区域控制器仿真子系统的研究

李凤华 刘晓娟

兰州交通大学自动化与电气工程学院,730070 兰州

*研究生 **教授

基于 WLAN的 CBTC(Communication Based Train Control)系统,包括地面区域控制中心、无线局域网通信系统、列车车载子系统 3个部分,是采用无线通信手段来确定列车位置的一种移动闭塞列车运行控制系统。相对于传统的以轨道电路为基础的固定闭塞列车运行控制系统,基于 WLAN的CBTC系统可以有效提高列车运行效率和安全性。因此,如何发展和完善 CBTC系统,使其成为适合我国路情,有效提高城市轨道交通运输能力的列车运行安全控制与防护系统,已经成为国内外众多学者关注的热点。鉴于区域控制器 (zone controller,简称 ZC)在功能研究方面文献较少,而它又是CBTC系统中的关键设备,负责实现列车安全间隔运行等,因此,开发功能更强大的区域控制器仿真系统也就尤为重要。

1 区域控制器概述

区域控制器是 CBTC系统的地面核心设备,设于地铁有岔站,可实现本站与相邻岔站的联锁和ATP控制。区域控制器的主要功能是对本区域内运行的列车进行管理,包括:列车登录、列车进入区域控制器控制、区域控制器对列车的正式管理等。在列车进入区域控制器的范围,或在故障后功能恢复时,经过第1个应答器,列车上的车载控制器VOBC向所在区域控制器进行登录,区域控制器会将其管理为预登录列车。当列车经过第 2个应答器时,获知了自己的位置和方向,此时,列车向区域控制器提出要进入该区域控制器控制的申请,在区域控制器为该列车提供 “移动授权 (Movement Authority,简称 MA)”后,该列车成为区域控制器的正式管理列车。当列车在区域控制器范围内运行时,区域控制器根据管辖区域范围内各列车的当前位置、速度及运行方向等因素,同时考虑列车进路、道岔状态、线路限速以及其他障碍物等条件,向列车发送 MA。MA为列车提供将要运行的进路及进路上的障碍物位置、状态等信息。车载控制器VOBC利用 MA中的信息,计算速度距离模式曲线,从而控制列车的运行。

2 ZC仿真子系统设计

2.1 软件总体结构图

ZC仿真子系统的软件主要由列车管理、MA生成和 ZC交接 3个功能模块组成。ZC仿真软件通过外部接口,实现和其他设备的数据交换,通过 SQL Server服务管理器从数据库读取信息。

区域控制器完成其关键功能,需要周期性地与 VOBC、CI、ATS、DSU等子系统进行信息交互,信息交互图如图1所示。

2.2 关键功能模块的实现

2.2.1 列车管理

图1 ZC与其他子系统间的信息交互

在 ZC管辖范围内不只存在一列列车,ZC根据收到位置报告信息中的车载设备识别号来区分不同的列车,从而获得不同列车的信息。在程序设计中,定义了一个结构体数组来存放具有不同车载设备识别号的列车数据和位置报告信息。ZC每收到一个位置报告就会遍历数组,比较结构体变量的成员 NID-TRAIN(用来存放车载设备识别号)和位置报告中的车载设备识别号是否相同,如果相同,就把原来的位置报告信息用新接收信息更新;如果不同,就说明发送位置报告的列车刚进入 ZC的管辖范围。车载设备向 ZC发出 MA请求后,ZC就根据车载设备的识别号调出相关列车的信息,然后结合线路情况和进路信息生成该列车的 MA。列车管理流程图如图2所示。

图2 列车管理流程图

2.2.2 MA生成

在程序中定义了一个名叫 MA的结构体,主要包括车载设备识别号、列车运行方向、列车安全前端距离、列车安全后端、前方列车位置、前方列车速度、前方车站识别号、距前方车站距离等信息。MA的具体含义如图3所示。当 ZC收到通过车载发送的 MA请求时,可根据车载设备识别号判断是哪辆列车发出的请求,找出该列车的位置,再根据位置报告中的列车安全后端信息,确定 MA的起始点,车载设备是根据无线扩频定位的方法来确定列车的位置。MA终点的确定方法如下。

图3 MA的含义

1.当列车在区间运行时,ZC根据前方列车的情况确定 MA的终点,根据车载设备发送过来的列车位置,通过调用数据库逐一检查前方有无列车。若有先行列车,则先行列车的安全后端为 MA的终点;若本站间区间内无先行列车,则可能是列车即将进站,或列车即将运行到 ZC/ZC的边界,列车 MA的终点是车站站界,或者开始 ZC交接过程,从而确定列车的 MA终点。

2.当列车在车站范围内运行,列车到达车站站界时,ZC向车站联锁设备申请进路,联锁将进路状态反馈给 ZC。如果车站联锁设备根据 ATS办理好列车进路,ZC发送给列车 MA的终点就是车站股道上列车停车的位置。

