袁志明，遲 騁，郭 戩

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院 運輸及經(jīng)濟研究所，北京 100081）

隨著鐵路信息化建設(shè)的不斷發(fā)展和完善，智能化的調(diào)度指揮系統(tǒng)已逐步成為我國鐵路行車指揮中不可或缺的重要部分。列車調(diào)度指揮系統(tǒng)（TDCS）和分散自律調(diào)度集中（CTC）系統(tǒng)提高了行車指揮的效率和安全性，成為調(diào)度人員制定調(diào)度決策，指揮列車運行的必要工具。

調(diào)度指揮人員從調(diào)度指揮系統(tǒng)中獲取列車的時空位置，結(jié)合其他信息制定列車的運行決策，或?qū)α熊嚨倪\行狀態(tài)進行適當(dāng)調(diào)整。因而車次號的正確性是制定調(diào)度指揮決策的基礎(chǔ)之一，也是CTC系統(tǒng)自動化功能正常運行的基本條件。但在實際運營中，由于采集設(shè)備的擾動、通信信道的干擾或線路上輕車跳動等原因，導(dǎo)致車次信息的丟失或車次顯示錯誤，通常需要人為地頻繁介入才能保證調(diào)度系統(tǒng)中車次信息的完全正確性。

文獻[1]、[2]中對于車次追蹤算法的研究，在車站元素的狀態(tài)與列車的狀態(tài)可以建立完備對應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，以進路和線形連接元素模式為主導(dǎo)，站內(nèi)追蹤過程與車站的進路完全綁定，站間追蹤綁定區(qū)段對象，這限制了算法實現(xiàn)的靈活性。由于車站拓撲形式、進路形式以及站間連接關(guān)系的多樣性，很難將所有的模式進行詳細的歸類劃分，而車站與車站間的聯(lián)系也并不一定以區(qū)間的方式連接，諸如有些大的編組站存在多個場間通過道岔實現(xiàn)過渡連接，這些均會增加系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜性。

本文在車次追蹤問題分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限自動機理論，以提高追蹤車次的正確性為優(yōu)化目標，提出了一種以車站對象為主導(dǎo)并具有容錯性質(zhì)的車次追蹤模型，并對算法進行了實際應(yīng)用。

1 車次追蹤問題的分析

在固定閉塞模式下，調(diào)度系統(tǒng)通過車站元素的占用情況來推算列車的實際位置，同時結(jié)合計劃信息、人工輸入、無線車次號系統(tǒng)等輔助信息來獲取初始列車車次信息以及糾正錯誤的車次信息。

由于調(diào)度指揮系統(tǒng)沒有同線路上的列車建立直接的聯(lián)系，其獲取的所有列車的位置信息均是建立在間接的推算上，即主要通過車站元素（道岔，區(qū)段，股道等）的狀態(tài)信息來推算列車的實際位置，即車站元素與列車位置存在的相互對應(yīng)性，在理想情況下，這種對應(yīng)性可以視為完備的。而在實際的非理想環(huán)境中，調(diào)度系統(tǒng)獲取到的車站元素狀態(tài)信息并不能與列車的位置建立起完全的對應(yīng)關(guān)系，如列車占用某車站股道，該股道應(yīng)為占用狀態(tài)，但也有可能由于輕車跳動等原因，導(dǎo)致股道狀態(tài)顯示為空閑。而某股道為占用狀態(tài)，也并不能以此確定該股道上有列車停留，也有可能是由于計軸故障或是發(fā)生了其他問題，導(dǎo)致了該股道繼電器導(dǎo)向了安全側(cè)。另外由于傳輸系統(tǒng)的原因，也可能導(dǎo)致調(diào)度系統(tǒng)獲取的車站元素狀態(tài)信息并不完備，從而也干擾到了其輸出的車次追蹤結(jié)果的正確性。

