基于車—車通信的列車運行控制系統中的移動授權計算分析

靳東明+李博

摘要：該文首先分析研究了CBTC系統生成移動授權（MA）的流程，剖析了該流程存在的問題。然后對基于車-車通信的下一代列車控制系統的移動授權生成流程進行分析，說明了其相對于傳統CBTC系統的優點。同時，該文還對適用于基于車-車通信的列車控制系統的基于相對速度的移動授權計算方法進行了數學建模和軟件仿真，確認了相對于基于相對位置的移動授權計算方法，該方法可以縮小行車間隔，提高行車效率，降低車與車之間發生通信延時的影響。

關鍵詞：車車通信；移動授權；追蹤間隔優化

中圖分類號：U285 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0259-05

Abstract： In this paper， the generation of Movement Authority（MA） for a CBTC system is introduced and the problem in this generation is analyzed. Compared with CBTC system， the generation of MA for the next generation of train operation control system Based on vehicle to vehicle communication and its advantage is introduced. Meanwhile， the mathematical model for the method of MA calculation Based on relative velocity for the train operation control system Based on vehicle to vehicle communication is established and a software is written to test and verify the performance of this method compared with the method if MA calculation Based on relative position for a CBTC system. It turns out that this method can optimize tracking interval， improve the transportation efficiency and eliminate the effect of communication delay between vehicles.

Key words： vehicle to vehicle communication； MA； tracking interval optimization

1 概述

目前各大城市的地鐵線路上都采用了基于車-地通信的列車控制系統。它以運用雙向的車-地通信技術為基礎，采用移動閉塞方式，大大的提高了城市軌道交通的運營效率。但是，隨著基于車-地通信的列車控制系統在正線上的大量運行，其缺點也逐漸暴露出來，有以下幾點：

① 車地通信的延時會降低系統性能；

② 影響行車安全的子系統之間的接口太多，增加了系統的復雜性；

③ 較多的軌旁設備導致系統維護成本比較高；

④ 軌旁系統的限制導致運營的靈活程度較差。

為了解決這些問題，國外廠商ALSTOM率先提出基于車-車通信的下一代列車控制系統。相對于基于車-地通信的列車控制系統，基于車-車通信的列車控制系統具有如下優點：

① 精簡軌旁設備，降低系統的復雜度，降低系統造價，減少信號系統的維護成本；

② 縮短系統的反應時間，提供更小的運行間隔時間，提高運行效率；

③ 在保證安全的前提下，可以為運營提供更加靈活和多樣化的運輸組織方案。

2 CBTC系統的移動授權計算問題分析

基于車地通信的列車控制系統中由ZC子系統負責計算移動授權。在計算移動授權之前，聯鎖設備需接收ATS子系統的進路控制命令，完成排列進路。然后ZC子系統通過接收管轄范圍內每輛列車的位置報告，并結合聯鎖發送的軌旁設備狀態以及進路信息、ATS系統發送的臨時限速信息、相鄰ZC子系統發送的移交列車信息以及設備狀態信息，為每輛列車計算并分配相應的移動授權。同時ZC系統提供篩選功能，實現對位置報告列車的前端和后端是否存在隱藏列車的自動檢測，判斷列車是否具備計算移動授權的條件[1]。

在基于車地通信的列車控制系統中，生成移動授權并生效需要ATS系統，聯鎖系統，ZC子系統以及車載子系統之間互相大量的信息傳遞。任何子系統之間的接口出現問題都會導致移動授權的生成或生效出現問題。

比如，在列車運行過程中，列車收到一條移動授權報文并判定其有效后，ZC與車載子系統之間發生通信阻塞，列車將無法收到后續更新的移動授權。但如果在下一周期，ZC為列車計算的移動授權回縮，列車將因通信阻塞而無法及時收到軌旁發送的更新移動授權報文。列車仍按照上一周期收到的移動授權運行，存在一定的安全風險。

基于車-車通信的下一代列車控制系統在傳統的CBTC系統的基礎上對其進行精簡，將聯鎖的排列進路功能和ZC系統的功能集成到車載子系統中，通過車與車直接通信，列車自主定位前后列車，實現由車載系統生成移動授權的功能。在保證行車安全的基礎上，可以減少系統的復雜性，提高行車效率，降低上述故障發生的可能。

3 基于車-車通信的列車控制系統生成移動授權流程

ATS子系統將辦理進路請求信息通過DCS無線網絡發送給車載VOBC系統。車載VOBC在對列車頭尾進行篩選，確認列車的頭部尾部都是安全之后，開始生成移動授權。endprint

