李鳳華 劉曉娟

蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院,730070 蘭州

*研究生 **教授

基于 WLAN的 CBTC(Communication Based Train Control)系統(tǒng),包括地面區(qū)域控制中心、無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)、列車車載子系統(tǒng) 3個部分,是采用無線通信手段來確定列車位置的一種移動閉塞列車運(yùn)行控制系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的以軌道電路為基礎(chǔ)的固定閉塞列車運(yùn)行控制系統(tǒng),基于 WLAN的CBTC系統(tǒng)可以有效提高列車運(yùn)行效率和安全性。因此,如何發(fā)展和完善 CBTC系統(tǒng),使其成為適合我國路情,有效提高城市軌道交通運(yùn)輸能力的列車運(yùn)行安全控制與防護(hù)系統(tǒng),已經(jīng)成為國內(nèi)外眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。鑒于區(qū)域控制器 (zone controller,簡稱 ZC)在功能研究方面文獻(xiàn)較少,而它又是CBTC系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,負(fù)責(zé)實現(xiàn)列車安全間隔運(yùn)行等,因此,開發(fā)功能更強(qiáng)大的區(qū)域控制器仿真系統(tǒng)也就尤為重要。

1 區(qū)域控制器概述

區(qū)域控制器是 CBTC系統(tǒng)的地面核心設(shè)備,設(shè)于地鐵有岔站,可實現(xiàn)本站與相鄰岔站的聯(lián)鎖和ATP控制。區(qū)域控制器的主要功能是對本區(qū)域內(nèi)運(yùn)行的列車進(jìn)行管理,包括:列車登錄、列車進(jìn)入?yún)^(qū)域控制器控制、區(qū)域控制器對列車的正式管理等。在列車進(jìn)入?yún)^(qū)域控制器的范圍,或在故障后功能恢復(fù)時,經(jīng)過第1個應(yīng)答器,列車上的車載控制器VOBC向所在區(qū)域控制器進(jìn)行登錄,區(qū)域控制器會將其管理為預(yù)登錄列車。當(dāng)列車經(jīng)過第 2個應(yīng)答器時,獲知了自己的位置和方向,此時,列車向區(qū)域控制器提出要進(jìn)入該區(qū)域控制器控制的申請,在區(qū)域控制器為該列車提供 “移動授權(quán) (Movement Authority,簡稱 MA)”后,該列車成為區(qū)域控制器的正式管理列車。當(dāng)列車在區(qū)域控制器范圍內(nèi)運(yùn)行時,區(qū)域控制器根據(jù)管轄區(qū)域范圍內(nèi)各列車的當(dāng)前位置、速度及運(yùn)行方向等因素,同時考慮列車進(jìn)路、道岔狀態(tài)、線路限速以及其他障礙物等條件,向列車發(fā)送 MA。MA為列車提供將要運(yùn)行的進(jìn)路及進(jìn)路上的障礙物位置、狀態(tài)等信息。車載控制器VOBC利用 MA中的信息,計算速度距離模式曲線,從而控制列車的運(yùn)行。

2 ZC仿真子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

ZC仿真子系統(tǒng)的軟件主要由列車管理、MA生成和 ZC交接 3個功能模塊組成。ZC仿真軟件通過外部接口,實現(xiàn)和其他設(shè)備的數(shù)據(jù)交換,通過 SQL Server服務(wù)管理器從數(shù)據(jù)庫讀取信息。

區(qū)域控制器完成其關(guān)鍵功能,需要周期性地與 VOBC、CI、ATS、DSU等子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互,信息交互圖如圖1所示。

2.2 關(guān)鍵功能模塊的實現(xiàn)

2.2.1 列車管理

圖1 ZC與其他子系統(tǒng)間的信息交互

在 ZC管轄范圍內(nèi)不只存在一列列車,ZC根據(jù)收到位置報告信息中的車載設(shè)備識別號來區(qū)分不同的列車,從而獲得不同列車的信息。在程序設(shè)計中,定義了一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組來存放具有不同車載設(shè)備識別號的列車數(shù)據(jù)和位置報告信息。ZC每收到一個位置報告就會遍歷數(shù)組,比較結(jié)構(gòu)體變量的成員 NID-TRAIN(用來存放車載設(shè)備識別號)和位置報告中的車載設(shè)備識別號是否相同,如果相同,就把原來的位置報告信息用新接收信息更新;如果不同,就說明發(fā)送位置報告的列車剛進(jìn)入 ZC的管轄范圍。車載設(shè)備向 ZC發(fā)出 MA請求后,ZC就根據(jù)車載設(shè)備的識別號調(diào)出相關(guān)列車的信息,然后結(jié)合線路情況和進(jìn)路信息生成該列車的 MA。列車管理流程圖如圖2所示。

