基于移動授權的信息發布系統及時延分析

劉伯鴻

基于移動授權的信息發布系統及時延分析

劉伯鴻

在基于通信的列車控制（CBTC）系統中，信息傳輸通道基本以通信網絡為主，移動授權的傳輸網絡時延特性是影響系統性能的關鍵因素。在介紹CBTC 移動授權的信息發布系統基礎上，重點分析了時延的構成和不確定性，結合時延特性分析了CBTC 系統處理技術。

CBTC；移動授權；信息傳輸；時間延遲

0 引言

在城市軌道交通基于通信的列車控制（CBTC）系統中，列車的安全運行主要是通過其區域控制器（ZC）為每一通信列車提供一個移動授權(MA)來實現的。移動授權指的是1段帶有運行許可方向的軌道線路。當列車在受控區域內按照時刻表正常運行時，區域控制器根據控制中心列車自動監控(ATS)系統的指令計算當前區域的列車移動授權。一方面，區域控制器與同一區域的聯鎖設備通信，采集道岔、信號機等的信息；另一方面，車載控制器與區域控制器通信，并通過軌旁傳輸設備（如無線AP等）將列車位置、速度信息等發送給區域控制器。區域控制器根據接收到的信息及所管轄區域內軌道上的障礙物位置，計算出移動授權后向所管轄區域內的所有列車發送各自的移動授權。這里的障礙物可包括：進路終點、道岔、前方列車、站臺等。在列車運行和監督過程中，區域控制器實時地與車載控制器、通信子系統、聯鎖子系統、ATS進行信息交互，并在規定的時間內周期性地向所管轄區域內的通信列車發送移動授權。車載控制器根據接收到的移動授權信息以及駕駛模式、列車速度、線路參數、司機反應時間等，計算出列車的常用制動曲線和緊急制動曲線，以確保列車不超越現有的移動授權[1~2]。移動授權的含義如圖1所示。

在CBTC系統中，一旦CBTC移動授權發布延時發生通信失敗，會對列車運行安全影響很大，甚至造成行車事故[3~6]。本文就CBTC系統移動授權的信息發布系統及時延進行分析。

1 CBTC 移動授權的信息發布系統

1.1 CBTC 系統的網絡結構

CBTC 系統的網絡結構如圖2 所示，控制中心ATS 設備、數據存儲器、相鄰區域控制器、區域控制器、聯鎖系統與骨干網相連，實現數據交換。車載控制器(VOBC)通過軌旁收發設備與區域控制器進行雙向通信。

1.2 CBTC 移動授權的信息發布系統結構

圖1 移動授權（MA）示意圖

圖3為CBTC 移動授權的信息發布系統結構框圖，其中區域控制器是CBTC系統的核心。區域控制器根據接收到的列車信息、聯鎖設備向區域控制器傳遞的進路信息等，計算移動授權（MA），通過數據傳輸系統和軌旁收發設備將MA數據發送給車載控制器。

圖2 CBTC 系統的網絡結構圖

圖3 CBTC 移動授權（MA）的信息發布系統結構

在CBTC系統中，要保證列車追蹤間隔，必須采用高精度的定位技術實現列車的自主實時定位，以及車-地之間為雙向、大容量無線通信方式。

CBTC系統傳輸的關鍵內容包括：①軌旁到車載的移動授權（MA）；②車載到軌旁的定位位置報告。

對車載設備而言，可以在任何時刻估算其對列車定位的檢測,進而給出列車位置數據。

在CBTC系統中，正常通信時移動授權保證行車安全：①列車在某確定ZC區域運行，一般情況下，軌旁傳輸設備能夠滿足列車運行；②列車從1個ZC區域進入下1個ZC區域，CBTC越區切換站中斷時間抑制在一定范圍之內，能夠保證通信的正常運行，從而保證列車平穩運行[7~11]。

出現特殊情況或突發情況時，CBTC移動授權傳輸時延超時，車-地通信失敗。

2 影響CBTC移動授權時延因素

影響CBTC移動授權時延因素主要有4 種。

（1）信息延遲。信息傳輸產生的延時，如：列車向區域控制器傳輸實時位置信息時產生的延遲；區域控制器通過數據通道向車載控制器傳輸移動授權的延遲；設備集中站聯鎖設備向區域控制器發送信息，區域控制器接收到信息會延遲；區域控制器向設備集中站聯鎖設備發送信息時，聯鎖設備接收信息也會延遲等。

