基于车—车通信的列车运行控制系统中的移动授权计算分析

靳东明+李博

摘要：该文首先分析研究了CBTC系统生成移动授权（MA）的流程，剖析了该流程存在的问题。然后对基于车-车通信的下一代列车控制系统的移动授权生成流程进行分析，说明了其相对于传统CBTC系统的优点。同时，该文还对适用于基于车-车通信的列车控制系统的基于相对速度的移动授权计算方法进行了数学建模和软件仿真，确认了相对于基于相对位置的移动授权计算方法，该方法可以缩小行车间隔，提高行车效率，降低车与车之间发生通信延时的影响。

关键词：车车通信；移动授权；追踪间隔优化

中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：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

目前各大城市的地铁线路上都采用了基于车-地通信的列车控制系统。它以运用双向的车-地通信技术为基础，采用移动闭塞方式，大大的提高了城市轨道交通的运营效率。但是，随着基于车-地通信的列车控制系统在正线上的大量运行，其缺点也逐渐暴露出来，有以下几点：

① 车地通信的延时会降低系统性能；

② 影响行车安全的子系统之间的接口太多，增加了系统的复杂性；

③ 较多的轨旁设备导致系统维护成本比较高；

④ 轨旁系统的限制导致运营的灵活程度较差。

为了解决这些问题，国外厂商ALSTOM率先提出基于车-车通信的下一代列车控制系统。相对于基于车-地通信的列车控制系统，基于车-车通信的列车控制系统具有如下优点：

① 精简轨旁设备，降低系统的复杂度，降低系统造价，减少信号系统的维护成本；

② 缩短系统的反应时间，提供更小的运行间隔时间，提高运行效率；

③ 在保证安全的前提下，可以为运营提供更加灵活和多样化的运输组织方案。

2 CBTC系统的移动授权计算问题分析

基于车地通信的列车控制系统中由ZC子系统负责计算移动授权。在计算移动授权之前，联锁设备需接收ATS子系统的进路控制命令，完成排列进路。然后ZC子系统通过接收管辖范围内每辆列车的位置报告，并结合联锁发送的轨旁设备状态以及进路信息、ATS系统发送的临时限速信息、相邻ZC子系统发送的移交列车信息以及设备状态信息，为每辆列车计算并分配相应的移动授权。同时ZC系统提供筛选功能，实现对位置报告列车的前端和后端是否存在隐藏列车的自动检测，判断列车是否具备计算移动授权的条件[1]。

在基于车地通信的列车控制系统中，生成移动授权并生效需要ATS系统，联锁系统，ZC子系统以及车载子系统之间互相大量的信息传递。任何子系统之间的接口出现问题都会导致移动授权的生成或生效出现问题。

比如，在列车运行过程中，列车收到一条移动授权报文并判定其有效后，ZC與车载子系统之间发生通信阻塞，列车将无法收到后续更新的移动授权。但如果在下一周期，ZC为列车计算的移动授权回缩，列车将因通信阻塞而无法及时收到轨旁发送的更新移动授权报文。列车仍按照上一周期收到的移动授权运行，存在一定的安全风险。

基于车-车通信的下一代列车控制系统在传统的CBTC系统的基础上对其进行精简，将联锁的排列进路功能和ZC系统的功能集成到车载子系统中，通过车与车直接通信，列车自主定位前后列车，实现由车载系统生成移动授权的功能。在保证行车安全的基础上，可以减少系统的复杂性，提高行车效率，降低上述故障发生的可能。

3 基于车-车通信的列车控制系统生成移动授权流程

ATS子系统将办理进路请求信息通过DCS无线网络发送给车载VOBC系统。车载VOBC在对列车头尾进行筛选，确认列车的头部尾部都是安全之后，开始生成移动授权。endprint

VOBC系统首先根据ATS的办理進路请求信息和自身数据库存储的线路设备信息对进路上线路设备状态信息进行遍历，找出列车进路上的障碍物，距离列车最近的障碍物将被作为进路终点，然后再结合列车位置信息计算移动授权MA。之后，车载VOBC系统根据ATS的临时限速命令和自身生成的移动授权MA计算ATP列车速度限制曲线，控制列车运行。

与CBTC系统不同，在基于车-车通信的列车控制系统下，根据不同的移动授权终点，有着不同的子系统信息交互方案：

? 道岔

在基于车-车通信的列车控制系统中，车载设备通过与轨旁控制器通信来控制道岔搬动。

首先，列车通过在车载数据库中查找与进路信息相关的道岔数据。然后，根据查找结果向轨旁的对象控制装置请求这些道岔的状态监督和控制。

如果对象控制器回复的进路相关轨旁设备的状态满足要求，并且锁闭到正确的状态时，列车的移动授权则相应的向前延伸。车载VOBC根据这个移动授权信息实时的计算安全制动曲线，从而控制列车的运行。当列车的位置越过相应的轨旁设备时，车载VOBC向该设备的对象控制器发送释放该轨旁设备的命令，然后该轨旁设备可以快速的允许其他列车使用。一旦目标控制器被占用，只要它不释放，该设备不可被其他列车使用，并执行相应的安全原则。

