劉伯鴻

基于移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)及時(shí)延分析

劉伯鴻

在基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)中，信息傳輸通道基本以通信網(wǎng)絡(luò)為主，移動授權(quán)的傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在介紹CBTC 移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了時(shí)延的構(gòu)成和不確定性，結(jié)合時(shí)延特性分析了CBTC 系統(tǒng)處理技術(shù)。

CBTC；移動授權(quán)；信息傳輸；時(shí)間延遲

0 引言

在城市軌道交通基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)中，列車的安全運(yùn)行主要是通過其區(qū)域控制器（ZC）為每一通信列車提供一個(gè)移動授權(quán)(MA)來實(shí)現(xiàn)的。移動授權(quán)指的是1段帶有運(yùn)行許可方向的軌道線路。當(dāng)列車在受控區(qū)域內(nèi)按照時(shí)刻表正常運(yùn)行時(shí)，區(qū)域控制器根據(jù)控制中心列車自動監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)的指令計(jì)算當(dāng)前區(qū)域的列車移動授權(quán)。一方面，區(qū)域控制器與同一區(qū)域的聯(lián)鎖設(shè)備通信，采集道岔、信號機(jī)等的信息；另一方面，車載控制器與區(qū)域控制器通信，并通過軌旁傳輸設(shè)備（如無線AP等）將列車位置、速度信息等發(fā)送給區(qū)域控制器。區(qū)域控制器根據(jù)接收到的信息及所管轄區(qū)域內(nèi)軌道上的障礙物位置，計(jì)算出移動授權(quán)后向所管轄區(qū)域內(nèi)的所有列車發(fā)送各自的移動授權(quán)。這里的障礙物可包括：進(jìn)路終點(diǎn)、道岔、前方列車、站臺等。在列車運(yùn)行和監(jiān)督過程中，區(qū)域控制器實(shí)時(shí)地與車載控制器、通信子系統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)、ATS進(jìn)行信息交互，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)周期性地向所管轄區(qū)域內(nèi)的通信列車發(fā)送移動授權(quán)。車載控制器根據(jù)接收到的移動授權(quán)信息以及駕駛模式、列車速度、線路參數(shù)、司機(jī)反應(yīng)時(shí)間等，計(jì)算出列車的常用制動曲線和緊急制動曲線，以確保列車不超越現(xiàn)有的移動授權(quán)[1~2]。移動授權(quán)的含義如圖1所示。

在CBTC系統(tǒng)中，一旦CBTC移動授權(quán)發(fā)布延時(shí)發(fā)生通信失敗，會對列車運(yùn)行安全影響很大，甚至造成行車事故[3~6]。本文就CBTC系統(tǒng)移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)及時(shí)延進(jìn)行分析。

1 CBTC 移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)

1.1 CBTC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

CBTC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，控制中心ATS 設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲器、相鄰區(qū)域控制器、區(qū)域控制器、聯(lián)鎖系統(tǒng)與骨干網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。車載控制器(VOBC)通過軌旁收發(fā)設(shè)備與區(qū)域控制器進(jìn)行雙向通信。

1.2 CBTC 移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 移動授權(quán)（MA）示意圖

圖3為CBTC 移動授權(quán)的信息發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中區(qū)域控制器是CBTC系統(tǒng)的核心。區(qū)域控制器根據(jù)接收到的列車信息、聯(lián)鎖設(shè)備向區(qū)域控制器傳遞的進(jìn)路信息等，計(jì)算移動授權(quán)（MA），通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軌旁收發(fā)設(shè)備將MA數(shù)據(jù)發(fā)送給車載控制器。

圖2 CBTC 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 CBTC 移動授權(quán)（MA）的信息發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在CBTC系統(tǒng)中，要保證列車追蹤間隔，必須采用高精度的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車的自主實(shí)時(shí)定位，以及車-地之間為雙向、大容量無線通信方式。

CBTC系統(tǒng)傳輸?shù)年P(guān)鍵內(nèi)容包括：①軌旁到車載的移動授權(quán)（MA）；②車載到軌旁的定位位置報(bào)告。

對車載設(shè)備而言，可以在任何時(shí)刻估算其對列車定位的檢測,進(jìn)而給出列車位置數(shù)據(jù)。

在CBTC系統(tǒng)中，正常通信時(shí)移動授權(quán)保證行車安全：①列車在某確定ZC區(qū)域運(yùn)行，一般情況下，軌旁傳輸設(shè)備能夠滿足列車運(yùn)行；②列車從1個(gè)ZC區(qū)域進(jìn)入下1個(gè)ZC區(qū)域，CBTC越區(qū)切換站中斷時(shí)間抑制在一定范圍之內(nèi)，能夠保證通信的正常運(yùn)行，從而保證列車平穩(wěn)運(yùn)行[7~11]。

