基于時延防護的編組列車安全包絡管理方法*

耿 鵬 趙 鵬 聶宇威

(通號城市軌道交通技術有限公司,100070,北京)

在基于物理聯掛的靈活編組技術中,聯掛過程是由一列短編組列車處于靜止狀態,另一列短編組列車在ZC(區域控制器)的控制下通過低速撞擊實現兩列車的硬連接,從而聯掛成一列長編組列車。雖然兩列短編組列車組合成了一列長編組列車,但在列車運行過程中,兩列短編組列車依然是兩個獨立的車載系統,并且分別向ZC報告位置信息[1]。由于不同短編組列車通過相互獨立的鏈路與ZC通信,且無線通信網絡結構存在不確定性,因此兩個鏈路的通信延時具有隨機性。當ZC接收到兩個VOBC(車載控制器)發送的位置信息時,該位置信息可能出現重疊、錯位、不連續等情況,即ZC接收的位置信息與編組列車實際位置不符[2]。因此,ZC需要采取相應的技術措施識別編組列車的位置變化,有效應對ZC計算的列車位置信息無法覆蓋實體編組列車的風險。

針對既有典型方案中,ZC對兩列車的位置報告管理以接收到的主控車安全包絡為基準的問題,對安全包絡進行擴展,提出一種基于時延防護的編組列車安全包絡動態擴展方式,通過實時計算并比較主控車和被控車的延時狀態,選用延時較小的短編組列車進行包絡擴展,解決典型方案中主控車延時較大時編組列車安全包絡精度低的問題。通過仿真試驗模擬編組列車的走行過程,比較不同方案下ZC計算的列車位置信息。

1 編組列車位置關系場景分析

a) 編組列車安全包絡重疊

產生上述問題的原因均為兩列短編組列車與ZC通信延時存在異步性。在既有CBTC(基于通信的列車控制)系統中,列車走行過程的安全包絡應具有連續性,即當前時刻位置與歷史位置不應發生突變[3],且基于包絡的追蹤方式決定了其安全包絡不會發生重疊,因此ZC一般直接采用列車的位置報告計算區段占用狀態并生成移動授權。在支持靈活編組功能的CBTC系統中,若ZC依然直接采用列車發送的位置報告計算區段占用狀態,可能由于兩列短編組列車通信延時差異較大,出現兩車之間存在空閑區段的情況,進而誤導運營人員。此外,當兩列車位置報告發生錯序時,會導致移動授權計算錯誤,甚至產生嚴重后果[4]。因此ZC應該采用相應的技術措施識別編組列車的位置變化,有效應對ZC計算的列車位置信息無法覆蓋實體編組列車的風險[5]。

2 典型編組列車安全包絡處理方案

一種典型編組列車安全包絡處理方案為,當ZC接收到兩列短編組列車發送的位置報告時,首先根據列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態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為基準,將其增加一個車長的余量得到編組列車的初始安全包絡,再將初始安全包絡的最小安全末端與被控車的最小安全末端進行比較,取最嚴格的點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計算[6]。典型編組列車安全包絡處理方案示意圖如圖2所示。

a) 編組列車安全包絡重疊校正

綜上所述,既有典型方案中,ZC對編組列車安全包絡處理方式是將靈活編組列車當作一列車進行控制,通過短編組列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態識別列車安全包絡錯序問題,確定編組列車主控車后,將主控車包絡進行擴展,解決列車安全包絡重疊、不連續等問題。該方案實現起來較為簡單,既保證了編組列車的安全包絡能夠覆蓋列車實體,又保證了列車走行過程中安全包絡的連續性。但該方案存在列車包絡管理不精細問題,當主控車與ZC通信延時較大時,ZC處理后的編組列車安全包絡與該時刻列車實際所處位置偏差過大,位置管理較為粗糙。本文對既有典型方案進行改進,提出了基于時延防護的編組列車安全包絡管理方案。

3 改進編組列車安全包絡處理方案

ZC接收到的兩列短編組列車安全包絡與該時刻列車實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,潤光養生美容酒經大鼠30天喂養后,并未發現與潤光養生美容酒相關的亞急性毒性反應,為進一步開發利用該酒提供了基礎理論依據。

a1、a2——兩列短編組列車加速度;

t1、t2——兩列短編組列車與ZC通信延時值。

一般情況下,通常不考慮通信延時時間內列車加速度的變化,根據最不利情況取最大加速度值進行計算。由于兩列短編組列車通過機械鉤和電氣鉤實現物理聯掛,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送的位置信息進行區段占用狀態計算及生成移動授權。但考慮實際情況,獲取列車與ZC的通信延時值是提高列車位置管理精度的前提。

3.1 計算通信延時

通過在VOBC與ZC之間交互延時計算參數可以獲取延時值。根據T/CAMET 04011.2—2018《城市軌道交通 基于通信的列車運行控制系統(CBTC)互聯互通接口規范 第2部分:CBTC系統車地連續通信協議》,延時計算參數包括本方消息序列號、通信周期、對方消息序列號、收到上一條消息時本方序列號,如表1所示。