（2）信息的異步性。當列車傳送1 條信息到2個不同的區域控制器，在2個區域控制器中可能出現異步性，也就是沒有同時接收信息；或當區域控制器傳送1條信息到2個不同的設備集中站聯鎖設備，在2個聯鎖設備中可能出現異步性，沒有同時收到信息。

（3）信息丟失。當列車向區域控制器發送信息時，不能保證區域控制器一定能夠收到信息；當區域控制器向列車發送信息時，同樣不能保證列車接收到信息。

（4）通信中斷。在列車運行過程中，由于突發情況（如自然災害等），列車與區域控制器瞬間或短時間內通信中斷。

3 移動授權時延分析

在CBTC系統中，移動授權信息傳輸過程的實質是區域控制器通過數據傳輸通道向列車發送移動授權。

對列車運行安全保障而言，列車的位置信息、速度信息必須實時傳輸給區域控制器，區域控制器也必須周期性向列車發送移動授權。

假設區域控制器有1條數據通道，向列車發送1條信息，并得到響應，該過程所產生的時延如圖4所示。根據時延產生過程和特性不同，可將時延分成10個部分：區域控制器接收信息和產生移動授權的時延TZC-R，移動授權從區域控制器到軌旁傳輸設備的時延Tperiod，軌旁傳輸設備到通信列車的車載控制器的時延Tts，車載控制器接收和處理信息的時延Trev，車載控制器響應的時延TVOBC-R；車載控制器測量列車實時位置的時延TCL，車載控制器獲得列車實時位置的時延TCL-R，列車實時位置從車載控制器到軌旁傳輸設備的時延Tts，軌旁傳輸設備到區域控制器的時延Tperiod，區域控制器接收信息和產生移動授權的時延TZC-R。

CBTC系統中，區域控制器移動授權到車載的時延為

CBTC系統中，車載到區域控制器移動授權的時延為

列車與軌旁傳輸設備、軌旁傳輸設備與區域控制器之間的雙向信息傳輸時間是固定的，由設備和網絡共同決定。

式（1）、式（2）中，延時在一定范圍之內時，滿足移動閉塞的追蹤間隔要求，否則，無法滿足連續追蹤間隔要求，影響列車運行。

圖4 區域控制器到通信列車的時延示意

4 CBTC系統移動授權時延的確定

列車運行時，車載設備與區域控制器始終處于雙向通信狀態，并根據接收到的移動授權控制列車運行。一旦出現通信中斷，會影響列車正常運行。

（1）移動授權正常時間延遲Tmin。一般情況下，通信系統或數據傳輸通道均采用一定的數據傳輸保障機制，來保證數據傳輸的可靠性。例如，為了克服數據傳輸過程中通信數據的延遲和異步性,在所有的數據信息中加入1個時間戳，以保證CBTC系統中區域控制器到車載設備以及車載設備到區域控制器數據傳輸的實時性、可靠性；區域控制器到2個聯鎖設備，或聯鎖設備到2個區域控制器的數據傳輸的實時性、可靠性。

（2）最長延時Tmax。是指在固定的時間周期內，保證列車接收移動授權的最長時間。如果在此周期和最嚴酷的條件下，保證列車能夠接收到完整移動授權信息時，為最長延時（或稱最差延時）。

（3）最長延時超時。是指在固定的時間周期內，列車尚未接收移動授權，則為最長延時超時。

5 移動授權延時的實時處理技術

CBTC通信列車在某一正線區域控制器控制區域運行，或者列車從1個區域控制器區域到相鄰區域控制器區域，軌旁傳輸設備（如無線AP、漏泄波導管等）通常能夠保證信息傳輸的可靠性。一旦發生通信中斷，系統根據列車運行速度和運行距離會發出報警信號或緊急停車措施。

