李強(qiáng) ，陳子健

(1.蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省工業(yè)交通自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730070)

目前，城市軌道交通主要采用的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)為基于通信的列車控制系統(tǒng)(Communica‐tion Based Train Control, CBTC)，是一種典型的多模列控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用點(diǎn)式系統(tǒng)作為后備系統(tǒng)，正常情況下利用車地?zé)o線通信獲得移動(dòng)授權(quán)，當(dāng)通信故障時(shí)，車載系統(tǒng)通過地面設(shè)備可變應(yīng)答器或環(huán)線獲得移動(dòng)授權(quán)和控制命令，采取固定閉塞的運(yùn)行方式。該模式需要鋪設(shè)大量軌旁設(shè)備，僅能實(shí)現(xiàn)軌旁設(shè)備到車載的單向且不連續(xù)的傳輸，且僅當(dāng)列車通過有源信標(biāo)時(shí)才能獲得軌旁發(fā)出的信息，對(duì)列車運(yùn)行影響較大，易造成大規(guī)模晚點(diǎn)。由于長期演進(jìn)系統(tǒng)(Long Term Evolution, LTE)中無線通信技術(shù)的發(fā)展，“車?車”(Train to Train，T2T)的通信方式成為了可能。曹源等[1?4]提出了基于超短波的直接通信方案，實(shí)現(xiàn)了兩車間的直接通信，MORENO等[5?12]證明了車車通信方式可以應(yīng)用于城市軌道交通中無線通信系統(tǒng)，因此，新一代的基于車車通信的列控系統(tǒng)產(chǎn)生。該系統(tǒng)采用“車?車”的通信方式，能實(shí)現(xiàn)兩車間的直接通信，減少軌旁設(shè)備的配置，提高運(yùn)行效率，但尚無與之對(duì)應(yīng)的后備模式。多模列控系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)的并發(fā)性，切換的實(shí)時(shí)性有著較高的要求，Petri網(wǎng)能有效描述系統(tǒng)的并發(fā)性和異步性，模型中加入的時(shí)間參數(shù)能滿足系統(tǒng)的時(shí)間約束性，趙曉宇等[13]利用有色Petri網(wǎng)對(duì)CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)下RBC切換進(jìn)行了建模與分析，得出了列車速度、消息重發(fā)時(shí)間間隔對(duì)RBC切換的時(shí)間的影響，鄭藝等[14?15]基于有色Petri網(wǎng)構(gòu)建驗(yàn)證了CTCS3級(jí)列控系統(tǒng)下車載設(shè)備模式轉(zhuǎn)換的模型。車車通信列控系統(tǒng)作為安全苛求性系統(tǒng)，當(dāng)車-車通信發(fā)生故障時(shí)，也要保證列車的安全運(yùn)行，但尚無文獻(xiàn)對(duì)車車通信下新型列控系統(tǒng)的后備模式進(jìn)行研究。本文通過分析車車通信列控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出了一種車地通信方式作為新型列控系統(tǒng)的后備模式，利用有色Petri網(wǎng)建立模式切換模型，并對(duì)模型中系統(tǒng)切換時(shí)間進(jìn)行分析，得出后備模式下不同時(shí)間間隔設(shè)計(jì)對(duì)列車運(yùn)行的影響。

1 車車通信列控系統(tǒng)

