基于列车主体性的RBC越区切换模型

潘 登，梅 萌，郑应平

(同济大学电子与信息工程学院，上海200092)

1 引 言

RBC(Radio Block Center)切换是车—地之间大规模数据连续、可靠双向传输的瓶颈，对列车安全、高效运行影响至巨.文献［1］研究了 ETCS(European Train Control System)系统RBC切换过程中车—地无线通信问题，分析了列车运行速度、列车位置报告周期对列车时间间隔的影响，给出对应的列车安全间距指标;文献［2］建立了RBC交接失败概率模型，分析了列车运行速度、RBC重叠范围对交接成功概率的影响;文献［3］研究安全数据通信在越区切换时的传输可靠性，给出列车速度与越区切换成功率的关系，以及越区切换时间与越区切换成功率之间的关系;文献［4］对高速列车在移动闭塞条件下越区切换的无线通信进行形式化建模和可靠性分析，并给出对通信故障定位的表示方法.文献［5］研究了ETCS系统GSM-R无线通信信道的可靠性，并分析了列车越区切换时的通信问题.上述文献对高速列车运行控制理论与应用技术的不断完善起到了有力地推动作用，但RBC切换过程中列车移动授权(Movement Authority，MA)的计算还主要依赖地面RBC来完成，列车主体性没有得到更充分的体现，移动授权的计算效率也有待进一步提高.本文在上述既有成果的基础上，拟深入研究基于列车主体性的RBC切换模型，为进一步提高列车运行的安全性和行车效率作一些有益的探索.

2 当前RBC切换模式及其分析

高速列车越区RBC切换场景，如图1所示.当列车越过RBC(i)管辖区域进入与之相邻的RBC(i+1)管辖区域时，进路信息的直接提供者也相应地由RBC(i)切换为RBC(i+1).

图1 高速列车越区RBC切换场景示意图Fig.1 RBC handover scene of high speed train

2.1 切换过程中车—地通信协议的动态实现

高速列车在越区切换时，车—地通信遵循RBC 切换协议 A 或 B［4，6］.鉴于 UML 顺序图难以准确刻画车—地通信的并发行为，这里采用Petri网描述列车越区切换过程车—地通信协议动态实现的一般过程，如图2所示.

对于切换协议A，车载双电台可与RBC(i)、RBC(i+1)分别进行通信会话.列车在预告应答器的前方行驶时，RBC(i)负责向列车发送移动授权;列车前端经过预告应答器，即通过电台1向RBC(i)报告;RBC(i)向列车下达切换命令，包括RBC切换地点、RBC(i+1)的ID及Net ID等信息，并向RBC(i+1)发送交接预告和请求进路信息;同时，电台2根据 RBC(i+1)的 ID和 Net ID向RBC(i+1)发起通信会话请求，直至建立通信链路;而RBC(i+1)向RBC(i)发送进路相关信息，并由RBC(i)生成新的移动授权，发送给电台1;列车前端通过执行应答器时，通过电台1、2分别通知RBC(i)、RBC(i+1)，但 RBC(i)仍向 RBC(i+1)发送“列车前端经过执行应答器”的信息(作为一种冗余措施，在电台2故障时自动切换为协议B);接着，电台 1、2 分别与 RBC(i)、RBC(i+1)进行相应的通信业务，以实现RBC切换:RBC(i)在列车尾部越过执行应答器时，进行会话管理，结束与电台1的通信，注销列车管辖记录;RBC(i+1)与电台2通信，并接管列车.

对于切换协议B，由于车载单电台不能与RBC(i)、RBC(i+1)同时进行通信会话，高速列车越区切换过程中，车载单电台必须先断开与RBC(i)的通信，才能与RBC(i+1)建立通信链路，一定程度上延长了切换时间.

图2 切换过程中的车—地之间通信情况Fig.2 Communications between train and ground in the process of RBC handover

2.2 切换协议分析

由于RBC管辖范围和RBC切换成功概率的限制，高速列车必须在穿越RBC重叠区有限的时间内，实现RBC的成功切换和车—地之间的连续、不间断通信，为此预留列车向下一RBC分区注册时间 40 s［7］.

移动授权，无论是否由RBC(i)延伸到RBC(i+1)，在RBC切换完成前，均由RBC(i)生成并发送给列车，移动授权的计算主体是RBC而非列车.RBC(i+1)通过RBC(i)向列车发送移动授权，不仅存在数据处理延时，而且需要信息发送时间和传播时间，当列车接收到MA，列车位置、速度已经发生了变化.为此，CTCS-3列控系统采取时间戳防护及加大列车间隔时间等技术措施.时间戳防护技术，采用参数预估的方法来应对数据的时效性问题，但“预估”对于安全苛求系统来说，是否在任何情况下都能反映列车运行的真实情况，其可信性还有待评估.由于列车能够及时了解自身的速度、位置，根据RBC(i)、RBC(i+1)发送的信息，可计算出实时性更强的MA和行为曲线，如果能够在保证行车安全的条件下降低列车间隔时间，将会有力促进行车效率的提高.

