基于自律分散技術的列車控制系統設計

程 景，王硯帛，彭朝亮

（西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生，四川 成都 610031）

在以往的體系結構中，集中式計算機系統占了統治地位。被稱為主機的大型計算機承擔了系統的幾乎全部處理任務。但集中式會有一些缺陷，諸如主機一旦出現問題，整個系統可能崩潰；系統要發生改變時，必須先停止工作，再對系統進行修改等。針對這種局面，日本國森欣司教授在1977年創造性地提出了自律分散系統（ADS）。經過近20年的理論與應用研究、國際學術交流以及標準化工作，形成了較為完整的技術體系〔1-2〕。

基于通信的列車控制系統（CBTC）是指利用高精度的列車定位雙向連續、大容量的車—地數據通信，車載、地面的安全功能處理器，實現連續、自動的列車控制系統〔3〕。而列控技術的一種解決思路是設置1個地面控制中心，將各種行車許可和實時信息通過通信技術傳達給列車，達到控制列車運行的目的。從系統體系結構角度講，這樣做仍然是一種集中式系統，控制中心要對它所轄區段的所有列車的運行狀況進行分析，然后根據各種條件來分別計算每列車的行車授權，再依靠傳輸設備將它們傳達出去〔4〕。而基于自律分散技術的列車控制系統既可以吸取CBTC的優點，又把列車控制的自主權轉移給了列車本身，從根本上實現了“信息集中，控制分散”。為此，探討其實現的方案。

1 自律分散系統

1.1 自律分散系統定義及技術若一個系統滿足以下2個屬性，稱之為自律分散系統：

1）自律可控性。系統中任何子系統出現故障、正在維修或剛剛加入，都不影響其他子系統的運行與管理。

2）自律可協調性。系統中任何子系統出現故障、正在維修或剛剛加入，其他子系統之間能夠完成各自的任務并以協作方式運行〔1〕。

因此，自律分散系統ADS中的子系統都有自我管理能力，同時不干涉其他子系統的運行，更不接受其他子系統的干涉，但是可以與其他子系統以協作的方式運行。

ADS的技術包括：1）在線擴展。系統在線擴展包括原子節點和系統2個層次上的擴展；2）在線維護。自律分散系統在運行的同時可進行部分子系統或其內部軟件模塊的測試。3）容錯。子系統出現的問題，不能影響到整個系統的運轉。

1.2 系統的結構自律分散系統ADS的結構模型如圖1。ADS主要由原子節點（如圖中的計算機）、數據域、內容代碼與數據驅動構成。

圖1 自律分散系統的結構示意

原子節點（Atom）：可以認為前面所說的子系統。它是構成ADS的基本單元。對應的物理系統是微型計算機、控制計算機或傳感器等設備。在具體的系統中，各個節點可能承擔的任務各不相同，因此它們各自擁有不同的應用功能軟件。每個節點對其自身也要進行管理，與傳統系統的操作系統相對應，ADS中的原子節點也有自己的自主控制處理器ACP（Autonomous Control processor）。這個管理系統的一個重要作用是根據事先制定的發送接收原則，自動地在數據域內提取必要的信息，或將本地信息以廣播形式傳輸到數據域中去。

數據域（data field，DF）：為了實現子系統（原子節點）對信息的共享，設置了供信息傳播的邏輯空間，即數據域（DF）。數據域是一種邏輯空間，對物理硬件并沒有強制要求，一個網絡、一個存儲器，都可以認為是數據域。

內容代碼（content code，CC）與數據驅動：數據域結構中使用內容代碼來判斷一個數據是否是必要的。內容代碼是針對數據內容而定義的固有編碼，附加在所有數據上。在所有數據的報頭都有一個內容代碼來表明其屬性，原子節點的ACP的作用還相當于一個信息過濾器。當一個數據的內容代碼是該原子節點所感興趣的，則ACP就接收它，反之則只轉發不接收。如圖1所示，原子節點4發出一個信息，原子節點3判定該信息的內容代碼類型是應該接收的，則開始接收該消息；其它原子節點判定該信息是不需要的，拒絕接收此信息。這種依靠自主控制處理器和內容代碼來判斷接收消息與否的機制稱為自律分散數據驅動方式。

