鄭萬(wàn)昀

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 基于通信的列車控制系統(tǒng)是軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)

軌道交通是目前最具可持續(xù)發(fā)展的地面交通運(yùn)輸方式之一，具有運(yùn)輸效率高、排放低、能源利用率高、氣候影響小、安全性能好等特點(diǎn)。未來20年是我國(guó)軌道交通高速發(fā)展的時(shí)期，北京、上海、廣州等大城市及許多二、三線城市都有多條地鐵、輕軌相繼開工建設(shè)。為健康有序地發(fā)展我國(guó)的軌道交通，迫切需要具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軌道交通技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，其中列車控制系統(tǒng)作為保證列車安全運(yùn)行、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵技術(shù)，其國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程勢(shì)在必行。

基于通信的列車控制系統(tǒng)是目前技術(shù)領(lǐng)先的控制方式，通過列車和地面間的雙向通信可以在確保列車運(yùn)行安全的前提下，最大限度地縮短列車運(yùn)行間隔，提高線路通過能力。這就為當(dāng)今前沿的城軌交通信號(hào)技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)要求。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于通信的列車控制系統(tǒng)按照功能不同可劃分為4部分：列車自動(dòng)監(jiān)督子系統(tǒng)、區(qū)域控制中心子系統(tǒng)、車載設(shè)備子系統(tǒng)和車地雙向通信子系統(tǒng)。列車自動(dòng)監(jiān)督子系統(tǒng)位于中央，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車自動(dòng)監(jiān)督和調(diào)度管理。區(qū)域控制中心子系統(tǒng)位于軌旁，它來自車載設(shè)備的列車位置、速度、運(yùn)行方向等信息和軌旁設(shè)備（如道岔）的狀態(tài)信息，計(jì)算每一列車的移動(dòng)授權(quán)并發(fā)送給列車，實(shí)現(xiàn)列車在移動(dòng)閉塞方式下安全運(yùn)行。車載設(shè)備子系統(tǒng)給區(qū)域控制中心反饋列車的狀態(tài)信息，并根據(jù)接收到的移動(dòng)授權(quán)和自身的運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算出列車運(yùn)行的速度曲線，車載ATP保證列車在該速度曲線下安全運(yùn)行。車載ATO在ATP的防護(hù)下，實(shí)現(xiàn)列車的速度調(diào)整和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等功能。車地雙向通信子系統(tǒng)分為無線通信系統(tǒng)和有線通信系統(tǒng)。無線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)向區(qū)域控制中心和車載設(shè)備提供透明的連續(xù)雙向通信通道，有線通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)向中央和軌旁設(shè)備提供大容量、安全的數(shù)據(jù)通信通道。

車地雙向通信子系統(tǒng)主要由骨干網(wǎng)交換機(jī)、接入網(wǎng)交換機(jī)、無線接入點(diǎn)、車載無線通信單元、無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、有線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)構(gòu)成。其中，車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)成為車載無線通信單元和地面無線接入點(diǎn)之間的通信橋梁，無線通信采用無線局域網(wǎng)IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)，并在此標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，系統(tǒng)工作在2.4 GHz的開放頻段。

3 當(dāng)前技術(shù)缺陷分析

列車在高速行駛過程中，需要在不同的軌旁接入點(diǎn)之間進(jìn)行快速切換，即列車物理位置在不斷變化，其在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置也發(fā)生變化。列車與軌旁接入點(diǎn)間的每次切換都需要二者間重新建立通信，這會(huì)導(dǎo)致地面控制中心與車載單元的數(shù)據(jù)通路發(fā)生中斷，如果中斷時(shí)間超過系統(tǒng)允許范圍，將會(huì)嚴(yán)重影響行車安全。

目前，主流的切換技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)IETF（工程任務(wù)組）所制訂的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MIPv6。MIPv6協(xié)議給出了移動(dòng)檢測(cè)、轉(zhuǎn)交地址獲取、綁定更新管理等基本切換過程。但是，MIPv6協(xié)議雖然對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中漫游提供了移動(dòng)性支持，但移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在切換過程中的一些操作會(huì)造成切換時(shí)延，嚴(yán)重影響上層應(yīng)用的通信質(zhì)量。為了降低切換延時(shí)和減少通信中斷的時(shí)間，IETF提出了兩個(gè)MIPv6協(xié)議的擴(kuò)展技術(shù)：快速切換互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議FMIPv6和層次型移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議HMIPv6。下面，就MIPv6協(xié)議切換延遲的原理以及FMIPv6協(xié)議和HMIPv6協(xié)議對(duì)MIPv6協(xié)議的改進(jìn)情況作一介紹。

