基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)智能控制方案研究

劉 凈

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建 福州 350108）

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，在交通日益擁堵的特大城市，城市軌道交通成為重要的交通運(yùn)輸方式，在緩解交通壓力等方面起著重要作用。城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是軌道交通控制系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行效率直接對(duì)列車運(yùn)輸效率產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響行車安全。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)也在不斷完善和創(chuàng)新，車車通信技術(shù)的運(yùn)用降低了通信時(shí)延，提升了效率，計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展使軌道交通信號(hào)系統(tǒng)日趨智能化。

1 基于車車通信的列控系統(tǒng)

目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)是基于車地通信的列車控制（communication-based train control， CBTC）系統(tǒng)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，車車通信開(kāi)始應(yīng)用到列控系統(tǒng)中。車車通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行列車間直接通信，不再通過(guò)軌旁轉(zhuǎn)發(fā)，這樣可以有效減少軌旁設(shè)備數(shù)量，減少通信節(jié)點(diǎn)，降低傳輸時(shí)延，是未來(lái)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展方向，該系統(tǒng)在保障安全運(yùn)營(yíng)的前提下，提升了列車通過(guò)能力［1］。

基于車車通信的CBTC 系統(tǒng)，取消傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（computer interlocking， CI），新增對(duì)象控制器對(duì)軌旁信號(hào)機(jī)、道岔等進(jìn)行管控，車載控制器（vehicle on-board controller， VOBC）直接與新增的軌旁對(duì)象控制器通信完成信號(hào)設(shè)備的管控，還可與線路上的其他列車直接通信，獲取其他列車實(shí)時(shí)位置、速度等狀態(tài)信息，再結(jié)合自身運(yùn)行狀態(tài)，完成移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算和速度曲線的繪制，保障列車的運(yùn)行安全距離［2］。基于車車通信的CBTC 系統(tǒng)保留了VOBC 與列車自動(dòng)監(jiān)控（automatic train supervision，ATS）系統(tǒng)直接通信的功能，實(shí)現(xiàn)列車監(jiān)控。因此，相比傳統(tǒng)的基于車地?zé)o線通信的CBTC 系統(tǒng)，基于車車通信的新型CBTC 系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）系統(tǒng)取消了CI、區(qū)域控制器（zone controller， ZC）子系統(tǒng)，使得信號(hào)系統(tǒng)的接口量減少，系統(tǒng)復(fù)雜度降低；同時(shí)，由于減少了系統(tǒng)設(shè)備，相應(yīng)的維護(hù)成本也隨之降低。

（2）系統(tǒng)具有基于車地通信CBTC 系統(tǒng)的所有功能，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)減少，網(wǎng)聯(lián)負(fù)荷大幅降低，所以實(shí)時(shí)信息處理效率得到提升，信號(hào)系統(tǒng)整體功能更加完善。

（3）系統(tǒng)減少了與軌旁通信的數(shù)據(jù)量和時(shí)延，車載控制器可以更快響應(yīng)，列車運(yùn)行間隔較傳統(tǒng)列車自動(dòng)控制系統(tǒng)大幅降低。

（4）前后列車之間可以直接相互通信，后車能夠?qū)崟r(shí)接收前車的信息，并根據(jù)自身移動(dòng)速度計(jì)算速度距離曲線，控制列車在最優(yōu)狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行［3］。

2 基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)智能控制分析

2.1 安全距離分析

在基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)中，列車收集周圍其他列車及環(huán)境信息，自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，為了保證行車安全，必須與前車保持一定的安全距離，此距離的計(jì)算應(yīng)該考慮列車的運(yùn)行速度、制動(dòng)距離、對(duì)突發(fā)情況的反應(yīng)速度等方面，必須經(jīng)過(guò)全方位、多層次、多角度的分析和判斷，進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，在保證安全的前提下，盡可能減小安全距離，以縮短列車運(yùn)行間隔，提高運(yùn)行效率［4］。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸分析

傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)中，列車將自身運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)軌旁傳遞給控制中心，由控制中心進(jìn)行移動(dòng)授權(quán)計(jì)算再發(fā)送給列車，單次傳遞數(shù)據(jù)較少，對(duì)速率要求不高。而基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)，列車自主計(jì)算移動(dòng)授權(quán)，所需的數(shù)據(jù)量大幅增加，為了降低傳輸時(shí)延，對(duì)傳輸速率、傳輸質(zhì)量的要求大大增加，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，必須實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)質(zhì)量，加大控制力度，保證數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性，從而在確保安全的前提下保證列車平穩(wěn)有序的運(yùn)行［5］。

