耿 鵬 趙 鵬 聶宇威

(通號(hào)城市軌道交通技術(shù)有限公司,100070,北京)

在基于物理聯(lián)掛的靈活編組技術(shù)中,聯(lián)掛過程是由一列短編組列車處于靜止?fàn)顟B(tài),另一列短編組列車在ZC(區(qū)域控制器)的控制下通過低速撞擊實(shí)現(xiàn)兩列車的硬連接,從而聯(lián)掛成一列長(zhǎng)編組列車。雖然兩列短編組列車組合成了一列長(zhǎng)編組列車,但在列車運(yùn)行過程中,兩列短編組列車依然是兩個(gè)獨(dú)立的車載系統(tǒng),并且分別向ZC報(bào)告位置信息[1]。由于不同短編組列車通過相互獨(dú)立的鏈路與ZC通信,且無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在不確定性,因此兩個(gè)鏈路的通信延時(shí)具有隨機(jī)性。當(dāng)ZC接收到兩個(gè)VOBC(車載控制器)發(fā)送的位置信息時(shí),該位置信息可能出現(xiàn)重疊、錯(cuò)位、不連續(xù)等情況,即ZC接收的位置信息與編組列車實(shí)際位置不符[2]。因此,ZC需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施識(shí)別編組列車的位置變化,有效應(yīng)對(duì)ZC計(jì)算的列車位置信息無法覆蓋實(shí)體編組列車的風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)既有典型方案中,ZC對(duì)兩列車的位置報(bào)告管理以接收到的主控車安全包絡(luò)為基準(zhǔn)的問題,對(duì)安全包絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展,提出一種基于時(shí)延防護(hù)的編組列車安全包絡(luò)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展方式,通過實(shí)時(shí)計(jì)算并比較主控車和被控車的延時(shí)狀態(tài),選用延時(shí)較小的短編組列車進(jìn)行包絡(luò)擴(kuò)展,解決典型方案中主控車延時(shí)較大時(shí)編組列車安全包絡(luò)精度低的問題。通過仿真試驗(yàn)?zāi)M編組列車的走行過程,比較不同方案下ZC計(jì)算的列車位置信息。

1 編組列車位置關(guān)系場(chǎng)景分析

a) 編組列車安全包絡(luò)重疊

產(chǎn)生上述問題的原因均為兩列短編組列車與ZC通信延時(shí)存在異步性。在既有CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)中,列車走行過程的安全包絡(luò)應(yīng)具有連續(xù)性,即當(dāng)前時(shí)刻位置與歷史位置不應(yīng)發(fā)生突變[3],且基于包絡(luò)的追蹤方式?jīng)Q定了其安全包絡(luò)不會(huì)發(fā)生重疊,因此ZC一般直接采用列車的位置報(bào)告計(jì)算區(qū)段占用狀態(tài)并生成移動(dòng)授權(quán)。在支持靈活編組功能的CBTC系統(tǒng)中,若ZC依然直接采用列車發(fā)送的位置報(bào)告計(jì)算區(qū)段占用狀態(tài),可能由于兩列短編組列車通信延時(shí)差異較大,出現(xiàn)兩車之間存在空閑區(qū)段的情況,進(jìn)而誤導(dǎo)運(yùn)營(yíng)人員。此外,當(dāng)兩列車位置報(bào)告發(fā)生錯(cuò)序時(shí),會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)授權(quán)計(jì)算錯(cuò)誤,甚至產(chǎn)生嚴(yán)重后果[4]。因此ZC應(yīng)該采用相應(yīng)的技術(shù)措施識(shí)別編組列車的位置變化,有效應(yīng)對(duì)ZC計(jì)算的列車位置信息無法覆蓋實(shí)體編組列車的風(fēng)險(xiǎn)[5]。

