張 勇，馬茂斐，王 劍

(1.北京交通大學 電子信息工程學院, 北京 100044；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.北京市電磁兼容與衛(wèi)星導航工程技術(shù)研究中心,北京 100044)

列車運行控制系統(tǒng)(以下簡稱“列控系統(tǒng)”)是控制列車運行速度和間隔、保證列車安全和高效運行的重要設備。其中進路控制功能是列控系統(tǒng)的主要功能，目前主要通過地面計算機聯(lián)鎖(Computer Based Interlocking，CBI)集中控制站場信號機、道岔來實現(xiàn)。為精簡列控系統(tǒng)地面設備，國內(nèi)外均進行了新的進路控制方法研究。歐盟ERTMS-Regional系統(tǒng)取消了線路軌道電路及信號機，由地面控制中心配合軌旁對象控制器(Object Controller, OC)進行道岔控制來實現(xiàn)進路控制功能[1]；法國ALSTOM的Urbails Fluence系統(tǒng)精簡了CBTC，通過車載設備向OC申請軌旁設備使用權(quán)來實現(xiàn)進路控制功能[2]；同樣，文獻[3]專利也以車載設備控制OC的方式提出了一種適合于車車通信的列控系統(tǒng)車載聯(lián)鎖的進路防護方法。

車載中心化的列控系統(tǒng)是面向我國西部地區(qū)低密度線路的新型列控系統(tǒng)，通過引入衛(wèi)星定位、多模通信、運能動態(tài)配置、動態(tài)間隔安全控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實現(xiàn)車車通信、列車自主行車許可計算和列車自主進路控制。由于Urbails Fluence系統(tǒng)和文獻[3]專利所應用的列控系統(tǒng)與車載中心化的列控系統(tǒng)在進路復雜度、進路信息獲取方式等方面存在較大差異，且其中所涉及的進路控制方法難以在車載中心化的列控系統(tǒng)上實現(xiàn)，因此，為滿足車載中心化的列控系統(tǒng)由車載設備自主實現(xiàn)進路控制的需求，本文基于車載設備控制軌旁控制器實現(xiàn)進路資源占用、釋放的思想，提出一種車載中心化的列車進路控制方法，并通過典型場景建模和仿真發(fā)現(xiàn)了多車進路過程中潛在的“賽跑問題”，即多車進路控制過程中可能發(fā)生的死鎖、活鎖或者饑餓問題。

“賽跑問題”實質(zhì)上是一個分布式資源聯(lián)合分配問題。為避免分布式資源分配出現(xiàn)死鎖、活鎖等問題，文獻[4]提出SD-RAS(Single-step Distributed Resource Allocation Systems)資源分配模型，并基于該模型闡述了一種分布式死鎖預防方法ODP3(Order-based Deadlock Prevention Protocol with Parallel)。該方法基于安全路徑和安全狀態(tài)進行死鎖預防，主要特點是允許資源申請者并行發(fā)送資源請求，且不需要請求對象之間進行消息交換。文獻[5]基于ODP3算法提出ACT(Availability Check Technique)技術(shù)，通過不斷檢測所需資源狀態(tài)來進行資源申請分配，以減少分布式資源聯(lián)合分配過程中的沖突。

本文根據(jù)列車進路作業(yè)原則提出進路沖突資源分配目標函數(shù)，同時基于ODP3主協(xié)議算法、ACT技術(shù)，針對OC提出一種進路資源分配算法，并利用該算法對典型進路控制場景模型進行修正。通過對修正前后的模型進行仿真分析，驗證了該算法能夠有效避免多車進路過程中的“賽跑問題”，同時能夠提升站內(nèi)列車進路資源征用效率。

1 車載中心化的列車進路控制原理

1.1 車載中心化的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載中心化的列控系統(tǒng)是地面設備最少化、車載功能中心化的列控系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 車載中心化的列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

