基于Paxos的列車自主線路資源管理系統設計

陳嘉鈺，徐中偉，梅 萌

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 201804)

0 引 言

近年來，城市軌道交通發展迅猛。軌道交通的快速建設也推動了其關鍵技術和設備的發展，進一步降低系統故障率和維護成本、提高設備智能化水平、提高運輸能力是列車控制系統發展的方向。

隨著多模通信、衛星定位、動態間隔控制和運能動態配置技術的飛速發展，以及5G、云計算和分布式等新興技術的極大發展，為下一代軌道交通信號系統提供了更多方向。

基于車車通信的列車自主運行系統，即TACS(Train Autonomous Circumambulate System)，是目前全球軌道交通重點攻關的下一代列控系統，是指列車基于運行計劃和實時位置實現自主資源管理并進行主動間隔防護的列控系統，該系統以車地聯鎖和車車協同的方式使列車能以更高速度更大密度運行。

在TACS系統中，列車自主管理線路資源仍是亟待解決的熱點問題[1]。該文就TACS系統，針對線路資源管理問題，提出一種以列車自主管理資源代替集中聯鎖的分布式架構，設計了新型線路資源管理子系統結構，基于Paxos算法提出一種切實可行的自主資源管理機制。

1 TACS系統下的線路資源管理問題

1.1 當前列控系統中的線路資源管理方法

當下國內的軌道交通網主要使用的列車控制系統[2]均以地面設備作為實現列車控制功能的核心設備，以“車—地—車”的閉環模式控車。

在當前的信號系統中，線路資源主要通過計算機聯鎖設備(CBI)以辦理進路(運行路徑)和開放進路的方式進行集中管理、集中分配。CBI通過確保進路上列車對軌道區段、道岔等實體或虛擬資源的獨占性來保障安全。進路本身是一個粒度較大的資源，是軌道區段、道岔、屏蔽門等實體或虛擬資源的集合。

當列車進站時，需要提前向CBI申請進路辦理，CBI判斷進路條件符合時對進路資源鎖閉，開放進路。進路開放后，列車駛入，同時逐段釋放資源。在此過程中，進路中所有資源被一次性鎖定；在列車運行過程中才逐段釋放。這就導致線路資源的時空利用率低。此外，這種方式邏輯相對簡單，但需要的地面設備多、維護成本高且靈活性低。隨著軌道交通運營能力加強，傳統的聯鎖設備已無法滿足運行需求[3]。

1.2 列車自主線路資源管理

目前，學界也提出了許多新方案來實現靈活度更高、維護成本更低的線路資源管理。文獻[4]以最小到達間隔為目標函數，建立進路分配模型。沿著“聯鎖列控一體化”這一思路，文獻[5]提出了無ZC無CI的新型CBTC系統，將原本地面設備功能分散到車載設備中。文獻[6]從資源自主調配的角度研究下一代聯鎖，通過建立雙車動態規劃模型給出資源分配策略，但場景較為簡單，尚未考慮多車甚至車隊間的資源調度策略。文獻[7]提出以集中式OC進行進路資源分配，但這一做法仍舊保持了對地面設備的依賴，并且線路資源管理粒度過大。

TACS系統將極大地精簡地面設備，且對線路資源管理的效率有著更高要求。

聯鎖論認為，不同資源狀態間存在制約關系，也稱為聯鎖關系。通過鎖閉與被控對象有聯鎖關系的資源，來保證系統運行時的安全問題。從聯鎖論的角度，傳統計算機聯鎖中的進路控制功能實現的是對線路資源的安全管理。在TACS系統中，仍存在通過聯鎖來保證安全的需求。

該文所研究的TACS系統如圖1所示，主要設備包括控制中心(ATS)、車載設備以及軌旁的資源管理控制器(WRC)，其中目標控制器(OC)是WRC的一部分。

圖1 TACS系統示意圖

提出一種以車載設備與地面設備的分布式協同替代計算機聯鎖集中管理的方案。列車通過自主資源管理來確保自身運行路徑上一定范圍內資源狀態正確，空間無沖突(聯鎖關系正確)；在已獲得的資源范圍內進行主動列車間隔防護。

這一改變意味著傳統聯鎖設備中的進路控制功能在TACS系統下轉變為資源管理和控制功能，舍棄進路這一概念，但沿用聯鎖理論。線路資源粒度精細化，按需申請、鎖閉，按序釋放。這一做法能夠極大地提高資源管理的效率和可靠性，但也帶來了新的挑戰。

