城軌車載ATP系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧子淵

鄧子淵:蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 碩士研究生730070 蘭州

列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATP是基于通信的列車控制系統(tǒng)CBTC(Communication Based Train Control)的核心安全控制部件，依托車-地雙向通信和計(jì)算機(jī)控制，縮短行車間隔，增大運(yùn)營(yíng)密度。車載ATP通過(guò)安全防護(hù)曲線的計(jì)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車運(yùn)行速度，保證列車的可用制動(dòng)距離，從而使列車安全高速運(yùn)行。

資料表明，從20世紀(jì)80年代開始，國(guó)外就已經(jīng)開始在ATP技術(shù)領(lǐng)域展開新的研究。近些年為了緩解日益嚴(yán)重的城市交通擁塞狀況，我國(guó)正大力研發(fā)CBTC技術(shù)。在ATP系統(tǒng)的研究中，如果只進(jìn)行實(shí)體開發(fā)，不僅經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，而且成果孵化周期長(zhǎng)。若以計(jì)算機(jī)仿真搭建試驗(yàn)平臺(tái)，能夠有效降低研發(fā)成本，對(duì)ATP系統(tǒng)的研究達(dá)到事半功倍的效果。

本文的ATP仿真研究正是基于CBTC技術(shù)，根據(jù)IEEE 1474.1TM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全制動(dòng)模型，按照行車最小追蹤間隔，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真列車運(yùn)行。

1 ATP系統(tǒng)分析

1.1 ATP系統(tǒng)的構(gòu)成

基于CBTC的ATP系統(tǒng)主要由區(qū)域控制中心、無(wú)線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)和列車車載子系統(tǒng)3部分構(gòu)成，如圖1所示。

區(qū)域控制中心:負(fù)責(zé)從軌道電路、道岔、信號(hào)機(jī)等軌旁設(shè)備采集信息，并與列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS共同完成計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖的安全處理與控制;根據(jù)軌道電路占用情況、線路數(shù)據(jù)以及進(jìn)路聯(lián)鎖狀態(tài)進(jìn)行軌道電路編碼，傳遞給ATP車載設(shè)備;相鄰區(qū)域控制中心之間會(huì)進(jìn)行信息交互。

無(wú)線局域網(wǎng)通信系統(tǒng):主要包括地面骨干網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)地面接入點(diǎn) (AP)和車載無(wú)線設(shè)備。它是CBTC技術(shù)中車-地雙向通信的根本，傳送列車狀態(tài)、控制命令等重要信息。

列車車載子系統(tǒng):是保證行車安全的核心部件，負(fù)責(zé)接收通信系統(tǒng)信息，計(jì)算ATP防護(hù)曲線，監(jiān)控列車運(yùn)行，發(fā)出控制命令。

圖1 ATP系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2 ATP仿真數(shù)據(jù)模型的建立

為了實(shí)現(xiàn)交互式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，根據(jù)ATP系統(tǒng)的構(gòu)成，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)。如圖2所示，通過(guò)CDM建模的可視化表達(dá)，可以清晰地看到ATP計(jì)算中的數(shù)據(jù)關(guān)系。區(qū)域控制中心主要監(jiān)視轄區(qū)范圍內(nèi)的線路信息、設(shè)備信息和列車位置信息。通過(guò)列車位置信息可以頒發(fā)給該列車有效移動(dòng)授權(quán) (LMA)。仿真系統(tǒng)根據(jù)移動(dòng)授權(quán)，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢線路信息，建立對(duì)應(yīng)該列車的進(jìn)路表。該表記錄了列車車載ATP實(shí)時(shí)計(jì)算防護(hù)曲線所需的必要信息，如線路坡度、曲線半徑、限速等。本仿真選取Power Designer為建模工具，可以有效進(jìn)行CDM到SQL腳本的轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的完整性和一致性。

2 ATP超速防護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 ATP防護(hù)曲線的分析與計(jì)算

目前超速防護(hù)曲線的電算方法主要有3種:反算法、直接計(jì)算法和雙向遞推算法。但是無(wú)論哪種算法，其本質(zhì)都是ATP超速防護(hù)模型標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，只是在計(jì)算方法上稍有差別。本仿真根據(jù)設(shè)計(jì)選擇反算法進(jìn)行計(jì)算，其主要思路是將制動(dòng)過(guò)程看做加速過(guò)程，從限速點(diǎn)進(jìn)行反推，直至所求限速入口點(diǎn)止，建立步驟如下。