3.1 MIPv6協(xié)議切換延遲分析

對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)，切換可以分為兩個(gè)部分：二層切換和三層切換。在不同的MIPv6子網(wǎng)間進(jìn)行切換時(shí)，首先進(jìn)行的是二層L2切換，即鏈路層切換，然后才開始標(biāo)準(zhǔn)的MIPv6切換，即三層L3切換。標(biāo)準(zhǔn)MIPv6切換可以分為3個(gè)階段：1）移動(dòng)檢測(cè)；2）轉(zhuǎn)交地址配置；3）網(wǎng)絡(luò)層注冊(cè)。因此，造成切換時(shí)延的原因有4點(diǎn)，內(nèi)容如下。

①Layer2切換時(shí)延；②移動(dòng)檢測(cè)MD時(shí)延；

③重復(fù)地址檢測(cè)DAD時(shí)延；

④MIPv6注冊(cè)時(shí)延。

其中，L2切換時(shí)延DL2是不可避免的，時(shí)延約為53.3～420.8 ms，平均約為237 ms。在移動(dòng)IPv6中，L3的切換時(shí)延包括開始時(shí)的移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延、中間的重復(fù)地址檢測(cè)時(shí)延和最后移動(dòng)IPv6注冊(cè)時(shí)延。其中，移動(dòng)檢測(cè)時(shí)延與重復(fù)地址檢測(cè)時(shí)延合稱為IP連接時(shí)延DIPc。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到已經(jīng)離開先前接入網(wǎng)絡(luò)，并且收到接入網(wǎng)絡(luò)中路由器所發(fā)通告的過程稱為移動(dòng)檢測(cè)，而移動(dòng)檢測(cè)所造成的時(shí)延大小取決于路由通告發(fā)送的間隔DRA，在MIPv6的標(biāo)準(zhǔn)中建議為30～70 ms，平均為50 ms；重復(fù)地址檢測(cè)時(shí)延DDAD應(yīng)該是移動(dòng)IPv6切換中份量最重的，IPv6基于多次發(fā)送鄰居請(qǐng)求來檢測(cè)此網(wǎng)絡(luò)是否有地址相同的節(jié)點(diǎn)，然而為了避免沖突，根據(jù)IPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，必須先要隨機(jī)地延遲一段時(shí)間DNS1（0～1 000 ms，平均為500 ms）再發(fā)送鄰居請(qǐng)求，然后重復(fù)發(fā)送鄰居請(qǐng)求，預(yù)設(shè)發(fā)送1次，最多重發(fā)3次，每次間隔DNSr為1 000 ms。所以在還未開始移動(dòng)IPv6注冊(cè)前最少要延遲DIPc，平均為1 787 ms，對(duì)家鄉(xiāng)代理時(shí)延DBUHA與通信對(duì)端時(shí)延DBUCN的注冊(cè)合稱為MIPv6注冊(cè)時(shí)延DBU，而與通信對(duì)端進(jìn)行注冊(cè)時(shí)，若是路由優(yōu)化模式，還需要加入返回路由可達(dá)所造成的時(shí)延DRR，上述MIPv6的切換時(shí)延為DHO。

3.2 FMIPv6概述

鑒于MIPv6在切換時(shí)有較長(zhǎng)的延遲時(shí)間，IETF工作組提出FMIPv6是對(duì)MIPv6協(xié)議的改進(jìn)，可以加快IPv6移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的切換過程，減少已有通信連接的中斷時(shí)間，保證通信流的實(shí)時(shí)傳輸。FMIPv6使用鏈路層機(jī)制檢測(cè)到新的接入路由器，將部分MD與DAD的操作提前到L2切換之前完成，并通過預(yù)先注冊(cè)來降低切換時(shí)延，實(shí)現(xiàn)快速切換。

3.3 HMIPv6概述

上面介紹的FMIPv6沒有對(duì)MIPv6的移動(dòng)進(jìn)行分類處理，忽略了MIPv6的層次性。對(duì)此，IETF工作組又提出HMIPv6管理模型，引入了一個(gè)新的實(shí)體，稱為移動(dòng)錨接點(diǎn)，從微觀移動(dòng)性方面來解決這些問題，其核心是層次移動(dòng)性管理，減少冗余信息，并將家鄉(xiāng)代理的移動(dòng)性管理能力下放一部分到區(qū)域代理中。這就是分層的MIPv6，即HMIPv6。分層MIPv6可以通過使用本地層次結(jié)構(gòu)，允許在不同的接入網(wǎng)之間和內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，減少與外部網(wǎng)絡(luò)的注冊(cè)時(shí)間，減少切換中斷的時(shí)間。

3.4 其他技術(shù)

