姜慶陽，劉海祥，馮浩楠，柴金川

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所,北京 100081; 2.國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,北京 100081; 3.國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心,北京 100015)

基于通信的列車控制(CBTC,Communication Based Train Control)是一種基于移動(dòng)閉塞的列車運(yùn)行控制技術(shù),廣泛應(yīng)用于我國(guó)城市軌道交通信號(hào)控制領(lǐng)域。計(jì)軸設(shè)備是CBTC系統(tǒng)中保證行車安全的基礎(chǔ)設(shè)備之一[1-2],計(jì)軸信息與列車位置的融合是CBTC系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[3-5],與CBTC系統(tǒng)的安全性和效率密切相關(guān)[6-7],計(jì)軸信息與列車位置融合的主流方案是由區(qū)域控制中心(ZC,Zone Controller)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的[8-11]。

由于具有高集成、體積小、易維護(hù)的優(yōu)點(diǎn),全電子化的聯(lián)鎖(CI,Computer Interlocking)系統(tǒng)取代基于繼電接口方式的CI系統(tǒng)已成為CBTC系統(tǒng)發(fā)展的基本趨勢(shì)之一[12-16],計(jì)軸設(shè)備與CI系統(tǒng)的信息交換方式也由繼電接口方式變更為通信接口方式。在項(xiàng)目實(shí)施的過程中發(fā)現(xiàn),計(jì)軸設(shè)備采用通信接口方式增加了ZC系統(tǒng)獲取計(jì)軸信息的時(shí)延,影響了ZC系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì),因此,分析計(jì)軸信息傳輸過程中時(shí)延較大的環(huán)節(jié),并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,具有非常重要的意義。

1 計(jì)軸信息的數(shù)據(jù)流圖

在主流的CBTC系統(tǒng)中,計(jì)軸設(shè)備與CI系統(tǒng)相連,CI系統(tǒng)將計(jì)軸設(shè)備采集的軌道占用信息處理后再傳遞給ZC系統(tǒng)和ATS(Automatic Train Supervision)系統(tǒng)[17],ZC系統(tǒng)收到CI系統(tǒng)發(fā)送的計(jì)軸信息后,將控制區(qū)域邊界的計(jì)軸信息發(fā)送給相鄰ZC系統(tǒng)。

計(jì)軸設(shè)備與ATS系統(tǒng)之間采用通信方式進(jìn)行接口的方案已有分析和研究[18],本文不再敷述,計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流如圖1所示。

圖1 計(jì)軸信息數(shù)據(jù)流

基于數(shù)據(jù)流圖,計(jì)軸信息傳遞到對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)的過程劃分為2個(gè)階段。

(1)第1階段:計(jì)軸設(shè)備將計(jì)軸信息發(fā)送給CI系統(tǒng)。

(2)第2階段:CI系統(tǒng)將計(jì)軸信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)。

計(jì)軸信息傳遞到相鄰ZC系統(tǒng)的過程劃分為3個(gè)階段。

(1)第1階段:計(jì)軸設(shè)備將計(jì)軸信息發(fā)送給CI系統(tǒng)。

(2)第2階段:CI系統(tǒng)將計(jì)軸信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)。

(3)第3階段:對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)將邊界計(jì)軸信息發(fā)送給相鄰ZC系統(tǒng)。

將計(jì)軸信息傳輸至ZC系統(tǒng)的各個(gè)階段時(shí)延相加,即可得到ZC系統(tǒng)所用計(jì)軸信息的時(shí)延。

2 計(jì)軸信息時(shí)延分析

當(dāng)計(jì)軸設(shè)備與CI系統(tǒng)之間使用繼電接口方式時(shí),ZC系統(tǒng)計(jì)軸信息的傳輸時(shí)延組成如表1所示。

表1 繼電接口方式時(shí)計(jì)軸信息時(shí)延組成

當(dāng)計(jì)軸設(shè)備與CI系統(tǒng)之間使用通信接口方式時(shí),ZC系統(tǒng)計(jì)軸信息的傳輸時(shí)延組成如表2所示。

表2 通信接口方式時(shí)計(jì)軸信息時(shí)延組成

計(jì)軸信息在各個(gè)設(shè)備之間傳遞時(shí),影響其時(shí)延的參數(shù)很多,如設(shè)備運(yùn)行周期、設(shè)備通信周期、通信板卡處理時(shí)間、系統(tǒng)倒機(jī)切換時(shí)間等。另外,各個(gè)設(shè)備都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的,均有各自的時(shí)鐘,各個(gè)設(shè)備的時(shí)鐘也難以同步,很難基于統(tǒng)一的時(shí)鐘對(duì)信息時(shí)延進(jìn)行較精確的測(cè)定,各設(shè)備之間的信息時(shí)延只能依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗略估計(jì)。在進(jìn)行計(jì)軸信息時(shí)延估計(jì)時(shí),各參數(shù)取值如下:

(1)計(jì)軸設(shè)備的處理周期和通信周期取值為200 ms;

(2)CI系統(tǒng)的處理周期和通信周期取值為300 ms;

(3)ZC系統(tǒng)的處理周期和通信周期取值為400 ms;

(4)各設(shè)備通信板卡的處理周期取值為100 ms;

(5)“計(jì)軸設(shè)備驅(qū)動(dòng)繼電器時(shí)延+CI系統(tǒng)采集繼電器狀態(tài)時(shí)延”取值為500 ms。

在系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)時(shí),通常使用“較小時(shí)延”、“正常時(shí)延”和“最大時(shí)延”3個(gè)參數(shù)來描述兩個(gè)設(shè)備之間的信息時(shí)延情況,用于對(duì)信息時(shí)延的安全性評(píng)估和信息傳遞效率評(píng)估,當(dāng)采用通信方式時(shí):

