基于自律分散的城市軌道交通信號研究

趙　曄

(廣州地下鐵道總公司　廣州　510030)

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基于自律分散的城市軌道交通信號研究

趙曄

(廣州地下鐵道總公司廣州510030)

為滿足對軌道交通信號系統高效率、高安全性的發展需求，引入自律分散的技術，介紹自律分散系統的構成、特點、內部結構及其工作機制。以現行移動閉塞條件下列車控制系統為基礎，提出基于自律分散的城市軌道交通信號系統的數據域結構設計、數據單元格的設計以及行車安全子系統的設計，為城市軌道交通信號系統的設計提供一種新的思路和方法。

城市軌道交通；自律分散；數據域結構；數據單元格；行車安全子系統

在軌道交通系統中，信號系統作為行車管理的重要組成部分，其工作效率的高低直接影響軌道交通的運營安全和生產效率。如何在保證列車運行安全的條件下縮短發車間隔，是城市軌道交通信號系統的重要任務。從最初的固定閉塞發展到現代的列車自動控制系統及無線通信網絡，信號系統的自動化與智能化水平逐漸提高。采用先進的技術，實現軌道交通信號系統的自動化、智能化，使其具有高安全性、在線擴展、在線維修的特性，成為信號系統發展的趨勢。

1　自律分散系統

自律分散系統突破了傳統的中央集中控制或者是集中分布式結構，強調在系統設計及架設時賦予終端的自律機以自主決策的權利；為了使系統整體運轉正常，需要設置自律機間的協調控制機制。同時，為了實現自律分散系統的功能要求，設計系統內的數據域(data field ，DF)機制也十分重要。

1.1自律分散系統的構成及特點

自律分散系統(autonomous decentralized systems，ADS)的基本構成為節點(atoms)和數據域：節點可對應的物理實體為計算機、智能設備或其他硬件，數據域是信息傳播的空間。由于自律分散系統的特點，其節點能夠具有一定的自主決定權利，并且具有相互間能夠協調一致的自律機。在數據域中，主要是維護ADS正常運轉所需的基礎數據，一般包括支持環境數據(environment data，ED)和協調數據(coordination data，CD)。在每個節點自律機中都有自律控制處理器(autonomous control processor，ACP)，通過ACP每個節點從數據環境中過濾選擇與其相關的數據信息，支持其完成自身的自律決策和自主可協調的目標。自律分散系統具有兩大特性：自律可控性和自律可協調性。

1.2自律分散系統的內部結構

為了實現自律分散系統的自律可控性及自律可協調性，一般的自律分散系統內部的結構如圖1所示。其中：傳感單元是決策單元從數據環境收集數據的通道，它通過傳感設備收集環境信息和其他自律機工作狀態的信息；決策單元從傳感單元獲取環境的信息，并根據內部的工作機制及目標，通過其自身的計算單元完成邏輯計算，并將滿足系統運行約束的決策作為輸出傳給ADS中的執行單元；執行單元從決策單元接受并執行決策策略，并對環境及其他自律機產生影響。

圖1　自律分散系統的內部結構

基于這種模式，協作特性顯得尤為重要，數據域是這種協調工作機制的核心。由于地理原因，自律機都是分散在不同地區的，自律機間的協作就必須通過系統間通信的方式解決，為了協調一致，各個系統都需要有整個ADS的環境和其他自律機的狀態才能協調控制，所以DF一般設計為環境和自律機狀態及策略的集合。

2　基于自律分散的城市軌道交通信號

基于自律分散的城市軌道交通信號系統的主要設計，是基于現行移動閉塞條件下列車控制系統的組織形式及其之間的工作模式。

2.1自律分散系統的工作模式

移動閉塞的協調模塊通過列車間運行狀態的顯示通知或廣播形式，通知相關列車，達到其自律可協調的目的。該模塊的控制策略對所有運行列車是完全一致的，這也就可以在車載端通過嵌入式技術，將列車距離計算、安全狀態判斷等功能加入，并預留協調模塊接口，使列車根據其運行狀況自動進行決策(見圖2)。

圖2　ADS工作模式

2.2系統的子系統劃分及其相互關系

為了保證列車的正常運行，可以將信號系統分為兩個子系統。

1) 數據環境子系統：通過聯鎖計算機、軌道電路、線路信號設備采集行車相關數據，并且構建數據通信網絡達成數據共享。

2) 行車安全子系統：根據采集到的線路占用、線路自身條件等，決定其行駛策略。

在自律分散系統的組織方法中，數據環境子系統構成其數據域，而行車安全子系統對應由分散的節點自律機群所構成的自律節點群。

2.2.1數據域結構設計

根據行車的需求，主要采集到的數據為列車位置、軌道線路特征、列車運行狀態及策略(見圖3)。多數信號系統采用的是車地通信系統、聯鎖計算機等采集設備，為后續構建完備的工作數據域服務。由于采集數據的傳感器網絡分布在線路上或線路旁邊車站，自律機也分散在線路兩側的分布式智能控制端，而自律機的工作是基于數據域內的具體數據來進行的，所以需要構建能夠使每一個節點控制單元都完備的數據環境。具體方案為全局數據域和區域數據域(見圖4)。