車載中心化的列控系統(tǒng)包括中心設備、車載設備和軌旁設備三個層次。其中，中心設備包括動態(tài)運能決策子系統(tǒng)(Dynamic Capacity Decision，DCD)和列控資源管理單元(Resource Management Unit，RMU)。DCD實現(xiàn)列車動態(tài)運營決策功能，主要負責行車計劃制定、發(fā)送以及列車運行監(jiān)督；RMU作為地面數(shù)據(jù)庫，輔助列車進行前車識別和進路控制，支持臨時限速和電子地圖下載。車載設備是列控系統(tǒng)的核心，由列控模塊、進路邏輯單元(Route Logic Unit，RLU)和電子地圖數(shù)據(jù)庫三部分構(gòu)成。列控模塊完成列車測速定位、通信、速度防護和動態(tài)間隔安全控制功能；RLU完成列車進路控制功能。軌旁設備主要包括應答器和對象控制器OC。應答器用于輔助列車定位；OC主要實現(xiàn)進路設備的狀態(tài)采集和道岔驅(qū)動。

車載中心化的列控系統(tǒng)具有以下特點:

(1)全線不設置軌道電路和信號機，站間采用車車通信方式實現(xiàn)移動閉塞行車，站內(nèi)采用虛擬閉塞方式進行列車作業(yè)。

(2)車載設備通過列車運行狀態(tài)自主感知技術(shù)和列車完整性自檢查技術(shù)，實現(xiàn)列車自主測速定位和完整性檢查[6]；同時車載設備還承擔行車許可計算功能，能夠?qū)崿F(xiàn)列車動態(tài)間隔安全控制。

(3)沿線車站設置集中式軌旁控制器OC，完成進路設備狀態(tài)采集和驅(qū)動功能。集中式OC即一個OC能夠完成多個進路設備的狀態(tài)采集和驅(qū)動。在沿線車站上下行咽喉區(qū)各設置一組OC，分別管轄上下行咽喉區(qū)的道岔和虛擬信號，股道虛擬信號由這兩組OC共享。列車通過控制進路OC實現(xiàn)進路資源占用和釋放來完成列車作業(yè)。

1.2 列車進路控制原理

車載中心化的列車進路控制方法主要針對低密度線路的會讓站和中間站，是對地面集中聯(lián)鎖功能的再分配。它將進路控制邏輯轉(zhuǎn)移到車載設備，設置集中式OC進行進路道岔狀態(tài)采集和驅(qū)動，通過車地信息交互完成列車進路控制功能。由于車載中心化的列控系統(tǒng)全線不設置軌道電路和信號機，為方便列車進路控制原理描述，本文對沿線車站采用與傳統(tǒng)信號設備相同的原則劃分股道、虛擬區(qū)段，設置虛擬信號，軌旁設置集中式OC。車載中心化的列車進路控制原理如下：

(1)列車進路信息獲取

列車接收到DCD發(fā)送的行車計劃后，在滿足進路請求時機時，通過向RMU請求站內(nèi)列車位置，經(jīng)過電子地圖匹配，實現(xiàn)站內(nèi)虛擬區(qū)段占用檢查；同時向集中式OC請求進路相關(guān)虛擬信號、道岔狀態(tài)信息，根據(jù)RLU內(nèi)置的站場進路表，完成進路條件檢查。

(2)列車進路資源占用

進路條件檢查通過后，列車向集中式OC征用進路相關(guān)虛擬信號和道岔；在進路設備征用成功后，車載設備控制集中式OC實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換、進路鎖閉、虛擬信號復示，完成進路資源占用。

(3)列車進路資源釋放

列車進路建立后，列車通過列車定位單元判斷進路通過情況，待列車作業(yè)完成后，車載設備輸出進路資源釋放命令控制集中式OC完成進路資源釋放。

車載中心化的列車進路控制方法相較于傳統(tǒng)地面集中聯(lián)鎖，實現(xiàn)了進路信息流簡化。以CTCS-3級列控系統(tǒng)為例，CTCS-3級列控系統(tǒng)的進路信息流向為聯(lián)鎖系統(tǒng)—RBC—車載設備，而車載中心化的列控系統(tǒng)，其進路控制的信息流向為車載設備—集中式OC。簡化進路信息流向可以有效減少列控系統(tǒng)的信息交互接口。另外，車載中心化的列車進路控制方法也可以減少地面設備，增強車載設備功能。

