◆余光亮 曾詳松 汪麗華

（重慶市公安局巴南區(qū)分局科技信息化科 重慶 401320）

基于CBTC的移動授權的設計與實現(xiàn)

◆余光亮 曾詳松 汪麗華

（重慶市公安局巴南區(qū)分局科技信息化科 重慶 401320）

本文首先對基于通信的列車控制（Communication Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)的結構進行描述，然后對基于CBTC的移動授權（Movement Authority，MA）做了介紹，最后對移動授權數(shù)據(jù)結構的設計及實現(xiàn)算法做了詳細介紹。

CBTC；MA；車載控制器

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，無線通信的可靠性、可用性大大提高，基于CBTC系統(tǒng)應運而生，已成為了列車控制系統(tǒng)技術發(fā)展的重要趨勢。CBTC系統(tǒng)的出現(xiàn)，無論從性能方面還是從功能方面都相對于傳統(tǒng)的列車運行控制系統(tǒng)（基于軌道電路的列車控制）系統(tǒng)有了巨大的提升與改進。

本文主要介紹的基于CBTC的ATS系統(tǒng)里所特有的列車運行的移動授權，主要從移動授權基于有向圖的設計描述，并且對移動授權的數(shù)據(jù)結構及算法實現(xiàn)做詳細的闡述。

1 CBTC系統(tǒng)結構與功能描述

CBTC系統(tǒng)結構如圖1所示,主要組成部分有：ATS（列車自動監(jiān)控），WRS（軌旁無線單元）,CDU（駕駛室顯示單元），DSU（數(shù)據(jù)庫存儲單元）,VOBC（車載控制器），ZC（區(qū)域控制器），TOD（司機操作顯示單元）,SA（車站適配器）,AP（接入點）。

圖1 CBTC系統(tǒng)結構

列車上的車載控制器VOBC和軌道旁的區(qū)域控制器ZC是系統(tǒng)安全型部件，他們通過非安全的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）互聯(lián)，但端到端的連接是安全型的。這是因為安全型設備在他們生成的每一條報文中都包含序列號和循環(huán)冗余碼校驗（CRC），然后對該報文進行鑒定。這個對序列號和CRC的鑒定算法只有安全型設備才能識別，因為可以防止DCS系統(tǒng)中非安全型設備的干擾。

VOBC通過校驗軌道上的應答器，并使用收到的數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫檢索信息來建立列車的位置。VOBC測量應答器之間的距離，并根據(jù)速度傳感器輸入信號計算自探測到的一個應答器以后，列車所行駛的距離。數(shù)據(jù)庫包括了所有相關的線路信息，包括車站停車，坡度，土建限速，道岔的位置和信號機的位置。

無線網絡通過開放的系統(tǒng)IP標準從而要求實現(xiàn)DCS內節(jié)點的信息傳送。

軌旁的區(qū)域控制器（ZC）包括MAU和PMI。MAU是其控制區(qū)域內所有列車發(fā)送位置信息的接收者，PMI是軌道設備如ACB、信號機和道岔等用于列車控制的障礙物狀態(tài)信息接收者。

ZC負責控制道岔和信號機，檢測其控制區(qū)域內所有列車的移動授權區(qū)域，這些功能基于如下信息：所有的列車、已分配進路和所有的障礙物（以外占用、受干擾道岔、關閉的道岔等）。ZC也負責響應臨近區(qū)域ZC的授權請求。

ATS是一個非安全子系統(tǒng)，它為ATS值班員提供人機接口。ATS在線路顯示屏上顯示具體的列車位置，同時也提供接口軟件執(zhí)行各種功能，如臨時限速、車站調停、關閉區(qū)域等。ATS負責精確的排列列車進路，CBTC系統(tǒng)如果檢測到道岔設置和本列車進路不符。就會組織列車通過道岔。

