數據包丟失對列車控制系統的影響

楊良豐 原 萍

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

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數據包丟失對列車控制系統的影響

楊良豐 原 萍

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

基于通信的列車控制(CBTC)系統中的車-地通信是利用WLAN技術傳輸列車的狀態和控制命令。列車控制系統的性能取決于通信鏈路數據傳輸的準確、實時、可靠,而WLAN技術并不是為城市軌道交通快速運行的環境而設計的,因此,在傳輸過程中出現傳輸延時和數據包丟失等情況,導致列車運行性能的下降。把列車控制系統等效為網絡控制系統,對于車地通信無線傳輸過程中,出現隨機延時大于其采樣周期而導致傳輸的數據包丟失情形,采用補償策略估計列車的系統狀態并對其進行了分析,提出了改善數據包丟失的列車控制方法。

基于通信的列車控制系統; 車地通信; 網絡控制系統

Author′s address Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

基于通信的列車控制(CBTC)系統是控制與指揮列車運行的控制系統,其中車地通信是采用基于無線局域網(WLAN)技術來實現的[1]。然而,采用CBTC信號模式的軌道線路通信反饋故障頻發,究其主要原因就是CBTC系統對車地通信有著非常嚴格的要求,WLAN并沒有考慮其應用于城市軌道交通高速運行和隧道工況等復雜的無線通信環境,因此,最終導致車地通信過程中出現隨機延時和數據包丟失的情況,影響了列車運行性能。

針對上述問題,文獻[2]提出了最優隨機控制方法,即把網絡延時歸結于一個線性二次高斯問題。文獻[3]運用混合系統的方法分析了隨機網絡延時小于一個采樣周期的控制系統穩定性。

文獻[4]把列車控制系統建立成一個網絡控制系統(NCS)數學模型,分析了網絡隨機延時對列車控制系統的影響,提出了在每一個移動授權(MAL)插入帶有MAL生成時間和控制命令執行時間的時間戳,列車根據接收到的時間戳以及列車狀態發送所需要的時間估計其執行控制命令時刻的系統狀態的方法。通過仿真實驗驗證,這對于延時的消除效果比較明顯。但是,僅僅討論了隨機延時小于其采樣周期的情形,并沒有分析隨機延時大于一個采樣周期時對列車控制系統的影響。

文獻[5]研究了網絡控制系統的網絡延時和數據包丟失等基本問題,提出了NCS估計器的概念,通過NCS估計器對網絡延時進行估計,然后對其補償。但是,對于網絡延時分析所建立的前提條件都是假設出現的隨機延時小于一個采樣周期的情形。

基于上述問題,本文研究在車地通信的無線傳輸過程中,出現隨機延時大于其采樣周期時對列車控制系統的影響并給出相應的改進措施。

1 CBTC系統

如圖1所示,CBTC是由軌旁設備、車載設備以及數據通信系統(DCS)組成。軌旁設備包括列車自動監控(ATS)系統、區域控制器(ZC)、計算機聯鎖(CI)和數據存取單元(DSU)。車載控制設備(VOBC)主要是由列車自動防護(ATP)系統和列車自動運行(ATO)系統組成。車載無線單元、軌旁無線接入點(AP)以及光纖骨干網絡構成了DCS。

圖1 CBTC系統結構

ATS主要是通過命令CI按照列車運行時刻表為運行的列車設置路由,從而實現對列車的監督和控制。CI檢查軌旁信號機的狀態,在路由成功設置以后進行鎖閉,并且向ZC傳輸軌旁進路和設備狀態的信息。DSU向車載控制單元和其他的軌旁設備提供相關的軌道參數以及臨時速度限制。ZC監督其控制區域內所有列車的精確位置,同時根據軌旁設備的狀態以及進路信息為監督區域內每一輛列車計算移動授權。

ATP基于列車的狀態、接收到的MAL和軌道參數為列車計算緊急制動的速度/距離曲線,如果列車在到達MAL之前速度超過了ATP安全防護曲線,列車將會實施緊急制動來保障列車的安全。在ATP防護曲線下,ATO基于運營需求為列車計算運行速度/距離曲線維持列車正常的運行。

在軌道沿線大約300 m布置一個AP,所有的AP都連接到光纖骨干網絡中。車載無線單元(STA)與軌旁AP進行關聯,為ZC和VOBC之間的數據通信提供無線鏈路。VOBC周期采樣列車的狀態、速度、位置和方向等信息,然后,通過無線鏈路發送給ZC,ZC則向控制區域內的VOBC發送MAL。

2 CBTC系統數學模型的建立

本文建立的多輛列車在線路上追蹤運行的CBTC系統模型如圖2所示。圖中符號下標K表示的是第K個周期,下標i表示的是第i輛列車。SKi和VKi分別表示列車車尾位置及列車速度,τsc表示傳感器到區域控制的傳輸延時,τca表示區域控制器到執行器的傳輸延時,為了方便分析,傳感器到區域控制器的延時和區域控制器到執行器的延時簡寫為τ=τsc+τca。[SKi,VKi]表示ZC接收的列車狀態信息。

圖2 多列車控制的系統模型

NCS是通過實時網絡構成的閉環反饋控制系統,主要用來處理網絡誘導的隨機延時以及數據包丟失對網絡控制系統穩定性能的影響[2]。圖2的列車控制系統可以等效為NCS,該等效模型如圖3所示。

圖3 等效網絡控制系統模

由于ZC和CBTC中的列車保持嚴格的時間同步,而且其通信周期較短,可以認為CBTC的列車控制系統是離散、時不變的線性系統,其狀態表達式為

(1)