2 典型編組列車安全包絡(luò)處理方案

一種典型編組列車安全包絡(luò)處理方案為,當(dāng)ZC接收到兩列短編組列車發(fā)送的位置報(bào)告時(shí),首先根據(jù)列車前后方機(jī)械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)確定編組列車的主控車和被控車,然后始終以編組列車主控車的安全包絡(luò)為基準(zhǔn),將其增加一個(gè)車長(zhǎng)的余量得到編組列車的初始安全包絡(luò),再將初始安全包絡(luò)的最小安全末端與被控車的最小安全末端進(jìn)行比較,取最嚴(yán)格的點(diǎn)更新為編組列車的最小安全末端,至此完成編組列車的安全包絡(luò)計(jì)算[6]。典型編組列車安全包絡(luò)處理方案示意圖如圖2所示。

a) 編組列車安全包絡(luò)重疊校正

綜上所述,既有典型方案中,ZC對(duì)編組列車安全包絡(luò)處理方式是將靈活編組列車當(dāng)作一列車進(jìn)行控制,通過短編組列車前后方機(jī)械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)識(shí)別列車安全包絡(luò)錯(cuò)序問題,確定編組列車主控車后,將主控車包絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展,解決列車安全包絡(luò)重疊、不連續(xù)等問題。該方案實(shí)現(xiàn)起來較為簡(jiǎn)單,既保證了編組列車的安全包絡(luò)能夠覆蓋列車實(shí)體,又保證了列車走行過程中安全包絡(luò)的連續(xù)性。但該方案存在列車包絡(luò)管理不精細(xì)問題,當(dāng)主控車與ZC通信延時(shí)較大時(shí),ZC處理后的編組列車安全包絡(luò)與該時(shí)刻列車實(shí)際所處位置偏差過大,位置管理較為粗糙。本文對(duì)既有典型方案進(jìn)行改進(jìn),提出了基于時(shí)延防護(hù)的編組列車安全包絡(luò)管理方案。

3 改進(jìn)編組列車安全包絡(luò)處理方案

ZC接收到的兩列短編組列車安全包絡(luò)與該時(shí)刻列車實(shí)際所處位置的偏差差異,記為ΔL,則有:

(1)

式中:

v1、v2——兩列短編組列車初始速度;

綜上所述,潤(rùn)光養(yǎng)生美容酒經(jīng)大鼠30天喂養(yǎng)后,并未發(fā)現(xiàn)與潤(rùn)光養(yǎng)生美容酒相關(guān)的亞急性毒性反應(yīng),為進(jìn)一步開發(fā)利用該酒提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

a1、a2——兩列短編組列車加速度;

t1、t2——兩列短編組列車與ZC通信延時(shí)值。

一般情況下,通常不考慮通信延時(shí)時(shí)間內(nèi)列車加速度的變化,根據(jù)最不利情況取最大加速度值進(jìn)行計(jì)算。由于兩列短編組列車通過機(jī)械鉤和電氣鉤實(shí)現(xiàn)物理聯(lián)掛,因此可忽略兩列短編組列車間速度和加速度的差異。由式(1)可知,兩列短編組列車與ZC之間的通信延時(shí)差異反映了ΔL,ΔL越小,則兩列短編組列車位置信息的直接可信度越接近。理想情況下,若ΔL恒等于0,則ZC無需附加處理,可直接使用兩列車發(fā)送的位置信息進(jìn)行區(qū)段占用狀態(tài)計(jì)算及生成移動(dòng)授權(quán)。但考慮實(shí)際情況,獲取列車與ZC的通信延時(shí)值是提高列車位置管理精度的前提。

3.1 計(jì)算通信延時(shí)

通過在VOBC與ZC之間交互延時(shí)計(jì)算參數(shù)可以獲取延時(shí)值。根據(jù)T/CAMET 04011.2—2018《城市軌道交通 基于通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(CBTC)互聯(lián)互通接口規(guī)范 第2部分:CBTC系統(tǒng)車地連續(xù)通信協(xié)議》,延時(shí)計(jì)算參數(shù)包括本方消息序列號(hào)、通信周期、對(duì)方消息序列號(hào)、收到上一條消息時(shí)本方序列號(hào),如表1所示。

表1 延時(shí)計(jì)算參數(shù)

