列车控制无线通信网络仿真

菅原宏之：日本铁道综合技术研究所，列车控制 副主任研究员

中村一城：日本铁道综合技术研究所，通信 副主任研究员

信息通信技术及其应用稳步发展，铁路领域正在运用此项技术进行革新系统的尝试。在列车的行车控制方面，无线传输技术的系统开发与应用正朝着提高系统可靠性、灵活运用性和降低维护成本的方向发展。

为加快新系统的开发，需大力推进研发一种仿真器，可对运用无线技术的列车控制系统中通信网络的可靠性与稳定性进行评估。以下对此仿真器进行介绍。

运用无线技术的列车控制系统

铁道综合技术研究所开发了运用无线技术的列车控制系统，简称CARAT（Computer And Radio Aided Train control system）。

CARAT系统中，每辆列车能够实现自主定位，再通过无线网络把定位信息传至地面设备。地面设备接收各列车发送的定位信息，再追踪每辆列车。地面设备与沿线的道岔及道口等设备交换信息，并监视和控制这些设备的运行状态。地面设备根据各列车的位置及沿线设备的状态，判断各列车的安全运行区间，通过无线网络向各列车传送停车目标位置信息。各列车根据自带的线路数据（限制速度、坡度等信息）和制动功能，设定安全行至停车目标距离所需的连续速度安全模式。如果走行速度超过安全速度模式，列车将自动减速。

1985年前后开始了CARAT核心技术的开发工作，在构筑现场试验系统和进行运行试验后，于1998年基本完成技术开发工作。现在取得的成果基础上，大力开发基于多种信息的新型列车控制系统。

仿真器的必要性

利用无线技术的列车控制系统，通过在地面与列车之间运用无线技术交换安全相关的控制信息，构成列车运行系统。所以此部分需要构建高可靠性的无线通信系统。为使无线通信高效、稳定地发挥作用，需要考虑供电、通信距离、噪音、空间的传输损耗等因素，来决定采用与无线系统相关的各种方法和技术。

在无线电路设计中采用的方法，根据运用无线电路系统的目的及用途而有所不同。不仅如此，即使是同一系统，根据引进场所的规模也有所不同。引进既有系统需要改变无线频率和环境条件。开发全新系统和引进既有系统，都应参考过去的经验及类似案例。此设计存在的问题，包括需要大量劳动力以及无法进行高精度设计等。

另一方面，地面设备与沿线的道岔和道口等各式设备相连并交换信息，同时还与其他的地面设备相连并交换信息，管理整个线路区间。由于线路区间上车站的规模以及沿线各所设备数量有所不同，网络规模也有所变化。网络构成后使用系统，需要调查网络的性能，如调查设备的处理能力、信息的传送量、错误发生率，以及是否存在由此引起的一些故障等。实际上构成系统后再进行研究调查是极大的负担。为尽量减少负担，推进高效的系统设计，故决定开发仿真器。

仿真图像

在仿真器中输入初期设定，包括系统的网络构成、线路数据与列车的运行模式、沿线建筑物等环境条件。进入仿真模式后，模拟列车按照运行模式在设定区间内运行，地面设备与列车间的信息交换得以实现。此外，地面设备与沿线设备间的信息交换也得以实现，仿真器记录这一系列信息交换的内容。从记录中，确认模拟列车的运行区间中信息的传输错误发生位置以及随之产生的系统功能停止的位置，以检验网络存在的问题。

地面设备与列车间能通过无线传输信息，这是仿真器的重要部分。考虑到实际列车运行时伴随的电波传输环境，正确再现其特性是非常必要的。因此构建了无线传输回路模型。

无线传输回路模型

无线传输回路模型旨在成为不仅适用于使用无线技术的列车控制系统，还适用铁路沿线通用系统。此系统在构筑时注重了应用的广泛性。符合把通信功能划分为阶层构造的OSI标准参照模式，无线传输回路子模型充当物理媒质和物理层，充当数据传输器的无线传输控制子模式的3层构造来构建模式。

