楊良豐 原 萍

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

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數(shù)據(jù)包丟失對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的影響

楊良豐 原 萍

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

基于通信的列車(chē)控制(CBTC)系統(tǒng)中的車(chē)-地通信是利用WLAN技術(shù)傳輸列車(chē)的狀態(tài)和控制命令。列車(chē)控制系統(tǒng)的性能取決于通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠,而WLAN技術(shù)并不是為城市軌道交通快速運(yùn)行的環(huán)境而設(shè)計(jì)的,因此,在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)傳輸延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失等情況,導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行性能的下降。把列車(chē)控制系統(tǒng)等效為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),對(duì)于車(chē)地通信無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中,出現(xiàn)隨機(jī)延時(shí)大于其采樣周期而導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包丟失情形,采用補(bǔ)償策略估計(jì)列車(chē)的系統(tǒng)狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行了分析,提出了改善數(shù)據(jù)包丟失的列車(chē)控制方法。

基于通信的列車(chē)控制系統(tǒng); 車(chē)地通信; 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

Author′s address Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

基于通信的列車(chē)控制(CBTC)系統(tǒng)是控制與指揮列車(chē)運(yùn)行的控制系統(tǒng),其中車(chē)地通信是采用基于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的[1]。然而,采用CBTC信號(hào)模式的軌道線(xiàn)路通信反饋故障頻發(fā),究其主要原因就是CBTC系統(tǒng)對(duì)車(chē)地通信有著非常嚴(yán)格的要求,WLAN并沒(méi)有考慮其應(yīng)用于城市軌道交通高速運(yùn)行和隧道工況等復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境,因此,最終導(dǎo)致車(chē)地通信過(guò)程中出現(xiàn)隨機(jī)延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失的情況,影響了列車(chē)運(yùn)行性能。

針對(duì)上述問(wèn)題,文獻(xiàn)[2]提出了最優(yōu)隨機(jī)控制方法,即把網(wǎng)絡(luò)延時(shí)歸結(jié)于一個(gè)線(xiàn)性二次高斯問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用混合系統(tǒng)的方法分析了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)小于一個(gè)采樣周期的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[4]把列車(chē)控制系統(tǒng)建立成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCS)數(shù)學(xué)模型,分析了網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)延時(shí)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的影響,提出了在每一個(gè)移動(dòng)授權(quán)(MAL)插入帶有MAL生成時(shí)間和控制命令執(zhí)行時(shí)間的時(shí)間戳,列車(chē)根據(jù)接收到的時(shí)間戳以及列車(chē)狀態(tài)發(fā)送所需要的時(shí)間估計(jì)其執(zhí)行控制命令時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)的方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,這對(duì)于延時(shí)的消除效果比較明顯。但是,僅僅討論了隨機(jī)延時(shí)小于其采樣周期的情形,并沒(méi)有分析隨機(jī)延時(shí)大于一個(gè)采樣周期時(shí)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的影響。

文獻(xiàn)[5]研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失等基本問(wèn)題,提出了NCS估計(jì)器的概念,通過(guò)NCS估計(jì)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)進(jìn)行估計(jì),然后對(duì)其補(bǔ)償。但是,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分析所建立的前提條件都是假設(shè)出現(xiàn)的隨機(jī)延時(shí)小于一個(gè)采樣周期的情形。

基于上述問(wèn)題,本文研究在車(chē)地通信的無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中,出現(xiàn)隨機(jī)延時(shí)大于其采樣周期時(shí)對(duì)列車(chē)控制系統(tǒng)的影響并給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 CBTC系統(tǒng)

如圖1所示,CBTC是由軌旁設(shè)備、車(chē)載設(shè)備以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)組成。軌旁設(shè)備包括列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)、區(qū)域控制器(ZC)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CI)和數(shù)據(jù)存取單元(DSU)。車(chē)載控制設(shè)備(VOBC)主要是由列車(chē)自動(dòng)防護(hù)(ATP)系統(tǒng)和列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行(ATO)系統(tǒng)組成。車(chē)載無(wú)線(xiàn)單元、軌旁無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)以及光纖骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了DCS。

圖1 CBTC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ATS主要是通過(guò)命令CI按照列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表為運(yùn)行的列車(chē)設(shè)置路由,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)的監(jiān)督和控制。CI檢查軌旁信號(hào)機(jī)的狀態(tài),在路由成功設(shè)置以后進(jìn)行鎖閉,并且向ZC傳輸軌旁進(jìn)路和設(shè)備狀態(tài)的信息。DSU向車(chē)載控制單元和其他的軌旁設(shè)備提供相關(guān)的軌道參數(shù)以及臨時(shí)速度限制。ZC監(jiān)督其控制區(qū)域內(nèi)所有列車(chē)的精確位置,同時(shí)根據(jù)軌旁設(shè)備的狀態(tài)以及進(jìn)路信息為監(jiān)督區(qū)域內(nèi)每一輛列車(chē)計(jì)算移動(dòng)授權(quán)。