其中:A為狀態矩陣;B為輸入矩陣;G為系統的閉環增益。列車的系統狀態是所有列車的速度和距離偏差,定義為

(2)

這里:Lk=[ lk1,…,lkn]′,Vk=[ rk1,…,rkn]′,Uk=[ uk1,…,ukn]′。其中:Lk是與列車計劃運行間隔的距離偏差向量,lki是第i輛列車的距離偏差;Vk是與最優速度偏差的向量,rki是第i輛列車的速度偏差;Uk是列車基本阻力與作用力之間的偏差向量,uki是第i輛列車作用力之間的偏差。

對于列車距離、速度、基本阻力與作用力偏差有

其中:di是最佳距離;v是最優速度;mi和aki分別是第i輛列車的質量與加速度[4]。

在這里僅考慮當前普遍采用的列車控制系統,即前行列車的狀態信息傳輸給ZC,ZC計算的MAL發送給后續列車,后續列車根據接收到的MAL和列車自身的狀態計算速度/距離曲線。在列車控制中傳感器是受時間驅動的,而區域控制器和執行器是由事件驅動的。

3 數據包丟失的影響及改進措施

數據包在傳輸過程中,由于環境對無線信道的影響,數據在傳輸過程中丟失或者傳輸的延時太大,都有可能導致數據包傳輸失敗,從而導致列車產生不必要的牽引、制動甚至是緊急制動,最終影響列車運行的性能。在本文中,上述原因都認為是延時大于列車的一個采樣周期,歸咎于數據包的丟失。假設0≤τK≤h,h為列車的一個采樣周期。在正常情況下,圖3的模型為當出現數據包丟失時,一般情況下,后續列車的VOBC都是沿用上個周期接收的MAL即控制量UK-1和自身的狀態產生控制命令,出于安全考慮,后續列車認為上一次接收到MAL之后,后續列車就一直保持靜止。

采用補償策略,對丟失的控制量進行估計,表示為

(3)

式(3)可以寫為

于是

(4)

其中:

由于

(5)

于是當出現數據包丟失時,控制量則為:

(6)

模型的系統狀態方程為

(7)

那么,閉環控制系統則可表示為

(8)

其中

這里I表示為單位矩陣。對于上述的網絡控制系統,如果存在Lyapunov函數V(ZK)=ZKTPZK,P為對稱正定矩陣,則只要證明:V(ZK+1)-V(ZK)<0,那么,整個網絡控制系統就漸近穩定?？梢酝ㄟ^求解此線性矩陣不等式,證明系統的穩定性。文獻[7]給出了系統漸近穩定的充分條件。

就此,提出改善數據包丟失的列車運行控制方法,具體步驟如下:

(1) ZC在指定的時間內等待接收所有列車的狀態信息,該等待時間應大于上行網絡的最大傳輸時延。

(2) ZC在接收到所有列車的狀態信息后,計算移動授權并發送給其控制區域內的每輛列車。

(3) 如果列車在指定的時間沒有接收到ZC所發送的移動授權信息,列車控制系統采用補償策略,根據前面所接收到的移動授權對丟失的控制量進行估計。

(4) 列車根據補償估計的系統狀態生成控制命令并執行。

4 結語

CBTC系統中列車控制系統的性能取決于通信鏈路數據傳輸準確、實時和可靠性,而數據傳輸網絡WLAN并不是一種可靠的傳輸網絡,因此,在車地通信過程中會出現網絡隨機延時和數據包丟失的情形。本文針對這種情況,采用了補償估計的方法,對隨機延時大于其采樣周期而導致的傳輸數據包丟失,進行估計補償,從而在一定程度上改善數據包丟失列車性能的影響。

[1] 董昱.區間信號與列車運行控制系統[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[2] JOHAN Nilsson,BO Bernhardsson,BJ?RN Wittenmark.Stochastic analysis and control of real-time systems with random time delays[J].Automatica,1998,34(1):57.

[3] BU B,YU F R,TANG T.Performance improvements of communication-based train control (CBTC) systems with unreliable wireless networks [J].Wireless Netw,2014,20(1):53.

[4] BU B,YU R F,TANG T.Performance improved methods for communication-based train control systems with random packet drops[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2014,15(3):1179.

[5] ZHANNG W,BRANICKY M S.Phillips S M.Stability of networked control systems[C]∥IEEE Control Systems Magazine.IEEE,2001:84.

[6] BIANCHI G.Performance anaylsis of the IEEE 802.11 distributed coordination function [J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2000,18(3):535.

[7] LIU Yuzhong,YU Haibin.Stability of networked control systems based on switched technique[C]∥Proceedings of the 42nd IEEE Conference on Decision and Control.Maui,Hawaii:2003,1110.

[8] 劉玉忠.具有時延和數據包丟失的網絡控制系統的建模與分析[C]∥Proceedings of the 6th World Congress on Intelligent Control and Automation.Dalian:[s.n.],2006:409.

Effect of Data Packet Dropout on Trains’ Control System

YANG Liangfeng, YUAN Ping

Train-ground communication based on CBTC uses WLAN technology to transfer status and control commands of the train. The performance of train control system depends on the accurate, real-tme and reliable data transmission in communication links. WLAN technology,however,is not originally designed for the high mobility environment of mass transit.Thus, when random delay and data drop happens in transmission process will result in the degraded train performance.In the paper,train control systemis modeled as a networked control system, and in the train-ground transmission process, when the random delay is greater than a sampling period which causes the transmission data drops, a compensation scheme is proposed to evaluate the system state of train, and through analysis of the fault, some improvement measures are put forward.

communication based train control (CBTC) systems; train-ground communication; networked control system

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.08.013

2015-01-09)