出現(xiàn)特殊情況或突發(fā)情況時(shí)，CBTC移動授權(quán)傳輸時(shí)延超時(shí)，車-地通信失敗。

2 影響CBTC移動授權(quán)時(shí)延因素

影響CBTC移動授權(quán)時(shí)延因素主要有4 種。

（1）信息延遲。信息傳輸產(chǎn)生的延時(shí)，如：列車向區(qū)域控制器傳輸實(shí)時(shí)位置信息時(shí)產(chǎn)生的延遲；區(qū)域控制器通過數(shù)據(jù)通道向車載控制器傳輸移動授權(quán)的延遲；設(shè)備集中站聯(lián)鎖設(shè)備向區(qū)域控制器發(fā)送信息，區(qū)域控制器接收到信息會延遲；區(qū)域控制器向設(shè)備集中站聯(lián)鎖設(shè)備發(fā)送信息時(shí)，聯(lián)鎖設(shè)備接收信息也會延遲等。

（2）信息的異步性。當(dāng)列車傳送1 條信息到2個(gè)不同的區(qū)域控制器，在2個(gè)區(qū)域控制器中可能出現(xiàn)異步性，也就是沒有同時(shí)接收信息；或當(dāng)區(qū)域控制器傳送1條信息到2個(gè)不同的設(shè)備集中站聯(lián)鎖設(shè)備，在2個(gè)聯(lián)鎖設(shè)備中可能出現(xiàn)異步性，沒有同時(shí)收到信息。

（3）信息丟失。當(dāng)列車向區(qū)域控制器發(fā)送信息時(shí)，不能保證區(qū)域控制器一定能夠收到信息；當(dāng)區(qū)域控制器向列車發(fā)送信息時(shí)，同樣不能保證列車接收到信息。

（4）通信中斷。在列車運(yùn)行過程中，由于突發(fā)情況（如自然災(zāi)害等），列車與區(qū)域控制器瞬間或短時(shí)間內(nèi)通信中斷。

3 移動授權(quán)時(shí)延分析

在CBTC系統(tǒng)中，移動授權(quán)信息傳輸過程的實(shí)質(zhì)是區(qū)域控制器通過數(shù)據(jù)傳輸通道向列車發(fā)送移動授權(quán)。

對列車運(yùn)行安全保障而言，列車的位置信息、速度信息必須實(shí)時(shí)傳輸給區(qū)域控制器，區(qū)域控制器也必須周期性向列車發(fā)送移動授權(quán)。

假設(shè)區(qū)域控制器有1條數(shù)據(jù)通道，向列車發(fā)送1條信息，并得到響應(yīng)，該過程所產(chǎn)生的時(shí)延如圖4所示。根據(jù)時(shí)延產(chǎn)生過程和特性不同，可將時(shí)延分成10個(gè)部分：區(qū)域控制器接收信息和產(chǎn)生移動授權(quán)的時(shí)延TZC-R，移動授權(quán)從區(qū)域控制器到軌旁傳輸設(shè)備的時(shí)延Tperiod，軌旁傳輸設(shè)備到通信列車的車載控制器的時(shí)延Tts，車載控制器接收和處理信息的時(shí)延Trev，車載控制器響應(yīng)的時(shí)延TVOBC-R；車載控制器測量列車實(shí)時(shí)位置的時(shí)延TCL，車載控制器獲得列車實(shí)時(shí)位置的時(shí)延TCL-R，列車實(shí)時(shí)位置從車載控制器到軌旁傳輸設(shè)備的時(shí)延Tts，軌旁傳輸設(shè)備到區(qū)域控制器的時(shí)延Tperiod，區(qū)域控制器接收信息和產(chǎn)生移動授權(quán)的時(shí)延TZC-R。