1.3 列車進路控制流程

本文按照列車運營場景的不同，將車載中心化的進路控制流程劃分為4個階段。

第一階段：行車計劃接收和處理。列車通過車輛段定位應答器組后，車載設備與DCD建立通信，列車在收到DCD發(fā)送的列車行車日計劃后，RLU根據(jù)內(nèi)置的車站進路條件表以及電子地圖中線路信息，獲取相應車站OC的IP、基本進路號和變通進路號。

第二階段：列車進路觸發(fā)時機確定。發(fā)車進路觸發(fā)方式為時間觸發(fā)；接車進路觸發(fā)方式為空間觸發(fā)。接車進路觸發(fā)點由列車速度、接近區(qū)段長度、站間距離、最不利進路排列時間、線路最大允許速度等因素共同決定，RLU根據(jù)相關(guān)信息計算列車進路控制觸發(fā)點。當滿足觸發(fā)條件時，列車開始進路建立。

第三階段：列車進路建立。RLU根據(jù)RMU、OC交互信息進行進路條件檢查，通過向OC發(fā)出進路控制命令進行資源征用和道岔轉(zhuǎn)換，進而完成進路選排，在完成進路鎖閉和虛擬信號復示后，實現(xiàn)列車進路建立。列車進路選排條件[7-8]見表1。

表1 列車進路選排條件

第四階段：列車進路解鎖。RLU根據(jù)列車位置判斷列車進路通過情況，生成進路資源釋放命令，控制集中式OC進行進路資源釋放，完成進路解鎖。列車進路解鎖條件[7-8]見表2。

表2 列車進路解鎖條件

從功能上說，車載中心化的進路控制方法與地面集中聯(lián)鎖均是完成進路建立、解鎖和列車進路防護，但是兩者間仍然存在較大差異。

(1)進路概念存在差異。在列車進路控制方法設計過程中，為避免多個OC的進路控制邏輯相互耦合，將傳統(tǒng)意義上的通過進路劃分為股道接車進路和股道發(fā)車進路，保證一條進路資源僅由一個OC管轄。

(2)進路資源規(guī)模存在差異。地面集中聯(lián)鎖管轄進路資源基本固定，進路狀態(tài)可以羅列，進路資源規(guī)模較?。卉囕d中心化的進路控制方法可以隨進路列車運行到不同車站使用不同進路資源，進路狀態(tài)幾乎不可羅列，進路資源規(guī)模較大。

圖2 南山口站上行咽喉

(3)進路建立、解鎖存在差異。相比于傳統(tǒng)聯(lián)鎖進路建立、解鎖流程，車載中心化的列車進路控制方法在進路選排階段增加了資源征用流程；由于不存在站內(nèi)軌道電路，故在進路鎖閉階段不存在區(qū)段鎖閉，在進路解鎖階段不存在區(qū)段故障解鎖；除此之外，在信號開放階段，虛擬信號開放主體為RLU，OC只進行虛擬信號復示，虛擬信號不指示行車，僅進行進路防護。

(4)功能實現(xiàn)方式存在差異。地面集中聯(lián)鎖集中控制多條進路，利用布爾邏輯和時序邏輯來保障站內(nèi)資源安全使用和釋放[3]；車載中心化的進路控制方法相當于進路列車都能夠獨立進行進路防護，能夠利用持續(xù)的車地信息交互實現(xiàn)進路資源的申請和釋放。

2 進路控制場景Petri網(wǎng)建模

2.1 有色Petri網(wǎng)

有色Petri網(wǎng)作為一種高級Petri網(wǎng)模型，通過對庫所和令牌加以顏色類型標定，對弧和變遷加以條件約束，對多車線性執(zhí)行進路過程中的并發(fā)性、異步性和不確定性行為具有較強的動態(tài)分析能力[9]；除此之外，有色Petri網(wǎng)有著良好的建模仿真工具CPN Tools，可以方便地對模型進行仿真和驗證。因此本文將有色Petri網(wǎng)作為列車進路控制場景分析的主要工具。

有色Petri為一個7元組，形式化定義為[10]

Σ=(P,T;F,C,I-,I+,M0)

