列車控制無線通信網(wǎng)絡(luò)仿真

菅原宏之：日本鐵道綜合技術(shù)研究所，列車控制 副主任研究員

中村一城：日本鐵道綜合技術(shù)研究所，通信 副主任研究員

信息通信技術(shù)及其應(yīng)用穩(wěn)步發(fā)展，鐵路領(lǐng)域正在運用此項技術(shù)進行革新系統(tǒng)的嘗試。在列車的行車控制方面，無線傳輸技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用正朝著提高系統(tǒng)可靠性、靈活運用性和降低維護成本的方向發(fā)展。

為加快新系統(tǒng)的開發(fā)，需大力推進研發(fā)一種仿真器，可對運用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與穩(wěn)定性進行評估。以下對此仿真器進行介紹。

運用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)

鐵道綜合技術(shù)研究所開發(fā)了運用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，簡稱CARAT（Computer And Radio Aided Train control system）。

CARAT系統(tǒng)中，每輛列車能夠?qū)崿F(xiàn)自主定位，再通過無線網(wǎng)絡(luò)把定位信息傳至地面設(shè)備。地面設(shè)備接收各列車發(fā)送的定位信息，再追蹤每輛列車。地面設(shè)備與沿線的道岔及道口等設(shè)備交換信息，并監(jiān)視和控制這些設(shè)備的運行狀態(tài)。地面設(shè)備根據(jù)各列車的位置及沿線設(shè)備的狀態(tài)，判斷各列車的安全運行區(qū)間，通過無線網(wǎng)絡(luò)向各列車傳送停車目標(biāo)位置信息。各列車根據(jù)自帶的線路數(shù)據(jù)（限制速度、坡度等信息）和制動功能，設(shè)定安全行至停車目標(biāo)距離所需的連續(xù)速度安全模式。如果走行速度超過安全速度模式，列車將自動減速。

1985年前后開始了CARAT核心技術(shù)的開發(fā)工作，在構(gòu)筑現(xiàn)場試驗系統(tǒng)和進行運行試驗后，于1998年基本完成技術(shù)開發(fā)工作。現(xiàn)在取得的成果基礎(chǔ)上，大力開發(fā)基于多種信息的新型列車控制系統(tǒng)。

仿真器的必要性

利用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，通過在地面與列車之間運用無線技術(shù)交換安全相關(guān)的控制信息，構(gòu)成列車運行系統(tǒng)。所以此部分需要構(gòu)建高可靠性的無線通信系統(tǒng)。為使無線通信高效、穩(wěn)定地發(fā)揮作用，需要考慮供電、通信距離、噪音、空間的傳輸損耗等因素，來決定采用與無線系統(tǒng)相關(guān)的各種方法和技術(shù)。

在無線電路設(shè)計中采用的方法，根據(jù)運用無線電路系統(tǒng)的目的及用途而有所不同。不僅如此，即使是同一系統(tǒng)，根據(jù)引進場所的規(guī)模也有所不同。引進既有系統(tǒng)需要改變無線頻率和環(huán)境條件。開發(fā)全新系統(tǒng)和引進既有系統(tǒng)，都應(yīng)參考過去的經(jīng)驗及類似案例。此設(shè)計存在的問題，包括需要大量勞動力以及無法進行高精度設(shè)計等。

另一方面，地面設(shè)備與沿線的道岔和道口等各式設(shè)備相連并交換信息，同時還與其他的地面設(shè)備相連并交換信息，管理整個線路區(qū)間。由于線路區(qū)間上車站的規(guī)模以及沿線各所設(shè)備數(shù)量有所不同，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也有所變化。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成后使用系統(tǒng)，需要調(diào)查網(wǎng)絡(luò)的性能，如調(diào)查設(shè)備的處理能力、信息的傳送量、錯誤發(fā)生率，以及是否存在由此引起的一些故障等。實際上構(gòu)成系統(tǒng)后再進行研究調(diào)查是極大的負擔(dān)。為盡量減少負擔(dān)，推進高效的系統(tǒng)設(shè)計，故決定開發(fā)仿真器。

仿真圖像

在仿真器中輸入初期設(shè)定，包括系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、線路數(shù)據(jù)與列車的運行模式、沿線建筑物等環(huán)境條件。進入仿真模式后，模擬列車按照運行模式在設(shè)定區(qū)間內(nèi)運行，地面設(shè)備與列車間的信息交換得以實現(xiàn)。此外，地面設(shè)備與沿線設(shè)備間的信息交換也得以實現(xiàn)，仿真器記錄這一系列信息交換的內(nèi)容。從記錄中，確認模擬列車的運行區(qū)間中信息的傳輸錯誤發(fā)生位置以及隨之產(chǎn)生的系統(tǒng)功能停止的位置，以檢驗網(wǎng)絡(luò)存在的問題。

地面設(shè)備與列車間能通過無線傳輸信息，這是仿真器的重要部分。考慮到實際列車運行時伴隨的電波傳輸環(huán)境，正確再現(xiàn)其特性是非常必要的。因此構(gòu)建了無線傳輸回路模型。

無線傳輸回路模型

無線傳輸回路模型旨在成為不僅適用于使用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)，還適用鐵路沿線通用系統(tǒng)。此系統(tǒng)在構(gòu)筑時注重了應(yīng)用的廣泛性。符合把通信功能劃分為階層構(gòu)造的OSI標(biāo)準(zhǔn)參照模式，無線傳輸回路子模型充當(dāng)物理媒質(zhì)和物理層，充當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸器的無線傳輸控制子模式的3層構(gòu)造來構(gòu)建模式。

