固定閉塞下具有容錯性質的車次追蹤模型

袁志明，遲 騁，郭 戩

（1.中國鐵道科學研究院 通信信號研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學研究院 運輸及經濟研究所，北京 100081）

隨著鐵路信息化建設的不斷發展和完善，智能化的調度指揮系統已逐步成為我國鐵路行車指揮中不可或缺的重要部分。列車調度指揮系統（TDCS）和分散自律調度集中（CTC）系統提高了行車指揮的效率和安全性，成為調度人員制定調度決策，指揮列車運行的必要工具。

調度指揮人員從調度指揮系統中獲取列車的時空位置，結合其他信息制定列車的運行決策，或對列車的運行狀態進行適當調整。因而車次號的正確性是制定調度指揮決策的基礎之一，也是CTC系統自動化功能正常運行的基本條件。但在實際運營中，由于采集設備的擾動、通信信道的干擾或線路上輕車跳動等原因，導致車次信息的丟失或車次顯示錯誤，通常需要人為地頻繁介入才能保證調度系統中車次信息的完全正確性。

文獻[1]、[2]中對于車次追蹤算法的研究，在車站元素的狀態與列車的狀態可以建立完備對應關系的基礎上，以進路和線形連接元素模式為主導，站內追蹤過程與車站的進路完全綁定，站間追蹤綁定區段對象，這限制了算法實現的靈活性。由于車站拓撲形式、進路形式以及站間連接關系的多樣性，很難將所有的模式進行詳細的歸類劃分，而車站與車站間的聯系也并不一定以區間的方式連接，諸如有些大的編組站存在多個場間通過道岔實現過渡連接，這些均會增加系統實現的復雜性。

本文在車次追蹤問題分析的基礎上，結合有限自動機理論，以提高追蹤車次的正確性為優化目標，提出了一種以車站對象為主導并具有容錯性質的車次追蹤模型，并對算法進行了實際應用。

1 車次追蹤問題的分析

在固定閉塞模式下，調度系統通過車站元素的占用情況來推算列車的實際位置，同時結合計劃信息、人工輸入、無線車次號系統等輔助信息來獲取初始列車車次信息以及糾正錯誤的車次信息。

由于調度指揮系統沒有同線路上的列車建立直接的聯系，其獲取的所有列車的位置信息均是建立在間接的推算上，即主要通過車站元素（道岔，區段，股道等）的狀態信息來推算列車的實際位置，即車站元素與列車位置存在的相互對應性，在理想情況下，這種對應性可以視為完備的。而在實際的非理想環境中，調度系統獲取到的車站元素狀態信息并不能與列車的位置建立起完全的對應關系，如列車占用某車站股道，該股道應為占用狀態，但也有可能由于輕車跳動等原因，導致股道狀態顯示為空閑。而某股道為占用狀態，也并不能以此確定該股道上有列車停留，也有可能是由于計軸故障或是發生了其他問題，導致了該股道繼電器導向了安全側。另外由于傳輸系統的原因，也可能導致調度系統獲取的車站元素狀態信息并不完備，從而也干擾到了其輸出的車次追蹤結果的正確性。

目前為改善調度系統車次追蹤信息的準確性，許多線路上均設立了無線車次號信息裝置，其基本原理都是將機車監控裝置中的車次號、機車號、公里標等信息通過專用安全接口在規定的地點和規定的時間發送到調度集中系統[2]，調度集中系統結合無線車次信息對車次追蹤的結果進行修正。但由于無線車次號系統的信息與固定位置有關，不能實現在全線路上信息的連續性，只是在有限的部分點提供信息，這也只能在一定程度上修正車次追蹤的結果。

由以上分析可知，在未能獲取詳盡的列車位置信息的情況下，只依據車站元素的狀態進行間接運算，即便有其他輔助手段，車次追蹤系統輸出的車次結果也不可能完全正確。但根據列車運行本身的特性，建立特定有效的算法模型，可以提高車次追蹤的正確性，進而降低因修正車次問題導致的人員參與性，降低相關人員的工作強度，提高整個調度系統的可靠性。

2 有限自動機

有限自動機是計算機軟、硬件研究的重要基礎理論。在軟件設計中為設計者提供一種有效的解決問題的思想和方法，具有任意有限數量的內部格局或狀態，用來記憶過去輸入的有關信息，根據當前的輸入可以確定下一步的狀態和行為，從狀態移動到狀態。一個有限自動機等價于一個狀態轉移圖。這樣的狀態轉換圖可以應用于有限自動機有關定理和算法的等價變換、約簡，然后用程序實現。

一個有限自動機包括：

（1）一個有限的狀態集合，通常記作Q；

（2）一個有限的輸入符號集合，通常記作∑；

（3）一個轉移函數，以一個狀態和一個輸入符號作為變量，返回一個狀態。通常記作δ；

（4）一個初始狀態q0，是Q中狀態之一；

（5）一個終結狀態或接受狀態的集合F，集合F是Q的子集；

通常用“五元組”來記錄以上有限自動機：

A = (Q, ∑ ,δ, q0, F)