式中：(P,T;F)為有向網(wǎng)，稱為Σ的基網(wǎng)；P為基網(wǎng)庫所集，表征模型可能的存在狀態(tài)；T為基網(wǎng)變遷集，規(guī)定了模型中顏色的所有活動規(guī)則；F為基網(wǎng)有向弧集合；C為基網(wǎng)顏色集，可以包含一個或者多個Token；I-、I+分別為P×T上的負、正函數(shù)，使得對所有的(p,t)∈P×T；M0為基網(wǎng)Σ初始標識，表征基網(wǎng)Σ的初始狀態(tài)。

2.2 進路資源征用模型建立

2.2.1 站場拓撲結(jié)構(gòu)描述

以青藏鐵路南山口站上行咽喉為例，其站場平面見圖2(a)。將站內(nèi)虛擬信號、虛擬區(qū)段、道岔抽象為數(shù)據(jù)節(jié)點，以雙向鏈表形式建立拓撲結(jié)構(gòu)，見圖2(b)。AVT1、AVT2數(shù)據(jù)節(jié)點分別為虛擬接近、離去區(qū)段；VT數(shù)據(jù)節(jié)點為虛擬區(qū)段；VS數(shù)據(jù)節(jié)點為虛擬信號；SW數(shù)據(jù)節(jié)點為站內(nèi)道岔。

2.2.2 集中式OC進路處理流程

在車載中心化的列控系統(tǒng)中，車地通信采用的是全IP通信方式[11]。進路控制信息包通過全IP通信方式到達OC的物理消息緩沖隊列，OC進行相應的安全通信協(xié)議解析和控制命令執(zhí)行。假設在集中式OC的一個處理周期(本文采用150 ms)內(nèi)，有多個列車的進路控制信息包通過全IP通信方式串行到達集中式OC的消息緩沖隊列，OC將這些進路控制信息包從消息緩沖隊列中取出，并行完成Subset-037和ALE安全通信協(xié)議解析。OC的串行征用流程是將信息包按照解析完成的先后順序串行置入控制命令緩沖隊列，然后串行執(zhí)行進路控制命令，見圖3(a)；而OC的并行征用流程是并行解析完進路信息包后，并行執(zhí)行進路控制命令，見圖3(b)。

圖3 進路控制信息處理流程

OC串行征用方式在同一時刻僅僅能執(zhí)行一列列車的進路控制命令，平行進路列車作業(yè)和不沖突列車進路作業(yè)不能夠同時執(zhí)行，將影響站內(nèi)列車作業(yè)效率；除此之外，OC串行征用方式只能按照進路控制命令解析完成的先后順序執(zhí)行進路控制命令，無法保證高優(yōu)先級列車優(yōu)先完成站內(nèi)列車作業(yè)。因此在車載中心化的列控系統(tǒng)中，集中式OC采用并行征用方式。

2.2.3 典型場景建模

基于OC并行征用流程，考慮如下典型場景：列車1(192.10.0.1)和列車2(192.10.0.2)當前位置見圖2。列車1需從當前位置運行至ⅡG停車，其選擇進路集合為{VS_S，VS_SⅡ；SW2_4，SW6_8，SW10；AVT1，VT2，VT2_8，VT8_10，ⅡG}；列車2需從當前位置運行至AVT2，其選擇進路集合為{VS_X1，VS_D2；SW10，SW6_8，SW2_4；1 G，VT8_10，VT2_8，VT6，AVT2}。假定列車1和列車2選擇的進路集合中的虛擬區(qū)段均空閑，由于虛擬區(qū)段不存在征用情況，因此列車1需要征用進路資源為{VS_S，VS_SⅡ；SW2_4，SW6_8，SW10}，列車2需要征用進路資源為{VS_X1，VS_D2；SW10，SW6_8，SW2_4}?；谠摰湫瓦M路控制場景，建立從列車進路資源征用命令發(fā)出到OC完成進路設備征用過程的有色Petri網(wǎng)模型，見圖4。圖4中CPN模型含義見表3。

表3 進路資源征用CPN模型含義說明

圖4 進路資源征用CPN模型

在進路資源征用CPN模型中，進路資源征用命令用顏色集Msg中Token表示，進路設備狀態(tài)用顏色集Status中Token表示。進路資源征用命令由列車1和列車2發(fā)出，經(jīng)過全IP通信方式傳輸給集中式OC，OC并行解析列車1和列車2的進路控制信息包，獲取相應的進路資源征用命令，根據(jù)資源征用命令并行征用列車1和列車2的進路相關(guān)設備。