ATP基于列車(chē)的狀態(tài)、接收到的MAL和軌道參數(shù)為列車(chē)計(jì)算緊急制動(dòng)的速度/距離曲線(xiàn),如果列車(chē)在到達(dá)MAL之前速度超過(guò)了ATP安全防護(hù)曲線(xiàn),列車(chē)將會(huì)實(shí)施緊急制動(dòng)來(lái)保障列車(chē)的安全。在ATP防護(hù)曲線(xiàn)下,ATO基于運(yùn)營(yíng)需求為列車(chē)計(jì)算運(yùn)行速度/距離曲線(xiàn)維持列車(chē)正常的運(yùn)行。

在軌道沿線(xiàn)大約300 m布置一個(gè)AP,所有的AP都連接到光纖骨干網(wǎng)絡(luò)中。車(chē)載無(wú)線(xiàn)單元(STA)與軌旁AP進(jìn)行關(guān)聯(lián),為ZC和VOBC之間的數(shù)據(jù)通信提供無(wú)線(xiàn)鏈路。VOBC周期采樣列車(chē)的狀態(tài)、速度、位置和方向等信息,然后,通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路發(fā)送給ZC,ZC則向控制區(qū)域內(nèi)的VOBC發(fā)送MAL。

2 CBTC系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立

本文建立的多輛列車(chē)在線(xiàn)路上追蹤運(yùn)行的CBTC系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中符號(hào)下標(biāo)K表示的是第K個(gè)周期,下標(biāo)i表示的是第i輛列車(chē)。SKi和VKi分別表示列車(chē)車(chē)尾位置及列車(chē)速度,τsc表示傳感器到區(qū)域控制的傳輸延時(shí),τca表示區(qū)域控制器到執(zhí)行器的傳輸延時(shí),為了方便分析,傳感器到區(qū)域控制器的延時(shí)和區(qū)域控制器到執(zhí)行器的延時(shí)簡(jiǎn)寫(xiě)為τ=τsc+τca。[SKi,VKi]表示ZC接收的列車(chē)狀態(tài)信息。

圖2 多列車(chē)控制的系統(tǒng)模型

NCS是通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),主要用來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的隨機(jī)延時(shí)以及數(shù)據(jù)包丟失對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響[2]。圖2的列車(chē)控制系統(tǒng)可以等效為NCS,該等效模型如圖3所示。

圖3 等效網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模

由于ZC和CBTC中的列車(chē)保持嚴(yán)格的時(shí)間同步,而且其通信周期較短,可以認(rèn)為CBTC的列車(chē)控制系統(tǒng)是離散、時(shí)不變的線(xiàn)性系統(tǒng),其狀態(tài)表達(dá)式為

(1)

其中:A為狀態(tài)矩陣;B為輸入矩陣;G為系統(tǒng)的閉環(huán)增益。列車(chē)的系統(tǒng)狀態(tài)是所有列車(chē)的速度和距離偏差,定義為

(2)

這里:Lk=[ lk1,…,lkn]′,Vk=[ rk1,…,rkn]′,Uk=[ uk1,…,ukn]′。其中:Lk是與列車(chē)計(jì)劃運(yùn)行間隔的距離偏差向量,lki是第i輛列車(chē)的距離偏差;Vk是與最優(yōu)速度偏差的向量,rki是第i輛列車(chē)的速度偏差;Uk是列車(chē)基本阻力與作用力之間的偏差向量,uki是第i輛列車(chē)作用力之間的偏差。

對(duì)于列車(chē)距離、速度、基本阻力與作用力偏差有

其中:di是最佳距離;v是最優(yōu)速度;mi和aki分別是第i輛列車(chē)的質(zhì)量與加速度[4]。

在這里僅考慮當(dāng)前普遍采用的列車(chē)控制系統(tǒng),即前行列車(chē)的狀態(tài)信息傳輸給ZC,ZC計(jì)算的MAL發(fā)送給后續(xù)列車(chē),后續(xù)列車(chē)根據(jù)接收到的MAL和列車(chē)自身的狀態(tài)計(jì)算速度/距離曲線(xiàn)。在列車(chē)控制中傳感器是受時(shí)間驅(qū)動(dòng)的,而區(qū)域控制器和執(zhí)行器是由事件驅(qū)動(dòng)的。