目前為改善調(diào)度系統(tǒng)車次追蹤信息的準確性，許多線路上均設(shè)立了無線車次號信息裝置，其基本原理都是將機車監(jiān)控裝置中的車次號、機車號、公里標等信息通過專用安全接口在規(guī)定的地點和規(guī)定的時間發(fā)送到調(diào)度集中系統(tǒng)[2]，調(diào)度集中系統(tǒng)結(jié)合無線車次信息對車次追蹤的結(jié)果進行修正。但由于無線車次號系統(tǒng)的信息與固定位置有關(guān)，不能實現(xiàn)在全線路上信息的連續(xù)性，只是在有限的部分點提供信息，這也只能在一定程度上修正車次追蹤的結(jié)果。

由以上分析可知，在未能獲取詳盡的列車位置信息的情況下，只依據(jù)車站元素的狀態(tài)進行間接運算，即便有其他輔助手段，車次追蹤系統(tǒng)輸出的車次結(jié)果也不可能完全正確。但根據(jù)列車運行本身的特性，建立特定有效的算法模型，可以提高車次追蹤的正確性，進而降低因修正車次問題導(dǎo)致的人員參與性，降低相關(guān)人員的工作強度，提高整個調(diào)度系統(tǒng)的可靠性。

2 有限自動機

有限自動機是計算機軟、硬件研究的重要基礎(chǔ)理論。在軟件設(shè)計中為設(shè)計者提供一種有效的解決問題的思想和方法，具有任意有限數(shù)量的內(nèi)部格局或狀態(tài)，用來記憶過去輸入的有關(guān)信息，根據(jù)當(dāng)前的輸入可以確定下一步的狀態(tài)和行為，從狀態(tài)移動到狀態(tài)。一個有限自動機等價于一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。這樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可以應(yīng)用于有限自動機有關(guān)定理和算法的等價變換、約簡，然后用程序?qū)崿F(xiàn)。

一個有限自動機包括：

（1）一個有限的狀態(tài)集合，通常記作Q；

（2）一個有限的輸入符號集合，通常記作∑；

（3）一個轉(zhuǎn)移函數(shù)，以一個狀態(tài)和一個輸入符號作為變量，返回一個狀態(tài)。通常記作δ；

（4）一個初始狀態(tài)q0，是Q中狀態(tài)之一；

（5）一個終結(jié)狀態(tài)或接受狀態(tài)的集合F，集合F是Q的子集；

通常用“五元組”來記錄以上有限自動機：

A = (Q, ∑ ,δ, q0, F)

3 固定閉塞下的追蹤模型

3.1 理想情況下的追蹤模型

在固定閉塞制式下，列車的運行具有其獨特的時空屬性，即列車在某一時刻完全擁有某一閉塞區(qū)間或進路的占有權(quán)，這種占有權(quán)具有完全的排他性質(zhì)。列車的運行具有時間和空間上的連續(xù)性，即時間上列車每一時刻均有其固定的位置；空間上，列車在線路上的位移是連續(xù)的，從一個車站元素移動到下一個車站元素，不會有在元素之間出現(xiàn)跳躍的現(xiàn)象。車次追蹤的過程即是動態(tài)實時的標識每一列車的所在位置的過程。

基于列車空間上運行的連續(xù)性和位置占有權(quán)的排他性，可以認為列車依次經(jīng)過其路徑上的每一元素，故可以將車次與元素間建立對應(yīng)關(guān)系，即元素依次顯現(xiàn)的占用狀態(tài)體現(xiàn)了列車的行進路徑，這樣就可以忽略掉其與車站內(nèi)進路的依賴關(guān)系，僅通過計算車站元素狀態(tài)即可實現(xiàn)列車車次的追蹤。