2 移動授權的概述

CBTC系統(tǒng)的主要任務是保證列車在系統(tǒng)控制的線路范圍內安全運行。這是為每輛處于通信狀態(tài)的列車提供一個移動授權權限（Limit Movement Authority，LMA）來實現(xiàn)完成。LMA值是由ZC的MAU使用列車當前位置、行駛方向、線路以及周圍線路的當前狀態(tài)來決定的。ZC通過通信子系統(tǒng)向VOBC傳達列車的LMA。VOBC負責列車在自己的LMA范圍內運行。當列車在受控線路區(qū)域內按照正常時刻表移動時，VOBC將列車的位置與方向發(fā)送給ZC，并且列車的LMA將由ZC發(fā)送給VOBC。ZC也向VOBC發(fā)送列車LMA內的道岔和信號機狀態(tài),從而使VOBC能夠根據(jù)這些狀態(tài)監(jiān)控列車。LMA的概述可以用圖2表示。

圖2 LMA的概述

VOBC會通過給定LMA確定一個安全余量和制動距離。受監(jiān)督的停車位置與障礙物之間有一段安全距離。列車能夠安全的移動到受監(jiān)督的停車位置。利用線路屬性（最大限速、坡度、信號機的位置），障礙物屬性（非通信列車的外懸量、倒溜容量），車輛屬性（最不利情況下的制動、特定區(qū)域的常用制動級別、保證緊急制動）及當前的車輛的狀態(tài)（位置、方向、速度和長度），VOBC可以監(jiān)督列車運行的安全距離（例如：受監(jiān)督的運行區(qū)域）。VOBC將計算最壞情況下的制動距離并與LMA相比較，如果最壞情況下的制動距離超出了LMA，VOBC就會命令制動。

2.1 移動授權障礙物

列車的LMA通過一個稱為線路區(qū)域分配的程序，按照規(guī)定的周期性計劃重建。次建立將基于相鄰線路資源的可用性，此可用性反映了線路的當前狀態(tài)。

LMA構建是從列車當前占用區(qū)段開始，順著請求進路列車行駛方向延伸至最近的障礙物、進路終端（進路目的地）或一段確定的距離（在系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫這將是一個可配置的參數(shù)）。ZC每1秒鐘為列車計算一次LMA。如果ZC在已經分配的LMA中檢測到新的障礙物，那么ZC將回撤LMA并將縮短的LMA報告給VOBC。如果最壞情況下的停車距離超出了新的LMA，VOBC將世家EB（緊急制動）。

（1）非通信列車占用線路

任何不能與ZC通信的列車和車輛在控制區(qū)域內占用線路區(qū)域必須以人工進路預留、區(qū)域關閉或非通信障礙區(qū)域進行防護。

（2）通信列車

一列車的任何LMA對另一列車的LMA都是障礙物。

（3）關閉的軌道區(qū)域

關閉的線路區(qū)域可以是任何線路上預先定義的區(qū)域。任何關閉區(qū)域都是一列特定列車的一個障礙物，知道列車的尾部（加上位置不確定性）出清關閉區(qū)域。

（4）未鎖閉或受繞的道岔位置

如果道岔報告它是未鎖閉或受繞，ZC將不會提供越過道岔區(qū)的LMA。

線路數(shù)據(jù)庫將把任何線路盡頭定義為永久障礙物。ZC將向VOBC發(fā)送到達線路盡頭的LMA，并指示障礙物的類型。

（5）故障區(qū)域

對從其它ZC區(qū)域行駛向故障ZC的列車來說，故障ZC是其LMA的障礙物。

2.2 與移動授權相關的停車點

LMA的盡頭是一個需要VOBC保護和強制服從的停車點。

在從ZC獲得的LMA內，VOBC定義了非安全的停車點，例如車站停車位置。但是，與每個LMA的盡頭相關的停車點是一個安全停車點；并且如果超過了這點的允許容許。VOBC將會命令緊急制動，同時，速度也被安全的監(jiān)督，并且如果檢測到超速情形已經超出了超速容限，VOBC將命令緊急停車。