基于車車通信的列控系統(tǒng)取消了地面的區(qū)域控制器和聯(lián)鎖控制設(shè)備，將原先地面設(shè)備的各項(xiàng)功能整合至車載設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)以車載為核心的控制架構(gòu)，提高列車的自主性?；谲囓囃ㄐ诺牧锌叵到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括中心設(shè)備，車載設(shè)備和軌旁設(shè)備三大部分。中心設(shè)備包括智能列車監(jiān)控系統(tǒng)(Intelligent Train Supervision, ITS)和列車信息管理中心(Train Information Management Center,TMC)，ITS負(fù)責(zé)行車計(jì)劃的制訂與下發(fā)，監(jiān)督列車運(yùn)行，與CBTC系統(tǒng)中ATS的功能類似。TMC是儲(chǔ)存信息的數(shù)據(jù)庫，所有列車上線后需在TMC中登記本車信息，包括車次號(hào)，IP地址，所在位置等，并向管轄范圍內(nèi)列車提供其他列車的信息，同時(shí)，救援車等非通信列車進(jìn)入線路后也要向TMC報(bào)備。車載設(shè)備主要包括車載聯(lián)鎖模塊，車載通信模塊和車載移動(dòng)授權(quán)模塊等，車載聯(lián)鎖模塊負(fù)責(zé)進(jìn)路的控制和軌旁設(shè)備控制命令的發(fā)布，車載通信模塊包括車地通信模塊和車車通信模塊，分別負(fù)責(zé)列車和地面，列車和列車之間的通信，車載移動(dòng)授權(quán)模塊負(fù)責(zé)為本車提供移動(dòng)授權(quán)。軌旁設(shè)備主要包括應(yīng)答器和對(duì)象控制器(Object Con‐troller, OC)，OC負(fù)責(zé)采集道岔的狀態(tài)以供ITS和列車的查詢，并接收和執(zhí)行列車發(fā)送的指令。

圖1 車車通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the train-to-train communication system

列車在區(qū)間正常運(yùn)行時(shí)既要與前車保持通信以獲取前車位置信息，又要與地面的TMC進(jìn)行周期性通信以更新自身的位置信息，因此，將車車通信列控系統(tǒng)運(yùn)行模式分為車車模式(T2T)和車地模式(T2G)，列車駕駛模式主要分為自動(dòng)駕駛模式(AM/AM-G)，完全監(jiān)控模式(SM/SM-G)，限制人工駕駛模式(RM)。當(dāng)列車車載通信設(shè)備中的車車通信模塊故障時(shí)，列車無法進(jìn)行車車通信來獲取位置信息，但仍能通過車地通信模塊與地面設(shè)備TMC通信來獲取TMC中存儲(chǔ)的相關(guān)聯(lián)列車的位置信息，此時(shí)，列車可切換為車地模式，根據(jù)地面設(shè)備提供的位置信息來生成移動(dòng)授權(quán)。另外，當(dāng)列車距離過大或者車車通信鏈路信道質(zhì)量較差無法保證通信質(zhì)量時(shí)，列車也能切換為車地通信的模式。

2 模式切換模型建立

2.1 模式切換流程分析

列車在區(qū)間正常運(yùn)行時(shí)，列車處于T2T模式，以AM模式運(yùn)行，如圖2所示，后車與前車進(jìn)行周期性的車車通信，后車根據(jù)所獲得的前車位置信息在車載移動(dòng)授權(quán)模塊中實(shí)時(shí)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)(Mo‐bile Authorization, MA)并送至車載ATP模塊，形成ATP曲線。同時(shí)兩車周期性向TMC匯報(bào)自身的位置信息。

圖2 T2T模式運(yùn)行示意圖Fig.2 Operation diagram of T2T mode

當(dāng)后車因故障與前車通信中斷時(shí)，后車ATP輸出緊急制動(dòng)，司機(jī)緩解后選擇后備模式，經(jīng)與ITS確認(rèn)后，列車轉(zhuǎn)為RM模式(限速25 km/h)且車載ATP以上一個(gè)周期收到的前車位置生成制動(dòng)曲線，同時(shí)，后車向TMC申請前車的位置信息，若TMC能更新前車的位置信息且與后車通信正常，那么后車切換為T2G模式，后車根據(jù)TMC中獲得的前車位置信息可將駕駛模式升級(jí)為AM-G或SMG。切換流程如圖3所示。

圖3 區(qū)間運(yùn)行系統(tǒng)模式切換流程圖Fig.3 Flowchart of system mode switching

當(dāng)列車處于T2G模式，前車的位置由TMC發(fā)送給列車，如圖4所示，前車處于正常運(yùn)行T2T模式，周期性向TMC匯報(bào)自身位置，TMC將前車位置轉(zhuǎn)發(fā)給后車，后車根據(jù)從TMC處得到的列車位置生成移動(dòng)授權(quán)。由于TMC中所存儲(chǔ)的列車位置為上一通信周期的位置，因此后車的追蹤間隔距離變短。

