區域控制器仿真子系統的研究

李鳳華 劉曉娟

蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,730070 蘭州

*研究生 **教授

基于 WLAN的 CBTC(Communication Based Train Control)系統,包括地面區域控制中心、無線局域網通信系統、列車車載子系統 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行控制系統。相對于傳統的以軌道電路為基礎的固定閉塞列車運行控制系統,基于 WLAN的CBTC系統可以有效提高列車運行效率和安全性。因此,如何發展和完善 CBTC系統,使其成為適合我國路情,有效提高城市軌道交通運輸能力的列車運行安全控制與防護系統,已經成為國內外眾多學者關注的熱點。鑒于區域控制器 (zone controller,簡稱 ZC)在功能研究方面文獻較少,而它又是CBTC系統中的關鍵設備,負責實現列車安全間隔運行等,因此,開發功能更強大的區域控制器仿真系統也就尤為重要。

1 區域控制器概述

區域控制器是 CBTC系統的地面核心設備,設于地鐵有岔站,可實現本站與相鄰岔站的聯鎖和ATP控制。區域控制器的主要功能是對本區域內運行的列車進行管理,包括:列車登錄、列車進入區域控制器控制、區域控制器對列車的正式管理等。在列車進入區域控制器的范圍,或在故障后功能恢復時,經過第1個應答器,列車上的車載控制器VOBC向所在區域控制器進行登錄,區域控制器會將其管理為預登錄列車。當列車經過第 2個應答器時,獲知了自己的位置和方向,此時,列車向區域控制器提出要進入該區域控制器控制的申請,在區域控制器為該列車提供 “移動授權 (Movement Authority,簡稱 MA)”后,該列車成為區域控制器的正式管理列車。當列車在區域控制器范圍內運行時,區域控制器根據管轄區域范圍內各列車的當前位置、速度及運行方向等因素,同時考慮列車進路、道岔狀態、線路限速以及其他障礙物等條件,向列車發送 MA。MA為列車提供將要運行的進路及進路上的障礙物位置、狀態等信息。車載控制器VOBC利用 MA中的信息,計算速度距離模式曲線,從而控制列車的運行。

2 ZC仿真子系統設計

2.1 軟件總體結構圖

ZC仿真子系統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,實現和其他設備的數據交換,通過 SQL Server服務管理器從數據庫讀取信息。

區域控制器完成其關鍵功能,需要周期性地與 VOBC、CI、ATS、DSU等子系統進行信息交互,信息交互圖如圖1所示。

2.2 關鍵功能模塊的實現

2.2.1 列車管理

圖1 ZC與其他子系統間的信息交互

在 ZC管轄范圍內不只存在一列列車,ZC根據收到位置報告信息中的車載設備識別號來區分不同的列車,從而獲得不同列車的信息。在程序設計中,定義了一個結構體數組來存放具有不同車載設備識別號的列車數據和位置報告信息。ZC每收到一個位置報告就會遍歷數組,比較結構體變量的成員 NID-TRAIN(用來存放車載設備識別號)和位置報告中的車載設備識別號是否相同,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,就說明發送位置報告的列車剛進入 ZC的管轄范圍。車載設備向 ZC發出 MA請求后,ZC就根據車載設備的識別號調出相關列車的信息,然后結合線路情況和進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的結構體,主要包括車載設備識別號、列車運行方向、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 ZC收到通過車載發送的 MA請求時,可根據車載設備識別號判斷是哪輛列車發出的請求,找出該列車的位置,再根據位置報告中的列車安全后端信息,確定 MA的起始點,車載設備是根據無線擴頻定位的方法來確定列車的位置。MA終點的確定方法如下。

圖3 MA的含義

1.當列車在區間運行時,ZC根據前方列車的情況確定 MA的終點,根據車載設備發送過來的列車位置,通過調用數據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;若本站間區間內無先行列車,則可能是列車即將進站,或列車即將運行到 ZC/ZC的邊界,列車 MA的終點是車站站界,或者開始 ZC交接過程,從而確定列車的 MA終點。

2.當列車在車站范圍內運行,列車到達車站站界時,ZC向車站聯鎖設備申請進路,聯鎖將進路狀態反饋給 ZC。如果車站聯鎖設備根據 ATS辦理好列車進路,ZC發送給列車 MA的終點就是車站股道上列車停車的位置。

3.如果車站聯鎖設備未辦理好列車進路,ZC發送給列車的 MA的終點就是進站進路始點,直到列車進路辦理好為止。ZC通過 WLAN將列車 MA信息發送給車載設備,列車進站停車或等待進站;列車停車后,列車的 MA為所停股道長度;列車出站前,經由 ZC向車站聯鎖設備申請出站,如果車站聯鎖設備根據 ATS的列車進路辦理好列車出站進路,ZC發送給列車的 MA的終點是前行列車尾端,列車可以啟動出站。