? 另一列通信状态正常的列车

在基于车-地通信的CBTC系统中，由于车地通信延时导致后车无法准确的获取前车的实时位置。为了解决这一问题，ZC根据列车发送的位置报文信息，结合列车的运动趋势对列车的车头和车尾位置进行了安全性补偿。即在列车报告给ZC的位置基础上，为列车的头、尾添加一定的安全包络，以确定列车的安全位置。并且ZC在为后车计算移动授权时，默认前车为静止状态，将MA的终点延伸到前车尾端的安全补偿包络。这是以降低行车效率来保证行车安全的一种方法。

在基于车-车通信的列车控制系统中，后车通过与前车直接进行无线通信来获得对方的信息。在计算MA时，后车会不断向前车请求发送位置信息，根据前车发过来的位置信息与速度，实时更新MA。相比于基于车地通信的CBTC系统，这种通信方式可以大大的降低车地通信系统之间信息交互的延时和复杂度，缩短计算MA所需的时间，从而可以采取一种更加能缩短行车间隔的移动授权计算方法——基于相对速度的移动授权计算方法。

4 基于相对速度的移动授权计算方法

4.1 移动授权终点的计算

当后车以前车作为前方障碍物计算移动授权时，基于相对速度的移动授权的终点为假定前车以当前速度触发紧急制动停车后的列车尾端。

考虑最不利情况，即前车的紧急制动距离最小的情况，前车在收到后车的位置请求信息时，已经开始紧急制动。

当前车收到后车的位置请求信息时，前车根据自己的当前速度算出自己紧急制动距离。其中为前车收到位置请求时的速度，为前车最大制动减速度。

用前车当前位置加上计算出的紧急制动距离即为后车移动授权的终点。计算完成后，前车通过车车之间通信将移动授权终点信息传递给后车。

下面考虑前后车通信发生延时的情况对后车移动授权终点计算的影响。在t时刻，前车的位置为，速度为，然而由于通信延时，前车在t时刻，仍按照t-1时刻前车的信息计算移动授权终点。当以基于相对速度的移动授权计算方法计算移动授权终点时，实际的移动授权终点和后车计算的移动授权终点的误差如下面公式：

设t-1到t时刻前车的列车加速度为，可将公式（1）化为公式（2），如下所示：

由公式（2）可发现，当前车在t-1时刻以最大制动减速度行驶时，为0；随着前车在t-1时刻的行驶加速度从逐渐增大，也随之增大。由此可得出结论，当前车的行驶加速度靠近列车最大制动减速度时，基于相对速度的移动授权计算方法可以降低前后车通信延时带来的影响。

4.2 基于移动授权的后车限制速度的计算

后车以前车发送过来的紧急制动停车位置为移动授权终点来计算紧急制动曲线。

后车紧急制动曲线从开始制动到制动结束共分为三段，以及。

其中为后车紧急制动距离，为考虑最坏情况下，列车牵引切除之前以最大加速度走行的距离，为列车牵引切除后，制动建立之前，列车的惰行距离，为列车紧急制动过程运行的距离。

其中为后车当前速度，为ATP设备反应时间，为后车牵引切除时间，为后车最大牵引加速度，为当前坡度加速度，为列车制动建立时间，为列车最大制动额减速度。

考虑到前车和后车之间的制动性能不同，增加了一个大于δ（0<δ<）小于的可变参数，用于调整基于相对速度的移动闭塞的行车间隔。若不增加该参数（=0），当前车的制动性能劣于后车或者与后车相近时（），根据移动授权计算时前后车制动距离之间的关系（式6）后车的紧急制动开始位置将在前车紧急制动开始位置的前方或与前车重叠。

列车如果按照这样的制动曲线行驶一定会影响行车安全。通过改变参数能保证一定的行车间隔，增大安全余量，保障行车安全。

4.3 仿真验证

下面本文基于Microsoft Visual Studio集成开发环境设计具有人机交互界面的仿真软件对两个前后车追踪的简单场景进行模拟，对基于相对速度的移动授权计算方法和目前采用的基于位置的移动授权计算方法达到的行车效果进行比较。

本软件通过两个操纵杆模拟前后两辆车的运行，并启用定时器来模拟前后车的周期性通信。前车根据式（1），以自身位置和速度为输入参数计算出移动授权终点发给后车，每隔300ms更新一次；后车根据公式（4）（5）（6）（7）以及前车发过来的移动授权终点和系统参数计算出移动授权下的限制速度，控制自身运行。