VOBC系統首先根據ATS的辦理進路請求信息和自身數據庫存儲的線路設備信息對進路上線路設備狀態信息進行遍歷，找出列車進路上的障礙物，距離列車最近的障礙物將被作為進路終點，然后再結合列車位置信息計算移動授權MA。之后，車載VOBC系統根據ATS的臨時限速命令和自身生成的移動授權MA計算ATP列車速度限制曲線，控制列車運行。

與CBTC系統不同，在基于車-車通信的列車控制系統下，根據不同的移動授權終點，有著不同的子系統信息交互方案：

? 道岔

在基于車-車通信的列車控制系統中，車載設備通過與軌旁控制器通信來控制道岔搬動。

首先，列車通過在車載數據庫中查找與進路信息相關的道岔數據。然后，根據查找結果向軌旁的對象控制裝置請求這些道岔的狀態監督和控制。

如果對象控制器回復的進路相關軌旁設備的狀態滿足要求，并且鎖閉到正確的狀態時，列車的移動授權則相應的向前延伸。車載VOBC根據這個移動授權信息實時的計算安全制動曲線，從而控制列車的運行。當列車的位置越過相應的軌旁設備時，車載VOBC向該設備的對象控制器發送釋放該軌旁設備的命令，然后該軌旁設備可以快速的允許其他列車使用。一旦目標控制器被占用，只要它不釋放，該設備不可被其他列車使用，并執行相應的安全原則。

? 另一列通信狀態正常的列車

在基于車-地通信的CBTC系統中，由于車地通信延時導致后車無法準確的獲取前車的實時位置。為了解決這一問題，ZC根據列車發送的位置報文信息，結合列車的運動趨勢對列車的車頭和車尾位置進行了安全性補償。即在列車報告給ZC的位置基礎上，為列車的頭、尾添加一定的安全包絡，以確定列車的安全位置。并且ZC在為后車計算移動授權時，默認前車為靜止狀態，將MA的終點延伸到前車尾端的安全補償包絡。這是以降低行車效率來保證行車安全的一種方法。

在基于車-車通信的列車控制系統中，后車通過與前車直接進行無線通信來獲得對方的信息。在計算MA時，后車會不斷向前車請求發送位置信息，根據前車發過來的位置信息與速度，實時更新MA。相比于基于車地通信的CBTC系統，這種通信方式可以大大的降低車地通信系統之間信息交互的延時和復雜度，縮短計算MA所需的時間，從而可以采取一種更加能縮短行車間隔的移動授權計算方法——基于相對速度的移動授權計算方法。

4 基于相對速度的移動授權計算方法

4.1 移動授權終點的計算

當后車以前車作為前方障礙物計算移動授權時，基于相對速度的移動授權的終點為假定前車以當前速度觸發緊急制動停車后的列車尾端。

考慮最不利情況，即前車的緊急制動距離最小的情況，前車在收到后車的位置請求信息時，已經開始緊急制動。

當前車收到后車的位置請求信息時，前車根據自己的當前速度算出自己緊急制動距離。其中為前車收到位置請求時的速度，為前車最大制動減速度。

用前車當前位置加上計算出的緊急制動距離即為后車移動授權的終點。計算完成后，前車通過車車之間通信將移動授權終點信息傳遞給后車。

下面考慮前后車通信發生延時的情況對后車移動授權終點計算的影響。在t時刻，前車的位置為，速度為，然而由于通信延時，前車在t時刻，仍按照t-1時刻前車的信息計算移動授權終點。當以基于相對速度的移動授權計算方法計算移動授權終點時，實際的移動授權終點和后車計算的移動授權終點的誤差如下面公式：

設t-1到t時刻前車的列車加速度為，可將公式（1）化為公式（2），如下所示：

由公式（2）可發現，當前車在t-1時刻以最大制動減速度行駛時，為0；隨著前車在t-1時刻的行駛加速度從逐漸增大，也隨之增大。由此可得出結論，當前車的行駛加速度靠近列車最大制動減速度時，基于相對速度的移動授權計算方法可以降低前后車通信延時帶來的影響。

4.2 基于移動授權的后車限制速度的計算

后車以前車發送過來的緊急制動停車位置為移動授權終點來計算緊急制動曲線。

后車緊急制動曲線從開始制動到制動結束共分為三段，以及。

其中為后車緊急制動距離，為考慮最壞情況下，列車牽引切除之前以最大加速度走行的距離，為列車牽引切除后，制動建立之前，列車的惰行距離，為列車緊急制動過程運行的距離。

其中為后車當前速度，為ATP設備反應時間，為后車牽引切除時間，為后車最大牽引加速度，為當前坡度加速度，為列車制動建立時間，為列車最大制動額減速度。

考慮到前車和后車之間的制動性能不同，增加了一個大于δ（0<δ<）小于的可變參數，用于調整基于相對速度的移動閉塞的行車間隔。若不增加該參數（=0），當前車的制動性能劣于后車或者與后車相近時（），根據移動授權計算時前后車制動距離之間的關系（式6）后車的緊急制動開始位置將在前車緊急制動開始位置的前方或與前車重疊。