無線傳輸控制子模型與無線傳輸回線子模型通過把待評估系統(tǒng)的技術(shù)予以程序化，從而基本再現(xiàn)其工作過程。另一方面，無線傳輸線路子模型反映無線的傳輸特性與噪音的混入情況，其構(gòu)成要素也是自然現(xiàn)象。這種子模型反映鐵路固有環(huán)境的相關(guān)條件，在此條件下，電波傳輸方面，線路構(gòu)造與車站建筑會產(chǎn)生影響；噪音方面，伴隨列車運行會產(chǎn)生輻射。尤其是鐵路沿線的噪音，根據(jù)列車運行狀態(tài)的不同，噪音的強度與發(fā)生頻率會有很大變化。據(jù)此，通過對列車運行發(fā)出的噪音進行實際監(jiān)測，能夠模擬鐵路特有噪音的發(fā)生頻率。

在電波傳輸方面，在現(xiàn)行線路設(shè)計中使用的經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上加上傳輸損耗的推算方法，得出傳輸損耗，并模擬信號波強度的衰減, 以此驗證實測值以及其他電波傳輸仿真軟件的計算結(jié)果。此外，從載波頻率和運行速度的角度可以考慮伴隨列車運行產(chǎn)生的傳輸損耗的時間性變化。

伴隨列車運行產(chǎn)生的噪音，分為①建筑物及噪音源較多的城市和②建筑物及噪音源較少的郊區(qū)，對運行在①②的線路區(qū)間和只在②的線路區(qū)間內(nèi)的噪音強度進行了測試。

通過地面測試，測得的噪音強度為噪音電力密度。噪音電力密度表示輸入接收機器每單位赫茲的噪音電力的數(shù)值，噪音的振幅若按照正態(tài)分布，則噪音振幅的分散相當(dāng)于噪音電力密度。

測試結(jié)果顯示，地面方面，伴隨列車通過無線基站接收的噪音電力密度、產(chǎn)生時間間隔和產(chǎn)生持續(xù)時間長度會發(fā)生變化。另外，列車方面，在“停車”、“惰行”、“牽引運行·制動”3種狀態(tài)下，噪音強度發(fā)生變化。基于測試結(jié)果，得出噪音的產(chǎn)生模式。通過把該模式參數(shù)化后編入模擬器，從而模擬鐵路環(huán)境下的噪音。

仿真器的結(jié)構(gòu)

在初期設(shè)定輸入部中設(shè)定網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、列車運行模式、沿線環(huán)境條件等實行仿真所必需的參數(shù)。在裝置工作模擬部中，模擬道岔及道口等沿線設(shè)備的工作及列車的運行。列車運行方面，在運行模式下，“停車”、“惰行”、“牽引運行·制動”3種狀態(tài)和位置、速度等信息輸出后，地面和列車的各裝置開始工作。考慮到數(shù)據(jù)傳輸速度及其延遲時間、錯誤率等，各裝置間的信息發(fā)送使用有線傳輸處理和無線傳輸處理。特別在無線傳輸部分模擬無線傳輸線路模式的傳輸特性及噪音產(chǎn)生，再現(xiàn)鐵路的固有環(huán)境。此外，還記錄信息的傳輸量、錯誤數(shù)量和收發(fā)信息量等網(wǎng)絡(luò)性能評估所需的項目及各裝置的工作結(jié)果。這些記錄在結(jié)果處理部中進行整理。

仿真器是利用OMNeT++/OMNEST進行研發(fā)的。此軟件稱為對象指向的離散型Event Network Simulation Framework，備有進行網(wǎng)絡(luò)仿真所需的基礎(chǔ)構(gòu)成部分——網(wǎng)絡(luò)模型。利用此種模型定義運用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，把進行仿真所需的各裝置的具體工作程序化。此外OMNeT++是用于學(xué)術(shù)研究的免費軟件的名稱，OMNEST是商用版的名稱。

仿真器的工作原理

正在開發(fā)中的仿真器，把利用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的地面設(shè)備到車載設(shè)備的工作全部程序化。利用無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)的地面設(shè)備由據(jù)點裝置和現(xiàn)場裝置構(gòu)成，兩個裝置間通過開關(guān)進行連接。現(xiàn)場裝置與無線基站連接。車載設(shè)備中，包括車載無線電臺與車載控制裝置。

進行仿真時，從據(jù)點裝置向車載控制裝置傳輸信息。車載控制裝置接收信息后，按規(guī)定程序處理，然后向據(jù)點裝置做出應(yīng)答。無線基站向車載無線電臺傳送信息。

模擬列車在設(shè)定的區(qū)間運行，待仿真結(jié)束后，記錄下仿真結(jié)果。從據(jù)點裝置向車載控制裝置傳送信息，車載控制裝置又向據(jù)點裝置返回信息，這一系列的信息交換情況可以得以把握，同時，還可確認各裝置接收、發(fā)送信息的時間。

結(jié)束語

以上介紹了正在開發(fā)的仿真器。今后，為更加準(zhǔn)確再現(xiàn)系統(tǒng)，應(yīng)通過與實際系統(tǒng)工作進行比較、檢驗，提高仿真器的實用性。通過仿真器，可以評估通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，旨在對系統(tǒng)開發(fā)階段構(gòu)筑有效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和基礎(chǔ)設(shè)施方面有所幫助。

仿真器除使用在無線技術(shù)的列車控制系統(tǒng)外，還計劃將它使用在運行管理系統(tǒng)及其他含有通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)，推動其向有利于構(gòu)筑更加優(yōu)質(zhì)的通信基礎(chǔ)設(shè)施的工具方向發(fā)展。