停車點包括：

（1）如果LMA不允許列車完全在站臺停車，則站臺入口邊界為停車點。

（2）當某個倒車的位置和列車進路不一直，這個時候和該道岔相關聯(lián)的信號機為停車點。

（3）當列車向車站運動，則車站停車點（或運動停車點）為停車點。

（4）如果LAM不能使列車完全出清車站，則站臺的下游邊界為停車點。

（5）如果道岔防護機與站臺邊界之間的距離不夠列車出清，并且道岔位置沒有在列車進路所需的相關位置，則站臺的下游邊界為停車點。

2.3 LMA終止

如果VOBC丟失了與ZC的通信超過60S，則分配的ZC和VOBC的LMA將會被終止。VOBC將會把它的LMA限制在最近的障礙物（例如：站臺、道岔區(qū)域）。LMA終止時，系統(tǒng)為LMA的延伸建立了一個非通信障礙物。

3 移動授權的設計與實現(xiàn)

3.1 移動授權的數(shù)據(jù)結構

基于CBTC的站場圖里移動授權的顯示是基于有向圖的顯示（即基于邊與偏移量的有序對的顯示），通過有向圖邊、偏移量（Edge，Offset）有序對（如圖3所示）來反映。

3.1.1 移動授權的線路拓撲有向圖結構

線路拓撲有向圖表示為一組節(jié)點和邊線。所有線路分叉、匯合、走行方向變更的地方及線路的終點均為節(jié)點；連接兩個節(jié)點的線路則為邊線。每條邊線的默認運行方向為從起始節(jié)點到終點節(jié)點。每個節(jié)點和邊線在系統(tǒng)中是唯一的。拓撲圖描述了線路的連接方式和方向。

有向圖表示為一組節(jié)點和邊線。所有線路分叉、匯合、走行方向變更的地方及線路的終點均為節(jié)點，連接兩個節(jié)點的線路則為邊。每條邊的默認運行方向為從起始節(jié)點到終點節(jié)點。每個節(jié)點和邊線在系統(tǒng)中是唯一的。拓撲圖描述了線路的連接方式和方向。

列車的移動授權是動態(tài)變化的，在戰(zhàn)場圖上顯示時有可能只占用有向圖的一條邊，也有可能占用其中的幾條邊，但是無論怎樣變，都可以通過有向圖的節(jié)點、邊和偏移量來表示。圖中的邊e7是連接節(jié)點n6到n5。節(jié)點n5連接邊e7，e8 和e11。

圖3 有向圖的拓撲結構

3.1.2 移動授權的數(shù)據(jù)結構的設計

根據(jù)移動授權是基于邊和偏移量的有序對的顯示，設計移動授權的數(shù)據(jù)結果如圖4：

對于城市的規(guī)劃和建設來說，居住區(qū)是一個重要的組成部分，他是城市居民生活的地方，是人們基本生存生理需要的地方。在住宅小區(qū)園林景觀設計的過程中，主要是生態(tài)綠化、生活品質等方面的綜合應用，除此之外，在推動住宅小區(qū)生態(tài)景觀設計的基礎上，如何創(chuàng)造符合各個年齡段居民需求的運動、活動空間，提高居住環(huán)境的舒適度與幸福感都是需要景觀設計過程中關注的問題。通過規(guī)劃設計來增強居民的歸屬感和舒適度，并在和諧的環(huán)境中相互交流，增強鄰里之間的溝通。