3 數(shù)據(jù)包丟失的影響及改進(jìn)措施

數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中,由于環(huán)境對(duì)無(wú)線(xiàn)信道的影響,數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟失或者傳輸?shù)难訒r(shí)太大,都有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包傳輸失敗,從而導(dǎo)致列車(chē)產(chǎn)生不必要的牽引、制動(dòng)甚至是緊急制動(dòng),最終影響列車(chē)運(yùn)行的性能。在本文中,上述原因都認(rèn)為是延時(shí)大于列車(chē)的一個(gè)采樣周期,歸咎于數(shù)據(jù)包的丟失。假設(shè)0≤τK≤h,h為列車(chē)的一個(gè)采樣周期。在正常情況下,圖3的模型為當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時(shí),一般情況下,后續(xù)列車(chē)的VOBC都是沿用上個(gè)周期接收的MAL即控制量UK-1和自身的狀態(tài)產(chǎn)生控制命令,出于安全考慮,后續(xù)列車(chē)認(rèn)為上一次接收到MAL之后,后續(xù)列車(chē)就一直保持靜止。

采用補(bǔ)償策略,對(duì)丟失的控制量進(jìn)行估計(jì),表示為

(3)

式(3)可以寫(xiě)為

于是

(4)

其中:

由于

(5)

于是當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時(shí),控制量則為:

(6)

模型的系統(tǒng)狀態(tài)方程為

(7)

那么,閉環(huán)控制系統(tǒng)則可表示為

(8)

其中

這里I表示為單位矩陣。對(duì)于上述的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),如果存在Lyapunov函數(shù)V(ZK)=ZKTPZK,P為對(duì)稱(chēng)正定矩陣,則只要證明:V(ZK+1)-V(ZK)<0,那么,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)就漸近穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^(guò)求解此線(xiàn)性矩陣不等式,證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]給出了系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件。

就此,提出改善數(shù)據(jù)包丟失的列車(chē)運(yùn)行控制方法,具體步驟如下:

(1) ZC在指定的時(shí)間內(nèi)等待接收所有列車(chē)的狀態(tài)信息,該等待時(shí)間應(yīng)大于上行網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸時(shí)延。

(2) ZC在接收到所有列車(chē)的狀態(tài)信息后,計(jì)算移動(dòng)授權(quán)并發(fā)送給其控制區(qū)域內(nèi)的每輛列車(chē)。

(3) 如果列車(chē)在指定的時(shí)間沒(méi)有接收到ZC所發(fā)送的移動(dòng)授權(quán)信息,列車(chē)控制系統(tǒng)采用補(bǔ)償策略,根據(jù)前面所接收到的移動(dòng)授權(quán)對(duì)丟失的控制量進(jìn)行估計(jì)。

(4) 列車(chē)根據(jù)補(bǔ)償估計(jì)的系統(tǒng)狀態(tài)生成控制命令并執(zhí)行。

4 結(jié)語(yǔ)

CBTC系統(tǒng)中列車(chē)控制系統(tǒng)的性能取決于通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)和可靠性,而數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)WLAN并不是一種可靠的傳輸網(wǎng)絡(luò),因此,在車(chē)地通信過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)延時(shí)和數(shù)據(jù)包丟失的情形。本文針對(duì)這種情況,采用了補(bǔ)償估計(jì)的方法,對(duì)隨機(jī)延時(shí)大于其采樣周期而導(dǎo)致的傳輸數(shù)據(jù)包丟失,進(jìn)行估計(jì)補(bǔ)償,從而在一定程度上改善數(shù)據(jù)包丟失列車(chē)性能的影響。

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Effect of Data Packet Dropout on Trains’ Control System

YANG Liangfeng, YUAN Ping

Train-ground communication based on CBTC uses WLAN technology to transfer status and control commands of the train. The performance of train control system depends on the accurate, real-tme and reliable data transmission in communication links. WLAN technology,however,is not originally designed for the high mobility environment of mass transit.Thus, when random delay and data drop happens in transmission process will result in the degraded train performance.In the paper,train control systemis modeled as a networked control system, and in the train-ground transmission process, when the random delay is greater than a sampling period which causes the transmission data drops, a compensation scheme is proposed to evaluate the system state of train, and through analysis of the fault, some improvement measures are put forward.

communication based train control (CBTC) systems; train-ground communication; networked control system

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.08.013

2015-01-09)