率，但尚無與之對應的后備模式。多模列控系統(tǒng)對狀態(tài)的并發(fā)性，切換的實時性有著較高的要求，Petri網能有效描述系統(tǒng)的并發(fā)性和異步性，模型中加入的時間參數能滿足系統(tǒng)的時間約束性，趙曉宇等[13]利用有色Petri網對CTCS3級列控系統(tǒng)下RBC切換進行了建模與分析，得出了列車速度、消息重發(fā)時間間隔對RBC切換的時間的影響，鄭藝等[14?15]基于有色Petri網構建驗證了CTCS3級列控系統(tǒng)下車載設備模式轉換的模型。車車通信列控系統(tǒng)作為安全苛求性系統(tǒng)，當車-車通信發(fā)生故障時，也要保證列車的安全運行，但尚無文獻對車車通信下新型列控系統(tǒng)的后備模式進行研究。本文通過分析車車通信列控系統(tǒng)的結構和功能，提出了一種車地通信方式作為新型列控系統(tǒng)的后備模式，利用有色Petri網建立模式切換模型，并對模型中系統(tǒng)切換時間進行分析，得出后備模式下不同時間間隔設計對列車運行的影響。

1 車車通信列控系統(tǒng)

基于車車通信的列控系統(tǒng)取消了地面的區(qū)域控制器和聯(lián)鎖控制設備，將原先地面設備的各項功能整合至車載設備中，實現以車載為核心的控制架構，提高列車的自主性?；谲囓囃ㄐ诺牧锌叵到y(tǒng)結構如圖1所示，包括中心設備，車載設備和軌旁設備三大部分。中心設備包括智能列車監(jiān)控系統(tǒng)(Intelligent Train Supervision, ITS)和列車信息管理中心(Train Information Management Center,TMC)，ITS負責行車計劃的制訂與下發(fā)，監(jiān)督列車運行，與CBTC系統(tǒng)中ATS的功能類似。TMC是儲存信息的數據庫，所有列車上線后需在TMC中登記本車信息，包括車次號，IP地址，所在位置等，并向管轄范圍內列車提供其他列車的信息，同時，救援車等非通信列車進入線路后也要向TMC報備。車載設備主要包括車載聯(lián)鎖模塊，車載通信模塊和車載移動授權模塊等，車載聯(lián)鎖模塊負責進路的控制和軌旁設備控制命令的發(fā)布，車載通信模塊包括車地通信模塊和車車通信模塊，分別負責列車和地面，列車和列車之間的通信，車載移動授權模塊負責為本車提供移動授權。軌旁設備主要包括應答器和對象控制器(Object Con‐troller, OC)，OC負責采集道岔的狀態(tài)以供ITS和列車的查詢，并接收和執(zhí)行列車發(fā)送的指令。

圖1 車車通信系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the train-to-train communication system

列車在區(qū)間正常運行時既要與前車保持通信以獲取前車位置信息，又要與地面的TMC進行周期性通信以更新自身的位置信息，因此，將車車通信列控系統(tǒng)運行模式分為車車模式(T2T)和車地模式(T2G)，列車駕駛模式主要分為自動駕駛模式(AM/AM-G)，完全監(jiān)控模式(SM/SM-G)，限制人工駕駛模式(RM)。當列車車載通信設備中的車車通信模塊故障時，列車無法進行車車通信來獲取位置信息，但仍能通過車地通信模塊與地面設備TMC通信來獲取TMC中存儲的相關聯(lián)列車的位置信息，此時，列車可切換為車地模式，根據地面設備提供的位置信息來生成移動授權。另外，當列車距離過大或者車車通信鏈路信道質量較差無法保證通信質量時，列車也能切換為車地通信的模式。

2 模式切換模型建立

2.1 模式切換流程分析

列車在區(qū)間正常運行時，列車處于T2T模式，以AM模式運行，如圖2所示，后車與前車進行周期性的車車通信，后車根據所獲得的前車位置信息在車載移動授權模塊中實時計算移動授權(Mo‐bile Authorization, MA)并送至車載ATP模塊，形成ATP曲線。同時兩車周期性向TMC匯報自身的位置信息。

圖2 T2T模式運行示意圖Fig.2 Operation diagram of T2T mode

當后車因故障與前車通信中斷時，后車ATP輸出緊急制動，司機緩解后選擇后備模式，經與ITS確認后，列車轉為RM模式(限速25 km/h)且車載ATP以上一個周期收到的前車位置生成制動曲線，同時，后車向TMC申請前車的位置信息，若TMC能更新前車的位置信息且與后車通信正常，那么后車切換為T2G模式，后車根據TMC中獲得的前車位置信息可將駕駛模式升級為AM-G或SMG。切換流程如圖3所示。

圖3 區(qū)間運行系統(tǒng)模式切換流程圖Fig.3 Flowchart of system mode switching

當列車處于T2G模式，前車的位置由TMC發(fā)送給列車，如圖4所示，前車處于正常運行T2T模式，周期性向TMC匯報自身位置，TMC將前車位置轉發(fā)給后車，后車根據從TMC處得到的列車位置生成移動授權。由于TMC中所存儲的列車位置為上一通信周期的位置，因此后車的追蹤間隔距離變短。

