潘 登，梅 萌，鄭應(yīng)平

(同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海200092)

1 引 言

RBC(Radio Block Center)切換是車—地之間大規(guī)模數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠雙向傳輸?shù)钠款i，對列車安全、高效運(yùn)行影響至巨.文獻(xiàn)［1］研究了 ETCS(European Train Control System)系統(tǒng)RBC切換過程中車—地?zé)o線通信問題，分析了列車運(yùn)行速度、列車位置報(bào)告周期對列車時(shí)間間隔的影響，給出對應(yīng)的列車安全間距指標(biāo);文獻(xiàn)［2］建立了RBC交接失敗概率模型，分析了列車運(yùn)行速度、RBC重疊范圍對交接成功概率的影響;文獻(xiàn)［3］研究安全數(shù)據(jù)通信在越區(qū)切換時(shí)的傳輸可靠性，給出列車速度與越區(qū)切換成功率的關(guān)系，以及越區(qū)切換時(shí)間與越區(qū)切換成功率之間的關(guān)系;文獻(xiàn)［4］對高速列車在移動(dòng)閉塞條件下越區(qū)切換的無線通信進(jìn)行形式化建模和可靠性分析，并給出對通信故障定位的表示方法.文獻(xiàn)［5］研究了ETCS系統(tǒng)GSM-R無線通信信道的可靠性，并分析了列車越區(qū)切換時(shí)的通信問題.上述文獻(xiàn)對高速列車運(yùn)行控制理論與應(yīng)用技術(shù)的不斷完善起到了有力地推動(dòng)作用，但RBC切換過程中列車移動(dòng)授權(quán)(Movement Authority，MA)的計(jì)算還主要依賴地面RBC來完成，列車主體性沒有得到更充分的體現(xiàn)，移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算效率也有待進(jìn)一步提高.本文在上述既有成果的基礎(chǔ)上，擬深入研究基于列車主體性的RBC切換模型，為進(jìn)一步提高列車運(yùn)行的安全性和行車效率作一些有益的探索.

2 當(dāng)前RBC切換模式及其分析

高速列車越區(qū)RBC切換場景，如圖1所示.當(dāng)列車越過RBC(i)管轄區(qū)域進(jìn)入與之相鄰的RBC(i+1)管轄區(qū)域時(shí)，進(jìn)路信息的直接提供者也相應(yīng)地由RBC(i)切換為RBC(i+1).

圖1 高速列車越區(qū)RBC切換場景示意圖Fig.1 RBC handover scene of high speed train

2.1 切換過程中車—地通信協(xié)議的動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)

高速列車在越區(qū)切換時(shí)，車—地通信遵循RBC 切換協(xié)議 A 或 B［4，6］.鑒于 UML 順序圖難以準(zhǔn)確刻畫車—地通信的并發(fā)行為，這里采用Petri網(wǎng)描述列車越區(qū)切換過程車—地通信協(xié)議動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)的一般過程，如圖2所示.

對于切換協(xié)議A，車載雙電臺可與RBC(i)、RBC(i+1)分別進(jìn)行通信會(huì)話.列車在預(yù)告應(yīng)答器的前方行駛時(shí)，RBC(i)負(fù)責(zé)向列車發(fā)送移動(dòng)授權(quán);列車前端經(jīng)過預(yù)告應(yīng)答器，即通過電臺1向RBC(i)報(bào)告;RBC(i)向列車下達(dá)切換命令，包括RBC切換地點(diǎn)、RBC(i+1)的ID及Net ID等信息，并向RBC(i+1)發(fā)送交接預(yù)告和請求進(jìn)路信息;同時(shí)，電臺2根據(jù) RBC(i+1)的 ID和 Net ID向RBC(i+1)發(fā)起通信會(huì)話請求，直至建立通信鏈路;而RBC(i+1)向RBC(i)發(fā)送進(jìn)路相關(guān)信息，并由RBC(i)生成新的移動(dòng)授權(quán)，發(fā)送給電臺1;列車前端通過執(zhí)行應(yīng)答器時(shí)，通過電臺1、2分別通知RBC(i)、RBC(i+1)，但 RBC(i)仍向 RBC(i+1)發(fā)送“列車前端經(jīng)過執(zhí)行應(yīng)答器”的信息(作為一種冗余措施，在電臺2故障時(shí)自動(dòng)切換為協(xié)議B);接著，電臺 1、2 分別與 RBC(i)、RBC(i+1)進(jìn)行相應(yīng)的通信業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)RBC切換:RBC(i)在列車尾部越過執(zhí)行應(yīng)答器時(shí)，進(jìn)行會(huì)話管理，結(jié)束與電臺1的通信，注銷列車管轄記錄;RBC(i+1)與電臺2通信，并接管列車.