列車如果按照這樣的制動曲線行駛一定會影響行車安全。通過改變參數能保證一定的行車間隔，增大安全余量，保障行車安全。

4.3 仿真驗證

下面本文基于Microsoft Visual Studio集成開發環境設計具有人機交互界面的仿真軟件對兩個前后車追蹤的簡單場景進行模擬，對基于相對速度的移動授權計算方法和目前采用的基于位置的移動授權計算方法達到的行車效果進行比較。

本軟件通過兩個操縱桿模擬前后兩輛車的運行，并啟用定時器來模擬前后車的周期性通信。前車根據式（1），以自身位置和速度為輸入參數計算出移動授權終點發給后車，每隔300ms更新一次；后車根據公式（4）（5）（6）（7）以及前車發過來的移動授權終點和系統參數計算出移動授權下的限制速度，控制自身運行。

通過在軟件界面測試參數欄目中填寫初始參數：前后車起始速度，前后車起始間隔，線路坡度，列車最大限制速度以及系統防護距離，即可仿真出在不同移動授權計算方法在不同工況下的表現。同時該軟件運用畫圖控件直觀表現出前后車運行時的速度，位置和行車間隔，并將兩種移動授權計算方法的行車效果在同一張圖上顯示以做更好的對比。軟件默認列車參數為：=0.8s，=0.8s，=3.5s，=1.2m/s2。endprint

場景一：前車以40Km/h速度勻速行駛，后車以60Km/h的速度追蹤前車。取前后車起始間隔為500m，線路坡度為6‰，系統防護距離為30m。

運行結果如下圖8，9，其中圖8橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為速度（單位：Km/h），圖9橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為列車行駛距離（單位：m）。

從圖8和圖9中可以看到在后車以60Km/h速度勻速一段時間后，根據移動授權減速至與前車速度相同。

圖9中可以看到運用基于相對速度的的移動授權計算方法的行車間隔明顯小于基于相對位置的移動授權計算方法的行車間隔。

場景二：在場景一的基礎上，在后車以最小間隔跟隨前車運行時，控制操縱桿使前車以0.8m/s2的減速度運行，后車根據前車速度變化控制自身速度。

運行結果如下圖10，11，其中圖10橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為速度（單位：Km/h），圖11橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為列車行駛距離（單位：m）。

從圖10中可以看出，當前車減速后，采用基于相對速度的移動授權計算方法的后車對前車的速度跟隨性明顯好于采用基于相對位置的移動授權計算方法的后車的速度跟隨性。

類似于圖9，從圖11我們也可以明顯看到基于相對速度的的移動授權計算方法的行車間隔更小。

本文在4.1中提出在行車加速度接近最大制動減速度時，基于車-車通信與相對速度的移動授權計算方法可以降低車與車之間通信延時的影響。下面用軟件仿真出前車與后車發生300ms的通信延時的情況，在場景一與場景二下運行，比較無延時和有300ms延時的行車效果。

運行結果如下圖12，13，其中圖12橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為速度（單位：Km/h），圖13橫坐標為時間（單位：100ms），縱坐標為列車行駛距離（單位：m）。

從圖12，13可以看到，加了300ms通信延時的后車速度和位置曲線與前車的速度和位置曲線基本重合，說明在這種方法與場景下，通信延時導致的移動授權發送延遲對于列車的限制速度曲線計算影響很小，不會影響到列車行車安全與效率。

5 結束語

本文主要分析了在基于車-車通信的列車控制系統中移動授權的計算，指出了基于車-車通信的列車控制系統計算移動授權時，在降低系統復雜性與減少子系統之間接口故障方面的優越性。本文還對基于相對速度和車-車通信的移動授權的計算方法進行數學建模分析，并依托Microsoft Visual Studio集成開發環境，根據數學模型編寫仿真軟件，對該方法和目前采用的基于相對位置的移動授權計算方法對列車的控制效果做了仿真對比。發現該方法可以降低車-車之間通信延時的影響，縮小行車間隔，提高行車效率，為基于車-車通信的列車控制系統的設計和研發提供一定的思路和參考。

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