圖3　數據域結構

圖4　數據域設計方案

2.2.2數據單元格式設計

數據消息結構由兩部分組成：數據屬性(data pro-perty ,DP)和內容碼(content code ,CC)。對應CC為數據消息結構的主體，包括消息的內容，而DP則是描述數據消息的性質與特征。由于數據域內需要描述系統多方面的數據，所以采用DP對其進行表示，同時在CC部分采用相同的結構，使其在不同節點自律機或者不同數據域內有共同的數據結構。

2.2.3行車安全子系統

在信號系統中，列車一般是在列車自動保護系統 (automatic train protection, ATP)的直接管理下，在自動列車運行裝置(automatic train operation, ATO)控制及列車自動監控系統(automatic train supervision, ATS)的監管下安全運行的。雖然在移動閉塞的情況下取消了線路的信號顯示，而且列車的控制最后轉化為列車自動加速及減速的策略，但是在這里還是將其抽象為3類基本策略來對應傳統的“三顯示”信號控制。該策略集合可表示為S= {r,y,g}，其中S表示策略的集合，r表示信號機顯示紅燈，y表示信號機顯示黃燈，g表示信號機顯示綠燈。

這樣，ATP、ATO系統的功能就由輸出的策略進行表示，而ATS系統的功能則由系統內不同主體顯示的信號間協調一致來表示。最終，行車安全子系統實現信號系統功能，控制線路上列車的行駛(見圖5)。

圖5　行車安全子系統

數據域：I = {1, 2} ，II = {2, 3, 4}，III = {4, 5}； I∩II={2}，II∩III={4}。

S= {r,y,g}，其中策略子集r= {A1，…，An},y= {A5，…，Am},g= {A2,A3，…，Ai}。

2.3ADS運行模式設計

ADS確定列車具體位置，對于將控制權分散到分散控制器至關重要。在分布式系統內進行數據的傳輸與交換，需要將不同的數據信息以一種規則的數據結構進行標識，這樣在不同的系統間進行交換時能夠互通，基于ADS架構模式組織的、系統構建的數據設計都抽象為令牌(token)的形式進行表示。在整個信號決策過程中，每個自主決策的主體都需要通過了解其周圍的運行情況來決定其自身的狀態，也通過數據的形式向周邊類似的自主決策主體報告自身狀態，并考慮其間的協調一致。這些工作都需要建立一個或多個數據環境，各個自主主體向數據環境提交數據和下載相關的數據內容，完成其邏輯上的自主決策與自主可協調。

系統的令牌結構滿足之前設計的內容碼(CC)和數據屬性(DP)的模式，成為ADS數據域的通用數據結構，并成為其載體，使其能夠在數據域內自由流動，并且能夠被相關的邏輯控制模塊或者協調控制單元所識別，也為在ACP的識別打下良好的基礎，主要是設計token內部的表達結構及其構成的keys和values的結構(見圖6)。

圖6　ADS的數據環境與模式

ADS本身就是一個分布式系統，為了更好地刻畫與描述這一由多個自律分散主體構成的信號系統，需要用形式化描述語言進行系統的建模與分析。在有關ADS實現方式及建模的研究中，通過文獻的查閱及模型間的對比，認為Petri-Net具有高級的Colored Petri-Net及Hierarchical Petri-Net的建模能力，適合于對其主體的控制邏輯及其相互協同的作業機制進行刻畫與描述。與此同時，基于Petri-Net的系統化建模工具及技術比較成熟，初步確定采用Hierarchical Petri-Net的模式，分為控制層和協調層的雙層結構體系進行建模，并將其邏輯控制分不同層次從頂向下依次展開。其中，決策機制是將在軌道交通運營中信號顯示的約束進行形式化表示，將其以標準的語言進行表示；在以Petri-Net進行控制建模后，將其以嵌入的方式寫入信號控制器的微處理器；在微處理器上寫入嵌入式程序，將信號燈自律分散的控制機制設計的系統以微處理器可以解析的程序化語言實現(見圖7)。

圖7　ADS的信號系統協調機制

3　結語

城市軌道交通具有高密度、高速度、不間斷運營的特點，為保障列車運行安全和線路通過能力，其信號系統必須具有較高的容錯能力。筆者通過對自律分散系統和嵌入式技術的分析，結合兩種技術，提出了基于自律分散系統和嵌入式的軌道交通信號系統，并對其具體實現進行研究，為城市軌道交通信號系統的設計提供了一種新的思路和方法。

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(編輯：郭 潔)

Research on Urban Railway Signal Systems Based on Autonomous Decentralization

Zhao Ye

(Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510030)

To meet the high efficiency and high security requirements of urban railway signal systems, the Autonomous Decentralized system is introduced. The composition, characteristics, internal structure and its working mechanism of self-control and self-discipline of the system are illustrated. The data structure, data cell design and operation safety subsystem design by using Autonomous Decentralized system for urban rail transit signal system were put forward on the basis of the train control system for current closed moving block. This design provides a new thought and method for urban rail transit signal system.

urban rail transit; Autonomous Decentralized system; data field structure; data unit; security subsystem

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.028

2014-01-10

2014-03-05

趙曄，女，碩士，助理工程師，從事城市軌道交通運輸規劃與計劃的工作和研究，zhaoye8@126.com

U231.7

A

1672-6073(2015)01-0121-04