對于切換協(xié)議B，由于車載單電臺不能與RBC(i)、RBC(i+1)同時(shí)進(jìn)行通信會(huì)話，高速列車越區(qū)切換過程中，車載單電臺必須先斷開與RBC(i)的通信，才能與RBC(i+1)建立通信鏈路，一定程度上延長了切換時(shí)間.

圖2 切換過程中的車—地之間通信情況Fig.2 Communications between train and ground in the process of RBC handover

2.2 切換協(xié)議分析

由于RBC管轄范圍和RBC切換成功概率的限制，高速列車必須在穿越RBC重疊區(qū)有限的時(shí)間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)RBC的成功切換和車—地之間的連續(xù)、不間斷通信，為此預(yù)留列車向下一RBC分區(qū)注冊時(shí)間 40 s［7］.

移動(dòng)授權(quán)，無論是否由RBC(i)延伸到RBC(i+1)，在RBC切換完成前，均由RBC(i)生成并發(fā)送給列車，移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算主體是RBC而非列車.RBC(i+1)通過RBC(i)向列車發(fā)送移動(dòng)授權(quán)，不僅存在數(shù)據(jù)處理延時(shí)，而且需要信息發(fā)送時(shí)間和傳播時(shí)間，當(dāng)列車接收到MA，列車位置、速度已經(jīng)發(fā)生了變化.為此，CTCS-3列控系統(tǒng)采取時(shí)間戳防護(hù)及加大列車間隔時(shí)間等技術(shù)措施.時(shí)間戳防護(hù)技術(shù)，采用參數(shù)預(yù)估的方法來應(yīng)對數(shù)據(jù)的時(shí)效性問題，但“預(yù)估”對于安全苛求系統(tǒng)來說，是否在任何情況下都能反映列車運(yùn)行的真實(shí)情況，其可信性還有待評估.由于列車能夠及時(shí)了解自身的速度、位置，根據(jù)RBC(i)、RBC(i+1)發(fā)送的信息，可計(jì)算出實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的MA和行為曲線，如果能夠在保證行車安全的條件下降低列車間隔時(shí)間，將會(huì)有力促進(jìn)行車效率的提高.

3 基于列車主體性的RBC切換模型

3.1 RBC切換模型的形式化描述

運(yùn)用Petri網(wǎng)對基于列車主體性的RBC切換模型進(jìn)行形式化描述，如圖3所示.

圖3 基于列車主體性的RBC切換模型Fig.3 RBC handover based on train subjectivity

列車行駛在預(yù)告應(yīng)答器前方，由電臺1與RBC(i)完成車—地通信;列車通過預(yù)告應(yīng)答器，激活電臺2，并由RBC(i)告知電臺2前方RBC(i+1)的ID和Net ID等信息，電臺2據(jù)此與RBC(i+1)聯(lián)系完成列車注冊，列車從而可以與RBC(i+1)進(jìn)行信息的交換;列車尾部越過切換應(yīng)答器之前，電臺1、2協(xié)同工作，為列車運(yùn)行控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);列車尾部越過切換應(yīng)答器，電臺1轉(zhuǎn)為待備狀態(tài)，由電臺2負(fù)責(zé)與RBC(i+1)信息交流并實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制，直至列車通過下一個(gè)RBC分區(qū)RBC(i+2)的預(yù)告應(yīng)答器，電臺1重新被激活.

若切換之前電臺1故障，電臺2與電臺1角色互換，圖3仍然適用;若切換后，電臺2故障，電臺1由待備狀態(tài)重新轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，與新的 RBC(i)即RBC(i+1)進(jìn)行車—地通信.

3.2 應(yīng)答器的設(shè)置

以列車作為移動(dòng)授權(quán)MA的計(jì)算、生成主體，列車就能對RBC(i)傳至電臺1與RBC(i+1)傳至電臺2的基礎(chǔ)信息，以及列車性能參數(shù)與當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算，生成列車運(yùn)行控制信息及目標(biāo)距離—速度連續(xù)曲線.

在基于列車主體性的RBC切換協(xié)議的條件下，為了保證列車能夠在當(dāng)前預(yù)告應(yīng)答器處獲得RBC(i+1)分區(qū)的移動(dòng)授權(quán)信息，將預(yù)告應(yīng)答器前移不小于tRegister(CTCS-3列控系統(tǒng)規(guī)定為40 s［7］)時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行距離(如圖4所示)，即由 A 移到A'，以確保電臺2在列車運(yùn)行至A時(shí)向RBC(i+1)注冊成功，并建立起通信聯(lián)系.