圖4 移動授權數(shù)據(jù)結構

（1）起點所在的邊，即移動授權所屬于的邊的編號。

（2）起點的偏移量，即移動授權起點所在邊的起點到移動授權的起點的距離。

（3）終點所在邊，即移動授權終點所在邊的編號。

（4）終點的偏移量，即移動授權終點所在邊起點到移動授權的終點的距離。

（5）占用邊的總數(shù)，即移動授權占用多少條邊。

（6）第一條邊編號、第二條邊編號、第三條邊編號、第四條邊編號，這幾個值是否有效取決于占用邊的總數(shù)。

有向圖的移動授權的示意圖如圖5。本設計里有向圖的方向分為正向（從左到右）及反向（從右到左）分別用0、1表示。本例圖里有向圖的方向是正向；移動授權占用三條邊，分別是E1、E2、E5，起點M的偏移量用AM之間的距離表示，終點N的偏移量用EN之間的距離表示，占用的第一條邊編號是E1，第二條邊的編號是E2，第三條邊的編號是E5。

圖5 移動授權示意圖

3.2.1 移動授權實現(xiàn)的詳細算法示例

移動授權用一條有方向的綠色線段表示。每一列列車的移動授權顯示的算法都是一致的，下面以一列列車為例來說明。讀取的數(shù)據(jù)結構來自區(qū)域控制器的數(shù)據(jù)，移動授權所占邊的總數(shù)決定了移動授權的顯示，本設計里設定最多占用四條邊。由于把每一種實現(xiàn)方法都敘述完整需要占用很多的篇幅，并且每一種實現(xiàn)的原理基本相同，所以我在這里以移動授權占用三條邊為例說明算法的實現(xiàn)過程。結合圖5移動授權的圖示進行說明。

（1） 讀取來自區(qū)域控制區(qū)的數(shù)據(jù)，并按照預定的結構把各個屬性數(shù)據(jù)存儲起來。

（2）記錄下三條邊的每一條邊的編號分別是E1、E2、E3。

（3）求出移動授權的第一條邊的兩個端點的坐標。

首先在有向圖里搜索E1，直到找到與E1對應的有向圖的邊，并記錄下邊的編號E1以及E1的兩個端點的坐標A、B。然后判斷該移動授權所屬列車運行的方向，在圖4里列車運行的方向（direction=1）與有向圖的方向相同。計算公式如下：邊的長度用AB表示。By 表示B點的Y坐標，Ay表示A點的Y坐標，Offset表示偏移量。

根據(jù)方向確定移動授權的第一條邊的兩個端點（M、N）的坐標，即可以實現(xiàn)移動授權的第一條邊的顯示。

（4）求出移動授權的第二條邊的兩個端點的坐標。這里因為移動授權共占用了三條邊，所以這里的兩個端點的坐標與E2邊的兩個端點的坐標相同。

（5）求出移動授權的第三條邊的兩個端點的坐標。實現(xiàn)的方法與2）基本一致。這里就不在詳述。

（6）根據(jù)求出的坐標用綠色的有方向的線段顯示。

3.2.2 移動授權的實現(xiàn)界面

圖6給出了列車在戰(zhàn)場圖上運行的信息，主要包括運行速度、駕駛模式、制動狀態(tài)、移動授權等信息。本文主要討論列車運行的移動授權信息，如圖5中所示列車前面的綠色線路為移動授權，其中箭頭表示列車的運行方向。

圖6 戰(zhàn)場圖信息

4 結束語

實驗結果經過實際測試運行成功，適合運行在windows 2000，windows XP等版本以上的操作系統(tǒng)上，VC++6.0為開發(fā)平臺下實現(xiàn)。

基于CBTC的移動授權設計是基于CBTC的ATS系統(tǒng)里的一大特色，特別是本文通過有向圖的方式來表示列車動態(tài)變化的移動授權信息，通過移動授權可以及時的知道列車的安全運行距離，使列車運行更加安全、更加高效、更加靈活，特別是大大的增加同時在線路上通行的列車容量。

[1]謝凡，李開成.城市軌道交通CBTC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學，2006.

[2]黃銳.基于通信的列車控制系統(tǒng)[J].鐵道知識，2005.

[3]黎文邊，劉軍，鐘章隊.世界軌道交通，2005.

[4]鐘章隊，李旭，蔣文怡.鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M].北京：中國鐵道出版社，2003.