1．根據(jù)列車運(yùn)行的線路限速以及前行列車位置判斷限速點(diǎn)位置s0，并獲取該點(diǎn)目標(biāo)速度ν0。

2．將列車制動(dòng)的減速度看做列車牽引的加速度，選取時(shí)間步長(zhǎng)Δt，按照如下公式計(jì)算并保存結(jié)果:

圖2 ATP系統(tǒng)仿真中的概念數(shù)據(jù)模型 (CDM)

圖3 ATP超速防護(hù)模型

其中:ad為列車惰行時(shí)的加速度，aq為列車最大牽引加速度，tz為制動(dòng)建立時(shí)間，te為制動(dòng)額外建立時(shí)間，tq為牽引切除時(shí)間，ta為設(shè)備反應(yīng)時(shí)間，Vi為列車開始切除牽引時(shí)的速度，V＇i為列車牽引切除且開始建立制動(dòng)時(shí)的速度，Si為列車開始切除牽引時(shí)的位置。(νi，si)為列車制動(dòng)距離速度曲線上，按照上式計(jì)算截取的離散點(diǎn)。

3．繼續(xù)計(jì)算 νi，si。

4．如果Si滿足目標(biāo)限速入口點(diǎn)終止條件，則結(jié)束迭代運(yùn)算，否則返回步驟2繼續(xù)運(yùn)行。

5．返回速度集合{V0， V1，V2…Vn}和對(duì)應(yīng)距離集合{S0，S1，S2…Sn}，以前者為縱坐標(biāo)，后者為橫坐標(biāo)進(jìn)行曲線擬合，得到ATP防護(hù)曲線。

列車追蹤運(yùn)行下的最小追蹤間隔距離為:

其中Saction為司機(jī)確認(rèn)信號(hào)以及制動(dòng)反應(yīng)走行距離，Sbrake為列車以最大速度制動(dòng)的常用制動(dòng)距離，Ssafe為安全距離，Strainlen為一個(gè)列車長(zhǎng)度。

2.2 仿真步長(zhǎng)的設(shè)計(jì)

超速防護(hù)曲線需按步長(zhǎng)計(jì)算，不能恰好算到目標(biāo)值處，所以設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)給出一個(gè)允許誤差ζ，當(dāng)列車速度值滿足ζ之內(nèi)，則等同列車速度已滿足目標(biāo)值Vmax，即為迭代計(jì)算的終止條件。

變步長(zhǎng)法中，步長(zhǎng)取值通常為50～1000 ms間，開始步長(zhǎng)取值較大，然后逐漸縮小。如圖4所示，其中C為牽引合力，M為牽引質(zhì)量。如果列車速度值在循環(huán)中跨過(guò)允許誤差區(qū)間，就需要試湊函數(shù)縮小步長(zhǎng)Δt，使得速度值可以被捕捉到。該方法的缺陷在于試湊需要將計(jì)算回滾。由于在軟件仿真中系統(tǒng)開銷時(shí)間可視為定值，所以計(jì)算回滾將不利于仿真幀穩(wěn)定和時(shí)間同步。而定步長(zhǎng)法中，往往將步長(zhǎng)設(shè)計(jì)得非常小，如0.01 s，這樣看似精確且不需要試湊，但是在列車運(yùn)行的某些階段，如以最大牽引力運(yùn)行的牽引初始階段，非常小的步長(zhǎng)顯然是沒(méi)必要的;其次，如果此時(shí)允許誤差值ζ取得不恰當(dāng)，則列車是以接近允許誤差的下限值在運(yùn)行，實(shí)際上就是列車還沒(méi)有達(dá)到最大值就開始準(zhǔn)備制動(dòng)了。所以需要選取合適的步長(zhǎng)，既能滿足必要的精確度，又能避免試湊。

圖4 變步長(zhǎng)法牽引計(jì)算流程圖

根據(jù)以上分析，仿真步長(zhǎng)Δt主要與允許誤差ζ、加速度a、速度V有關(guān)系。ζ確定后，加速度與誤差區(qū)間捕獲概率有關(guān)，顯然Δt不能超過(guò)速度與誤差區(qū)間捕獲時(shí)機(jī)有關(guān)，速度越大，越接近限速值或緩解值，Δt就應(yīng)該越小。以X軸表示加速度，Y軸表示速度，Z軸表示步長(zhǎng)，用MATLAB進(jìn)行二維插值處理，如圖5所示，可取得所有條件下的計(jì)算步長(zhǎng)值，Δt只需要取到列車整個(gè)運(yùn)行階段的最小值即可。