2.3 控制方式分析

城市軌道交通控制系統(tǒng)的控制對(duì)象運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，具有非線性、時(shí)變性以及復(fù)雜的環(huán)境干擾等各種不確定性，難以建立起精確的控制模型，對(duì)于這種類型的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的控制方案難以奏效，對(duì)于模糊的控制系統(tǒng)采用模糊的手段更能精確控制，通過(guò)不斷地分析、優(yōu)化，了解系統(tǒng)特征、控制策略以及響應(yīng)的控制指標(biāo)，通過(guò)模糊控制的非線性手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于車車通信的智能控制，提升其智能控制性能［6］。

3 基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)控制方案

3.1 基于車車通信的信號(hào)系統(tǒng)控制參量?jī)?yōu)化

為了提高城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)車車通信的抗干擾能力，提出智能化控制方案，通過(guò)建模仿真優(yōu)化控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)信息傳輸準(zhǔn)確性與及時(shí)性的提升，確保列車能及時(shí)獲取自主運(yùn)行所需數(shù)據(jù)［7］。使用Smith 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于車車通信的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)通信控制結(jié)構(gòu)模型，此模型包括信號(hào)輸入設(shè)備、DC/AC 逆變器、調(diào)制解調(diào)器、反饋電路等部分，如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通信號(hào)控制輸入輸出結(jié)構(gòu)模型

逆變器模型可描述為：

當(dāng)列車發(fā)出的信號(hào)滿足高斯平穩(wěn)時(shí)，Gms＝G0s，tm＝γ，由此得出系統(tǒng)的反饋模型函數(shù)：

結(jié)合二階控制矩陣模型，得到系統(tǒng)的參數(shù)模型：

為了提升系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性，將輸入信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行延時(shí)耦合，得到其二階函數(shù)：

最終得到系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)控制方程：

對(duì)系統(tǒng)信號(hào)采用64QAM 調(diào)制的方式，提高傳輸速率與抗干擾能力，保證信號(hào)的平穩(wěn)傳輸，由此得到系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)控制參數(shù)：

其中Kp1、K11、Kp2、K12為系統(tǒng)的控制參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，融合控制，提高系統(tǒng)信號(hào)輸出的穩(wěn)定性［8］。

3.2 基于模糊控制的算法改進(jìn)

采用模糊控制的方法對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)信號(hào)具有多徑傳播特性，且采用64QAM 調(diào)制，以此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，由此可得到輸出信號(hào)為：

當(dāng)系統(tǒng)信號(hào)傳輸信道達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，可得到s（t） 為：

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，可得到模糊控制的迭代式：

其中，

當(dāng)模糊控制系數(shù)滿足以下表達(dá)式時(shí)，

整個(gè)系統(tǒng)控制過(guò)程是線性穩(wěn)定的，由此實(shí)現(xiàn)了基于車車通信的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)控制算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)［9］。

4 仿真測(cè)試結(jié)果

采用VISUAL DSP＋＋搭建仿真系統(tǒng)，將控制算法加載到控制器中，設(shè)置系統(tǒng)信號(hào)采樣頻率為60 kHz，并進(jìn)行線性匹配濾波器調(diào)制，然后將得到的信號(hào)輸入到仿真控制系統(tǒng)中，得到的仿真測(cè)試結(jié)果如圖2 所示。

圖2 仿真測(cè)試結(jié)果

可以看出，采用模糊控制方法對(duì)基于車車通信的城市軌道交通信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，降低了系統(tǒng)時(shí)延，提升了包傳輸率，系統(tǒng)收斂性好，具有很好的傳輸效率與控制能力。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著通信技術(shù)、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，城市軌道交通列控系統(tǒng)也正在不斷革新，車車通信的引入簡(jiǎn)化了設(shè)備、提升了效率，智能算法的使用引領(lǐng)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，基于車車通信的列控系統(tǒng)智能控制應(yīng)用于軌道交通的建設(shè)，不僅符合經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，更能帶來(lái)城市軌道交通的技術(shù)變革，為城市軌道交通智慧信號(hào)系統(tǒng)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。