簡單認為在進路建立和進路解鎖過程中，進路列車與集中式OC進行周期性的車地信息交互。參考CBTC系統(tǒng)中LTE的相關(guān)性能指標，設置進路列車與集中式OC車地信息交互周期為300 ms[12-13]。因此進路資源征用模型的信息傳輸和延時模擬以10 ms作為一個時間單位，通過設置車地通信時間函數(shù)Del1()模擬車地通信延時；設置解析執(zhí)行函數(shù)Del2()模擬征用命令解析和征用時間；設置征用檢查函數(shù)Del3()模擬征用命令檢查時間。

2.3 仿真分析

在進路資源征用CPN模型中，若Result1庫所出現(xiàn)5個Token，分別為1-"VS_S"、1-"VS_S2"、1-"SW2_4"、1-"SW6_8"、1-"SW10"，則表明列車1征用成功，反之則表明列車1征用失??；列車2征用成功與否判斷方式與列車1類似。對雙車資源征用CPN模型進行1000次仿真，仿真結(jié)果見表4。

表4 CPN模型1000次仿真結(jié)果

在CPN模型中，庫所中OC_Sta包含的Token數(shù)目能夠滿足列車1或列車2的進路需求，但是不能同時滿足兩列車進路需求。在理想狀態(tài)下，列車1或者列車2必定只能有一個征用進路資源成功。由表4可以看出，進路資源征用模型仿真出現(xiàn)兩列車均未征用成功的情況。其主要原因在于列車1與列車2的進路控制過程是線性的，而OC無條件接受列車進路資源征用命令，列車1和列車2在征用進路資源時發(fā)生沖突，從而導致雙車進路征用均失敗。由此認為多車進路控制過程存在“賽跑問題”。

在車載中心化的進路控制方案中，集中式OC始終堅持一個原則，任意一個進路設備至多只能被一列車征用，不能分配給多列車，而且后續(xù)進路控制流程都建立在進路資源征用成功的基礎(chǔ)上。因此“賽跑問題”只會在進路資源征用階段出現(xiàn)，故本文將從進路資源征用階段入手去解決多車進路控制過程中的“賽跑問題”。

3 進路資源分配算法

3.1 進路沖突資源分配目標函數(shù)

3.1.1 列車作業(yè)原則

本節(jié)主要目的是解決車載中心化的多車進路控制過程中的“賽跑問題”，因此不考慮車站進路元素的權(quán)重和列車正晚點情況。簡單假定站內(nèi)進路相關(guān)元素權(quán)重相同且OC進行進路資源分配時不會導致進路列車出現(xiàn)晚點情況。為滿足車站列車作業(yè)的需求，基于一條進路至多存在一列車的根本原則，從保障列車作業(yè)完成、進站效率和進路優(yōu)先級方面，總結(jié)出列車作業(yè)原則為