通过在软件界面测试参数栏目中填写初始参数：前后车起始速度，前后车起始间隔，线路坡度，列车最大限制速度以及系统防护距离，即可仿真出在不同移动授权计算方法在不同工况下的表现。同时该软件运用画图控件直观表现出前后车运行时的速度，位置和行车间隔，并将两种移动授权计算方法的行车效果在同一张图上显示以做更好的对比。软件默认列车参数为：=0.8s，=0.8s，=3.5s，=1.2m/s2。endprint

场景一：前车以40Km/h速度勻速行驶，后车以60Km/h的速度追踪前车。取前后车起始间隔为500m，线路坡度为6‰，系统防护距离为30m。

运行结果如下图8，9，其中图8横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为速度（单位：Km/h），图9横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为列车行驶距离（单位：m）。

从图8和图9中可以看到在后车以60Km/h速度匀速一段时间后，根据移动授权减速至与前车速度相同。

图9中可以看到运用基于相对速度的的移动授权计算方法的行车间隔明显小于基于相对位置的移动授权计算方法的行车间隔。

场景二：在场景一的基础上，在后车以最小间隔跟随前车运行时，控制操纵杆使前车以0.8m/s2的减速度运行，后车根据前车速度变化控制自身速度。

运行结果如下图10，11，其中图10横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为速度（单位：Km/h），图11横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为列车行驶距离（单位：m）。

从图10中可以看出，当前车减速后，采用基于相对速度的移动授权计算方法的后车对前车的速度跟随性明显好于采用基于相对位置的移动授权计算方法的后车的速度跟随性。

类似于图9，从图11我们也可以明显看到基于相对速度的的移动授权计算方法的行车间隔更小。

本文在4.1中提出在行车加速度接近最大制动减速度时，基于车-车通信与相对速度的移动授权计算方法可以降低车与车之间通信延时的影响。下面用软件仿真出前车与后车发生300ms的通信延时的情况，在场景一与场景二下运行，比较无延时和有300ms延时的行车效果。

运行结果如下图12，13，其中图12横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为速度（单位：Km/h），图13横坐标为时间（单位：100ms），纵坐标为列车行驶距离（单位：m）。

从图12，13可以看到，加了300ms通信延时的后车速度和位置曲线与前车的速度和位置曲线基本重合，说明在这种方法与场景下，通信延时导致的移动授权发送延迟对于列车的限制速度曲线计算影响很小，不会影响到列车行车安全与效率。

5 结束语

本文主要分析了在基于车-车通信的列车控制系统中移动授权的计算，指出了基于车-车通信的列车控制系统计算移动授权时，在降低系统复杂性与减少子系统之间接口故障方面的优越性。本文还对基于相对速度和车-车通信的移动授权的计算方法进行数学建模分析，并依托Microsoft Visual Studio集成开发环境，根据数学模型编写仿真软件，对该方法和目前采用的基于相对位置的移动授权计算方法对列车的控制效果做了仿真对比。发现该方法可以降低车-车之间通信延时的影响，缩小行车间隔，提高行车效率，为基于车-车通信的列车控制系统的设计和研发提供一定的思路和参考。

参考文献：

[1] 赵晓峰.无线CBTC信号系统移动授权功能分析[J].城市轨道交通研究，2013，16（5）：80-83.

[2] 刘晓娟，张雁鹏，李凤华等.基于通信的列车控制系统移动授权的研究与仿真[J].城市轨道交通研究，2011，14（12）：48-51.

[3] 刘朔.CBTC系统移动授权生成的建模与实现[D].北京交通大学，2007.

[4] 王露，王长林.区域控制器移动授权的统一建模语言（UML）建模与验证[J].城市轨道交通研究，2014，17（7）：40-43.

[5] 贺欢欢，陈永刚，罗雅允等.移动授权的形式化建模与验证[J].铁道标准设计，2015，（3）：118-121.

[6] 姜庆阳，卢佩玲，刘剑等.CBTC移动授权分配研究[J].中国铁路，2010，（4）：76-78.

[7] 丛亚闻.基于移动闭塞的移动授权生成机制研究[D].西南交通大学，2011.

[8] 吴曦.城市轨道交通移动授权设计与实现[D].西南交通大学，2014.

[9] 谭人升，戚妍.故障模式下通过CBTC控区边界的分析[J].城市轨道交通研究，2015，18（z2）：28-29，49.

[10] 陈雁冰.CBTC系统混跑模式中的移动授权计算[J].铁道通信信号，2011，47（8）：34-37.

[11] 王露.区域控制器移动授权的UML模型与验证[D].西南交通大学，2013.

[12] 徐纪康，贾森，许琰. 基于车车通信的新型CBTC系统中的道岔控制功能研究[J]. 铁路通信信号工程技术，2017，14（3）：47-49.

[13] 王鹏. 车—车通信技术在列控系统车载设备中的应用研究[D].北京交通大学，2017.

[14] 温杜仲. 基于车—车通信技术的新型城市轨道交通信号系统研究[J]. 中国新通信，2016，18（24）：122-123.endprint