基于車車通信的列控系統資源管理方法研究

陳 燕

（福州職業技術學院，福建 福州 350000）

隨著我國的城市化進程加快，城市中的交通壓力不斷變大，城市軌道作為一種高運量、高可靠性的公共交通，對緩解城市交通壓力起著重要作用，已成為越來越多居民的首選出行方式。隨著通信技術的不斷發展，國內外都開始了基于車車通信的列控系統研究，將既有連鎖系統資源管理方式轉變為資源分散協同管理方式，由車載和地面資源管理設備共同完成資源管理和分配，有效減少軌旁設備、降低通信時延、提升運營效率，但同時會增加通信負荷，如果通信資源分配不均，易出現擁堵，影響行車效率和行車安全，如何管理和分配無線資源成為困擾車車通信的一個問題。所以，選擇合適的線路資源以及無線資源管理和分配方案對于整個列控系統性能的提升非常重要。

1 研究背景

上海富欣智控聯合青島四方車輛研究所研發的TACS系統，在青島地鐵6號線上成功通過真車上線調試前的專家評審[1]。交控科技提出的VBTC系統通過引入列車協同控制和資源按需分配，實現了列車自主運行控制[2]。2020年11月，卡斯柯重磅發布了其自主研發的列車自主運行系統（TACS），是業內首個商用TACS系統。

2 基于車車通信的列控系統線路資源管理

線路資源是城軌交通運行的基礎，所有列車的運行都必須占用線路資源，多列車運行時必然產生競爭，線路資源的管理與分配成為列控系統安全、高效運行的核心功能之一。搭建高效的資源管理平臺，建立線路資源使用邏輯，實現列車對線路資源的有序占用，擺脫對連鎖的依賴，實現等同于連鎖的安全性能。通過合理的線路資源利用，實現列車間隔防護，解決線路資源使用沖突。

2.1 線路資源管理原則

城市軌道交通線路設備包括線路基礎設施、信號設備、供電設備、通信設備等。其中軌道、道岔、車擋等線路基礎設施，信號機、轉轍機、計軸器等信號設備以及屏蔽門、防淹門等都與行車安全性相關，應該納入線路資源管理進行統一調配。

城軌交通的線路資源管理類似于物聯網技術，在基于車車通信的列車控制系統的統一管理下，以列車為主體，自主實現線路資源的申請和釋放。列車能自主運行的核心在于車車通信技術帶來的列車間的自主溝通與協調，在復雜多變的線路環境中，每列車都具有高度自主性，根據自身運行狀態和周邊動態環境自主進行資源的申請與釋放，實現線路資源的有序分配，保證線路運行穩定、有序。

在新型列控系統中，資源分配對于提升系統性能具有重要意義，在保證安全的前提下，盡量兼顧列車行車效率和線路資源利用率。

獨占性原則：多列車同時申請一個資源時，同一時刻只允許一列車得到資源，其他列車均申請失敗，保障行車安全。

效率優先原則：資源分配時要保證列車運行效率和線路資源利用率，效率高的列車申請資源應優先得到滿足。

關鍵資源占用先行原則：線路上占用關鍵資源的列車優先滿足，使關鍵資源能盡快空閑，以滿足更多列車的運行需要。

調度優先原則：調度的優先級高于資源自動分配，保證調度命令能及時得到執行。

長進路保障原則：長進路列車由于需要占用的資源較多，難以一次性得到滿足，在資源分配時應根據長進路列車申請資源的次數，適當提高其優先級，提高其資源申請成功率。

流程簡化原則：應盡量簡化資源分配流程，縮短系統反應時間，使得列車的資源申請快速得到滿足，提升效率。

2.2 線路資源管理設備功能需求

基于車車通信的列控系統雖然在資源管理與分配上與傳統列控系統區別較大，但兩者的核心功能卻基本一致，只是在管理模式上存在較大差異[3]。因此，新型列控資源管理方法必須保證核心功能安全、穩定實現，在此基礎上提出設計需求。

線路資源動態存儲與維護：線路資源根據線路或設備類型不同分類存儲在數據庫中，統一管理，可實時采集并更新線路資源狀態，應具備日常維護功能，維護記錄以日志形式保存，便于維護管理。

自主進行資源分配與釋放：可結合線路特點、設備類型、車輛狀態等實時信息進行統籌考慮，在保證安全的前提下，尋找均衡線路資源利用率和線路運行能力的方法。

線路資源使用流程設計：由于線路資源使用方式的改變，列車可自行申請資源占用，為了線路資源使用的安全和高效，必須針對不同資源，設計一套完整的資源使用流程，包括線路資源的查詢、申請、占用和釋放等。

接口信息管理：以列車為主體進行智能化的線路資源管理的前提是足夠完整的數據支持。車載設備、線路資源管理設備、軌旁執行設備之間都具備接口通信功能，將線路資源管理設備和軌旁執行設備的實時數據通過通信接口傳輸至車載設備，車載設備根據列車運行需求以及線路狀態進行資源申請與釋放。

2.3 線路資源管理

線路資源管理由車載和地面資源管理設備共同完成，其中列車是資源使用者，地面資源管理設備是資源的管理者和分配者。線路資源作為資源管理分配的主體，存在空閑、占用、故障三種狀態，且可以相互轉換[4]。

線路資源的使用經歷了查詢、申請、占用、釋放四個流程，查詢功能的觸發條件包括時間觸發、位置觸發和事件觸發。滿足其中任一條件時，列車即會向地面資源管理平臺申請資源狀態查詢。查詢到目標資源空閑時，立即發起申請，如果僅有一列車申請該資源且該資源正常工作，則該列車申請成功并占用資源。如果同時多列車申請該資源，則地面資源管理平臺根據內置邏輯判斷出優先級最高的列車并分配資源。列車實現資源占用后，此部分資源即為占用狀態，其他列車不可申請；列車占用結束并出清該資源后，列車確認釋放資源，該資源重置為空閑狀態，可接受其他列車的占用申請。