HMIPv6網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法提高宏觀移動(dòng)下的切換性能，移動(dòng)錨點(diǎn)是全網(wǎng)的瓶頸。FMIPv6對(duì)切換性能（如切換延遲、丟包率等）的改進(jìn)比較明顯，但它的信令交互過程復(fù)雜，對(duì)沿途的各個(gè)路由器都有額外的要求，且它的實(shí)現(xiàn)依賴于鏈路層觸發(fā)信息的及時(shí)獲得，因此它不是最優(yōu)的選擇。所以又出現(xiàn)了一些改進(jìn)方案。比較著名的有HMIPv6與FMIPv6的融合、進(jìn)一步改善HMlPv6切換性能的HiMIPv6+的微移動(dòng)管理方案等。

開放實(shí)驗(yàn)室是高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)展和改革的大趨勢(shì)，其目的是提高實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的使用率和發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室資源[13]。自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新中心的實(shí)驗(yàn)室開放性體現(xiàn)在各類實(shí)驗(yàn)室資源面向自動(dòng)化學(xué)院教師和各專業(yè)學(xué)生的開放性。2014年以來自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新中心實(shí)行開放實(shí)驗(yàn)室管理，并建立實(shí)驗(yàn)室開放管理登記制度。利用課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新型性實(shí)驗(yàn)等形式實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開放；另外學(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況，可以自由地選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所設(shè)備、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)時(shí)間，獨(dú)立制定實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法、知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行分析研判[14-15]。網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)如圖1所示。

但是，MIPv6以及在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)方案，都只是在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議上的范疇，無法縮短L2切換的延遲時(shí)間。因此并不能實(shí)現(xiàn)真正意義的無縫切換。

4 無縫漫游的模型設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的無縫切換，僅僅通過改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議無法達(dá)到要求。必須找到一種方法，徹底解決L2切換和L3切換的時(shí)延。雖然現(xiàn)有技術(shù)具有局限性，不能滿足列車在快速移動(dòng)下的無縫漫游，但是可以通過在利用現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重新建模，最終達(dá)到無縫漫游的要求。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)行的列車具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度、運(yùn)動(dòng)軌跡明確、運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定且容易獲得、運(yùn)動(dòng)方向和途徑的無線接入點(diǎn)（AP）順序確定等特點(diǎn)，充分利用這些特點(diǎn)，用備份的硬件設(shè)備提前做預(yù)測(cè)切換，就可以從根本上解決切換延遲的問題。

為了實(shí)現(xiàn)列車的無縫漫游，可以利用列車的長(zhǎng)度，在列車頭部和尾部各放置兩套車載無線接收設(shè)備，通過光纜把兩路信號(hào)接入到網(wǎng)絡(luò)接口模塊的以太網(wǎng)接口模塊，利用雙鏈路將列車在不同子網(wǎng)間的切換轉(zhuǎn)變?yōu)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部接口的切換，把新鏈路的網(wǎng)絡(luò)連接延遲時(shí)間壓縮為0，最終達(dá)到無縫漫游的要求。

模型利用以下圖示說明，AP1、AP2、AP3分別表示依次相鄰的3個(gè)軌旁接入點(diǎn)，3個(gè)AP使用的頻率不同，分別是f1、f2、f3，為了加以區(qū)分，用不同的顏色表示3個(gè)AP以及它們分別覆蓋的范圍。為了防止因其中1個(gè)AP（如AP2）損壞，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，在布設(shè)AP的時(shí)候，AP1和AP3的覆蓋范圍有交疊，這在后面的系統(tǒng)可靠性中會(huì)有更加詳細(xì)的描述，這里不再贅述。

具體的切換過程如下。

1）列車行進(jìn)過程中，首先頭部車載單元與AP1建立連接，稱之為鏈路1；列車?yán)^續(xù)前進(jìn)，尾部車載單元檢測(cè)到足夠強(qiáng)的AP1信號(hào)，也與AP1建立連接，稱之為鏈路2，但此鏈路暫時(shí)不啟用，實(shí)際使用的是鏈路1，如圖1所示。

2）當(dāng)列車?yán)^續(xù)前行，頭部檢測(cè)到AP2的信號(hào)時(shí)，即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)后，當(dāng)鏈路1的信號(hào)強(qiáng)度小于斷開門限閾值，則斷開鏈路1。啟用鏈路2進(jìn)行通信（此時(shí)的尾部比頭部更加靠近AP1，因此鏈路2較鏈路1更加穩(wěn)定）；斷開鏈路1后，頭部開始與AP2進(jìn)行連接，按照標(biāo)準(zhǔn)MlPv6協(xié)議，進(jìn)行移動(dòng)檢測(cè)、轉(zhuǎn)交地址配置、綁定更新等一系列流程，建立鏈路3。此時(shí)，系統(tǒng)使用鏈路2進(jìn)行通信，如圖2所示。