(1)較小時(shí)延通常按照“發(fā)送方處理周期/4+發(fā)送方通信周期/4+50 ms+通信板卡處理周期/4+接收方處理周期/4”估計(jì);

(2)正常時(shí)延通常按照“發(fā)送方處理周期/2+發(fā)送方通信周期/2+50 ms+通信板卡處理周期/2+接收方處理周期/2”估計(jì);

(3)最大時(shí)延通常按照“發(fā)送方處理周期+發(fā)送方通信周期+50 ms+通信板卡處理周期+接收方處理周期”估計(jì)。

依據(jù)上述估計(jì)參數(shù)和估計(jì)方法,計(jì)軸信息傳遞的各個(gè)階段時(shí)延估計(jì)如表3所示。

表3 各階段時(shí)延估計(jì) ms

設(shè)備實(shí)際使用的估計(jì)時(shí)延按照中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)T/CAMET 04010系列互聯(lián)互通接口文件中定義的時(shí)延估計(jì)相關(guān)字段和估計(jì)方法進(jìn)行估計(jì)[19-22],按照此方法估計(jì)的信息時(shí)延約為設(shè)備間的雙向時(shí)延與通信目的設(shè)備的處理周期之和,ZC系統(tǒng)的計(jì)軸信息時(shí)延估計(jì)如表4所示。

表4 計(jì)軸信息時(shí)延估計(jì) ms

由表4可見,當(dāng)計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)的接口方式由繼電方式改為通信方式后:

(1)ZC系統(tǒng)本控區(qū)范圍內(nèi)計(jì)軸信息的較小時(shí)延和正常時(shí)延小幅增加;

(2)ZC系統(tǒng)相鄰ZC邊界的計(jì)軸信息最大時(shí)延增加較多且絕對(duì)值比較大。

由于計(jì)軸系統(tǒng)、CI系統(tǒng)及ZC系統(tǒng)均為成熟設(shè)備,設(shè)備處理周期、設(shè)備通信周期及通信板卡的處理時(shí)間可調(diào)整范圍有限,因此,考慮對(duì)各設(shè)備間的接口方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)直接接口

計(jì)軸設(shè)備支持通信接口方式為計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)直接接口提供了便利條件,對(duì)計(jì)軸設(shè)備接入CBTC系統(tǒng)的方案進(jìn)行改進(jìn),計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)增加直接接口,計(jì)軸信息不再需要經(jīng)過CI系統(tǒng)或相鄰ZC系統(tǒng)到達(dá)目的ZC系統(tǒng),改進(jìn)接口方案后的計(jì)軸信息數(shù)據(jù)流如圖2所示。

圖2 改進(jìn)接口方案后的計(jì)軸信息流

計(jì)軸信息無論是傳送至對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)還是相鄰ZC系統(tǒng),都僅需要1個(gè)階段,按照第2節(jié)時(shí)延的估計(jì)方法和估計(jì)參數(shù),改進(jìn)方案后通信接口方式計(jì)軸信息時(shí)延估計(jì)如表5所示。

表5 改進(jìn)方案后通信接口方式計(jì)軸信息時(shí)延估計(jì) ms

與表4相比可知,方案改進(jìn)后,ZC系統(tǒng)本控區(qū)計(jì)軸信息時(shí)延和相鄰ZC邊界計(jì)軸信息時(shí)延都大幅度減少,估計(jì)的本控區(qū)計(jì)軸信息時(shí)延減少0.9～2.4 s,相鄰ZC邊界計(jì)軸信息時(shí)延減少2～5.5 s。

4 計(jì)軸信息時(shí)延仿真

4.1 仿真方案

按照?qǐng)D3所示模型,對(duì)計(jì)軸設(shè)備信息至對(duì)應(yīng)CI系統(tǒng)(ta),計(jì)軸設(shè)備信息至對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)(經(jīng)過CI系統(tǒng),tb),計(jì)軸設(shè)備信息至相鄰ZC系統(tǒng)(經(jīng)過CI系統(tǒng)和ZC系統(tǒng),tc),計(jì)軸設(shè)備信息至對(duì)應(yīng)ZC系統(tǒng)(采用通信方式直接接口,td)的時(shí)延進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,仿真時(shí)各設(shè)備估計(jì)參數(shù)使用第2節(jié)采用的數(shù)值。

圖3 仿真模型示意

4.2 仿真結(jié)果

按照仿真模型,模擬各設(shè)備間通信100 000次,取得仿真數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,結(jié)果如表6所示。

表6 計(jì)軸信息時(shí)延統(tǒng)計(jì) ms

采用計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)直接接口的方案后,ZC系統(tǒng)所用的計(jì)軸信息時(shí)延明顯減小,為1.0～2.4 s,與估計(jì)的結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)論

相比計(jì)軸設(shè)備只與CI系統(tǒng)接口的方案,計(jì)軸設(shè)備與ZC系統(tǒng)增加直接接口的方案簡(jiǎn)化了計(jì)軸信息的數(shù)據(jù)流,明顯減小了ZC系統(tǒng)計(jì)軸信息時(shí)延,優(yōu)化了CBTC系統(tǒng)參數(shù),為ZC系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐,需要在ZC系統(tǒng)后續(xù)研發(fā)及工程實(shí)施過程中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。