參照表1,對(duì)于消息接收方,按照以下原則計(jì)算接收到消息的延時(shí)值。

1) 如果所收到的對(duì)方消息中RcvOppSN和PrevOwnSN這兩個(gè)字段均為默認(rèn)值,則認(rèn)為該消息中的應(yīng)用信息不可用;但應(yīng)記錄該消息頭中的CrntOwnSN字段,以及自己當(dāng)前的通信周期(或軟件周期)序號(hào),分別作為下次發(fā)給對(duì)方的消息頭中RcvOppSN和PrevOwnSN字段的內(nèi)容。

2) 若新收到的消息為NewRcvMsg,則該消息延時(shí)值Δt可以表示為(式中量的單位均為ms):

(2)

式中:

NCurrentOwnSN——當(dāng)前本方周期號(hào);

SNNewRcvMsg.RcvOppSN——新收到消息中的對(duì)方消息序列號(hào);

TPERIOD——當(dāng)前本方周期值;

SNNewRcvMsg.CrntOwnSN——新收到消息中的本方消息序列號(hào);

SNNewRcvMsg.PrevOwnSN——新收到消息中的收到上條消息時(shí)本方消息序列號(hào);

TNewRcvMsg.SnPrd——新收到消息中的通信周期。

式(2)表示的含義為通過收到消息中的回復(fù)本方“上一條”消息的時(shí)間戳(即RcvOppSN),計(jì)算出總延時(shí)值,再減去消息在對(duì)方設(shè)備內(nèi)的時(shí)間,從而得到雙向的傳輸延遲,將其作為最大傳輸延遲使用。

3.2 計(jì)算編組列車安全包絡(luò)

ZC首先根據(jù)列車前后方機(jī)械鉤、電氣鉤的連接狀態(tài)判斷編組列車的前后關(guān)系,確定主控車和被控車,以識(shí)別是否發(fā)生了錯(cuò)序,然后計(jì)算主控車和被控車的通信延時(shí)值,并進(jìn)行延時(shí)比較。主控車與ZC的通信延時(shí)值記為Δt1,被控車與ZC的通信延時(shí)值記為Δt2。改進(jìn)后的列車安全包絡(luò)錯(cuò)序校正示意圖如圖3所示。

圖3 改進(jìn)后的列車安全包絡(luò)錯(cuò)序校正示意圖

若滿足Δt1>Δt2,則認(rèn)為當(dāng)前被控車與ZC通信質(zhì)量較好,則應(yīng)以被控車的位置報(bào)告為基準(zhǔn),向前延伸一個(gè)車長(zhǎng),作為編組列車的初始安全包絡(luò)。若主控車的最大安全前端比編組列車初始安全包絡(luò)更靠前,則將主控車的最大安全前端更新為編組列車的安全包絡(luò)最大安全前端,否則應(yīng)將初始安全包絡(luò)作為編組列車的安全包絡(luò)。

若滿足Δt1≤Δt2,則認(rèn)為主控車與ZC通信質(zhì)量較好,則應(yīng)以主控車的位置報(bào)告為基準(zhǔn),向后延伸一個(gè)車長(zhǎng),作為編組列車的初始安全包絡(luò)。若被控車的最小安全末端比編組列車初始安全包絡(luò)更靠后時(shí),則將被控車的最小安全末端更新為編組列車的安全包絡(luò)最小安全末端,否則將初始安全包絡(luò)作為編組列車的安全包絡(luò)。

與典型方案相比,本文所提改進(jìn)方案能夠根據(jù)通信延時(shí)狀態(tài)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整編組列車的安全包絡(luò),而不是始終以主控車為基準(zhǔn),解決了典型方案中在主控車通信質(zhì)量不好的情況下,ZC計(jì)算的編組列車安全包絡(luò)精度差的問題。在保證ZC計(jì)算的編組列車安全包絡(luò)能夠覆蓋編組列車實(shí)體的前提下,所提方案能夠減小ZC接收的編組列車安全包絡(luò)與該時(shí)刻編組列車實(shí)際所處位置的偏差。