原子節點在數據域內以廣播的形式傳播消息，同時節點自律地提取自己感興趣的信息是ADS通信模式的核心思想。原子節點代替主機、建立數據域、數據驅動是ADS的三大特征。

除了內容代碼（CC）外，發送端地址（SA）和數據本身（DATA）是信息主體。

列車控制系統中，以列車作為原子節點自行的計算行車曲線是實現自律分散控車技術的核心思想〔5〕。

2 列控系統功能實現的方案

基于自律分散技術的列車控制系統的功能可按以下方案來實現。

2.1 車身編號的改造列車在運行時除了要知道線路等信息外，最關心的就是其前行列車的一些狀態。如：前行列車尾部位置，前行列車的運行狀況等等。這類消息不僅對列車的運行會產生影響，而且多數情況下也是隨時間變化的。

列車在運行時，僅僅是對距離自己最近的前行車所發送過來的位置等信息最感興趣，對更靠前的列車和后續列車的信息就不那么感興趣。

在自律分散系統中，由于位置信息是屬于同一類型，必然導致無論哪趟列車發出來的位置信息的內容代碼都是相同的。因此，車載設備必須根據其它參數判斷自己的真正的前行車發來的信息。

利用發送端地址（SA）來分辨前行車是一種思路。在我國鐵路系統中，機車車輛都有嚴格的自身編號，如CRH2-138E，CRH3-001C等。因此，可以將車身編號改造為發送端地址，這樣列車就能夠事先知道誰是自己的前行列車，可以有選擇性地接收該車傳來的位置等信息，而對非前行車的控制信息采取過濾策略。

2.2 應答器的設置

2.2.1 正常情況時 為了讓列車能夠知道區間內哪趟列車是自己的前行車，可以在一個數據內所管轄的區段的入口設置有源雙向應答器。當列車經過該應答器時，不僅知道了自己在區間中的所在位置，而且讀取應答器中存留的上一次經過列車的發送端地址。同時，將會有車身編號的信息發送給應答器，供追蹤列車使用。應答器的提取來自列車的車號接口函數為int ads_leave mgn（struct CH mgn）〔6〕。

將內容代碼和發送端地址在邏輯上合并成為新的內容代碼NCC（new content code），列車在判斷完內容代碼后，馬上判斷發送端地址，不是前行車的就自行拋棄，是的才接收。

車載設備提取位置信息中的發送端地址的接口函數為int ads_recv（struct CH mgn，const void*adf_buffer，size_t lenth）。

參數adf_buffer（ADF的緩沖區）保存發送端地址，列控系統對這個參數進行檢查就可以判別是否是來自前行車的消息。CH是一個事先定義好的車號結構體。

2.2.2 運行密度較低時 有些線路運行密度比較低，這樣必然導致部分列車找不到前行車，或者前行車的控制信息無效（如兩車距離位置遠遠大于制動距離，對后續列車影響較小）。為了解決這個問題，可以給有源應答器安裝位置信息無線接收設備和距離計算設備。當一列車經過應答器時，應答器記錄此列車的發送端地址后，開始通過無線網絡接收此列車的位置信息。當此列車距離該應答器的距離超過了事現設定的長度值，而在這個時間內沒有新列車進來，應答器就刪除該列車的信息，同時認為該距離長度內是完全空閑的。

2.2.3 列車越行時 在某些線路上，有越行的情況，這樣列車的順序就會被打亂。為了解決這個問題，可以在道岔前后加裝應答器來解決。當沒有越行需要時，該應答器只記錄經過的列車的發送端地址。如某列車根據調度命令在側線避讓后續列車，當它經過設于側線道岔之前的有源應答器時，將自身車號發送給該應答器。應答器接收到該信號后，向數據域內發送一個列車順序更改信息。該信息的接受機制和位置信息接收機制是相同的，后續列車收到該信息的內容代碼后就開始檢查發送端地址，只要有源設備用前行車發送端地址代替實際的應答器的編號，就可以使后續列車分辨出是否要接收該信息。