圖4 預(yù)告應(yīng)答器的前移Fig.4 Moving forward of LTA

3.3 列車的管轄問題

當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)，很好地解決了RBC切換過程中移動(dòng)授權(quán)延伸的問題，但切換前由RBC(i)對列車進(jìn)行管轄，切換后由RBC(i+1)進(jìn)行管轄.這里，依運(yùn)行方向?qū)⒘熊嚬茌犿樞蚍譃?個(gè)階段:

(1)切換前的RBC(i)管轄階段;

(2)切換過程中的RBC(i)和RBC(i+1)協(xié)同管轄階段;

(3)切換后的RBC(i+1)管轄階段.

每個(gè)RBC設(shè)置兩個(gè)“列車信息鏈表”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別單獨(dú)或協(xié)同管轄列車信息鏈表.RBC(i)和RBC(i+1)在協(xié)同管轄階段，相互通信，按“故障—安全”原則檢查列車切換過程，避免出現(xiàn)“幽靈列車”.

3.4 基于列車主體性的數(shù)據(jù)融合算法

移動(dòng)授權(quán)MA主要是對列車當(dāng)前位置與MA終點(diǎn)(EOA)距離及對列車運(yùn)行監(jiān)控行為的描述，一般由至少一個(gè)區(qū)段組成，列車運(yùn)行必須以移動(dòng)授權(quán)MA為依據(jù)規(guī)范運(yùn)行.正常情況下，由RBC主動(dòng)向車載設(shè)備發(fā)送MA，車載設(shè)備也能向RBC請求新MA，但請求新MA的參數(shù)應(yīng)由RBC給出［8］.

“基于列車主體性的切換模型”與之不同.列車越區(qū) RBC切換過程中，不再需要 RBC(i)向RBC(i+1)請求進(jìn)路信息以實(shí)現(xiàn)MA的延伸，只需知道RBC(i)、RBC(i+1)兩個(gè)分區(qū)與自身運(yùn)行有關(guān)的信息(即列車可以安全、高效運(yùn)行至終點(diǎn)位置)，就可以按融合算法計(jì)算出“移動(dòng)授權(quán)”.當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)中的“移動(dòng)授權(quán)”，由地面RBC計(jì)算、生成，再發(fā)送至列車，我們可以稱之為RBC對列車的“顯性移動(dòng)授權(quán)”;“基于列車主體性的切換模型”，因其計(jì)算并生成移動(dòng)授權(quán)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)完全相同，但計(jì)算的主體為列車，故RBC對列車的移動(dòng)授權(quán)為“隱性移動(dòng)授權(quán)”.其算法如圖5所示.

圖5 RBC切換過程中隱性移動(dòng)授權(quán)的融合計(jì)算Fig.5 Fusion calculation of the hidden moving authorization in the process of RBC handover

當(dāng)列車尾部越過RBC邊界，RBC(i)=RBC(i+1)，RBC(i+1)=RBC(i+2)，以完成角色的切換，即RBC(i+1)變?yōu)榻唤覴BC，RBC(i+2)變?yōu)榻邮誖BC，列車可以繼續(xù)作為計(jì)算主體根據(jù)新的切換分區(qū)發(fā)送的隱性授權(quán)信息計(jì)算、生成自己應(yīng)該遵循的移動(dòng)授權(quán).

4 模型分析與仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 列車運(yùn)行的主體性與安全性分析

假定預(yù)告應(yīng)答器由A前移至A'，如圖4所示，當(dāng)列車行駛至A'時(shí)，列車電臺2將根據(jù)RBC(i)發(fā)給RBC(i+1)的 ID 和 Net ID，與 RBC(i+1)聯(lián)系，當(dāng)列車行駛至A時(shí)，電臺2已完成列車向RBC(i+1)的注冊.而電臺2注冊過程中，列車完全依靠電臺1與RBC(i)進(jìn)行車—地通信，并實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制，電臺2注冊過程完全不影響列車行為.

為了RBC越區(qū)切換過程中列車在正常情況下不減速運(yùn)行，當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)的列車運(yùn)行間距另外增加了40 s的列車運(yùn)行距離.如圖1所示，列車間隔時(shí)間計(jì)算公式為

對“基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型”來說，電臺2注冊過程完全不影響列車行為，故其列車間隔時(shí)間的計(jì)算公式為

且式(2)中的t'packetage比式(1)中的tpacketage要小Δt的時(shí)間.根據(jù)科技運(yùn)［2008］168號文《CTCS-3級列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范(V1.0)》，CTCS-3型列控系統(tǒng)GSM-R網(wǎng)絡(luò)信息傳輸速率首選4.8 kb/s異步透明數(shù)據(jù)傳輸方式［7］，以30字節(jié)計(jì)，Δt≈3.10s.在Δt時(shí)間余量里，用戶數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)的概率分別小于(1-95%)Δt/0.8=9.09 ×10-6、(1-99%)Δt=6.3 ×10-7，大幅提高了數(shù)據(jù)的可靠性.

