基于時延防護的編組列車安全包絡(luò)管理方法*

耿 鵬 趙 鵬 聶宇威

(通號城市軌道交通技術(shù)有限公司,100070,北京)

在基于物理聯(lián)掛的靈活編組技術(shù)中,聯(lián)掛過程是由一列短編組列車處于靜止?fàn)顟B(tài),另一列短編組列車在ZC(區(qū)域控制器)的控制下通過低速撞擊實現(xiàn)兩列車的硬連接,從而聯(lián)掛成一列長編組列車。雖然兩列短編組列車組合成了一列長編組列車,但在列車運行過程中,兩列短編組列車依然是兩個獨立的車載系統(tǒng),并且分別向ZC報告位置信息[1]。由于不同短編組列車通過相互獨立的鏈路與ZC通信,且無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在不確定性,因此兩個鏈路的通信延時具有隨機性。當(dāng)ZC接收到兩個VOBC(車載控制器)發(fā)送的位置信息時,該位置信息可能出現(xiàn)重疊、錯位、不連續(xù)等情況,即ZC接收的位置信息與編組列車實際位置不符[2]。因此,ZC需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施識別編組列車的位置變化,有效應(yīng)對ZC計算的列車位置信息無法覆蓋實體編組列車的風(fēng)險。

針對既有典型方案中,ZC對兩列車的位置報告管理以接收到的主控車安全包絡(luò)為基準的問題,對安全包絡(luò)進行擴展,提出一種基于時延防護的編組列車安全包絡(luò)動態(tài)擴展方式,通過實時計算并比較主控車和被控車的延時狀態(tài),選用延時較小的短編組列車進行包絡(luò)擴展,解決典型方案中主控車延時較大時編組列車安全包絡(luò)精度低的問題。通過仿真試驗?zāi)M編組列車的走行過程,比較不同方案下ZC計算的列車位置信息。

1 編組列車位置關(guān)系場景分析

a) 編組列車安全包絡(luò)重疊

產(chǎn)生上述問題的原因均為兩列短編組列車與ZC通信延時存在異步性。在既有CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中,列車走行過程的安全包絡(luò)應(yīng)具有連續(xù)性,即當(dāng)前時刻位置與歷史位置不應(yīng)發(fā)生突變[3],且基于包絡(luò)的追蹤方式?jīng)Q定了其安全包絡(luò)不會發(fā)生重疊,因此ZC一般直接采用列車的位置報告計算區(qū)段占用狀態(tài)并生成移動授權(quán)。在支持靈活編組功能的CBTC系統(tǒng)中,若ZC依然直接采用列車發(fā)送的位置報告計算區(qū)段占用狀態(tài),可能由于兩列短編組列車通信延時差異較大,出現(xiàn)兩車之間存在空閑區(qū)段的情況,進而誤導(dǎo)運營人員。此外,當(dāng)兩列車位置報告發(fā)生錯序時,會導(dǎo)致移動授權(quán)計算錯誤,甚至產(chǎn)生嚴重后果[4]。因此ZC應(yīng)該采用相應(yīng)的技術(shù)措施識別編組列車的位置變化,有效應(yīng)對ZC計算的列車位置信息無法覆蓋實體編組列車的風(fēng)險[5]。

2 典型編組列車安全包絡(luò)處理方案

一種典型編組列車安全包絡(luò)處理方案為,當(dāng)ZC接收到兩列短編組列車發(fā)送的位置報告時,首先根據(jù)列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)確定編組列車的主控車和被控車,然后始終以編組列車主控車的安全包絡(luò)為基準,將其增加一個車長的余量得到編組列車的初始安全包絡(luò),再將初始安全包絡(luò)的最小安全末端與被控車的最小安全末端進行比較,取最嚴格的點更新為編組列車的最小安全末端,至此完成編組列車的安全包絡(luò)計算[6]。典型編組列車安全包絡(luò)處理方案示意圖如圖2所示。

a) 編組列車安全包絡(luò)重疊校正

綜上所述,既有典型方案中,ZC對編組列車安全包絡(luò)處理方式是將靈活編組列車當(dāng)作一列車進行控制,通過短編組列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)識別列車安全包絡(luò)錯序問題,確定編組列車主控車后,將主控車包絡(luò)進行擴展,解決列車安全包絡(luò)重疊、不連續(xù)等問題。該方案實現(xiàn)起來較為簡單,既保證了編組列車的安全包絡(luò)能夠覆蓋列車實體,又保證了列車走行過程中安全包絡(luò)的連續(xù)性。但該方案存在列車包絡(luò)管理不精細問題,當(dāng)主控車與ZC通信延時較大時,ZC處理后的編組列車安全包絡(luò)與該時刻列車實際所處位置偏差過大,位置管理較為粗糙。本文對既有典型方案進行改進,提出了基于時延防護的編組列車安全包絡(luò)管理方案。