線路資源管理需要遵循獨占性原則，但當不同列車對相同資源的使用方式不同時，也可申請共享資源，例如前車出站并越過站前道岔，此時并未釋放道岔資源，為保證后車能及時進站，后車可申請站前道岔作為保護區段，及時進站，此時站前道岔由前、后車共同使用，在保證安全的前提下，提高了效率。多數情況下，資源的管理還是必須遵循獨占性原則，例如前車側線進站占用整個站前道岔，資源申請成功后，在前車釋放前方道岔前，后車都無法再申請道岔資源。為了保證線路通行效率，當前車運行并出清一個道岔后，雖未完全出清整條進路，已經出清的道岔也應及時釋放，后車即可申請道岔資源正線進站。

資源獨占、共享場景如圖1所示。

圖1 資源獨占、共享場景

3 車車通信無線資源管理

3.1 無線資源分配

D2D通信技術旨在使一定距離范圍內的用戶直接通信，以降低服務基站的負荷，D2D既可以在基站控制下進行連接及資源分配，也可以在無網絡基礎設施的時候進行信息交互，每個用戶節點都能發送和接收信號，且具有自動路由（轉發消息）的功能。網絡的參與者共享擁有的一部分硬件資源，能夠被其他用戶直接訪問而不需要經過中間實體。在D2D通信網絡中，用戶節點同時扮演服務器和客戶端的角色，用戶能夠意識到彼此的存在，自組織地構成一個虛擬或實際的群體。

3.1.1 功率分配

D2D通信雖然可以縮短用戶信息交互時延、提升速率，但由于新增了用戶之間的傳輸通道，無線環境變得更加復雜，不僅存在普通蜂窩用戶間的干擾，還存在D2D用戶間的干擾。通過給不同用戶分配不同大小功率，降低干擾是保證通信質量的有效手段，但目前針對功率分配的研究多是犧牲部分用戶為代價提升小區整體指標，未考慮用戶特征。列車的業務種類較多，且作為普通蜂窩用戶和D2D用戶時，所承載的業務對于QoS的需求各不相同。因此在功率分配時，不僅要考慮用戶特征也要考慮不同業務類型的QoS需求，從而實現更好的用戶體驗。

3.1.2 頻譜分配

無線通信的頻譜分配功能關系到用戶業務需求能否得到滿足，是極其重要的功能。目前關于頻譜分配方案的研究多數都是基于固定場景，而城市軌道交通列車高速移動，通信場景切換頻繁，無線環境變化快，因此在頻譜分配時要結合此特點，以提升用戶級業務QoS指標為目標。

3.1.3 通信模式選擇

依據通信用戶間使用資源的關系，可分為正交模式、復用模式和基站中繼模式。正交模式指不同用戶在通信過程中使用的資源在頻域上正交，相互沒有干擾，但沒有充分利用D2D技術的優勢。復用模式指D2D用戶復用其他普通用戶使用的資源，用戶間必然產生干擾，難以保障QoS質量，但復用模式能大幅提高頻譜利用率。基站中繼模式頻譜利用率較低，適用于信號質量差、無法建立直接通信的場景。

正交模式實現較易，但頻譜利用率低，無法滿足日益增長的通信需求，由于無線頻譜的稀缺性，應重點關注復用模式。但在實際使用過程中，為了提升網絡性能，不應局限使用一種傳輸模式，應該根據實際情況選擇最適宜、收益最大的傳輸模式。

3.2 基于軟頻率復用的資源調度

我國4G網絡采用的LTE同頻組網在提升頻譜效率的同時，也帶來了嚴重的小區間干擾，尤其是在多小區重疊覆蓋且電平相當的區域。在商用網絡中，小區間的干擾協調（ICIC）就是一種重要的干擾處理技術。常見的ICIC分為軟頻率復用和部分頻率復用，部分頻率復用將小區頻帶分為4個相互正交子帶，小區中心使用1個子帶，小區邊緣用戶均使用其他子帶，在重疊覆蓋區域的不同小區用戶使用的頻帶資源相互正交，有效降低干擾，但這樣小區內用戶只能使用部分帶寬，極大影響用戶吞吐率和小區容量。軟頻率復用將小區的頻率資源分為主、輔，分別用于小區中心和邊緣，相鄰小區的載波間相互正交，干擾大幅度減小，用戶可使用全部系統資源，頻譜利用率較部分頻率復用大幅增加，所以城軌交通采用軟頻率復用進行資源調度。

基于車車通信的列控系統通信多數情況下是在運行過程中進行，列車速度快，小區切換頻繁，常規的基于軟頻率復用的靜態資源調度方案會導致小區容量損失，無法滿足列車通信需要。根據城軌交通列車用戶少的特點，相較于公網更關注小區吞吐量，城軌交通更應關注提升列車最小吞吐量，根據列車的實時無線信道質量，合理分配載波及發射功率，保證小區內所有列車用戶均能獲得滿足自身數據傳輸需求的無線資源，提升整個列控系統性能。

4 結語

資源管理與分配功能是基于車車通信的列車控制系統的核心功能之一，對于保證行車安全、提升運營效率具有重要作用。本文分析了新型列控系統的線路資源的管理原則及功能需求、無線資源的分配和管理辦法，提出了線路及無線資源管理的基本方案，可為基于車車通信的列控系統設計及現場應用提供借鑒。