3 固定閉塞下的追蹤模型

3.1 理想情況下的追蹤模型

在固定閉塞制式下，列車的運行具有其獨特的時空屬性，即列車在某一時刻完全擁有某一閉塞區間或進路的占有權，這種占有權具有完全的排他性質。列車的運行具有時間和空間上的連續性，即時間上列車每一時刻均有其固定的位置；空間上，列車在線路上的位移是連續的，從一個車站元素移動到下一個車站元素，不會有在元素之間出現跳躍的現象。車次追蹤的過程即是動態實時的標識每一列車的所在位置的過程。

基于列車空間上運行的連續性和位置占有權的排他性，可以認為列車依次經過其路徑上的每一元素，故可以將車次與元素間建立對應關系，即元素依次顯現的占用狀態體現了列車的行進路徑，這樣就可以忽略掉其與車站內進路的依賴關系，僅通過計算車站元素狀態即可實現列車車次的追蹤。

定義下列標識：

G：線路元素的集合（股道，區間，道岔等）；

定義元素連接函數：

定義G的子集E(p) ：

表示所有與元素p相鄰接的車站元素。

定義元素的信號狀態函數：

由（1）、（2）、（3）可得出列車位置轉移函數為：

3.2 基于有限自動機的容錯模型

由以上分析可知，列車的位置依賴于車站相鄰元素間的信號狀態和列車狀態，但在實際環境中，車站元素的狀態并不能完全體現列車的位置。由于各種外界干擾，信號設備本身的故障，以及傳輸設備可能出現的信息抖動或丟失，使得列車位置和元素狀態間依賴關系并不牢固。

對于實際運營中的車次追蹤系統經常出現的問題，將故障劃分為兩大類：一類是因為實際的信號狀態與列車狀態的不匹配，如元素處于占用狀態，但實際上該位置并無列車；一類為調度系統接收到的信號狀態由于傳輸設備等的原因，出現數據包的抖動或丟失。針對以上兩類問題可以用在理想模型上建立基于有限自動機的狀態轉移模型，以及引入元素抖動抑制算法解決。

3.2.1 狀態轉移模型

建立有限自動機模型，A = (Q, ∑,δ,q0,F)，其中：

Q：車站所有元素的集合；

∑：列車經過路徑上的元素集合；

δ：列車位置轉移函數，見公式（4）；

q0：車站元素的初始狀態；

F ：列車在元素上的狀態集合；

由于實際環境中，車站元素和列車實際占用狀態存在多種組合，而列車的行進依賴于列車的位置轉移函數，現以列車路徑上相鄰的兩元素A、B為例，列車行進方向為從A至B，實現的列車狀態轉移如圖1所示。

圖1 狀態轉移圖

3.2.2 元素抖動抑制算法

在實際應用中，調度集中系統接收到元素狀態信息經常會出現抖動，即元素的狀態在很短的時間內不斷變化。這種變化若不被及時處理，則會導致車次追蹤系統內列車狀態轉移表出現絮亂，無法給出列車追蹤的正確結果。為提高系統的容錯性能，必須過濾掉此類干擾。

由于列車行進的連續性和速度的限制性使得列車不可能在很短的時間內從一個元素快速地行進到下一個元素。而列車占用位置的排他性，也不允許被占用的車站元素剛剛出清，就在很短的時間內被占用，故在模型內引入元素抖動抑制算法來對信號的抖動現象進行處理，對信號的抖動狀態進行濾波處理，使處理后的信號狀態更貼近于理想中的信號狀態。抖動抑制算法的實現流程如圖2所示。

3.2.3 容錯模型

最終的車次追蹤容錯模型如圖3所示。

圖3 追蹤模型

模型的輸入信息為車站的元素狀態，計劃信息和無線車次號信息。元素的狀態信息和已建立的元素間的鄰接關系是推算列車位置的基礎，在對元素的狀態進行抖動濾波后，結合系統上一次的運算結果，查詢列車的狀態轉移表，對列車的狀態進行預測運算，運算結果結合計劃和無線車次號信息進行校正，校正后的結果作為下一次預測的基礎和最終的結果輸出。

4 結束語

本文在對車次追蹤問題分析的基礎上，基于有限自動機模型理論，提出了元素抖動抑制算法，建立了具有容錯性質的車次追蹤模型，該模型具有高可靠性，高靈活性，并能有效提高車次追蹤系統的可靠性，對改善調度集中系統的車次號正確性具有重要意義。

[1]王建英. 鐵路行車調度指揮仿真系統[J]. 中國鐵道科學，2007（5）：110-116.

[2]王建英. 分散自律調度集中系統中車次追蹤算法的研究[J]. 鐵路計算機應用, 2007，16（9）：45-48.

[3]John E.Hopcroft. 自動機理論、語言和計算導論[M]. 孫家骕 ,譯.北京：機械工業出版社， 2008.