3 改進編組列車安全包絡(luò)處理方案

ZC接收到的兩列短編組列車安全包絡(luò)與該時刻列車實際所處位置的偏差差異,記為ΔL,則有:

(1)

式中:

v1、v2——兩列短編組列車初始速度;

綜上所述,潤光養(yǎng)生美容酒經(jīng)大鼠30天喂養(yǎng)后,并未發(fā)現(xiàn)與潤光養(yǎng)生美容酒相關(guān)的亞急性毒性反應(yīng),為進一步開發(fā)利用該酒提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

a1、a2——兩列短編組列車加速度;

t1、t2——兩列短編組列車與ZC通信延時值。

一般情況下,通常不考慮通信延時時間內(nèi)列車加速度的變化,根據(jù)最不利情況取最大加速度值進行計算。由于兩列短編組列車通過機械鉤和電氣鉤實現(xiàn)物理聯(lián)掛,因此可忽略兩列短編組列車間速度和加速度的差異。由式(1)可知,兩列短編組列車與ZC之間的通信延時差異反映了ΔL,ΔL越小,則兩列短編組列車位置信息的直接可信度越接近。理想情況下,若ΔL恒等于0,則ZC無需附加處理,可直接使用兩列車發(fā)送的位置信息進行區(qū)段占用狀態(tài)計算及生成移動授權(quán)。但考慮實際情況,獲取列車與ZC的通信延時值是提高列車位置管理精度的前提。

3.1 計算通信延時

通過在VOBC與ZC之間交互延時計算參數(shù)可以獲取延時值。根據(jù)T/CAMET 04011.2—2018《城市軌道交通 基于通信的列車運行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通接口規(guī)范 第2部分:CBTC系統(tǒng)車地連續(xù)通信協(xié)議》,延時計算參數(shù)包括本方消息序列號、通信周期、對方消息序列號、收到上一條消息時本方序列號,如表1所示。

表1 延時計算參數(shù)

參照表1,對于消息接收方,按照以下原則計算接收到消息的延時值。

1) 如果所收到的對方消息中RcvOppSN和PrevOwnSN這兩個字段均為默認值,則認為該消息中的應(yīng)用信息不可用;但應(yīng)記錄該消息頭中的CrntOwnSN字段,以及自己當(dāng)前的通信周期(或軟件周期)序號,分別作為下次發(fā)給對方的消息頭中RcvOppSN和PrevOwnSN字段的內(nèi)容。

2) 若新收到的消息為NewRcvMsg,則該消息延時值Δt可以表示為(式中量的單位均為ms):

(2)

式中:

NCurrentOwnSN——當(dāng)前本方周期號;

SNNewRcvMsg.RcvOppSN——新收到消息中的對方消息序列號;

TPERIOD——當(dāng)前本方周期值;

SNNewRcvMsg.CrntOwnSN——新收到消息中的本方消息序列號;

SNNewRcvMsg.PrevOwnSN——新收到消息中的收到上條消息時本方消息序列號;

TNewRcvMsg.SnPrd——新收到消息中的通信周期。

式(2)表示的含義為通過收到消息中的回復(fù)本方“上一條”消息的時間戳(即RcvOppSN),計算出總延時值,再減去消息在對方設(shè)備內(nèi)的時間,從而得到雙向的傳輸延遲,將其作為最大傳輸延遲使用。

3.2 計算編組列車安全包絡(luò)

ZC首先根據(jù)列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)判斷編組列車的前后關(guān)系,確定主控車和被控車,以識別是否發(fā)生了錯序,然后計算主控車和被控車的通信延時值,并進行延時比較。主控車與ZC的通信延時值記為Δt1,被控車與ZC的通信延時值記為Δt2。改進后的列車安全包絡(luò)錯序校正示意圖如圖3所示。

圖3 改進后的列車安全包絡(luò)錯序校正示意圖

若滿足Δt1>Δt2,則認為當(dāng)前被控車與ZC通信質(zhì)量較好,則應(yīng)以被控車的位置報告為基準,向前延伸一個車長,作為編組列車的初始安全包絡(luò)。若主控車的最大安全前端比編組列車初始安全包絡(luò)更靠前,則將主控車的最大安全前端更新為編組列車的安全包絡(luò)最大安全前端,否則應(yīng)將初始安全包絡(luò)作為編組列車的安全包絡(luò)。