①長進路作業(yè)保障原則：杜絕長進路作業(yè)出現(xiàn)的饑餓問題。

②進路效率最優(yōu)原則：當前列車作業(yè)有利于后續(xù)列車作業(yè)的進路排列，即列車作業(yè)盡量減少對站內(nèi)列車的影響[14]。

③短進路作業(yè)優(yōu)先原則：優(yōu)先實現(xiàn)短進路列車作業(yè)。

④接車作業(yè)優(yōu)先原則：優(yōu)先實現(xiàn)接車進路列車作業(yè)。

⑤客車作業(yè)優(yōu)先原則：在線路客貨車混跑情況下，優(yōu)先實現(xiàn)客車作業(yè)。

⑥高速列車優(yōu)先原則：在線路高低速列車混跑情況下，優(yōu)先實現(xiàn)高速列車站內(nèi)作業(yè)。

3.1.2 進路資源形式化定義

定義2 OC征用資源集Gu_route：Gu_route={Gu_vs,Gu_sw}，其中Gu_vs為征用信號集，Gu_sw為道岔集。

定義3 OC臨時資源集Gt_route：包括ΔT時間內(nèi)納入OC處理的進路請求資源集，即Gt_route=∪Ri。

定義4 進路可用資源集Ga_route：Ga_route∩Gu_route=?且Ga_route?Gt_route。

定義7 進路沖突資源集Gd_route：Gd_route?Gt_route，Gd_route內(nèi)任意兩個進路請求資源集Ri和Rj存在沖突。

定義8 進路價值函數(shù)：主要表征進路沖突集中進路請求資源集Ri的征用優(yōu)先級；若進路沖突資源集Gd_route={R1,…,Ri,…,Rk}，對于任意Rj∈Gd_route，則Rj進路價值函數(shù)Value(Rj)為

λ×V(Rj)+w×type(Rj)

(1)

式中:各變量含義見表5。

表5 進路價值函數(shù)變量含義

價值函數(shù)Value(Rj)與α×ts(Rj)成正比，若列車進行長進路作業(yè)，隨著列車征用請求次數(shù)增加，相應價值函數(shù)會持續(xù)增大，符合長進路作業(yè)保障原則。

ΔT時間內(nèi)，Num(Gd_vs)、Num(Gd_sw)數(shù)目一定，Rj的價值函數(shù)Value(Rj)與進路請求集中虛擬信號v、道岔s在Gd_route中重復數(shù)目成反比，即當前Gd_route中需要征用v、s重復數(shù)目越多，則說明Rj征用作業(yè)對當前站內(nèi)列車作業(yè)影響程度越大，可以保證進路效率最優(yōu)原則。

同理，Value(Rj)與λ×V(Rj)、w×type(Rj)成正比，在一定程度上可以保證高速列車作業(yè)優(yōu)先、接車進路作業(yè)優(yōu)先和客車作業(yè)優(yōu)先原則。

因此，集中式OC可以依照進路價值函數(shù)值大小對Gd_route中Ri進行進路沖突資源分配，即進路價值函數(shù)可以作為進路沖突資源分配目標函數(shù)。

3.2 進路資源分配算法

根據(jù)車載中心化的列車進路資源特點，參考ODP3主協(xié)議算法和ACT技術(shù)，利用進路沖突資源分配目標函數(shù)，針對OC提出一種進路資源分配算法，其主要思想為：集中式OC將多車進路控制過程中的進路資源征用命令轉(zhuǎn)化為進路資源請求集的進路可用判斷、進路沖突判斷和價值函數(shù)計算，從而避免多車進路控制過程中“賽跑問題”的發(fā)生。

進路可用判斷即利用ACT思想，OC在進行征用之前，檢測進路請求資源集中進路元素的征用情況，若進路征用資源滿足征用條件，則將其置入Ga_route；若進路征用資源不滿足征用條件，則OC取消征用命令并反饋給相關(guān)進路列車。

進路沖突判斷即判斷Ga_route中進路請求資源集中征用的進路資源是否存在沖突。對于不存在沖突的進路請求資源集，OC可以執(zhí)行其征用命令而不會導致進路征用過程中的“賽跑問題”；對于存在進路沖突的進路請求資源集，如果同時執(zhí)行征用命令，可能導致多車均征用失敗，因此將其置入Gd_route中。