圖4 T2G模式運(yùn)行示意圖Fig.4 Operation diagram of T2G mode

2.2 模式切換建模

車車通信列控系統(tǒng)采用的是連續(xù)的無線傳輸，當(dāng)列車在T2G模式下時(shí)仍能隨時(shí)與前車建立通信，一旦與前車通信建立成功并收到有效的前車位置信息時(shí)就能切換到T2T模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)切換，因此，主要對(duì)T2T模式轉(zhuǎn)為T2G模式進(jìn)行建模分析。

當(dāng)列車由T2T模式轉(zhuǎn)為T2G模式時(shí)，T2G模式不能立即可用，這是由于中心設(shè)備存在一定的處理時(shí)間，地面設(shè)備和車載設(shè)備也都有著相互獨(dú)立的時(shí)鐘，TMC收到前車的位置信息后必須等待下一個(gè)通信周期才能發(fā)送給后車，并且車地信息傳輸時(shí)也存在一定的通信延遲。同時(shí)，由于TMC的管轄范圍是有限的，還需要增加判斷前車在TMC管轄范圍內(nèi)的可運(yùn)行時(shí)間?；赥2T模式切換至T2G模式的流程和功能分析，建立HTCPN模型如圖5所示，由庫所集P和變遷集T構(gòu)成。

圖5 T2T轉(zhuǎn)T2G模式模型Fig.5 Model of T2T switching to T2G

庫所集P={Train, T2T Invalid, decelerate, Fault,Confirm, RM, Model, K_RM}。

其中Train, Model分別表示列車初始T2T模式狀態(tài)和切換后的模式狀態(tài)，T2T Invalid和Fault表示T2T不可用狀態(tài)，RM和K_RM表示列車的RM模式，decelerate表示列車減速后的狀態(tài)，Confirm表示ITS收到列車切換模式請求后確認(rèn)列車可以切換模式。

變遷集T ={T2TLost, Brake, ITS, Change,T2G}。

其中，T2TLost描述列車車車通信故障后丟失了前車的位置，列車開始準(zhǔn)備模式切換，ITS為列車向中心ITS匯報(bào)模式切換請求，根據(jù)地鐵處理流程，通常在2 min之內(nèi)，此處利用延遲函數(shù)Idelay()隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)延遲值，變遷Change為列車司機(jī)收到同意信息后切換模式開關(guān)的反應(yīng)時(shí)間，在復(fù)雜情況下通常為0.4～1.2 s[12]，用函數(shù)pdelay()表示，Brake為包含子頁的可置換變遷，描述了列車車車通信故障后減速制動(dòng)的過程，T2G也為可置換變遷，描述了T2G模式初始化的過程。

State為模型中托肯(TOKEN)定義，由模式和速度復(fù)合而成(MSG，v)，表示列車當(dāng)前所處的模式和速度，模式包括T2T下的AM，SM模式，T2G下的AM-G，SM-G模式，限速下的RM模式和無模式None，列車的初始速度由函數(shù)v0()產(chǎn)生，取25～80 km/h，由于本次模型中時(shí)間參數(shù)單位為s，因此利用v0()隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)7～22 m/s的初始速度。托肯TimeState中加入了Td()時(shí)間函數(shù)，作用為計(jì)算模式切換前所需的時(shí)延。

頂層模型描述為列車在區(qū)間正常運(yùn)行時(shí)，由于車車通信故障，列車一方面減速制動(dòng)調(diào)至RM模式，一方面與地面ITS確認(rèn)請求切換模式，當(dāng)ITS同意后，經(jīng)過變遷T2G判斷切換條件是否滿足，滿足則轉(zhuǎn)至T2G模式，反之則保持RM模式制動(dòng)。

置換變遷Brake描述了列車在車車通信不可用的情況下減速制動(dòng)的過程，如圖6所示，子模型中庫所T2T Invalid為列車車車通信故障后的狀態(tài)，變遷Delay表示列車ATP觸發(fā)緊急制動(dòng)的過程，該時(shí)延包括緊急制動(dòng)觸發(fā)的反應(yīng)時(shí)間和車載設(shè)備運(yùn)行計(jì)算時(shí)間[16]，用時(shí)間函數(shù)delay表示，本文分別取0.75 s和0.35 s。列車觸發(fā)制動(dòng)后，Release為列車制動(dòng)狀態(tài)，由于列車速度為隨機(jī)產(chǎn)生值，根據(jù)列車當(dāng)前速度的不同，利用并發(fā)的狀態(tài)來描述，當(dāng)列車速度小于7 m/s時(shí)，在變遷Keep中保持當(dāng)前速度并由ATP規(guī)劃停車曲線，當(dāng)列車速度大于7 m/s時(shí)，在變遷Braking列車減速至7 m/s制動(dòng)，最后輸出至decelerate，其中制動(dòng)加速度取0.8 m/s2。