2 整體技術方案

基于精簡地面設備、增強車載自主功能的原則，參考分布式存儲系統的設計理念，在設備智能化水平提高和網絡時延可忽略不計的前提下，沿用廣義聯鎖理論對列車自主資源管理策略進行設計

2.1 自主資源管理功能需求分析

列控系統是典型的安全苛求系統，自主資源管理子系統應具有高可用性，滿足故障-安全導向性。

列車行駛的場景分為區間行車和站內行車。區間場景較為簡單，列車通過車間間隔防護即可保證行車安全和資源高效分配[8]。站內行車場景復雜，涉及線路資源種類多且復雜，同時存在多輛車搶占同一資源的情況。TACS系統在站內不再設有軌道電路和信號機，僅在設置軌旁資源控制器WRC完成線路資源狀態采集和道岔驅動功能，列車將通過與軌旁設備及其余車輛交互信息來變更、同步線路資源的相關信息。

因此，自主資源管理系統實際上是一個分布式協同系統，需要保證資源狀態的一致性并能保證僅在聯鎖關系正確的情況下對資源進行占用，并能及時釋放資源。

2.2 列車自主資源管理子系統架構

2.2.1 信息交互分析

TACS系統極大精簡地面設備的本質是對軟件模塊的極大整合，這也是聯鎖列控深度一體化的體現。整合后，分析各模塊間的信息交互對明確各模塊功能和設計列車自主資源管理子系統具有重要意義。

TACS系統的信息交互如圖2所示，為方便線路資源關系子系統設計，本圖以資源管理單元為核心，主要分析車載設備、調度中心以及軌旁設備之間的信息交互。其中，當列車在站內行車時，與站內其余車輛及WRC構建自組網進行通信。

圖2 列車自主資源管理子系統信息交互圖

(1)車載資源管理單元在車載設備內的信息交互。

在車載設備內部，資源管理單元主要與列控模塊和電子地圖進行交互。列控模塊根據列車行車計劃、臨時限速、線路資源狀態、站內列車位置、實時車速以及車輛位置等信息自主計算車輛的實時MA，并將需要申請的資源信息發給資源管理單元。資源管理單元將資源申請回執返回給列控模塊，并將實時線路資源信息同步給電子地圖。列控模塊通過電子地圖來獲取實時線路信息。

(2)車載設備與調度中心的信息交互。

調度中心通過運能需求及列車信息[9]動態制定列車行車計劃，通過多模通信網關和中心通信網關發送給車載設備。列控模塊也基于行車計劃進行行車規劃，并實時將自己的運行狀態信息發送給列車管理單元。

(3)車載資源管理單元與軌旁資源控制器的信息交互。

車載設備通過當前自組網內其余車載設備及軌旁資源控制器的信息交互進行資源申請和釋放，當資源申請成功時，WRC對資源采取對應操作(如道岔反位)，并將操作結果返回給車載設備。同時，WRC兼有信息采集的功能，當線路資源狀態變更(如某段軌道故障占用)時，也需同步到網內其余設備。

(4)車載設備之間的信息交互。

車載設備間通過無線自組網，相互交換自己的運行狀態信息及線路資源信息，從而使得每輛車能根據站內各車位置的分布及運行狀態進行合理的線路規劃；同時，也能解決車輛間的線路資源搶占問題，同時確保所有車輛存儲的線路資源信息一致。

2.2.2 自主資源管理子系統各模塊功能

在TACS系統架構下，列車的自主資源管理功能通過車車、車地之間的分布式協同完成。自主資源管理子系統在實際系統中的分布如圖3所示。

圖3 列車自主資源管理子系統結構圖

相比于傳統的列控系統，自主資源管理子系統功能分散在車載設備和軌旁資源控制器中。

車載設備中的資源管理單元主要根據列控模塊傳來的資源需要信息進行資源申請，并將資源申請結果同步給電子地圖和列控模塊。當資源申請失敗時，列控模塊會重新規劃行車路線，并將新的資源需要信息發送給資源管理單元。

軌旁資源控制器中的資源管理單元除了和車載資源管理單元協同完成線路資源的申請與釋放外，由于兼具線路資源狀態采集功能，如在地震或異物侵限情況下，需要對線路資源狀態進行變更。