對于Gd_route中進路請求資源集，可以利用進路請求資源集的進路價值函數(shù)實現(xiàn)進路沖突資源分配。

對圖3中的OC并行征用流程引入資源分配算法后，其征用流程見圖5。

參考ODP3主協(xié)議算法，針對集中式OC的進路資源分配算法偽代碼如下。

IN：Gu_route、Ga_route、Gt_route、Gd_route、Ri

OUT：征用順序1-同時征用；2-沖突優(yōu)先征用；3-拒絕征用

圖5 基于資源分配算法的OC并行征用流程

1：Ga_route→? &Gt_route→? &Gd_route→?/*將進路可用資源集、進路臨時資源集、進路沖突資源集置空*/

2：while(True)do

3：InputRi→Gt_route/*輸入進路請求資源集并賦值給進路臨時資源集*/

4：forRi,Ri∈Gt_route/*遍歷ΔT時間臨時資源集*/

5： ifRi∩Gu_route≠? /*進路可用判斷*/

6： returnRi=3 /*進路可用不滿足，拒絕征用*/

圖6 基于進路資源分配算法的進路資源征用CPN模型

7： elseRi→Ga_route/*進路請求資源集可用，將Ri置入進路可用資源集*/

8： endif

9：endfor

10：forRi,Ri∈Ga_route/*遍歷進路可用資源集*/

11： ifRi∩(R1∪…∪Ri-1∪Ri+1…∪RN)=?/*進路沖突判斷*/

12： returnRi=1 /*進路請求不沖突，可以同時征用*/

13： elseRi→Gd_route/*進路請求資源集沖突，則將Ri置入進路沖突資源集*/

14： endif

15：endfor

16：ifGd_route≠? /*若進路沖突資源集合不為空*/

17：forRj,Rj∈Gd_route，calc(Value(Rj))/*計算進路價值函數(shù)*/

18：returnRj=2，Value(Rj)>Value(Rk)，Rk=3，k≠j,Rk∈Gd_route/*價值函數(shù)最大的進路請求集進行沖突優(yōu)先征用，其他進路請求拒絕征用*/

19：endif

20：endwhile

需要注意的是，該進路資源分配算法只適用于多車競爭一個集中式OC管轄的進路資源場景。對于傳統(tǒng)通過進路出現(xiàn)資源競爭情況，可以將通過進路劃分為股道接車進路和股道發(fā)車進路，再對兩條進路分別利用進路資源分配算法進行沖突資源分配即可。因此，本文提出的進路資源分配算法可以應用于低密度線路中間站、會讓站的任意進路控制場景。

4 算法仿真分析

4.1 進路資源征用模型修正

對圖4建立的進路資源征用CPN模型，引入基于集中式OC的進路資源分配算法進行模型修正。修正后模型見圖6。

圖6中虛線框內(nèi)引入變遷、庫所和相應的弧來模擬基于OC的進路資源分配算法。由于模型中初始Token設置可以直接進行進路請求資源集的可用性檢查，因此本文主要模擬進路沖突判斷和進路沖突資源分配過程。

通過引入庫所CJ1和CJ2來模擬OC臨時資源集Gt_route和存儲ΔT時間內(nèi)OC接收到的進路請求資源集。引入變遷ConflictJudge，配合庫所Conflict、CJ1、CJ2和相應的弧，利用Token優(yōu)先級[15]實現(xiàn)進路資源沖突判斷。若兩車不存在進路沖突，則庫所Conflict、Equp1、Equp2可以觸發(fā)變遷NoConflict1、NoConflict2實現(xiàn)兩車同時征用；若兩車存在進路沖突，則庫所Conflict、Equp1、Equp2觸發(fā)變遷ResourceAllocate進行進路價值函數(shù)Value(R1)和Value(R2)計算，通過變遷Resource Allocate到庫所RA1和RA2的弧函數(shù)實現(xiàn)沖突資源分配。其他的庫所、變遷含義與修正前的模型保持一致。除此之外，在進路資源分配算法修正進路資源征用CPN模型中，變遷ConflictJudge和Resource Allocate引入算法時間函數(shù)Del4()模擬進路資源分配時間。

4.2 仿真結(jié)果分析

對進路資源分配算法修正前后模型進行1 000次仿真，統(tǒng)計模型列車進路資源征用成功頻數(shù)、兩車均未征用成功頻數(shù)和對應的時間戳。征用成功時間戳統(tǒng)計的是征用成功相應庫所Result中Token的最大時間戳，征用失敗時間戳統(tǒng)計的是庫所Result1和Result2中Token的最大時間戳。利用Matlab對所得數(shù)據(jù)進行仿真，其仿真結(jié)果見圖7。

圖7 模型仿真結(jié)果

由圖7可以看出，基于進路資源分配算法的進路資源征用CPN模型，1 000次仿真均沒有雙車征用失敗情況，說明經(jīng)修正后的模型可以有效避免多車進路控制過程中可能出現(xiàn)的“賽跑問題”。統(tǒng)計模型修正前后的征用成功率和征用耗時數(shù)據(jù)，其結(jié)果見表6。