圖2 列車順序信息的流向

圖2中，B的列車順序更改信息只會被A接收，而并不會被D接收。因為發送端地址表明的是該信息來自A的前行車B，而不是D的前行車A。這種利用列車的發送端地址代替其他設備的編號的方法叫做“偽地址”。由于此時，側線是開放的，有源應答器在向數據域發送列車順序更改信息時，把最近一次列車C從正線經過時的發送端地址傳達過去，保證A車開始接收C的控制信息。

同樣，當某一列車從側線發車進入正線后，改變了原來的行車順序，也可利用“偽地址”方法。列車經過道岔后方的應答器時，讀取最后一次經過列車的發送端地址，以保證以后該列車接收前行車傳來的控制信息并將自己的車號存在有源應答器中。此時由于道岔正向關閉，必然會給正線列車一個臨時限速信號，待道岔正向開放，臨時限速的命令取消后，通過數據域給指定的列車發送車序更改信息即可。

2.3 信息的過濾如前所述，數據域是一種邏輯上的劃分，并沒有強制的要求。在列控系統中，車站軟硬件設施環境好，有人值守，便于養護和維修，因此數據域可以以2個車站為邊界。在車站內，可以安裝其他的必要通信設備，如對調度中心通信接口，數據域內所產生的數據記錄監督系統，臨時限速生成系統、旅客廣播系統等等。

我國軌道交通種類繁多，因此站間距的差異也很大。如果把相鄰的2個車站作為一個數據域的2個界限，那么有些情況在一條線路上就可能需要設置過多的數據域，而每個數據域內實際運行的列車過少，基于內容代碼和數據域通信的自律分散列控系統就失去了原有的意義。此外，數據域是一個邏輯概念，列車在軌道上運行，要多次穿越數據域，數據域之間也要涉及到數據交換問題。因此，較長的線路可以30～50 km設為一個數據域，較短的線路一條線路只設1個數據域。

以車站為數據域，通常情況下，線路上一個車站是2個相鄰數據域的公共端。某車站n在接收到下一數據域（第n個）的信息時，根據自律分散原則，提取出對上一數據域（第n-1個）有影響的控制信息，然后車站作為一個原子節點將該控制信息注入到上一數據域內。該過程如圖3所示。

圖3 數據域之間的信息交換關系

信息提取是指車站作為一個自律分散系統的原子節點，可以根據設置在數據域入口的有源車—地設備讀取在第n個數據域內的最后一列車的編號，這個編號就是列車控制信息的發送端地址。車站原子節點自律地接收此車發出控制信息，然后轉發到第n-1個數據域內，完成信息的轉發。此時，車站子系統轉發控制信息的時候，仍然使用“偽地址”方法。這樣，第n-1個數據域內的列車就不需要再分辨自己是否是本數據內的第一列車，只需要繼續接收其上一列的控制信息就可以完成自律控制了。

列車作為一個原子節點，它向數據域內注入控制信息是沒有方向性的，前行列車一定會收到后續列車的控制信息。在一個確定的數據域內，由于事先規定了新內容代碼，前行列車可以自動拋棄該信息。為了防止無用的控制信息被轉發到其他數據域上，應作如下設置：位于n-1和n數據域的車站在轉發位置等信息時，設置上下行線單向單工通道，該信息只能由數據域n傳向數據域n-1。這樣可以避免數據域n-1內的無用信息進入到數據域n內。數據域n-1和數據域n-2之間的轉發設備，是要依賴此處的地面有源設備所記錄的，通過它的最后一列車的車身編號（SA）來轉發信息的。線路運輸繁忙時，數據域n中的列車編號信息早已被數據域n-1中的列車所取代。因此，數據域n中的控制信息不會無限制地向后傳遞。

2.4 其它信息的接入

2.4.1 施工作業信息 在鐵路方面，部分線路要進行日常維修，為了保證行車和人身安全，也應將施工、巡道等信息發送到數據域中。同時，施工人員也要接受來自數據域的列車位置信息，以及時避讓，防止事故。