3）列車?yán)^續(xù)前行，AP2的信號(hào)達(dá)到頭部的連接門限值，鏈路3已穩(wěn)定連接后，啟用鏈路3進(jìn)行通信，斷開鏈路2，如圖3所示。

4）列車?yán)^續(xù)前行，當(dāng)尾部進(jìn)入AP2占主導(dǎo)的信號(hào)范圍時(shí)，即AP2的信號(hào)達(dá)到尾部的連接門限值時(shí)，尾部也與AP2進(jìn)行連接，此處稱為鏈路4。但是，此時(shí)仍使用鏈路3進(jìn)行通信，如圖4所示。

5）列車?yán)^續(xù)前行，頭部檢測(cè)到AP3的信號(hào)時(shí)，即再次進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)后，此時(shí)，啟用鏈路4進(jìn)行通信；斷開鏈路3，頭部開始與AP3進(jìn)行連接，建立鏈路5。此時(shí)，系統(tǒng)使用鏈路4進(jìn)行通信，如圖5所示。

如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)無縫漫游的過程。

5 模型的漫游延時(shí)

列車在行駛過程中的漫游延時(shí)是指，列車在不同的軌旁接入點(diǎn)間切換，導(dǎo)致地面與列車通信中斷的時(shí)間。由于此系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通，線路設(shè)計(jì)的最高速度為150 km/h，兩個(gè)軌旁接入點(diǎn)在最不利情況下的布設(shè)距離最近為200 m。這會(huì)導(dǎo)致高速行駛的列車不停的在不同的軌旁接入點(diǎn)間進(jìn)行切換，這是計(jì)算列車漫游時(shí)延的最不利情況。

由于軌旁接入點(diǎn)在沿線布設(shè)為不同頻率信號(hào)交叉覆蓋的形式，因此列車在本軌旁接入點(diǎn)處就可以收到下一軌旁接入點(diǎn)的信號(hào)，與下一軌旁接入點(diǎn)進(jìn)行連接。此外，每列列車車頭和車尾均需要與同一個(gè)軌旁接入點(diǎn)進(jìn)行連接，只是連接的時(shí)機(jī)不同。為了滿足列車的一端與軌旁接入點(diǎn)進(jìn)行連接時(shí)，車地間仍能可靠通信，必須保證列車的另一端數(shù)據(jù)通道穩(wěn)定，即列車的兩端與軌旁接入點(diǎn)的連接時(shí)間不能有交集。也就是車頭與車尾和同一個(gè)軌旁接入點(diǎn)連接時(shí)走行距離的總和必須大于兩個(gè)軌旁接入點(diǎn)間的最短距離。

列車在速度150 km/h的情況下，每秒鐘的運(yùn)行距離為小于42 m，與軌旁接入點(diǎn)建立穩(wěn)定通信的時(shí)延為小于2 s，即列車的一端最多需要84 m的距離建立與軌旁接入點(diǎn)的通信。車頭與車尾需要與同一軌旁接入點(diǎn)建立通信的走行距離總和最大為168 m，顯然小于兩個(gè)軌旁接入點(diǎn)間的最小距離200 m。證明過程如下所示。

SAP=200 m

2×S連接=2×（Vmax×Tmax）

=2×（150 km/h×2 s）=168 m

SAP＞2×S連接

這種通信的連接為預(yù)連接，由于此時(shí)列車與地面建立通信的通道數(shù)目為兩個(gè)，實(shí)際的數(shù)據(jù)流并不是發(fā)生在預(yù)連接的通道，而是之前已經(jīng)建立連接并穩(wěn)定傳輸?shù)耐ㄐ?。因此預(yù)連接的時(shí)延實(shí)際并不影響列車的漫游延時(shí)。

在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的軟件程序中，一旦判斷進(jìn)行通道的切換時(shí)機(jī)成熟，即在本周期選用另一緩存數(shù)據(jù)，即完成了列車在不同軌旁接入點(diǎn)間的切換。網(wǎng)絡(luò)接口模塊的單周期指令執(zhí)行時(shí)間為15 ns，因此，列車在不同軌旁接入點(diǎn)間進(jìn)行切換導(dǎo)致的地面與列車通信的中斷時(shí)間幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)列車控制上真正意義的無縫切換，可以通過低廉的硬件冗余來?yè)Q取高質(zhì)量的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使切換的延遲時(shí)間盡可能的降低，在此模型中，切換的延遲時(shí)間幾乎為0（指令執(zhí)行切換為納秒級(jí)，可以忽略不計(jì)），做到了真正意義上的無縫漫游。這是一種新的嘗試，具有很高的實(shí)用價(jià)值。但是，由于硬件的增加，在網(wǎng)絡(luò)接口模塊的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上增加了難度，同時(shí)也增加了硬件設(shè)備的預(yù)算。