若滿足Δt1≤Δt2,則認為主控車與ZC通信質(zhì)量較好,則應(yīng)以主控車的位置報告為基準,向后延伸一個車長,作為編組列車的初始安全包絡(luò)。若被控車的最小安全末端比編組列車初始安全包絡(luò)更靠后時,則將被控車的最小安全末端更新為編組列車的安全包絡(luò)最小安全末端,否則將初始安全包絡(luò)作為編組列車的安全包絡(luò)。

與典型方案相比,本文所提改進方案能夠根據(jù)通信延時狀態(tài)實時動態(tài)調(diào)整編組列車的安全包絡(luò),而不是始終以主控車為基準,解決了典型方案中在主控車通信質(zhì)量不好的情況下,ZC計算的編組列車安全包絡(luò)精度差的問題。在保證ZC計算的編組列車安全包絡(luò)能夠覆蓋編組列車實體的前提下,所提方案能夠減小ZC接收的編組列車安全包絡(luò)與該時刻編組列車實際所處位置的偏差。

3.3 安全性分析

在CBTC系統(tǒng)中,列車安全包絡(luò)的準確性是實現(xiàn)列車以移動閉塞方式追蹤的前提,該準確性體現(xiàn)在列車發(fā)送位置信息時刻,其發(fā)出的位置信息一定覆蓋列車實體,以及列車位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內(nèi)。在所提改進方案中,無論是將主控車的安全包絡(luò)延伸一個車長距離,還是將被控車的安全包絡(luò)延伸一個車長距離,均能保證擴展后的安全包絡(luò)覆蓋其發(fā)送位置信息時刻所對應(yīng)的編組列車實體。同時,通過設(shè)計延時計算參數(shù)獲取列車消息的延時值,可保證位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內(nèi)。因此,改進后的方案可在保證安全的前提下提高編組列車的安全包絡(luò)管理精度。

4 兩種方案對比

與典型方案相比,所提改進方案通過獲取編組列車VOBC與ZC之間的通信延時值,判斷兩列短編組列車位置信息的直接可信度,對編組列車的安全包絡(luò)計算由靜態(tài)擴展方式轉(zhuǎn)換為動態(tài)調(diào)整方式,在保證安全的前提下提高了列車位置管理精度。通過試驗及數(shù)據(jù)分析,對兩種方案進行對比研究。

一段采樣時間內(nèi),ZC計算的編組列車中兩列短編組列車位置信息的延時值如圖4所示。ZC接收到兩列短編組列車的位置信息時,兩列短編組列車消息延時不相同的概率約為70%。

圖4 兩列短編組列車位置信息消息延時值

在列車以60 km/h勻速運行過程中,理想情況編組列車位置、采用典型方案計算和采用改進方案計算的編組列車位置對比,如圖5所示。

圖5 理想情況、典型方案和改進方案的編組列車位置對比

典型方案中,ZC采取靜態(tài)擴展主控車安全包絡(luò)的方式計算編組列車安全包絡(luò)。由于ZC始終以主控車為基準擴展包絡(luò),導(dǎo)致ZC計算的編組列車安全包絡(luò)與實際編組列車安全包絡(luò)的偏差是不固定的,完全取決于主控車與ZC的通信質(zhì)量。

采用改進方案對上述編組列車包絡(luò)計算方法進行優(yōu)化后,ZC通過比較主控車和被控車的延時狀態(tài)動態(tài)計算編組列車安全包絡(luò)。由于ZC不單獨依靠主控車擴展包絡(luò),當(dāng)收不到主控車位置時,可以使用當(dāng)前被控車位置處理,避免采用歷史信息導(dǎo)致位置報告無法及時更新的情況,解決了主控車通信質(zhì)量較差時安全包絡(luò)精度低的問題,進一步提升了ZC控制列車的精細程度,尤其在列車安全包絡(luò)跨計軸邊界時,降低了ZC對相鄰區(qū)段列車追蹤的影響。

5 結(jié)語

針對當(dāng)前靈活編組線路中兩列短編組列車分別與ZC通信的特點,本文對目前采用靜態(tài)擴展編組列車安全包絡(luò)的方式進行了改進,通過設(shè)計延時計算參數(shù),提出了基于時延防護的編組列車動態(tài)安全包絡(luò)管理方法。通過試驗數(shù)據(jù)對比,所提改進方案可以提高編組列車安全包絡(luò)的精度,優(yōu)化列車位置管理,對于提高靈活編組線路中的列車追蹤效率有一定的參考價值。