CBTC系統(tǒng)中，區(qū)域控制器移動授權(quán)到車載的時(shí)延為

CBTC系統(tǒng)中，車載到區(qū)域控制器移動授權(quán)的時(shí)延為

列車與軌旁傳輸設(shè)備、軌旁傳輸設(shè)備與區(qū)域控制器之間的雙向信息傳輸時(shí)間是固定的，由設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)共同決定。

式（1）、式（2）中，延時(shí)在一定范圍之內(nèi)時(shí)，滿足移動閉塞的追蹤間隔要求，否則，無法滿足連續(xù)追蹤間隔要求，影響列車運(yùn)行。

圖4 區(qū)域控制器到通信列車的時(shí)延示意

4 CBTC系統(tǒng)移動授權(quán)時(shí)延的確定

列車運(yùn)行時(shí)，車載設(shè)備與區(qū)域控制器始終處于雙向通信狀態(tài)，并根據(jù)接收到的移動授權(quán)控制列車運(yùn)行。一旦出現(xiàn)通信中斷，會影響列車正常運(yùn)行。

（1）移動授權(quán)正常時(shí)間延遲Tmin。一般情況下，通信系統(tǒng)或數(shù)據(jù)傳輸通道均采用一定的數(shù)據(jù)傳輸保障機(jī)制，來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。例如，為了克服?shù)據(jù)傳輸過程中通信數(shù)據(jù)的延遲和異步性,在所有的數(shù)據(jù)信息中加入1個(gè)時(shí)間戳，以保證CBTC系統(tǒng)中區(qū)域控制器到車載設(shè)備以及車載設(shè)備到區(qū)域控制器數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性；區(qū)域控制器到2個(gè)聯(lián)鎖設(shè)備，或聯(lián)鎖設(shè)備到2個(gè)區(qū)域控制器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性。

（2）最長延時(shí)Tmax。是指在固定的時(shí)間周期內(nèi)，保證列車接收移動授權(quán)的最長時(shí)間。如果在此周期和最嚴(yán)酷的條件下，保證列車能夠接收到完整移動授權(quán)信息時(shí)，為最長延時(shí)（或稱最差延時(shí)）。

（3）最長延時(shí)超時(shí)。是指在固定的時(shí)間周期內(nèi)，列車尚未接收移動授權(quán)，則為最長延時(shí)超時(shí)。

5 移動授權(quán)延時(shí)的實(shí)時(shí)處理技術(shù)

CBTC通信列車在某一正線區(qū)域控制器控制區(qū)域運(yùn)行，或者列車從1個(gè)區(qū)域控制器區(qū)域到相鄰區(qū)域控制器區(qū)域，軌旁傳輸設(shè)備（如無線AP、漏泄波導(dǎo)管等）通常能夠保證信息傳輸?shù)目煽啃?。一旦發(fā)生通信中斷，系統(tǒng)根據(jù)列車運(yùn)行速度和運(yùn)行距離會發(fā)出報(bào)警信號或緊急停車措施。

5.1 列車在1個(gè)區(qū)域控制器區(qū)域

當(dāng)1列通信列車失去通信，此時(shí)列車被稱為非通信列車。如果非通信列車在其計(jì)時(shí)器過期（最差延時(shí)）之前，重新獲得通信，區(qū)域控制器將自動處理恢復(fù)過程。如果1列通信列車失去通信時(shí)間超過非通信列車計(jì)時(shí)器時(shí)間（最差延時(shí)），區(qū)域控制器將建立1個(gè)非通信障礙物，以保護(hù)該列車以及后續(xù)列車，防止發(fā)生沖突。

對于列車而言，未在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)接收到移動授權(quán)信息，列車必須馬上發(fā)出報(bào)警信息，并采取自動緊急制動。

5.2 列車從1個(gè)區(qū)域控制器區(qū)域到相鄰區(qū)域控制器區(qū)域

當(dāng)列車處于1個(gè)（當(dāng)前）區(qū)域控制器區(qū)域邊界處和列車完全處于相鄰（前方）區(qū)域控制器區(qū)域時(shí)，該區(qū)域控制器與相鄰區(qū)域控制器通信中斷，此列車已歸相鄰區(qū)域控制器接管，按照相鄰區(qū)域控制器發(fā)出的移動授權(quán)運(yùn)行。