5.1 列車在1個區域控制器區域

當1列通信列車失去通信，此時列車被稱為非通信列車。如果非通信列車在其計時器過期（最差延時）之前，重新獲得通信，區域控制器將自動處理恢復過程。如果1列通信列車失去通信時間超過非通信列車計時器時間（最差延時），區域控制器將建立1個非通信障礙物，以保護該列車以及后續列車，防止發生沖突。

對于列車而言，未在規定的時間范圍內接收到移動授權信息，列車必須馬上發出報警信息，并采取自動緊急制動。

5.2 列車從1個區域控制器區域到相鄰區域控制器區域

當列車處于1個（當前）區域控制器區域邊界處和列車完全處于相鄰（前方）區域控制器區域時，該區域控制器與相鄰區域控制器通信中斷，此列車已歸相鄰區域控制器接管，按照相鄰區域控制器發出的移動授權運行。

5.3 列車在正線與車輛段的分界口

5.3.1 列車在CBTC 入口區域

正線與車輛段/停車場通過轉換軌相連。當列車從入口進入正線，必須滿足CBTC響應時間，使列車變為CBTC通信列車，以保證列車進入CBTC區域之前實施車載設備的查驗，以及CBTC向列車發送車次號、目的地等初始化信息。

當信號開放后，列車從車輛段/停車場到達CBTC入口區域，完成地-車雙向通信，進入正線。若列車與相鄰正線區域控制器尚未在最差延時情況響應，列車將不再進入正線。

若列車在沒有建立通信的情況下進入運行線路，區域控制器會使用1個障礙物表示。

5.3.2 列車在CBTC 出口區域

列車下線進入轉換軌，控制相鄰正線車站的區域控制器不再控制列車運行，CBTC系統刪除當前列車運行信息（如車次號等），列車變為非通信列車，列車由當前駕駛模式，如自動駕駛（AM）或ATP 監督下的人工駕駛（SM））模式變為人工駕駛模式，然后由車輛段/停車場的聯鎖系統保證列車安全。一旦發生通信中斷，不會影響列車安全。

6 實例

以阿爾卡特SelTrac 基于通信的列車控制系統為例。

（1）SelTrac S40 移動閉塞系統，為了保證行車安全，列車必須連續不斷地接收控制中心發送的目標點的更新信息。系統設定，列車在3 s內收不到有效信息，就判斷為通信發生故障，車載列車自動防護（ATP）產生緊急制動，迫使列車緊急停車，確保列車運行安全。同時，控制中心做出反應，阻止該列車繼續前進，以避免發生行車事故。

（2）CBTC 系統移動授權通信周期為200 ms[9]，通信延時，會影響列車運行安全。一旦發生1列通信列車失去通信時間超過非通信列車計時器時間，列車發出警告的同時，自動轉入常用制動方式，并將列車的目標速度設置為零。如果通信在9 s 內恢復，列車將停止制動，并繼續按原有進路行駛。如果通信未在9 s 內恢復，列車自動轉入緊急制動方式。

對于區域控制器而言，一旦發現列車車載控制器通信故障，將取消列車的原來移動授權，并建立新的移動授權。

由上述可以看出，CBTC系統時延小，反應速度快，追蹤間隔短，是真正意義上的閉環控制。

7 結束語

基于通信的列車控制系統，是目前城市軌道交通的發展方向。列車定位技術和車-地通信技術是其非常重要的關鍵技術，一旦傳輸信息畸變，信息丟失，通信失敗，其后果非常嚴重。因此，研究移動授權通信延時非常重要。

本文對移動授權的信息系統發布系統及時延分析，目的通過對移動授權延時的分析，提高系統的快速反應能力和應急處理措施。

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Information Transmission System and Delay Analysis based on Movement Authority

Liu Bohong

In the communication based train control (CBTC) system, information transmission has mainly with correspondence communication network. The delay characteristics of the movement authority transmission network are the key factors which affect the system performance. With the introduction of CBTC movement authority information transmission system, the paper focuses on analysis of delay and uncertainty, the CBTC system processing technology with delay characteristics.

CBTC, movement authority, information transmission, time delay

U231.7

劉伯鴻：蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，副教授，甘肅蘭州 730070

2014-07-14

責任編輯冒一平