趙　曄

(廣州地下鐵道總公司　廣州　510030)

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基于自律分散的城市軌道交通信號研究

趙曄

(廣州地下鐵道總公司廣州510030)

為滿足對軌道交通信號系統(tǒng)高效率、高安全性的發(fā)展需求，引入自律分散的技術(shù)，介紹自律分散系統(tǒng)的構(gòu)成、特點(diǎn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作機(jī)制。以現(xiàn)行移動閉塞條件下列車控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出基于自律分散的城市軌道交通信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)單元格的設(shè)計以及行車安全子系統(tǒng)的設(shè)計，為城市軌道交通信號系統(tǒng)的設(shè)計提供一種新的思路和方法。

城市軌道交通；自律分散；數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)單元格；行車安全子系統(tǒng)

在軌道交通系統(tǒng)中，信號系統(tǒng)作為行車管理的重要組成部分，其工作效率的高低直接影響軌道交通的運(yùn)營安全和生產(chǎn)效率。如何在保證列車運(yùn)行安全的條件下縮短發(fā)車間隔，是城市軌道交通信號系統(tǒng)的重要任務(wù)。從最初的固定閉塞發(fā)展到現(xiàn)代的列車自動控制系統(tǒng)及無線通信網(wǎng)絡(luò)，信號系統(tǒng)的自動化與智能化水平逐漸提高。采用先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道交通信號系統(tǒng)的自動化、智能化，使其具有高安全性、在線擴(kuò)展、在線維修的特性，成為信號系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

1　自律分散系統(tǒng)

自律分散系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的中央集中控制或者是集中分布式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)設(shè)計及架設(shè)時賦予終端的自律機(jī)以自主決策的權(quán)利；為了使系統(tǒng)整體運(yùn)轉(zhuǎn)正常，需要設(shè)置自律機(jī)間的協(xié)調(diào)控制機(jī)制。同時，為了實(shí)現(xiàn)自律分散系統(tǒng)的功能要求，設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)域(data field ，DF)機(jī)制也十分重要。

1.1自律分散系統(tǒng)的構(gòu)成及特點(diǎn)

自律分散系統(tǒng)(autonomous decentralized systems，ADS)的基本構(gòu)成為節(jié)點(diǎn)(atoms)和數(shù)據(jù)域：節(jié)點(diǎn)可對應(yīng)的物理實(shí)體為計算機(jī)、智能設(shè)備或其他硬件，數(shù)據(jù)域是信息傳播的空間。由于自律分散系統(tǒng)的特點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)能夠具有一定的自主決定權(quán)利，并且具有相互間能夠協(xié)調(diào)一致的自律機(jī)。在數(shù)據(jù)域中，主要是維護(hù)ADS正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般包括支持環(huán)境數(shù)據(jù)(environment data，ED)和協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)(coordination data，CD)。在每個節(jié)點(diǎn)自律機(jī)中都有自律控制處理器(autonomous control processor，ACP)，通過ACP每個節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)環(huán)境中過濾選擇與其相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，支持其完成自身的自律決策和自主可協(xié)調(diào)的目標(biāo)。自律分散系統(tǒng)具有兩大特性：自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性。

1.2自律分散系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)自律分散系統(tǒng)的自律可控性及自律可協(xié)調(diào)性，一般的自律分散系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：傳感單元是決策單元從數(shù)據(jù)環(huán)境收集數(shù)據(jù)的通道，它通過傳感設(shè)備收集環(huán)境信息和其他自律機(jī)工作狀態(tài)的信息；決策單元從傳感單元獲取環(huán)境的信息，并根據(jù)內(nèi)部的工作機(jī)制及目標(biāo)，通過其自身的計算單元完成邏輯計算，并將滿足系統(tǒng)運(yùn)行約束的決策作為輸出傳給ADS中的執(zhí)行單元；執(zhí)行單元從決策單元接受并執(zhí)行決策策略，并對環(huán)境及其他自律機(jī)產(chǎn)生影響。

圖1　自律分散系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于這種模式，協(xié)作特性顯得尤為重要，數(shù)據(jù)域是這種協(xié)調(diào)工作機(jī)制的核心。由于地理原因，自律機(jī)都是分散在不同地區(qū)的，自律機(jī)間的協(xié)作就必須通過系統(tǒng)間通信的方式解決，為了協(xié)調(diào)一致，各個系統(tǒng)都需要有整個ADS的環(huán)境和其他自律機(jī)的狀態(tài)才能協(xié)調(diào)控制，所以DF一般設(shè)計為環(huán)境和自律機(jī)狀態(tài)及策略的集合。