定義下列標識：

G：線路元素的集合（股道，區(qū)間，道岔等）；

定義元素連接函數(shù)：

定義G的子集E(p) ：

表示所有與元素p相鄰接的車站元素。

定義元素的信號狀態(tài)函數(shù)：

由（1）、（2）、（3）可得出列車位置轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

3.2 基于有限自動機的容錯模型

由以上分析可知，列車的位置依賴于車站相鄰元素間的信號狀態(tài)和列車狀態(tài)，但在實際環(huán)境中，車站元素的狀態(tài)并不能完全體現(xiàn)列車的位置。由于各種外界干擾，信號設(shè)備本身的故障，以及傳輸設(shè)備可能出現(xiàn)的信息抖動或丟失，使得列車位置和元素狀態(tài)間依賴關(guān)系并不牢固。

對于實際運營中的車次追蹤系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)的問題，將故障劃分為兩大類：一類是因為實際的信號狀態(tài)與列車狀態(tài)的不匹配，如元素處于占用狀態(tài)，但實際上該位置并無列車；一類為調(diào)度系統(tǒng)接收到的信號狀態(tài)由于傳輸設(shè)備等的原因，出現(xiàn)數(shù)據(jù)包的抖動或丟失。針對以上兩類問題可以用在理想模型上建立基于有限自動機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型，以及引入元素抖動抑制算法解決。

3.2.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型

建立有限自動機模型，A = (Q, ∑,δ,q0,F)，其中：

Q：車站所有元素的集合；

∑：列車經(jīng)過路徑上的元素集合；

δ：列車位置轉(zhuǎn)移函數(shù)，見公式（4）；

q0：車站元素的初始狀態(tài)；

F ：列車在元素上的狀態(tài)集合；

由于實際環(huán)境中，車站元素和列車實際占用狀態(tài)存在多種組合，而列車的行進依賴于列車的位置轉(zhuǎn)移函數(shù)，現(xiàn)以列車路徑上相鄰的兩元素A、B為例，列車行進方向為從A至B，實現(xiàn)的列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖1所示。

圖1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

3.2.2 元素抖動抑制算法

在實際應(yīng)用中，調(diào)度集中系統(tǒng)接收到元素狀態(tài)信息經(jīng)常會出現(xiàn)抖動，即元素的狀態(tài)在很短的時間內(nèi)不斷變化。這種變化若不被及時處理，則會導(dǎo)致車次追蹤系統(tǒng)內(nèi)列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移表出現(xiàn)絮亂，無法給出列車追蹤的正確結(jié)果。為提高系統(tǒng)的容錯性能，必須過濾掉此類干擾。

由于列車行進的連續(xù)性和速度的限制性使得列車不可能在很短的時間內(nèi)從一個元素快速地行進到下一個元素。而列車占用位置的排他性，也不允許被占用的車站元素剛剛出清，就在很短的時間內(nèi)被占用，故在模型內(nèi)引入元素抖動抑制算法來對信號的抖動現(xiàn)象進行處理，對信號的抖動狀態(tài)進行濾波處理，使處理后的信號狀態(tài)更貼近于理想中的信號狀態(tài)。抖動抑制算法的實現(xiàn)流程如圖2所示。

3.2.3 容錯模型

最終的車次追蹤容錯模型如圖3所示。

圖3 追蹤模型

模型的輸入信息為車站的元素狀態(tài)，計劃信息和無線車次號信息。元素的狀態(tài)信息和已建立的元素間的鄰接關(guān)系是推算列車位置的基礎(chǔ)，在對元素的狀態(tài)進行抖動濾波后，結(jié)合系統(tǒng)上一次的運算結(jié)果，查詢列車的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，對列車的狀態(tài)進行預(yù)測運算，運算結(jié)果結(jié)合計劃和無線車次號信息進行校正，校正后的結(jié)果作為下一次預(yù)測的基礎(chǔ)和最終的結(jié)果輸出。

4 結(jié)束語

本文在對車次追蹤問題分析的基礎(chǔ)上，基于有限自動機模型理論，提出了元素抖動抑制算法，建立了具有容錯性質(zhì)的車次追蹤模型，該模型具有高可靠性，高靈活性，并能有效提高車次追蹤系統(tǒng)的可靠性，對改善調(diào)度集中系統(tǒng)的車次號正確性具有重要意義。

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