无线传输控制子模型与无线传输回线子模型通过把待评估系统的技术予以程序化，从而基本再现其工作过程。另一方面，无线传输线路子模型反映无线的传输特性与噪音的混入情况，其构成要素也是自然现象。这种子模型反映铁路固有环境的相关条件，在此条件下，电波传输方面，线路构造与车站建筑会产生影响；噪音方面，伴随列车运行会产生辐射。尤其是铁路沿线的噪音，根据列车运行状态的不同，噪音的强度与发生频率会有很大变化。据此，通过对列车运行发出的噪音进行实际监测，能够模拟铁路特有噪音的发生频率。

在电波传输方面，在现行线路设计中使用的经验公式基础上加上传输损耗的推算方法，得出传输损耗，并模拟信号波强度的衰减, 以此验证实测值以及其他电波传输仿真软件的计算结果。此外，从载波频率和运行速度的角度可以考虑伴随列车运行产生的传输损耗的时间性变化。

伴随列车运行产生的噪音，分为①建筑物及噪音源较多的城市和②建筑物及噪音源较少的郊区，对运行在①②的线路区间和只在②的线路区间内的噪音强度进行了测试。

通过地面测试，测得的噪音强度为噪音电力密度。噪音电力密度表示输入接收机器每单位赫兹的噪音电力的数值，噪音的振幅若按照正态分布，则噪音振幅的分散相当于噪音电力密度。

测试结果显示，地面方面，伴随列车通过无线基站接收的噪音电力密度、产生时间间隔和产生持续时间长度会发生变化。另外，列车方面，在“停车”、“惰行”、“牵引运行·制动”3种状态下，噪音强度发生变化。基于测试结果，得出噪音的产生模式。通过把该模式参数化后编入模拟器，从而模拟铁路环境下的噪音。

仿真器的结构

在初期设定输入部中设定网络构成、列车运行模式、沿线环境条件等实行仿真所必需的参数。在装置工作模拟部中，模拟道岔及道口等沿线设备的工作及列车的运行。列车运行方面，在运行模式下，“停车”、“惰行”、“牵引运行·制动”3种状态和位置、速度等信息输出后，地面和列车的各装置开始工作。考虑到数据传输速度及其延迟时间、错误率等，各装置间的信息发送使用有线传输处理和无线传输处理。特别在无线传输部分模拟无线传输线路模式的传输特性及噪音产生，再现铁路的固有环境。此外，还记录信息的传输量、错误数量和收发信息量等网络性能评估所需的项目及各装置的工作结果。这些记录在结果处理部中进行整理。

仿真器是利用OMNeT++/OMNEST进行研发的。此软件称为对象指向的离散型Event Network Simulation Framework，备有进行网络仿真所需的基础构成部分——网络模型。利用此种模型定义运用无线技术的列车控制系统的网络构成，把进行仿真所需的各装置的具体工作程序化。此外OMNeT++是用于学术研究的免费软件的名称，OMNEST是商用版的名称。

仿真器的工作原理

正在开发中的仿真器，把利用无线技术的列车控制系统的地面设备到车载设备的工作全部程序化。利用无线技术的列车控制系统的地面设备由据点装置和现场装置构成，两个装置间通过开关进行连接。现场装置与无线基站连接。车载设备中，包括车载无线电台与车载控制装置。

进行仿真时，从据点装置向车载控制装置传输信息。车载控制装置接收信息后，按规定程序处理，然后向据点装置做出应答。无线基站向车载无线电台传送信息。

模拟列车在设定的区间运行，待仿真结束后，记录下仿真结果。从据点装置向车载控制装置传送信息，车载控制装置又向据点装置返回信息，这一系列的信息交换情况可以得以把握，同时，还可确认各装置接收、发送信息的时间。

结束语

以上介绍了正在开发的仿真器。今后，为更加准确再现系统，应通过与实际系统工作进行比较、检验，提高仿真器的实用性。通过仿真器，可以评估通信网络的可靠性和稳定性，旨在对系统开发阶段构筑有效的网络设计和基础设施方面有所帮助。

仿真器除使用在无线技术的列车控制系统外，还计划将它使用在运行管理系统及其他含有通信网络的系统，推动其向有利于构筑更加优质的通信基础设施的工具方向发展。