3.如果车站联锁设备未办理好列车进路,ZC发送给列车的 MA的终点就是进站进路始点,直到列车进路办理好为止。ZC通过 WLAN将列车 MA信息发送给车载设备,列车进站停车或等待进站;列车停车后,列车的 MA为所停股道长度;列车出站前,经由 ZC向车站联锁设备申请出站,如果车站联锁设备根据 ATS的列车进路办理好列车出站进路,ZC发送给列车的 MA的终点是前行列车尾端,列车可以启动出站。

4.如果车站联锁设备未办理好列车出站进路,ZC发送给列车的 MA的终点为列车所在股道末端,列车不允许出站,直到联锁办理好为止。

2.2.3 ZC交接

ZC切换功能模型实际上是 MA计算模型中的一部分,只是因为在 ZC切换过程中,MA计算相对于其他的 MA计算功能模块而言,需要考虑更多的条件和进行相应的处理。当给车载设备发送的MA的终点是 ZC交接点时,表明列车即将驶出该ZC的管辖范围,进入另一个 ZC的管辖区。为了保证列车不会出现没有 ZC管辖的情况,此时应进行 ZC/ZC交接。具体过程如下。

移交 ZC同时给车载设备和接管 ZC发送交接命令。给车载设备发送的交接命令包括,接管 ZC的标识号和电话号码,以及交接点的位置。车载设备收到交接命令后,应马上建立与接管 ZC的会晤。给移交 ZC发送的交接信息包括,将要进入接管ZC区域的列车识别号和当列车进入接管ZC区域时将通过的边界位置。接管ZC收到交接命令后,一直向移交ZC发送更新的边界点前方进路相关信息,这些信息主要是指临时限速和紧急消息。移交ZC收到这些进路相关信息后,就可以生成包含边界点的 MA。

需要注意的是:移交 ZC在收到接管 ZC发送的进路相关信息之前,MA终点最远只能给到边界点处。当 MA终点越过 ZC/ZC边界点时,车载设备同时向移交 ZC和接管 ZC发送一个位置报告,移交 ZC把此位置报告转发给接管 ZC,因为移交ZC不知道车载设备能同时处理 2个通信会晤。接管 ZC收到列车的 MA终点越过 ZC/ZC边界点的位置报告后,通知移交 ZC它已接管了列车的监督责任。移交 ZC接到此通知后,停止向进路发送进路相关的信息。当移交 ZC收到一个位置报告,并检测到列车的 MA终点越过 ZC/ZC边界点时,它应向车载设备发送一个断开链接的命令,由车载设备来执行拆链操作。交接过程如图4所示。

图4 ZC交接过程

2.2.4 ZC数据库的建立与调入

ZC要与数据库相互配合才能给管辖范围内的列车发送完整的 MA信息和线路参数,这就需要建立一个地面特征和地面坐标系信息系统数据库,此数据库主要包含的信息就是一些线路障碍物的坐标。内部数据库的建立采用 Microsoft SQL Server 2000。在程序初始化时,将数据库中的静态信息读入相应的结构体中,将数据库中的数据读入内存可以减小对数据库的重复调用,提高运行效率和速度。为了便于读取,在程序中采取结构体与数据库表中的名称一一对应关系。仿真开始时对需要的静态数据库表进行读取操作,读入提前定义好的结构体中,以便仿真程序使用。

3 ZC仿真子系统的实现

ZC仿真子系统基于 C++Builder 6.0环境开发,运行在 Windows XP环境下,程序设计利用了Windows环境编程。ZC仿真子系统的软件结构图如图 5所示。控制权的交接。

ZC仿真系统内各个模块同时运行,仿真子系统与车载、联锁等系统实时通信,完成列车在区间、车站内的运行和控制。

4 结束语

本文阐述了以 C++Builder 6.0为平台的 CBTC系统中 ZC仿真的具体实现过程,此仿真基于移动闭塞制式,采用 WLAN作为车-地通信媒介,适应目前城市轨道交通的发展方向,具有一定的现实意义,仿真过程是在实验室条件下进行的,对一些实际情况考虑得还不太周全,下一步将结合系统需求规范和功能需求规范以及实际情况对整个 ZC仿真子系统进行完善。

图5 ZC仿真子系统软件结构图

仿真进行过程中,利用C++Builder6.0提供的Timer控件,实现程序的周期性执行。仿真开始后,每个周期 ZC都与 VOBC、CI、ATS进行通信,并处理其收到的信息。ZC接收到 VOBC发送的登录请求信息时,列车进入登录状态,列车在行进一段距离后,向ZC发送申请进入ZC控制的请求,列车进入控制状态。在此期间,VOBC与 ZC之间通过空的报文保持链接,当 VOBC向 ZC发出MA请求后,列车进入区域控制器正式管理状态,此时列车按照 ZC发送的 MA运行,进入 MA生成模块,MA生成模块接收 VOBC发送的列车位置、列车运行方向信息,CI发送的进路及进路范围内的障碍物状态信息,以及数据库中的线路信息,按照移动闭塞原理进行 MA的计算,并发送给运行中的列车。当列车运行到 ZC边界时,相邻 ZC实现

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