2　基于自律分散的城市軌道交通信號

基于自律分散的城市軌道交通信號系統(tǒng)的主要設(shè)計，是基于現(xiàn)行移動閉塞條件下列車控制系統(tǒng)的組織形式及其之間的工作模式。

2.1自律分散系統(tǒng)的工作模式

移動閉塞的協(xié)調(diào)模塊通過列車間運(yùn)行狀態(tài)的顯示通知或廣播形式，通知相關(guān)列車，達(dá)到其自律可協(xié)調(diào)的目的。該模塊的控制策略對所有運(yùn)行列車是完全一致的，這也就可以在車載端通過嵌入式技術(shù)，將列車距離計算、安全狀態(tài)判斷等功能加入，并預(yù)留協(xié)調(diào)模塊接口，使列車根據(jù)其運(yùn)行狀況自動進(jìn)行決策(見圖2)。

圖2　ADS工作模式

2.2系統(tǒng)的子系統(tǒng)劃分及其相互關(guān)系

為了保證列車的正常運(yùn)行，可以將信號系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)。

1) 數(shù)據(jù)環(huán)境子系統(tǒng)：通過聯(lián)鎖計算機(jī)、軌道電路、線路信號設(shè)備采集行車相關(guān)數(shù)據(jù)，并且構(gòu)建數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)成數(shù)據(jù)共享。

2) 行車安全子系統(tǒng)：根據(jù)采集到的線路占用、線路自身?xiàng)l件等，決定其行駛策略。

在自律分散系統(tǒng)的組織方法中，數(shù)據(jù)環(huán)境子系統(tǒng)構(gòu)成其數(shù)據(jù)域，而行車安全子系統(tǒng)對應(yīng)由分散的節(jié)點(diǎn)自律機(jī)群所構(gòu)成的自律節(jié)點(diǎn)群。

2.2.1數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)行車的需求，主要采集到的數(shù)據(jù)為列車位置、軌道線路特征、列車運(yùn)行狀態(tài)及策略(見圖3)。多數(shù)信號系統(tǒng)采用的是車地通信系統(tǒng)、聯(lián)鎖計算機(jī)等采集設(shè)備，為后續(xù)構(gòu)建完備的工作數(shù)據(jù)域服務(wù)。由于采集數(shù)據(jù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)分布在線路上或線路旁邊車站，自律機(jī)也分散在線路兩側(cè)的分布式智能控制端，而自律機(jī)的工作是基于數(shù)據(jù)域內(nèi)的具體數(shù)據(jù)來進(jìn)行的，所以需要構(gòu)建能夠使每一個節(jié)點(diǎn)控制單元都完備的數(shù)據(jù)環(huán)境。具體方案為全局?jǐn)?shù)據(jù)域和區(qū)域數(shù)據(jù)域(見圖4)。

圖3　數(shù)據(jù)域結(jié)構(gòu)

圖4　數(shù)據(jù)域設(shè)計方案

2.2.2數(shù)據(jù)單元格式設(shè)計

數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)由兩部分組成：數(shù)據(jù)屬性(data pro-perty ,DP)和內(nèi)容碼(content code ,CC)。對應(yīng)CC為數(shù)據(jù)消息結(jié)構(gòu)的主體，包括消息的內(nèi)容，而DP則是描述數(shù)據(jù)消息的性質(zhì)與特征。由于數(shù)據(jù)域內(nèi)需要描述系統(tǒng)多方面的數(shù)據(jù)，所以采用DP對其進(jìn)行表示，同時在CC部分采用相同的結(jié)構(gòu)，使其在不同節(jié)點(diǎn)自律機(jī)或者不同數(shù)據(jù)域內(nèi)有共同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

2.2.3行車安全子系統(tǒng)

在信號系統(tǒng)中，列車一般是在列車自動保護(hù)系統(tǒng) (automatic train protection, ATP)的直接管理下，在自動列車運(yùn)行裝置(automatic train operation, ATO)控制及列車自動監(jiān)控系統(tǒng)(automatic train supervision, ATS)的監(jiān)管下安全運(yùn)行的。雖然在移動閉塞的情況下取消了線路的信號顯示，而且列車的控制最后轉(zhuǎn)化為列車自動加速及減速的策略，但是在這里還是將其抽象為3類基本策略來對應(yīng)傳統(tǒng)的“三顯示”信號控制。該策略集合可表示為S= {r,y,g}，其中S表示策略的集合，r表示信號機(jī)顯示紅燈，y表示信號機(jī)顯示黃燈，g表示信號機(jī)顯示綠燈。

這樣，ATP、ATO系統(tǒng)的功能就由輸出的策略進(jìn)行表示，而ATS系統(tǒng)的功能則由系統(tǒng)內(nèi)不同主體顯示的信號間協(xié)調(diào)一致來表示。最終，行車安全子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)功能，控制線路上列車的行駛(見圖5)。

圖5　行車安全子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)域：I = {1, 2} ，II = {2, 3, 4}，III = {4, 5}； I∩II={2}，II∩III={4}。