圖6 Brake子模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of Brake sub-mode

置換變遷T2G為列車進(jìn)行模式切換的過程，如圖7所示，列車經(jīng)ITS確認(rèn)后減速切換為RM模式，列車向地面設(shè)備TMC申請前車的位置信息。若車地通信也出現(xiàn)故障，那么列車在RM模式下以最后時(shí)刻收到的前車位置信息進(jìn)行制動(dòng)。若車地通信正常，在ConfirmB變遷中確認(rèn)前車是否在當(dāng)前TMC管轄范圍內(nèi)以及在當(dāng)前TMC管轄范圍之內(nèi)的可運(yùn)行時(shí)間，若前車不在當(dāng)前TMC的管轄范圍之內(nèi)，則列車保持RM模式直至行駛到下一個(gè)TMC管轄范圍內(nèi)再查詢前車的位置信息。若兩車同屬一個(gè)TMC管轄，經(jīng)TMCSend將前車通信情況和位置發(fā)送給后車，經(jīng)后車車載判斷后可將模式升級(jí)為T2G模式。

圖7 T2G子模型示意圖Fig.7 Schematic diagram of T2G sub-mode

當(dāng)后車的車車通信故障時(shí)，若兩車同屬一個(gè)TMC1管轄時(shí)，如圖8所示，t1為列車在當(dāng)前TMC1管轄范圍內(nèi)已運(yùn)行的時(shí)間，由于車車通信故障會(huì)在任意時(shí)刻發(fā)生，時(shí)間值隨機(jī)產(chǎn)生，車車通信下列車正常追蹤間隔為tT2T，T2G模式設(shè)計(jì)間隔時(shí)間為tT2G，td為后車模式切換所需時(shí)間，則后車成功切換模式后，前車列車2在TMC1管轄范圍內(nèi)可運(yùn)行的時(shí)間t2為t2=tT2G-t1-tT2T-td。即模型中的Interval()，該時(shí)間也是后車列車1模式切換成功后能以T2G模式運(yùn)行的時(shí)間。若在后車進(jìn)行模式切換的過程中，前車已駛出當(dāng)前TMC的管轄范圍(t2<0)，那么后車也無法切換模式。

圖8 Confirm B時(shí)間參數(shù)圖Fig.8 Confirm B time parameter diagram

當(dāng)后車的車車通信故障時(shí)，若前車已駛離當(dāng)前TMC1管轄范圍，那么后車無法從TMC1中獲取前車位置信息，則以當(dāng)前TMC1管轄范圍的終點(diǎn)生成移動(dòng)授權(quán)，并從車車通信不可用時(shí)所在的位置以RM模式的速度運(yùn)行至下一個(gè)TMC2管轄范圍處，其所需時(shí)間最大值(tT2G?t1)為以RM的速度(vRM)運(yùn)行T2G設(shè)計(jì)運(yùn)行間隔的距離(v0?tT2G)所需的時(shí)間，即其中，v0為列車最大運(yùn)行的速度，由于列車車車通信故障可能在運(yùn)行的任意位置發(fā)生，該時(shí)間值在模型用隨機(jī)函數(shù)Rundelay()產(chǎn)生。當(dāng)后車運(yùn)行至下一個(gè)TMC2管轄范圍內(nèi)時(shí)再進(jìn)行登記并查詢前車的位置信息。