圖2 列車管理流程圖

2.2.2 MA生成

在程序中定義了一個名叫 MA的結(jié)構(gòu)體,主要包括車載設(shè)備識別號、列車運(yùn)行方向、列車安全前端距離、列車安全后端、前方列車位置、前方列車速度、前方車站識別號、距前方車站距離等信息。MA的具體含義如圖3所示。當(dāng) ZC收到通過車載發(fā)送的 MA請求時,可根據(jù)車載設(shè)備識別號判斷是哪輛列車發(fā)出的請求,找出該列車的位置,再根據(jù)位置報告中的列車安全后端信息,確定 MA的起始點(diǎn),車載設(shè)備是根據(jù)無線擴(kuò)頻定位的方法來確定列車的位置。MA終點(diǎn)的確定方法如下。

圖3 MA的含義

1.當(dāng)列車在區(qū)間運(yùn)行時,ZC根據(jù)前方列車的情況確定 MA的終點(diǎn),根據(jù)車載設(shè)備發(fā)送過來的列車位置,通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫逐一檢查前方有無列車。若有先行列車,則先行列車的安全后端為 MA的終點(diǎn);若本站間區(qū)間內(nèi)無先行列車,則可能是列車即將進(jìn)站,或列車即將運(yùn)行到 ZC/ZC的邊界,列車 MA的終點(diǎn)是車站站界,或者開始 ZC交接過程,從而確定列車的 MA終點(diǎn)。

2.當(dāng)列車在車站范圍內(nèi)運(yùn)行,列車到達(dá)車站站界時,ZC向車站聯(lián)鎖設(shè)備申請進(jìn)路,聯(lián)鎖將進(jìn)路狀態(tài)反饋給 ZC。如果車站聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù) ATS辦理好列車進(jìn)路,ZC發(fā)送給列車 MA的終點(diǎn)就是車站股道上列車停車的位置。

3.如果車站聯(lián)鎖設(shè)備未辦理好列車進(jìn)路,ZC發(fā)送給列車的 MA的終點(diǎn)就是進(jìn)站進(jìn)路始點(diǎn),直到列車進(jìn)路辦理好為止。ZC通過 WLAN將列車 MA信息發(fā)送給車載設(shè)備,列車進(jìn)站停車或等待進(jìn)站;列車停車后,列車的 MA為所停股道長度;列車出站前,經(jīng)由 ZC向車站聯(lián)鎖設(shè)備申請出站,如果車站聯(lián)鎖設(shè)備根據(jù) ATS的列車進(jìn)路辦理好列車出站進(jìn)路,ZC發(fā)送給列車的 MA的終點(diǎn)是前行列車尾端,列車可以啟動出站。

4.如果車站聯(lián)鎖設(shè)備未辦理好列車出站進(jìn)路,ZC發(fā)送給列車的 MA的終點(diǎn)為列車所在股道末端,列車不允許出站,直到聯(lián)鎖辦理好為止。

2.2.3 ZC交接

ZC切換功能模型實際上是 MA計算模型中的一部分,只是因為在 ZC切換過程中,MA計算相對于其他的 MA計算功能模塊而言,需要考慮更多的條件和進(jìn)行相應(yīng)的處理。當(dāng)給車載設(shè)備發(fā)送的MA的終點(diǎn)是 ZC交接點(diǎn)時,表明列車即將駛出該ZC的管轄范圍,進(jìn)入另一個 ZC的管轄區(qū)。為了保證列車不會出現(xiàn)沒有 ZC管轄的情況,此時應(yīng)進(jìn)行 ZC/ZC交接。具體過程如下。

移交 ZC同時給車載設(shè)備和接管 ZC發(fā)送交接命令。給車載設(shè)備發(fā)送的交接命令包括,接管 ZC的標(biāo)識號和電話號碼,以及交接點(diǎn)的位置。車載設(shè)備收到交接命令后,應(yīng)馬上建立與接管 ZC的會晤。給移交 ZC發(fā)送的交接信息包括,將要進(jìn)入接管ZC區(qū)域的列車識別號和當(dāng)列車進(jìn)入接管ZC區(qū)域時將通過的邊界位置。接管ZC收到交接命令后,一直向移交ZC發(fā)送更新的邊界點(diǎn)前方進(jìn)路相關(guān)信息,這些信息主要是指臨時限速和緊急消息。移交ZC收到這些進(jìn)路相關(guān)信息后,就可以生成包含邊界點(diǎn)的 MA。

需要注意的是:移交 ZC在收到接管 ZC發(fā)送的進(jìn)路相關(guān)信息之前,MA終點(diǎn)最遠(yuǎn)只能給到邊界點(diǎn)處。當(dāng) MA終點(diǎn)越過 ZC/ZC邊界點(diǎn)時,車載設(shè)備同時向移交 ZC和接管 ZC發(fā)送一個位置報告,移交 ZC把此位置報告轉(zhuǎn)發(fā)給接管 ZC,因為移交ZC不知道車載設(shè)備能同時處理 2個通信會晤。接管 ZC收到列車的 MA終點(diǎn)越過 ZC/ZC邊界點(diǎn)的位置報告后,通知移交 ZC它已接管了列車的監(jiān)督責(zé)任。移交 ZC接到此通知后,停止向進(jìn)路發(fā)送進(jìn)路相關(guān)的信息。當(dāng)移交 ZC收到一個位置報告,并檢測到列車的 MA終點(diǎn)越過 ZC/ZC邊界點(diǎn)時,它應(yīng)向車載設(shè)備發(fā)送一個斷開鏈接的命令,由車載設(shè)備來執(zhí)行拆鏈操作。交接過程如圖4所示。