表1 延時計算參數

參照表1,對于消息接收方,按照以下原則計算接收到消息的延時值。

1) 如果所收到的對方消息中RcvOppSN和PrevOwnSN這兩個字段均為默認值,則認為該消息中的應用信息不可用;但應記錄該消息頭中的CrntOwnSN字段,以及自己當前的通信周期(或軟件周期)序號,分別作為下次發給對方的消息頭中RcvOppSN和PrevOwnSN字段的內容。

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

(2)

式中:

NCurrentOwnSN——當前本方周期號;

SNNewRcvMsg.RcvOppSN——新收到消息中的對方消息序列號;

TPERIOD——當前本方周期值;

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

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

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本方“上一條”消息的時間戳(即RcvOppSN),計算出總延時值,再減去消息在對方設備內的時間,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 計算編組列車安全包絡

ZC首先根據列車前后方機械鉤、電氣鉤的連接狀態判斷編組列車的前后關系,確定主控車和被控車,以識別是否發生了錯序,然后計算主控車和被控車的通信延時值,并進行延時比較。主控車與ZC的通信延時值記為Δt1,被控車與ZC的通信延時值記為Δt2。改進后的列車安全包絡錯序校正示意圖如圖3所示。

圖3 改進后的列車安全包絡錯序校正示意圖

若滿足Δt1>Δt2,則認為當前被控車與ZC通信質量較好,則應以被控車的位置報告為基準,向前延伸一個車長,作為編組列車的初始安全包絡。若主控車的最大安全前端比編組列車初始安全包絡更靠前,則將主控車的最大安全前端更新為編組列車的安全包絡最大安全前端,否則應將初始安全包絡作為編組列車的安全包絡。

若滿足Δt1≤Δt2,則認為主控車與ZC通信質量較好,則應以主控車的位置報告為基準,向后延伸一個車長,作為編組列車的初始安全包絡。若被控車的最小安全末端比編組列車初始安全包絡更靠后時,則將被控車的最小安全末端更新為編組列車的安全包絡最小安全末端,否則將初始安全包絡作為編組列車的安全包絡。

與典型方案相比,本文所提改進方案能夠根據通信延時狀態實時動態調整編組列車的安全包絡,而不是始終以主控車為基準,解決了典型方案中在主控車通信質量不好的情況下,ZC計算的編組列車安全包絡精度差的問題。在保證ZC計算的編組列車安全包絡能夠覆蓋編組列車實體的前提下,所提方案能夠減小ZC接收的編組列車安全包絡與該時刻編組列車實際所處位置的偏差。

3.3 安全性分析

在CBTC系統中,列車安全包絡的準確性是實現列車以移動閉塞方式追蹤的前提,該準確性體現在列車發送位置信息時刻,其發出的位置信息一定覆蓋列車實體,以及列車位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內。在所提改進方案中,無論是將主控車的安全包絡延伸一個車長距離,還是將被控車的安全包絡延伸一個車長距離,均能保證擴展后的安全包絡覆蓋其發送位置信息時刻所對應的編組列車實體。同時,通過設計延時計算參數獲取列車消息的延時值,可保證位置信息的新鮮度在可容忍的閾值范圍內。因此,改進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管理精度。

4 兩種方案對比

與典型方案相比,所提改進方案通過獲取編組列車VOBC與ZC之間的通信延時值,判斷兩列短編組列車位置信息的直接可信度,對編組列車的安全包絡計算由靜態擴展方式轉換為動態調整方式,在保證安全的前提下提高了列車位置管理精度。通過試驗及數據分析,對兩種方案進行對比研究。

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

圖4 兩列短編組列車位置信息消息延時值

在列車以60 km/h勻速運行過程中,理想情況編組列車位置、采用典型方案計算和采用改進方案計算的編組列車位置對比,如圖5所示。

圖5 理想情況、典型方案和改進方案的編組列車位置對比

典型方案中,ZC采取靜態擴展主控車安全包絡的方式計算編組列車安全包絡。由于ZC始終以主控車為基準擴展包絡,導致ZC計算的編組列車安全包絡與實際編組列車安全包絡的偏差是不固定的,完全取決于主控車與ZC的通信質量。

采用改進方案對上述編組列車包絡計算方法進行優化后,ZC通過比較主控車和被控車的延時狀態動態計算編組列車安全包絡。由于ZC不單獨依靠主控車擴展包絡,當收不到主控車位置時,可以使用當前被控車位置處理,避免采用歷史信息導致位置報告無法及時更新的情況,解決了主控車通信質量較差時安全包絡精度低的問題,進一步提升了ZC控制列車的精細程度,尤其在列車安全包絡跨計軸邊界時,降低了ZC對相鄰區段列車追蹤的影響。

5 結語

針對當前靈活編組線路中兩列短編組列車分別與ZC通信的特點,本文對目前采用靜態擴展編組列車安全包絡的方式進行了改進,通過設計延時計算參數,提出了基于時延防護的編組列車動態安全包絡管理方法。通過試驗數據對比,所提改進方案可以提高編組列車安全包絡的精度,優化列車位置管理,對于提高靈活編組線路中的列車追蹤效率有一定的參考價值。