S= {r,y,g}，其中策略子集r= {A1，…，An},y= {A5，…，Am},g= {A2,A3，…，Ai}。

2.3ADS運(yùn)行模式設(shè)計

ADS確定列車具體位置，對于將控制權(quán)分散到分散控制器至關(guān)重要。在分布式系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與交換，需要將不同的數(shù)據(jù)信息以一種規(guī)則的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)識，這樣在不同的系統(tǒng)間進(jìn)行交換時能夠互通，基于ADS架構(gòu)模式組織的、系統(tǒng)構(gòu)建的數(shù)據(jù)設(shè)計都抽象為令牌(token)的形式進(jìn)行表示。在整個信號決策過程中，每個自主決策的主體都需要通過了解其周圍的運(yùn)行情況來決定其自身的狀態(tài)，也通過數(shù)據(jù)的形式向周邊類似的自主決策主體報告自身狀態(tài)，并考慮其間的協(xié)調(diào)一致。這些工作都需要建立一個或多個數(shù)據(jù)環(huán)境，各個自主主體向數(shù)據(jù)環(huán)境提交數(shù)據(jù)和下載相關(guān)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，完成其邏輯上的自主決策與自主可協(xié)調(diào)。

系統(tǒng)的令牌結(jié)構(gòu)滿足之前設(shè)計的內(nèi)容碼(CC)和數(shù)據(jù)屬性(DP)的模式，成為ADS數(shù)據(jù)域的通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并成為其載體，使其能夠在數(shù)據(jù)域內(nèi)自由流動，并且能夠被相關(guān)的邏輯控制模塊或者協(xié)調(diào)控制單元所識別，也為在ACP的識別打下良好的基礎(chǔ)，主要是設(shè)計token內(nèi)部的表達(dá)結(jié)構(gòu)及其構(gòu)成的keys和values的結(jié)構(gòu)(見圖6)。

圖6　ADS的數(shù)據(jù)環(huán)境與模式

ADS本身就是一個分布式系統(tǒng)，為了更好地刻畫與描述這一由多個自律分散主體構(gòu)成的信號系統(tǒng)，需要用形式化描述語言進(jìn)行系統(tǒng)的建模與分析。在有關(guān)ADS實(shí)現(xiàn)方式及建模的研究中，通過文獻(xiàn)的查閱及模型間的對比，認(rèn)為Petri-Net具有高級的Colored Petri-Net及Hierarchical Petri-Net的建模能力，適合于對其主體的控制邏輯及其相互協(xié)同的作業(yè)機(jī)制進(jìn)行刻畫與描述。與此同時，基于Petri-Net的系統(tǒng)化建模工具及技術(shù)比較成熟，初步確定采用Hierarchical Petri-Net的模式，分為控制層和協(xié)調(diào)層的雙層結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行建模，并將其邏輯控制分不同層次從頂向下依次展開。其中，決策機(jī)制是將在軌道交通運(yùn)營中信號顯示的約束進(jìn)行形式化表示，將其以標(biāo)準(zhǔn)的語言進(jìn)行表示；在以Petri-Net進(jìn)行控制建模后，將其以嵌入的方式寫入信號控制器的微處理器；在微處理器上寫入嵌入式程序，將信號燈自律分散的控制機(jī)制設(shè)計的系統(tǒng)以微處理器可以解析的程序化語言實(shí)現(xiàn)(見圖7)。

圖7　ADS的信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)制

3　結(jié)語

城市軌道交通具有高密度、高速度、不間斷運(yùn)營的特點(diǎn)，為保障列車運(yùn)行安全和線路通過能力，其信號系統(tǒng)必須具有較高的容錯能力。筆者通過對自律分散系統(tǒng)和嵌入式技術(shù)的分析，結(jié)合兩種技術(shù)，提出了基于自律分散系統(tǒng)和嵌入式的軌道交通信號系統(tǒng)，并對其具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，為城市軌道交通信號系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種新的思路和方法。

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(編輯：郭 潔)

Research on Urban Railway Signal Systems Based on Autonomous Decentralization

Zhao Ye

(Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510030)

To meet the high efficiency and high security requirements of urban railway signal systems, the Autonomous Decentralized system is introduced. The composition, characteristics, internal structure and its working mechanism of self-control and self-discipline of the system are illustrated. The data structure, data cell design and operation safety subsystem design by using Autonomous Decentralized system for urban rail transit signal system were put forward on the basis of the train control system for current closed moving block. This design provides a new thought and method for urban rail transit signal system.

urban rail transit; Autonomous Decentralized system; data field structure; data unit; security subsystem

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.028

2014-01-10

2014-03-05

趙曄，女，碩士，助理工程師，從事城市軌道交通運(yùn)輸規(guī)劃與計劃的工作和研究，zhaoye8@126.com

U231.7

A

1672-6073(2015)01-0121-04