“基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型”的列車間隔時(shí)間與先前相比，最大可以減少

列車的主體性對安全行車的重要性主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)節(jié)省了以延伸移動(dòng)授權(quán)為目的的相鄰RBC之間的通信時(shí)間.為安全行車和確?？煽客ㄐ盘峁┝?.10 s的空間余量，增強(qiáng)了列車運(yùn)行的安全性;為確?？煽客ㄐ盘峁┝?.10 s的時(shí)間余量，大幅提高車—地通信的抗干擾能力［7］.

(2)數(shù)據(jù)的時(shí)效性和精確性得到提高.列車作為隱性移動(dòng)授權(quán)的計(jì)算、生成主體，可以根據(jù)即時(shí)采集的列車位置、速度等數(shù)據(jù)，以及線路信息，計(jì)算、生成MA和自身行為曲線，從而能更充分地利用列車主體性能，使行為得到優(yōu)化，取得安全和效率綜合最優(yōu)的目的.

4.2 效率分析

參數(shù)設(shè)定如下:列車注冊時(shí)限tdeadline=40 s［7］，通信折算時(shí)間tpacketage=12 s［5］，列車長度取典型值trainlength=400 m［1］，列車定位誤差取 error=20 m［7］.不失一般性，假定列車制動(dòng)停車的平均加速度a=-1.5 m/s2，分別計(jì)算當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)和基于列車主體性切換模型的列車間隔控制參數(shù)，如表1、表2所示.

表1 CTCS-3型列控系統(tǒng)列車間隔控制的參數(shù)Table 1 Parameters of CTCS-3 train control system for train interval control(a=-1.5 m/s2)

表2 基于列車主體性切換模型的列車間隔控制的參數(shù)Table 2 Parameters of the handover model based on train subjectivity for interval control(a=-1.5 m/s2)

比較表1、表2的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)相同性能、相同速度的列車采取相同控制策略時(shí)，“基于列車主體性RBC切換模型”的列車間隔時(shí)間和列車間距，均比當(dāng)前CTCS-3型列控系統(tǒng)大幅減小，如圖6、圖7所示.

圖8、圖9為列車速度—距離監(jiān)控曲線(按平均加速度a=-1.5 m/s2計(jì)算)，相同速度的列車采取相同的制動(dòng)停車策略情況下，后者的行駛距離遠(yuǎn)低于前者.

圖9 基于列車主體性RBC切換模型的列車速度距離監(jiān)控曲線Fig.9 Train speed-distance monitoring curves of the RBC handover model based on train subjectivity

圖10對基于列車主體性的RBC切換模型的行車效率給出了更為明確的結(jié)論，列車間隔時(shí)間從300-500 km/h分別降低了約35.51%-27.10%不等;列車間距從300-500 km/h分別降低了約47.16%-39.48%不等.

圖10 基于列車主體性的RBC切換模型的行車效率分析Fig.10 Analysis on the efficiency of train organization under the RBC handover model based on train subjectivity

5 研究結(jié)論

性能分析與仿真試驗(yàn)表明，基于列車主體性的RBC越區(qū)切換模型可有效促進(jìn)列車安全、高效運(yùn)行，并顯著提高行車組織的效率，為列車運(yùn)行控制與行車組織提供了更大的靈活性.同時(shí)，新的切換模型在技術(shù)上提出了更高的要求，還需要繼續(xù)深入研究，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)列車主體性的增強(qiáng)，切換模型基于列車的主體性，在軟、硬件上需要采取先進(jìn)措施大幅增強(qiáng)列車的主體智能，加強(qiáng)安全性冗余設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高列車數(shù)據(jù)融合算法等數(shù)據(jù)處理能力;

(2)擴(kuò)大GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)的跨區(qū)覆蓋范圍，目前，GSM-R無線通信網(wǎng)絡(luò)跨區(qū)覆蓋為80-85 s［7］，需要對 GSM-R 無線通信網(wǎng)絡(luò)分區(qū)及覆蓋范圍進(jìn)行必要的改造;

(3)RBC對列車的管轄與動(dòng)態(tài)管理;

(4)車—地通信的信息格式，信息格式應(yīng)適應(yīng)列車主體性的提高作出相應(yīng)的規(guī)定.

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