圖5 步長(zhǎng)仿真圖

表1為仿真中列車牽引、制動(dòng)的最大加速度取值表，與國(guó)內(nèi)城市軌道交通列車實(shí)際參數(shù)一致。取ζ為0.56 m/s(即2 km/h)，則步長(zhǎng)取其最小值為0.25 s。

2.3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)

由于ATP系統(tǒng)的交互式需求，客戶端需要頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力有較高要求。如果僅依靠數(shù)據(jù)庫(kù)的查找，等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將難以滿足仿真的實(shí)時(shí)性要求，并降低系統(tǒng)的可靠性。仿真采用多線程響應(yīng)方式改進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，使仿真性能得到改善。

如圖6所示，利用后臺(tái)線程開辟本地存儲(chǔ)空間，有效利用空閑時(shí)間片，主要負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)庫(kù)持續(xù)收集車載ATP計(jì)算所需的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，避免多個(gè)計(jì)算線程同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)引起的大量無(wú)效搜索和訪問(wèn)共享資源引起的互斥操作 (比如軌道的占用、鎖閉狀態(tài)數(shù)據(jù))。當(dāng)ATP線程訪問(wèn)后臺(tái)線程時(shí)，由于后臺(tái)線程已經(jīng)幫其剪除了暫時(shí)無(wú)用的數(shù)據(jù)，將大大提高仿真的實(shí)時(shí)性。此方法類似本地緩存。在仿真的初始階段，ATP線程訪問(wèn)本地存儲(chǔ)空間的命中率較低，但在短時(shí)間內(nèi)，后臺(tái)線程將按照LMA持續(xù)提前收集最近計(jì)算所需數(shù)據(jù)，這樣隨著命中率的提高，仿真計(jì)算將得到有效執(zhí)行。并且，為了提高ATP線程的查找命中率，其優(yōu)先級(jí)必須高于后臺(tái)線程。

表1 加速度取值表

另外，為了滿足測(cè)試需求，需要考慮數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)異動(dòng)的情況，比如軌道突然落下異物引發(fā)列車緊急制動(dòng)的情景，數(shù)據(jù)庫(kù)保存的線路數(shù)據(jù)將會(huì)變化。此時(shí)讓數(shù)據(jù)庫(kù)觸發(fā)數(shù)據(jù)更改消息發(fā)送給應(yīng)用程序，ATP線程將根據(jù)更新數(shù)據(jù)重新計(jì)算防護(hù)曲線，控制列車運(yùn)行，引發(fā)緊急制動(dòng)。

3 仿真流程與結(jié)果

圖6 ATP仿真多線程處理模型

仿真演示中設(shè)前行車與追行車為同型號(hào)，主要參數(shù)如下:列車長(zhǎng)100 m，安全距離50 m，土建限速80 km/h，車站限速60 km/h，列車制動(dòng)時(shí)建立時(shí)間2.0 s，額外時(shí)間1.5 s，響應(yīng)時(shí)間0.8 s，牽引切除時(shí)間0.8 s，停站時(shí)長(zhǎng)35 s。仿真流程如圖7所示。

圖7 仿真流程

仿真平臺(tái)采用Visual C++和SQL server實(shí)現(xiàn)。為了仿真真實(shí)列車運(yùn)行工況，列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)采取加速、減速、加速、減速直至制動(dòng)、停車的工況運(yùn)行，如圖8所示。列車最小追蹤間隔為85.7 s，符合實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，達(dá)到了仿真的預(yù)期目標(biāo)。

圖8 列車運(yùn)行仿真

4 結(jié)束語(yǔ)

ATP系統(tǒng)是保障列車安全高速運(yùn)行的核心部件，同時(shí)它所決定的追蹤間隔是CBTC系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)。本文主要從整體系統(tǒng)和局部功能兩方面討論了車載ATP系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算步長(zhǎng)和采用多線程響應(yīng)方式，使仿真的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度得到很大改善，對(duì)實(shí)際ATP嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具備一定參考價(jià)值。

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