圖4 ZC交接過程

2.2.4 ZC數(shù)據(jù)庫的建立與調(diào)入

ZC要與數(shù)據(jù)庫相互配合才能給管轄范圍內(nèi)的列車發(fā)送完整的 MA信息和線路參數(shù),這就需要建立一個地面特征和地面坐標(biāo)系信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫,此數(shù)據(jù)庫主要包含的信息就是一些線路障礙物的坐標(biāo)。內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的建立采用 Microsoft SQL Server 2000。在程序初始化時,將數(shù)據(jù)庫中的靜態(tài)信息讀入相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體中,將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存可以減小對數(shù)據(jù)庫的重復(fù)調(diào)用,提高運(yùn)行效率和速度。為了便于讀取,在程序中采取結(jié)構(gòu)體與數(shù)據(jù)庫表中的名稱一一對應(yīng)關(guān)系。仿真開始時對需要的靜態(tài)數(shù)據(jù)庫表進(jìn)行讀取操作,讀入提前定義好的結(jié)構(gòu)體中,以便仿真程序使用。

3 ZC仿真子系統(tǒng)的實現(xiàn)

ZC仿真子系統(tǒng)基于 C++Builder 6.0環(huán)境開發(fā),運(yùn)行在 Windows XP環(huán)境下,程序設(shè)計利用了Windows環(huán)境編程。ZC仿真子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖如圖 5所示?？刂茩?quán)的交接。

ZC仿真系統(tǒng)內(nèi)各個模塊同時運(yùn)行,仿真子系統(tǒng)與車載、聯(lián)鎖等系統(tǒng)實時通信,完成列車在區(qū)間、車站內(nèi)的運(yùn)行和控制。

4 結(jié)束語

本文闡述了以 C++Builder 6.0為平臺的 CBTC系統(tǒng)中 ZC仿真的具體實現(xiàn)過程,此仿真基于移動閉塞制式,采用 WLAN作為車-地通信媒介,適應(yīng)目前城市軌道交通的發(fā)展方向,具有一定的現(xiàn)實意義,仿真過程是在實驗室條件下進(jìn)行的,對一些實際情況考慮得還不太周全,下一步將結(jié)合系統(tǒng)需求規(guī)范和功能需求規(guī)范以及實際情況對整個 ZC仿真子系統(tǒng)進(jìn)行完善。

圖5 ZC仿真子系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

仿真進(jìn)行過程中,利用C++Builder6.0提供的Timer控件,實現(xiàn)程序的周期性執(zhí)行。仿真開始后,每個周期 ZC都與 VOBC、CI、ATS進(jìn)行通信,并處理其收到的信息。ZC接收到 VOBC發(fā)送的登錄請求信息時,列車進(jìn)入登錄狀態(tài),列車在行進(jìn)一段距離后,向ZC發(fā)送申請進(jìn)入ZC控制的請求,列車進(jìn)入控制狀態(tài)。在此期間,VOBC與 ZC之間通過空的報文保持鏈接,當(dāng) VOBC向 ZC發(fā)出MA請求后,列車進(jìn)入?yún)^(qū)域控制器正式管理狀態(tài),此時列車按照 ZC發(fā)送的 MA運(yùn)行,進(jìn)入 MA生成模塊,MA生成模塊接收 VOBC發(fā)送的列車位置、列車運(yùn)行方向信息,CI發(fā)送的進(jìn)路及進(jìn)路范圍內(nèi)的障礙物狀態(tài)信息,以及數(shù)據(jù)庫中的線路信息,按照移動閉塞原理進(jìn)行 MA的計算,并發(fā)送給運(yùn)行中的列車。當(dāng)列車運(yùn)行到 ZC邊界時,相鄰 ZC實現(xiàn)

[1］ 楊艷成.基于 CBTC的列車自動防護(hù)系統(tǒng)(ATP)建模與仿真[D].北京交通大學(xué)碩士論文,2009-6.

[2］ 郎紅霞,寧濱,黃友能.基于軟件易測試性的 CBTC區(qū)域控制器系統(tǒng)設(shè)計[J].鐵道通信信號,2007,43(12):8-10.

[3］ 劉朔.CBTC系統(tǒng)移動授權(quán)生成的建模與實現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)碩士論文,2007-12.

[4］ 劉曉娟,張雁鵬,湯自安.城市軌道交通智能控制系統(tǒng)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[5］ 楊旭文.基于 UML的CBTC系統(tǒng)區(qū)域控制器的建模與安全驗證[D].北京交通大學(xué)碩士論文,2008-6.

[6］ 郎紅霞.混合測試方法在 CBTC區(qū)域控制器仿真測試系統(tǒng)中的研究與實現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)碩士論文,2007-12.