3 模式切換模型仿真分析

根據(jù)建立的模式切換模型，相關(guān)參數(shù)如下，列車最高運(yùn)行速度為80 km/h，列車在RM模式下限速25 km/h，T2T模式下列車運(yùn)行追蹤間隔設(shè)計(jì)為90 s，T2G模式的設(shè)計(jì)間隔分別為180，210和240 s。對(duì)3種運(yùn)行間隔分別進(jìn)行10 000次仿真，得到不同T2G模式設(shè)計(jì)間隔下切換成功次數(shù)如圖9所示?？梢钥吹?，模式切換的成功次數(shù)隨設(shè)計(jì)間隔的增大而增大，其中，切換失敗的原因是由于后車在切換過程中，前車已經(jīng)駛出了當(dāng)前TMC的管轄范圍。

圖9 模式切換成功次數(shù)Fig.9 Mode switching success times

對(duì)能夠成功切換至T2G模式的列車時(shí)間參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到列車的模式切換時(shí)間與可運(yùn)行時(shí)間分布如圖10所示。

圖10 3種T2G設(shè)計(jì)間隔切換運(yùn)行時(shí)間分布Fig.10 Three kinds of T2G design interval switching operation time distribution

根據(jù)仿真所得數(shù)據(jù)，對(duì)模式切換的成功率和模式切換與運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 不同T2G設(shè)計(jì)間隔下系統(tǒng)切換實(shí)時(shí)性Table 1 Real-time system switching under different T2G design intervals

假定A，B 2站之間的距離為2 000 m，兩車正常運(yùn)行速度為20 m/s，兩車最大加速度為1 m/s2，制動(dòng)加速度為0.8 m/s2。取T2G模式設(shè)計(jì)間隔為240 s仿真結(jié)果中的一組數(shù)據(jù)，當(dāng)列車在30 s時(shí)出現(xiàn)車車通信故障，即t1為30 s，中心ITS處理時(shí)間為80 s，此時(shí)列車在T2G模式下能運(yùn)行45 s，得到2種情況下的速度?時(shí)間曲線如圖11和圖12所示。可以看到，正常情況下，列車從A站出發(fā)，經(jīng)過123 s到達(dá)B站，當(dāng)列車出現(xiàn)車車通信故障時(shí)，列車經(jīng)過模式切換，以T2G模式運(yùn)行，最終花費(fèi)184 s到達(dá)B站。即延誤61 s，滿足3 min的需求，同時(shí)，紅色線為列車以T2G模式運(yùn)行，時(shí)間為20 s，滿足45 s內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間。

圖11 列車正常運(yùn)行速度-時(shí)間曲線Fig.11 Speed-time curve of normal train operation

圖12 列車故障情況速度-時(shí)間曲線Fig.12 Speed-time curve of train failure condition

結(jié)合以上圖表，由仿真運(yùn)算的結(jié)果可知，當(dāng)列車出現(xiàn)車車通信故障時(shí)，列車由T2T模式切換至T2G模式時(shí)，切換成功率隨T2G模式設(shè)計(jì)間隔增大而增大，為保證列車晚點(diǎn)時(shí)間不大于3 min，T2G模式的可運(yùn)行時(shí)間越大越好。在設(shè)計(jì)間隔為240 s時(shí)，才有較大可能將運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間控制在3 min之內(nèi)，即為了滿足3 min的晚點(diǎn)要求，T2G模式設(shè)計(jì)間隔應(yīng)大于240 s，且通信條件許可下，T2G模式設(shè)計(jì)間隔越大越好。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)車車通信列控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，提出了車車模式(T2T)和車地模式(T2G) 2種列控系統(tǒng)運(yùn)行模式，并將T2G模式作為列控系統(tǒng)的后備模式，較之CBTC列控系統(tǒng)，列車無需行駛至信標(biāo)處才發(fā)生模式切換，運(yùn)行效率更高。

2) 為評(píng)估T2T模式向T2G模式切換的實(shí)時(shí)性，建立了模式切換的HTCPN模型，能有效描述車車通信列控系統(tǒng)模式切換的過程。

3) 通過對(duì)模型的仿真分析表明，列車模式切換成功率隨T2G模式設(shè)計(jì)間隔增大而增大，當(dāng)列車因車車通信故障導(dǎo)致運(yùn)行模式降級(jí)時(shí)，將T2G模式設(shè)計(jì)間隔為240 s能將運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間控制在3 min之內(nèi)，對(duì)于不同運(yùn)營質(zhì)量要求的線路可參考表1進(jìn)行T2G模式間隔的設(shè)計(jì)來滿足運(yùn)營的要求。