這一設計較傳統列控系統更加靈活。列車能夠根據自身的運行狀態和行車規劃按需申請，而傳統列控系統需要一次性鎖閉大量線路資源。此外，當發生地震或異物侵限等危險情況時，車地直接通信也極大地優化了信息流傳遞環節。

2.3 自主資源管理機制設計

自主資源管理系統為線路資源分配服務，確保列車安全及時地申請、釋放資源。站內行車時，自組網內參與者包括若干車輛和WRC，每個參與者都能申請變更線路資源狀態，各自存儲當前線路資源狀態，系統中不再有一個協調者專門來管理線路資源狀態。這正是TACS系統下的自主資源管理面臨的新挑戰：保證運行時系統中不同參與者能就線路資源狀態達成一致。

這一問題本質上是分布式一致性問題。Paxos算法及其衍生算法[10-13]廣泛使用于現今主流的分布式一致性解決方案中[14-15]。從Paxos算法出發，基于軌道交通應用場景對自主資源管理機制進行設計。

角色劃分：

該文沿用基本Paxos算法對邏輯角色的劃分，分為提案者、審核員以及記錄者。在實現上每個處理節點可以有多個角色，這有助于減小網絡時延。

兩階段約束：

本機制不僅沿用Paxos算法中的約束條件，也基于實際應用場景提出新的約束條件。

(1)審核員必須接受它接收到的第一個提議。

(2)超半數審核員允許了某個申請后，這個申請才算通過。

(3)審核員通過申請(編號n)的充要條件是申請內容合法且審核員沒有批復過任何編號大于n的請求。

申請內容是否合法的判斷條件如下：

(1)申請占用的資源若已被占用，則申請無效。

(2)只有原先申請占用資源者或WRC能釋放資源。

圖4 列車自主資源申請時序圖

審核員收到同步申請時，若此申請不與其他處于通過未同步的申請存在聯鎖關系沖突，則響應同步；否則，只響應申請編號最大的同步申請，并拒絕其他存在沖突的申請。

兩階段協議：

第一輪交互：申請階段。

申請：提案者選定一個申請編號n，加上申請資源的信息，向所有審核員廣播。

審核：審核員收到提案者的申請，若滿足申請通過條件則返回申請通過回執，反之則返回申請失敗回執。

第二輪交互：同步階段。

發起同步申請：當提案者收到超半數的允許申請回執后，提案者向所有審核員廣播同步申請，帶上申請編號n和申請資源信息。

響應同步申請：審核員收到同步申請后，若符合條件則響應，反之拒絕。

實現資源鎖閉：若提案者收到了所有審核員的同步響應，則認為資源鎖閉成功，同時廣播給記錄員。若在規定時間內沒有收全，則認為申請失敗。

根據上述機制，一次成功的資源申請流程如圖4所示。

3 系統測試與分析

為了解列車自主資源管理機制的性能，對系統進行測試。

3.1 運行環境配置

運行環境配置見表1。

表1 運行環境配置

3.2 測試結果與分析

在三臺機器上分別模擬了5個車載設備和2個WRC，使用go語言編程，使用docker托管。在每秒平均請求數為1 200次，讀寫比約為3.3∶1的情況下，使7個設備隨機發出資源變更或同步申請，對系統進行測試，結果如圖5所示。

圖5 系統測試結果

當不斷加大每秒平均請求數時，系統性能表現如圖6所示。

圖6 不同請求數下的系統測試結果

測試結果表明，隨著系統每秒平均請求次數的增加請求完成的平均耗時也隨之增大。但即使在系統每秒平均請求數為12 000次時，系統也能在合理時間范圍內完成操作。

4 結束語

針對新型列控系統TACS下的列車自主線路資源管理問題進行研究，提出了以車地分布式協同代替集中聯鎖控制進路的方案。以線路資源管理單元為中心，分析了系統內各模塊間的信息交互。基于Paxos算法，提出了切實可行的自主資源管理機制，對子系統進行設計。并基于典型場景對系統進行測試，證明系統能高效實現功能。

這一設計能極大簡化設備，減少設備維護壓力，提高線路資源利用率，能適應更高速更密集的軌道交通運行需要，該設計也將為其他新型列控系統的設計提供參考。列車自主資源管理子系統也將為列車移動授權計算帶來巨大挑戰，要使TACS系統真正發揮潛力還需要更多技術革新帶來活力。