3.3 安全性分析

在CBTC系統(tǒng)中,列車安全包絡(luò)的準(zhǔn)確性是實(shí)現(xiàn)列車以移動(dòng)閉塞方式追蹤的前提,該準(zhǔn)確性體現(xiàn)在列車發(fā)送位置信息時(shí)刻,其發(fā)出的位置信息一定覆蓋列車實(shí)體,以及列車位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內(nèi)。在所提改進(jìn)方案中,無論是將主控車的安全包絡(luò)延伸一個(gè)車長(zhǎng)距離,還是將被控車的安全包絡(luò)延伸一個(gè)車長(zhǎng)距離,均能保證擴(kuò)展后的安全包絡(luò)覆蓋其發(fā)送位置信息時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的編組列車實(shí)體。同時(shí),通過設(shè)計(jì)延時(shí)計(jì)算參數(shù)獲取列車消息的延時(shí)值,可保證位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內(nèi)。因此,改進(jìn)后的方案可在保證安全的前提下提高編組列車的安全包絡(luò)管理精度。

4 兩種方案對(duì)比

與典型方案相比,所提改進(jìn)方案通過獲取編組列車VOBC與ZC之間的通信延時(shí)值,判斷兩列短編組列車位置信息的直接可信度,對(duì)編組列車的安全包絡(luò)計(jì)算由靜態(tài)擴(kuò)展方式轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)調(diào)整方式,在保證安全的前提下提高了列車位置管理精度。通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析,對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比研究。

一段采樣時(shí)間內(nèi),ZC計(jì)算的編組列車中兩列短編組列車位置信息的延時(shí)值如圖4所示。ZC接收到兩列短編組列車的位置信息時(shí),兩列短編組列車消息延時(shí)不相同的概率約為70%。

圖4 兩列短編組列車位置信息消息延時(shí)值

在列車以60 km/h勻速運(yùn)行過程中,理想情況編組列車位置、采用典型方案計(jì)算和采用改進(jìn)方案計(jì)算的編組列車位置對(duì)比,如圖5所示。

圖5 理想情況、典型方案和改進(jìn)方案的編組列車位置對(duì)比

典型方案中,ZC采取靜態(tài)擴(kuò)展主控車安全包絡(luò)的方式計(jì)算編組列車安全包絡(luò)。由于ZC始終以主控車為基準(zhǔn)擴(kuò)展包絡(luò),導(dǎo)致ZC計(jì)算的編組列車安全包絡(luò)與實(shí)際編組列車安全包絡(luò)的偏差是不固定的,完全取決于主控車與ZC的通信質(zhì)量。

采用改進(jìn)方案對(duì)上述編組列車包絡(luò)計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化后,ZC通過比較主控車和被控車的延時(shí)狀態(tài)動(dòng)態(tài)計(jì)算編組列車安全包絡(luò)。由于ZC不單獨(dú)依靠主控車擴(kuò)展包絡(luò),當(dāng)收不到主控車位置時(shí),可以使用當(dāng)前被控車位置處理,避免采用歷史信息導(dǎo)致位置報(bào)告無法及時(shí)更新的情況,解決了主控車通信質(zhì)量較差時(shí)安全包絡(luò)精度低的問題,進(jìn)一步提升了ZC控制列車的精細(xì)程度,尤其在列車安全包絡(luò)跨計(jì)軸邊界時(shí),降低了ZC對(duì)相鄰區(qū)段列車追蹤的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前靈活編組線路中兩列短編組列車分別與ZC通信的特點(diǎn),本文對(duì)目前采用靜態(tài)擴(kuò)展編組列車安全包絡(luò)的方式進(jìn)行了改進(jìn),通過設(shè)計(jì)延時(shí)計(jì)算參數(shù),提出了基于時(shí)延防護(hù)的編組列車動(dòng)態(tài)安全包絡(luò)管理方法。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,所提改進(jìn)方案可以提高編組列車安全包絡(luò)的精度,優(yōu)化列車位置管理,對(duì)于提高靈活編組線路中的列車追蹤效率有一定的參考價(jià)值。