3 基于列车主体性的RBC切换模型

3.1 RBC切换模型的形式化描述

运用Petri网对基于列车主体性的RBC切换模型进行形式化描述，如图3所示.

图3 基于列车主体性的RBC切换模型Fig.3 RBC handover based on train subjectivity

列车行驶在预告应答器前方，由电台1与RBC(i)完成车—地通信;列车通过预告应答器，激活电台2，并由RBC(i)告知电台2前方RBC(i+1)的ID和Net ID等信息，电台2据此与RBC(i+1)联系完成列车注册，列车从而可以与RBC(i+1)进行信息的交换;列车尾部越过切换应答器之前，电台1、2协同工作，为列车运行控制提供基础数据;列车尾部越过切换应答器，电台1转为待备状态，由电台2负责与RBC(i+1)信息交流并实现列车运行控制，直至列车通过下一个RBC分区RBC(i+2)的预告应答器，电台1重新被激活.

若切换之前电台1故障，电台2与电台1角色互换，图3仍然适用;若切换后，电台2故障，电台1由待备状态重新转为工作状态，与新的 RBC(i)即RBC(i+1)进行车—地通信.

3.2 应答器的设置

以列车作为移动授权MA的计算、生成主体，列车就能对RBC(i)传至电台1与RBC(i+1)传至电台2的基础信息，以及列车性能参数与当前运行状态，进行数据融合计算，生成列车运行控制信息及目标距离—速度连续曲线.

在基于列车主体性的RBC切换协议的条件下，为了保证列车能够在当前预告应答器处获得RBC(i+1)分区的移动授权信息，将预告应答器前移不小于tRegister(CTCS-3列控系统规定为40 s［7］)时间内的运行距离(如图4所示)，即由 A 移到A'，以确保电台2在列车运行至A时向RBC(i+1)注册成功，并建立起通信联系.

图4 预告应答器的前移Fig.4 Moving forward of LTA

3.3 列车的管辖问题

当前CTCS-3型列控系统，很好地解决了RBC切换过程中移动授权延伸的问题，但切换前由RBC(i)对列车进行管辖，切换后由RBC(i+1)进行管辖.这里，依运行方向将列车管辖顺序分为3个阶段:

(1)切换前的RBC(i)管辖阶段;

(2)切换过程中的RBC(i)和RBC(i+1)协同管辖阶段;

(3)切换后的RBC(i+1)管辖阶段.

每个RBC设置两个“列车信息链表”数据结构，分别单独或协同管辖列车信息链表.RBC(i)和RBC(i+1)在协同管辖阶段，相互通信，按“故障—安全”原则检查列车切换过程，避免出现“幽灵列车”.

3.4 基于列车主体性的数据融合算法

移动授权MA主要是对列车当前位置与MA终点(EOA)距离及对列车运行监控行为的描述，一般由至少一个区段组成，列车运行必须以移动授权MA为依据规范运行.正常情况下，由RBC主动向车载设备发送MA，车载设备也能向RBC请求新MA，但请求新MA的参数应由RBC给出［8］.

“基于列车主体性的切换模型”与之不同.列车越区 RBC切换过程中，不再需要 RBC(i)向RBC(i+1)请求进路信息以实现MA的延伸，只需知道RBC(i)、RBC(i+1)两个分区与自身运行有关的信息(即列车可以安全、高效运行至终点位置)，就可以按融合算法计算出“移动授权”.当前CTCS-3型列控系统中的“移动授权”，由地面RBC计算、生成，再发送至列车，我们可以称之为RBC对列车的“显性移动授权”;“基于列车主体性的切换模型”，因其计算并生成移动授权的基础数据与当前CTCS-3型列控系统完全相同，但计算的主体为列车，故RBC对列车的移动授权为“隐性移动授权”.其算法如图5所示.

图5 RBC切换过程中隐性移动授权的融合计算Fig.5 Fusion calculation of the hidden moving authorization in the process of RBC handover

当列车尾部越过RBC边界，RBC(i)=RBC(i+1)，RBC(i+1)=RBC(i+2)，以完成角色的切换，即RBC(i+1)变为交接RBC，RBC(i+2)变为接收RBC，列车可以继续作为计算主体根据新的切换分区发送的隐性授权信息计算、生成自己应该遵循的移动授权.