4.如果車站聯鎖設備未辦理好列車出站進路,ZC發送給列車的 MA的終點為列車所在股道末端,列車不允許出站,直到聯鎖辦理好為止。

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行相應的處理。當給車載設備發送的MA的終點是 ZC交接點時,表明列車即將駛出該ZC的管轄范圍,進入另一個 ZC的管轄區。為了保證列車不會出現沒有 ZC管轄的情況,此時應進行 ZC/ZC交接。具體過程如下。

移交 ZC同時給車載設備和接管 ZC發送交接命令。給車載設備發送的交接命令包括,接管 ZC的標識號和電話號碼,以及交接點的位置。車載設備收到交接命令后,應馬上建立與接管 ZC的會晤。給移交 ZC發送的交接信息包括,將要進入接管ZC區域的列車識別號和當列車進入接管ZC區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發送更新的邊界點前方進路相關信息,這些信息主要是指臨時限速和緊急消息。移交ZC收到這些進路相關信息后,就可以生成包含邊界點的 MA。

需要注意的是:移交 ZC在收到接管 ZC發送的進路相關信息之前,MA終點最遠只能給到邊界點處。當 MA終點越過 ZC/ZC邊界點時,車載設備同時向移交 ZC和接管 ZC發送一個位置報告,移交 ZC把此位置報告轉發給接管 ZC,因為移交ZC不知道車載設備能同時處理 2個通信會晤。接管 ZC收到列車的 MA終點越過 ZC/ZC邊界點的位置報告后,通知移交 ZC它已接管了列車的監督責任。移交 ZC接到此通知后,停止向進路發送進路相關的信息。當移交 ZC收到一個位置報告,并檢測到列車的 MA終點越過 ZC/ZC邊界點時,它應向車載設備發送一個斷開鏈接的命令,由車載設備來執行拆鏈操作。交接過程如圖4所示。

圖4 ZC交接過程

2.2.4 ZC數據庫的建立與調入

ZC要與數據庫相互配合才能給管轄范圍內的列車發送完整的 MA信息和線路參數,這就需要建立一個地面特征和地面坐標系信息系統數據庫,此數據庫主要包含的信息就是一些線路障礙物的坐標。內部數據庫的建立采用 Microsoft SQL Server 2000。在程序初始化時,將數據庫中的靜態信息讀入相應的結構體中,將數據庫中的數據讀入內存可以減小對數據庫的重復調用,提高運行效率和速度。為了便于讀取,在程序中采取結構體與數據庫表中的名稱一一對應關系。仿真開始時對需要的靜態數據庫表進行讀取操作,讀入提前定義好的結構體中,以便仿真程序使用。

3 ZC仿真子系統的實現

ZC仿真子系統基于 C++Builder 6.0環境開發,運行在 Windows XP環境下,程序設計利用了Windows環境編程。ZC仿真子系統的軟件結構圖如圖 5所示。控制權的交接。

ZC仿真系統內各個模塊同時運行,仿真子系統與車載、聯鎖等系統實時通信,完成列車在區間、車站內的運行和控制。

4 結束語

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

圖5 ZC仿真子系統軟件結構圖

仿真進行過程中,利用C++Builder6.0提供的Timer控件,實現程序的周期性執行。仿真開始后,每個周期 ZC都與 VOBC、CI、ATS進行通信,并處理其收到的信息。ZC接收到 VOBC發送的登錄請求信息時,列車進入登錄狀態,列車在行進一段距離后,向ZC發送申請進入ZC控制的請求,列車進入控制狀態。在此期間,VOBC與 ZC之間通過空的報文保持鏈接,當 VOBC向 ZC發出MA請求后,列車進入區域控制器正式管理狀態,此時列車按照 ZC發送的 MA運行,進入 MA生成模塊,MA生成模塊接收 VOBC發送的列車位置、列車運行方向信息,CI發送的進路及進路范圍內的障礙物狀態信息,以及數據庫中的線路信息,按照移動閉塞原理進行 MA的計算,并發送給運行中的列車。當列車運行到 ZC邊界時,相鄰 ZC實現

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

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

[3］ 劉朔.CBTC系統移動授權生成的建模與實現[D].北京交通大學碩士論文,2007-12.

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

[5］ 楊旭文.基于 UML的CBTC系統區域控制器的建模與安全驗證[D].北京交通大學碩士論文,2008-6.

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