圖4 T2G模式運行示意圖Fig.4 Operation diagram of T2G mode

2.2 模式切換建模

車車通信列控系統(tǒng)采用的是連續(xù)的無線傳輸，當列車在T2G模式下時仍能隨時與前車建立通信，一旦與前車通信建立成功并收到有效的前車位置信息時就能切換到T2T模式，實現實時切換，因此，主要對T2T模式轉為T2G模式進行建模分析。

當列車由T2T模式轉為T2G模式時，T2G模式不能立即可用，這是由于中心設備存在一定的處理時間，地面設備和車載設備也都有著相互獨立的時鐘，TMC收到前車的位置信息后必須等待下一個通信周期才能發(fā)送給后車，并且車地信息傳輸時也存在一定的通信延遲。同時，由于TMC的管轄范圍是有限的，還需要增加判斷前車在TMC管轄范圍內的可運行時間?；赥2T模式切換至T2G模式的流程和功能分析，建立HTCPN模型如圖5所示，由庫所集P和變遷集T構成。

圖5 T2T轉T2G模式模型Fig.5 Model of T2T switching to T2G

庫所集P={Train, T2T Invalid, decelerate, Fault,Confirm, RM, Model, K_RM}。

其中Train, Model分別表示列車初始T2T模式狀態(tài)和切換后的模式狀態(tài)，T2T Invalid和Fault表示T2T不可用狀態(tài)，RM和K_RM表示列車的RM模式，decelerate表示列車減速后的狀態(tài)，Confirm表示ITS收到列車切換模式請求后確認列車可以切換模式。

變遷集T ={T2TLost, Brake, ITS, Change,T2G}。

其中，T2TLost描述列車車車通信故障后丟失了前車的位置，列車開始準備模式切換，ITS為列車向中心ITS匯報模式切換請求，根據地鐵處理流程，通常在2 min之內，此處利用延遲函數Idelay()隨機產生一個延遲值，變遷Change為列車司機收到同意信息后切換模式開關的反應時間，在復雜情況下通常為0.4～1.2 s[12]，用函數pdelay()表示，Brake為包含子頁的可置換變遷，描述了列車車車通信故障后減速制動的過程，T2G也為可置換變遷，描述了T2G模式初始化的過程。

State為模型中托肯(TOKEN)定義，由模式和速度復合而成(MSG，v)，表示列車當前所處的模式和速度，模式包括T2T下的AM，SM模式，T2G下的AM-G，SM-G模式，限速下的RM模式和無模式None，列車的初始速度由函數v0()產生，取25～80 km/h，由于本次模型中時間參數單位為s，因此利用v0()隨機產生一個7～22 m/s的初始速度。托肯TimeState中加入了Td()時間函數，作用為計算模式切換前所需的時延。

頂層模型描述為列車在區(qū)間正常運行時，由于車車通信故障，列車一方面減速制動調至RM模式，一方面與地面ITS確認請求切換模式，當ITS同意后，經過變遷T2G判斷切換條件是否滿足，滿足則轉至T2G模式，反之則保持RM模式制動。

置換變遷Brake描述了列車在車車通信不可用的情況下減速制動的過程，如圖6所示，子模型中庫所T2T Invalid為列車車車通信故障后的狀態(tài)，變遷Delay表示列車ATP觸發(fā)緊急制動的過程，該時延包括緊急制動觸發(fā)的反應時間和車載設備運行計算時間[16]，用時間函數delay表示，本文分別取0.75 s和0.35 s。列車觸發(fā)制動后，Release為列車制動狀態(tài)，由于列車速度為隨機產生值，根據列車當前速度的不同，利用并發(fā)的狀態(tài)來描述，當列車速度小于7 m/s時，在變遷Keep中保持當前速度并由ATP規(guī)劃停車曲線，當列車速度大于7 m/s時，在變遷Braking列車減速至7 m/s制動，最后輸出至decelerate，其中制動加速度取0.8 m/s2。

圖6 Brake子模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of Brake sub-mode

置換變遷T2G為列車進行模式切換的過程，如圖7所示，列車經ITS確認后減速切換為RM模式，列車向地面設備TMC申請前車的位置信息。若車地通信也出現故障，那么列車在RM模式下以最后時刻收到的前車位置信息進行制動。若車地通信正常，在ConfirmB變遷中確認前車是否在當前TMC管轄范圍內以及在當前TMC管轄范圍之內的可運行時間，若前車不在當前TMC的管轄范圍之內，則列車保持RM模式直至行駛到下一個TMC管轄范圍內再查詢前車的位置信息。若兩車同屬一個TMC管轄，經TMCSend將前車通信情況和位置發(fā)送給后車，經后車車載判斷后可將模式升級為T2G模式。