4 模型分析与仿真实验

4.1 列车运行的主体性与安全性分析

假定预告应答器由A前移至A'，如图4所示，当列车行驶至A'时，列车电台2将根据RBC(i)发给RBC(i+1)的 ID 和 Net ID，与 RBC(i+1)联系，当列车行驶至A时，电台2已完成列车向RBC(i+1)的注册.而电台2注册过程中，列车完全依靠电台1与RBC(i)进行车—地通信，并实现列车运行控制，电台2注册过程完全不影响列车行为.

为了RBC越区切换过程中列车在正常情况下不减速运行，当前CTCS-3型列控系统的列车运行间距另外增加了40 s的列车运行距离.如图1所示，列车间隔时间计算公式为

对“基于列车主体性的RBC越区切换模型”来说，电台2注册过程完全不影响列车行为，故其列车间隔时间的计算公式为

且式(2)中的t'packetage比式(1)中的tpacketage要小Δt的时间.根据科技运［2008］168号文《CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范(V1.0)》，CTCS-3型列控系统GSM-R网络信息传输速率首选4.8 kb/s异步透明数据传输方式［7］，以30字节计，Δt≈3.10s.在Δt时间余量里，用户数据帧出错的概率分别小于(1-95%)Δt/0.8=9.09 ×10-6、(1-99%)Δt=6.3 ×10-7，大幅提高了数据的可靠性.

“基于列车主体性的RBC越区切换模型”的列车间隔时间与先前相比，最大可以减少

列车的主体性对安全行车的重要性主要表现在以下两个方面:

(1)节省了以延伸移动授权为目的的相邻RBC之间的通信时间.为安全行车和确保可靠通信提供了3.10 s的空间余量，增强了列车运行的安全性;为确保可靠通信提供了3.10 s的时间余量，大幅提高车—地通信的抗干扰能力［7］.

(2)数据的时效性和精确性得到提高.列车作为隐性移动授权的计算、生成主体，可以根据即时采集的列车位置、速度等数据，以及线路信息，计算、生成MA和自身行为曲线，从而能更充分地利用列车主体性能，使行为得到优化，取得安全和效率综合最优的目的.

4.2 效率分析

参数设定如下:列车注册时限tdeadline=40 s［7］，通信折算时间tpacketage=12 s［5］，列车长度取典型值trainlength=400 m［1］，列车定位误差取 error=20 m［7］.不失一般性，假定列车制动停车的平均加速度a=-1.5 m/s2，分别计算当前CTCS-3型列控系统和基于列车主体性切换模型的列车间隔控制参数，如表1、表2所示.

表1 CTCS-3型列控系统列车间隔控制的参数Table 1 Parameters of CTCS-3 train control system for train interval control(a=-1.5 m/s2)

表2 基于列车主体性切换模型的列车间隔控制的参数Table 2 Parameters of the handover model based on train subjectivity for interval control(a=-1.5 m/s2)

比较表1、表2的数据，可以发现相同性能、相同速度的列车采取相同控制策略时，“基于列车主体性RBC切换模型”的列车间隔时间和列车间距，均比当前CTCS-3型列控系统大幅减小，如图6、图7所示.

图8、图9为列车速度—距离监控曲线(按平均加速度a=-1.5 m/s2计算)，相同速度的列车采取相同的制动停车策略情况下，后者的行驶距离远低于前者.

图9 基于列车主体性RBC切换模型的列车速度距离监控曲线Fig.9 Train speed-distance monitoring curves of the RBC handover model based on train subjectivity

图10对基于列车主体性的RBC切换模型的行车效率给出了更为明确的结论，列车间隔时间从300-500 km/h分别降低了约35.51%-27.10%不等;列车间距从300-500 km/h分别降低了约47.16%-39.48%不等.

图10 基于列车主体性的RBC切换模型的行车效率分析Fig.10 Analysis on the efficiency of train organization under the RBC handover model based on train subjectivity

5 研究结论

性能分析与仿真试验表明，基于列车主体性的RBC越区切换模型可有效促进列车安全、高效运行，并显著提高行车组织的效率，为列车运行控制与行车组织提供了更大的灵活性.同时，新的切换模型在技术上提出了更高的要求，还需要继续深入研究，主要表现在以下几个方面:

(1)列车主体性的增强，切换模型基于列车的主体性，在软、硬件上需要采取先进措施大幅增强列车的主体智能，加强安全性冗余设计，进一步提高列车数据融合算法等数据处理能力;

(2)扩大GSM-R无线通信网络的跨区覆盖范围，目前，GSM-R无线通信网络跨区覆盖为80-85 s［7］，需要对 GSM-R 无线通信网络分区及覆盖范围进行必要的改造;

(3)RBC对列车的管辖与动态管理;

(4)车—地通信的信息格式，信息格式应适应列车主体性的提高作出相应的规定.

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