基于車車通信的信號系統智能控制方案研究

劉 凈

（福州職業技術學院 福建 福州 350108）

0 引言

隨著城市的快速發展，在交通日益擁堵的特大城市，城市軌道交通成為重要的交通運輸方式，在緩解交通壓力等方面起著重要作用。城市軌道交通信號系統是軌道交通控制系統的重要組成部分，其運行效率直接對列車運輸效率產生影響，進而影響行車安全。隨著科學技術發展，城市軌道交通信號系統也在不斷完善和創新，車車通信技術的運用降低了通信時延，提升了效率，計算機信息技術的發展使軌道交通信號系統日趨智能化。

1 基于車車通信的列控系統

目前城市軌道交通信號系統是基于車地通信的列車控制（communication-based train control， CBTC）系統。隨著技術的不斷發展，車車通信開始應用到列控系統中。車車通信技術可以實現運行列車間直接通信，不再通過軌旁轉發，這樣可以有效減少軌旁設備數量，減少通信節點，降低傳輸時延，是未來城市軌道交通信號系統的發展方向，該系統在保障安全運營的前提下，提升了列車通過能力［1］。

基于車車通信的CBTC 系統，取消傳統的計算機聯鎖系統（computer interlocking， CI），新增對象控制器對軌旁信號機、道岔等進行管控，車載控制器（vehicle on-board controller， VOBC）直接與新增的軌旁對象控制器通信完成信號設備的管控，還可與線路上的其他列車直接通信，獲取其他列車實時位置、速度等狀態信息，再結合自身運行狀態，完成移動授權的計算和速度曲線的繪制，保障列車的運行安全距離［2］?；谲囓囃ㄐ诺腃BTC 系統保留了VOBC 與列車自動監控（automatic train supervision，ATS）系統直接通信的功能，實現列車監控。因此，相比傳統的基于車地無線通信的CBTC 系統，基于車車通信的新型CBTC 系統具有以下優勢：

（1）系統取消了CI、區域控制器（zone controller， ZC）子系統，使得信號系統的接口量減少，系統復雜度降低；同時，由于減少了系統設備，相應的維護成本也隨之降低。

（2）系統具有基于車地通信CBTC 系統的所有功能，但數據傳輸的節點減少，網聯負荷大幅降低，所以實時信息處理效率得到提升，信號系統整體功能更加完善。

（3）系統減少了與軌旁通信的數據量和時延，車載控制器可以更快響應，列車運行間隔較傳統列車自動控制系統大幅降低。

（4）前后列車之間可以直接相互通信，后車能夠實時接收前車的信息，并根據自身移動速度計算速度距離曲線，控制列車在最優狀態下平穩運行［3］。

2 基于車車通信的信號系統智能控制分析

2.1 安全距離分析

在基于車車通信的信號系統中，列車收集周圍其他列車及環境信息，自主計算移動授權，為了保證行車安全，必須與前車保持一定的安全距離，此距離的計算應該考慮列車的運行速度、制動距離、對突發情況的反應速度等方面，必須經過全方位、多層次、多角度的分析和判斷，進行科學的計算，在保證安全的前提下，盡可能減小安全距離，以縮短列車運行間隔，提高運行效率［4］。

2.2 數據傳輸分析

傳統信號系統中，列車將自身運行數據通過軌旁傳遞給控制中心，由控制中心進行移動授權計算再發送給列車，單次傳遞數據較少，對速率要求不高。而基于車車通信的信號系統，列車自主計算移動授權，所需的數據量大幅增加，為了降低傳輸時延，對傳輸速率、傳輸質量的要求大大增加，在實際運營過程中，必須實時監控信號質量，加大控制力度，保證數據傳輸準確性，從而在確保安全的前提下保證列車平穩有序的運行［5］。

2.3 控制方式分析

城市軌道交通控制系統的控制對象運行環境復雜，具有非線性、時變性以及復雜的環境干擾等各種不確定性，難以建立起精確的控制模型，對于這種類型的控制系統，傳統的控制方案難以奏效，對于模糊的控制系統采用模糊的手段更能精確控制，通過不斷地分析、優化，了解系統特征、控制策略以及響應的控制指標，通過模糊控制的非線性手段，來實現基于車車通信的智能控制，提升其智能控制性能［6］。

3 基于車車通信的信號系統控制方案

3.1 基于車車通信的信號系統控制參量優化

為了提高城市軌道交通信號系統車車通信的抗干擾能力，提出智能化控制方案，通過建模仿真優化控制系統，以實現信息傳輸準確性與及時性的提升，確保列車能及時獲取自主運行所需數據［7］。使用Smith 結構設計基于車車通信的城市軌道交通信號系統通信控制結構模型，此模型包括信號輸入設備、DC/AC 逆變器、調制解調器、反饋電路等部分，如圖1 所示。

圖1 城市軌道交通信號控制輸入輸出結構模型

逆變器模型可描述為：

當列車發出的信號滿足高斯平穩時，Gms＝G0s，tm＝γ，由此得出系統的反饋模型函數：

結合二階控制矩陣模型，得到系統的參數模型：

為了提升系統信號的穩定性，將輸入信號與反饋信號進行延時耦合，得到其二階函數：

最終得到系統的開環控制方程：

對系統信號采用64QAM 調制的方式，提高傳輸速率與抗干擾能力，保證信號的平穩傳輸，由此得到系統的內環控制參數：

其中Kp1、K11、Kp2、K12為系統的控制參數，通過對這些參數進行不斷調整，融合控制，提高系統信號輸出的穩定性［8］。

3.2 基于模糊控制的算法改進

采用模糊控制的方法對上述系統進行改進設計，系統信號具有多徑傳播特性，且采用64QAM 調制，以此實現自適應控制，由此可得到輸出信號為：

當系統信號傳輸信道達到平穩狀態時，可得到s（t） 為：

根據以上設計，可得到模糊控制的迭代式：

其中，

當模糊控制系數滿足以下表達式時，

整個系統控制過程是線性穩定的，由此實現了基于車車通信的城市軌道交通信號系統控制算法的改進設計［9］。

4 仿真測試結果

采用VISUAL DSP＋＋搭建仿真系統，將控制算法加載到控制器中，設置系統信號采樣頻率為60 kHz，并進行線性匹配濾波器調制，然后將得到的信號輸入到仿真控制系統中，得到的仿真測試結果如圖2 所示。

圖2 仿真測試結果

可以看出，采用模糊控制方法對基于車車通信的城市軌道交通信號控制系統進行改進設計后，降低了系統時延，提升了包傳輸率，系統收斂性好，具有很好的傳輸效率與控制能力。

5 結語

隨著通信技術、信息技術的飛速發展，城市軌道交通列控系統也正在不斷革新，車車通信的引入簡化了設備、提升了效率，智能算法的使用引領城市軌道交通信號系統向著自動化、智能化方向發展，基于車車通信的列控系統智能控制應用于軌道交通的建設，不僅符合經濟發展的需求，更能帶來城市軌道交通的技術變革，為城市軌道交通智慧信號系統的發展奠定堅實的基礎。