5.3 列車在正線與車輛段的分界口

5.3.1 列車在CBTC 入口區(qū)域

正線與車輛段/停車場通過轉(zhuǎn)換軌相連。當(dāng)列車從入口進(jìn)入正線，必須滿足CBTC響應(yīng)時(shí)間，使列車變?yōu)镃BTC通信列車，以保證列車進(jìn)入CBTC區(qū)域之前實(shí)施車載設(shè)備的查驗(yàn)，以及CBTC向列車發(fā)送車次號、目的地等初始化信息。

當(dāng)信號開放后，列車從車輛段/停車場到達(dá)CBTC入口區(qū)域，完成地-車雙向通信，進(jìn)入正線。若列車與相鄰正線區(qū)域控制器尚未在最差延時(shí)情況響應(yīng)，列車將不再進(jìn)入正線。

若列車在沒有建立通信的情況下進(jìn)入運(yùn)行線路，區(qū)域控制器會使用1個(gè)障礙物表示。

5.3.2 列車在CBTC 出口區(qū)域

列車下線進(jìn)入轉(zhuǎn)換軌，控制相鄰正線車站的區(qū)域控制器不再控制列車運(yùn)行，CBTC系統(tǒng)刪除當(dāng)前列車運(yùn)行信息（如車次號等），列車變?yōu)榉峭ㄐ帕熊嚕熊囉僧?dāng)前駕駛模式，如自動駕駛（AM）或ATP 監(jiān)督下的人工駕駛（SM））模式變?yōu)槿斯ゑ{駛模式，然后由車輛段/停車場的聯(lián)鎖系統(tǒng)保證列車安全。一旦發(fā)生通信中斷，不會影響列車安全。

6 實(shí)例

以阿爾卡特SelTrac 基于通信的列車控制系統(tǒng)為例。

（1）SelTrac S40 移動閉塞系統(tǒng)，為了保證行車安全，列車必須連續(xù)不斷地接收控制中心發(fā)送的目標(biāo)點(diǎn)的更新信息。系統(tǒng)設(shè)定，列車在3 s內(nèi)收不到有效信息，就判斷為通信發(fā)生故障，車載列車自動防護(hù)（ATP）產(chǎn)生緊急制動，迫使列車緊急停車，確保列車運(yùn)行安全。同時(shí)，控制中心做出反應(yīng)，阻止該列車?yán)^續(xù)前進(jìn)，以避免發(fā)生行車事故。

（2）CBTC 系統(tǒng)移動授權(quán)通信周期為200 ms[9]，通信延時(shí)，會影響列車運(yùn)行安全。一旦發(fā)生1列通信列車失去通信時(shí)間超過非通信列車計(jì)時(shí)器時(shí)間，列車發(fā)出警告的同時(shí)，自動轉(zhuǎn)入常用制動方式，并將列車的目標(biāo)速度設(shè)置為零。如果通信在9 s 內(nèi)恢復(fù)，列車將停止制動，并繼續(xù)按原有進(jìn)路行駛。如果通信未在9 s 內(nèi)恢復(fù)，列車自動轉(zhuǎn)入緊急制動方式。

對于區(qū)域控制器而言，一旦發(fā)現(xiàn)列車車載控制器通信故障，將取消列車的原來移動授權(quán)，并建立新的移動授權(quán)。

由上述可以看出，CBTC系統(tǒng)時(shí)延小，反應(yīng)速度快，追蹤間隔短，是真正意義上的閉環(huán)控制。

7 結(jié)束語

基于通信的列車控制系統(tǒng)，是目前城市軌道交通的發(fā)展方向。列車定位技術(shù)和車-地通信技術(shù)是其非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，一旦傳輸信息畸變，信息丟失，通信失敗，其后果非常嚴(yán)重。因此，研究移動授權(quán)通信延時(shí)非常重要。

本文對移動授權(quán)的信息系統(tǒng)發(fā)布系統(tǒng)及時(shí)延分析，目的通過對移動授權(quán)延時(shí)的分析，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和應(yīng)急處理措施。

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Information Transmission System and Delay Analysis based on Movement Authority

Liu Bohong

In the communication based train control (CBTC) system, information transmission has mainly with correspondence communication network. The delay characteristics of the movement authority transmission network are the key factors which affect the system performance. With the introduction of CBTC movement authority information transmission system, the paper focuses on analysis of delay and uncertainty, the CBTC system processing technology with delay characteristics.

CBTC, movement authority, information transmission, time delay

U231.7

劉伯鴻：蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，副教授，甘肅蘭州 730070

2014-07-14

責(zé)任編輯冒一平