在施工作業前，將通信設備加入到所在數據域內。方法如下：無論任何情況下，為了保證作業人員安全，開機后必須接受該數據域內所有上下行列車的位置信息。也就是說，通信設備在沒有進行數據域注冊就可以接收控制信息并從中提取出列車位置信息。

作業需要臨時限速，通信設備在向數據域內發送臨時限速信息時，應先注冊到數據域中去。由于這種通信是臨時性的，信息量相對較小且固定。因此注冊過程可以通過內容代碼強制注冊，即該通信設備的內容代碼指示這是由于線路作業引起的臨時限速，事先規定所有列車都應該接收此信息。信息內容包括限速地點、限速等級、限速時間等等。由于臨時限速的位置有一定的隨機性，為了保證安全，該信息應該至少雙向傳達到2個相鄰的數據域中去。調度中心也會收到該信息并只對其進行監督記錄，只有信息有誤或認為非法接入時才會做出干涉。

2.4.2 旅客列車信息 如前所述，列車位置信息在傳遞的時候并沒有一個明確的方向，只是大體呈一個帶狀，既可向后傳遞給后續列車，也可向前傳遞給前方車站。因此，在車站設置位置信息接收設備，計算機就能知道列車的位置、速度等信息。此時車站計算機可以自律地計算出要在本站停靠的列車到達的大體時間，并和本站的列車時刻表進行對比，如果晚點就可及時通知旅客。

要指出的是，由于位置等信息在向前傳遞時，有被數據域交界處的網關過濾掉的可能，因此這項服務并不能保證實時性。解決方案有以下2種方法：

1）只有列車進入所在車站，數據域才進行位置對比并判斷列車是否晚點。

2）由于數據域分界點一般都設在大型車站，因此由該車站負責判斷其所轄數據域內的列車是否晚點，然后通過有線通信方式通知下一個數據域內的小車站。

3 結束語

基于通信的列車控制系統可以實現大密度的軌道交通運輸，是未來各種軌道交通發展的必然趨勢。自律分散技術在我國屬于新興學科，在智能電網、智能鐵路運輸調度、大系統工程等領域有著廣闊的前景〔7-8〕。而基于自律分散技術、以通信為核心的列車控制系統的體系結構，是一種創新。這種創新體現在行車憑證由作為子系統的列車自己產生，列車只要能接收到少量的控制信息就能正常地運行。由于列控的主要任務都由列車自身完成，不需要一個集中的控制中心，這大大地減少了系統的風險。此外，前行列車高頻度地發送自身位置信息并能被后續列車接收，對研究移動閉塞的實現模式有相當的意義。

〔1〕森欣司.自律分散概念の提案〔C〕//電氣學會論文志.日本：電氣學會，1984：303.

〔2〕譚永東.自律分散系統動態進化問題研究〔D〕.成都：西南交通大學，2007.

〔3〕蔣晟.基于通信的列車控制—CBTC〔J〕.科協論壇（2.下），2009（5）：74-75.

〔4〕張超，董德存.基于無線通信的列車控制系統〔J〕.城市軌道交通研究，2005（3）：75.

〔5〕M.Matsumoto，et al.The New ATC System with an Autonomous Speed Control with On-bord Equipment〔C〕.The 5th International Symposium on Autonomous Decentralized Systems（ISADS ’01），IEEE，2001：235-238.

〔6〕譚珍珠.自律分散協議及其在Linux上的實現〔J〕.鐵路計算機應用，2009，18（2）：51-54.

〔7〕吳江嬌，趙青.基于無線通信的移動閉塞列控系統——SPARCS〔J〕.現代城市軌道交通，2009（1）：51-54.

〔8〕Kinji Mori.Trend of Autonomous Decentralized Systems〔EB/OL〕//Proceeding of the 10th IEEE International Workshop on Future Trends of Distributed Computing Systems（FTDCS’04），2004.〔2010-3-18〕.http：//www.ieee.org/conferences_events/index.html.