表6 模型仿真結(jié)果統(tǒng)計

從表6可以看出，模型修正后征用成功耗時相對于模型修正前要大，因此僅僅單純考慮列車征用成功率是存在局限的。

在車載中心化的進路控制過程中，若列車出現(xiàn)進路資源征用失敗情況，需要重新進行變通進路條件檢查，在變通進路的虛擬區(qū)段占用檢查和虛擬信號、道岔征用狀態(tài)檢查通過后，繼續(xù)進行進路征用。進路列車進行變通進路檢查除了需要占用大量的車地通信資源外，也影響站內(nèi)列車作業(yè)效率。因此分析該典型場景除列車征用成功率之外還需要其他性能指標，如資源征用效率[16]RU。

RU描述的是OC臨時資源集Gt_route中進路請求資源集完成進路資源征用的有效時間在完成進路征用總時間中所占的比例，即

(2)

式中：Time(i)為進路請求集Ri征用有效時間；Makespan為Gt_route中進路請求集征用總時間；Num(Gsw)、Num(Gvs)分別為列車作業(yè)道岔請求總數(shù)、虛擬信號請求總數(shù)。

為方便比較兩個模型結(jié)果，簡單規(guī)定若出現(xiàn)“賽跑問題”后需要重新進行變通進路選擇條件檢查，假設前次征用命令結(jié)束到再次征用命令發(fā)送的平均耗時為t；進路資源征用率RU計算時需要考慮基本進路、變通進路資源申請數(shù)目及進路資源重復數(shù)目，本文假定變通進路與基本進路資源申請數(shù)目均為N，進路資源重復數(shù)目為K；同時以征用成功耗時近似替代進路請求資源集的有效征用時間，將進路資源征用模型“賽跑問題”出現(xiàn)頻率近似為模型“賽跑問題”的出現(xiàn)概率。

根據(jù)修正前后模型仿真結(jié)果和“賽跑問題”出現(xiàn)概率計算性能指標，見表7。

表7 進路資源分配算法應用前后模型性能指標

前次征用命令結(jié)束到再次征用命令發(fā)送需經(jīng)過進路選擇條件檢查，因此需要進路列車與RMU、OC進行車地信息交互，本文設置的車地通信周期為300 ms，則t的取值范圍為t>300 ms。當t>300 ms時，進路資源征用模型的征用平均時間大于修正的進路資源征用模型征用平均時間；同時進路資源征用模型的資源征用效率小于修正的進路資源征用模型資源征用效率。因此，通過模型仿真分析，認為該進路資源分配算法可以有效避免車載中心化的多車進路過程中的“賽跑問題”，并能夠提升車載進路控制方案下的進路資源征用效率。

當然，實際多車進路控制過程中“賽跑問題”出現(xiàn)概率與站場進路資源競爭程度正相關(guān)，取決于較短時間內(nèi)列車征用進路資源沖突數(shù)量。當站內(nèi)列車作業(yè)數(shù)量較為頻繁，進路資源競爭程度增大時，采用集中式OC進路資源分配算法更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文針對車載中心化的列控系統(tǒng)進行了車載中心化的進路控制方法研究，主要包括以下方面：

(1)針對車載中心化的列控系統(tǒng)由車載設備自主實現(xiàn)進路控制的需求，利用車載設備控制OC方式提出一種車載中心化的列車進路控制方法。

(2)利用有色Petri網(wǎng)建立進路資源征用模型，通過模型仿真分析發(fā)現(xiàn)多車進路控制過程中潛在的“賽跑問題”。

(3)針對集中式OC提出一種進路資源分配算法來避免多車進路控制過程中的“賽跑問題”，通過仿真分析驗證其有效性，同時能夠提升車載中心化的進路控制方案下列車進路資源征用效率，保證站內(nèi)列車作業(yè)按照優(yōu)先級順序執(zhí)行。

本文對列車進路控制方面的研究，可為下一代列控系統(tǒng)中聯(lián)鎖上車方案相關(guān)規(guī)范的制定提供一定支撐。在下一步工作中，將進行調(diào)車進路控制方法設計和進路控制性能指標評估；在低密度線路實現(xiàn)完備的車載進路控制方法后，會嘗試將列車進路控制方法應用于CTCS標準等級線路。