圖7 T2G子模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of T2G sub-mode

當后車的車車通信故障時，若兩車同屬一個TMC1管轄時，如圖8所示，t1為列車在當前TMC1管轄范圍內已運行的時間，由于車車通信故障會在任意時刻發(fā)生，時間值隨機產生，車車通信下列車正常追蹤間隔為tT2T，T2G模式設計間隔時間為tT2G，td為后車模式切換所需時間，則后車成功切換模式后，前車列車2在TMC1管轄范圍內可運行的時間t2為t2=tT2G-t1-tT2T-td。即模型中的Interval()，該時間也是后車列車1模式切換成功后能以T2G模式運行的時間。若在后車進行模式切換的過程中，前車已駛出當前TMC的管轄范圍(t2<0)，那么后車也無法切換模式。

圖8 Confirm B時間參數圖Fig.8 Confirm B time parameter diagram

當后車的車車通信故障時，若前車已駛離當前TMC1管轄范圍，那么后車無法從TMC1中獲取前車位置信息，則以當前TMC1管轄范圍的終點生成移動授權，并從車車通信不可用時所在的位置以RM模式的速度運行至下一個TMC2管轄范圍處，其所需時間最大值(tT2G?t1)為以RM的速度(vRM)運行T2G設計運行間隔的距離(v0?tT2G)所需的時間，即其中，v0為列車最大運行的速度，由于列車車車通信故障可能在運行的任意位置發(fā)生，該時間值在模型用隨機函數Rundelay()產生。當后車運行至下一個TMC2管轄范圍內時再進行登記并查詢前車的位置信息。

3 模式切換模型仿真分析

根據建立的模式切換模型，相關參數如下，列車最高運行速度為80 km/h，列車在RM模式下限速25 km/h，T2T模式下列車運行追蹤間隔設計為90 s，T2G模式的設計間隔分別為180，210和240 s。對3種運行間隔分別進行10 000次仿真，得到不同T2G模式設計間隔下切換成功次數如圖9所示?？梢钥吹剑Ｊ角袚Q的成功次數隨設計間隔的增大而增大，其中，切換失敗的原因是由于后車在切換過程中，前車已經駛出了當前TMC的管轄范圍。

圖9 模式切換成功次數Fig.9 Mode switching success times

對能夠成功切換至T2G模式的列車時間參數進行統(tǒng)計，得到列車的模式切換時間與可運行時間分布如圖10所示。

圖10 3種T2G設計間隔切換運行時間分布Fig.10 Three kinds of T2G design interval switching operation time distribution

根據仿真所得數據，對模式切換的成功率和模式切換與運行時間統(tǒng)計，見表1。

表1 不同T2G設計間隔下系統(tǒng)切換實時性Table 1 Real-time system switching under different T2G design intervals

假定A，B 2站之間的距離為2 000 m，兩車正常運行速度為20 m/s，兩車最大加速度為1 m/s2，制動加速度為0.8 m/s2。取T2G模式設計間隔為240 s仿真結果中的一組數據，當列車在30 s時出現車車通信故障，即t1為30 s，中心ITS處理時間為80 s，此時列車在T2G模式下能運行45 s，得到2種情況下的速度?時間曲線如圖11和圖12所示。可以看到，正常情況下，列車從A站出發(fā)，經過123 s到達B站，當列車出現車車通信故障時，列車經過模式切換，以T2G模式運行，最終花費184 s到達B站。即延誤61 s，滿足3 min的需求，同時，紅色線為列車以T2G模式運行，時間為20 s，滿足45 s內的運行時間。

圖11 列車正常運行速度-時間曲線Fig.11 Speed-time curve of normal train operation

圖12 列車故障情況速度-時間曲線Fig.12 Speed-time curve of train failure condition

結合以上圖表，由仿真運算的結果可知，當列車出現車車通信故障時，列車由T2T模式切換至T2G模式時，切換成功率隨T2G模式設計間隔增大而增大，為保證列車晚點時間不大于3 min，T2G模式的可運行時間越大越好。在設計間隔為240 s時，才有較大可能將運行晚點時間控制在3 min之內，即為了滿足3 min的晚點要求，T2G模式設計間隔應大于240 s，且通信條件許可下，T2G模式設計間隔越大越好。

4 結論

1) 根據車車通信列控系統(tǒng)的功能結構，提出了車車模式(T2T)和車地模式(T2G) 2種列控系統(tǒng)運行模式，并將T2G模式作為列控系統(tǒng)的后備模式，較之CBTC列控系統(tǒng)，列車無需行駛至信標處才發(fā)生模式切換，運行效率更高。

2) 為評估T2T模式向T2G模式切換的實時性，建立了模式切換的HTCPN模型，能有效描述車車通信列控系統(tǒng)模式切換的過程。

3) 通過對模型的仿真分析表明，列車模式切換成功率隨T2G模式設計間隔增大而增大，當列車因車車通信故障導致運行模式降級時，將T2G模式設計間隔為240 s能將運行晚點時間控制在3 min之內，對于不同運營質量要求的線路可參考表1進行T2G模式間隔的設計來滿足運營的要求。