基于移动授权的信息发布系统及时延分析

刘伯鸿

基于移动授权的信息发布系统及时延分析

刘伯鸿

在基于通信的列车控制（CBTC）系统中，信息传输通道基本以通信网络为主，移动授权的传输网络时延特性是影响系统性能的关键因素。在介绍CBTC 移动授权的信息发布系统基础上，重点分析了时延的构成和不确定性，结合时延特性分析了CBTC 系统处理技术。

CBTC；移动授权；信息传输；时间延迟

0 引言

在城市轨道交通基于通信的列车控制（CBTC）系统中，列车的安全运行主要是通过其区域控制器（ZC）为每一通信列车提供一个移动授权(MA)来实现的。移动授权指的是1段带有运行许可方向的轨道线路。当列车在受控区域内按照时刻表正常运行时，区域控制器根据控制中心列车自动监控(ATS)系统的指令计算当前区域的列车移动授权。一方面，区域控制器与同一区域的联锁设备通信，采集道岔、信号机等的信息；另一方面，车载控制器与区域控制器通信，并通过轨旁传输设备（如无线AP等）将列车位置、速度信息等发送给区域控制器。区域控制器根据接收到的信息及所管辖区域内轨道上的障碍物位置，计算出移动授权后向所管辖区域内的所有列车发送各自的移动授权。这里的障碍物可包括：进路终点、道岔、前方列车、站台等。在列车运行和监督过程中，区域控制器实时地与车载控制器、通信子系统、联锁子系统、ATS进行信息交互，并在规定的时间内周期性地向所管辖区域内的通信列车发送移动授权。车载控制器根据接收到的移动授权信息以及驾驶模式、列车速度、线路参数、司机反应时间等，计算出列车的常用制动曲线和紧急制动曲线，以确保列车不超越现有的移动授权[1~2]。移动授权的含义如图1所示。

在CBTC系统中，一旦CBTC移动授权发布延时发生通信失败，会对列车运行安全影响很大，甚至造成行车事故[3~6]。本文就CBTC系统移动授权的信息发布系统及时延进行分析。

1 CBTC 移动授权的信息发布系统

1.1 CBTC 系统的网络结构

CBTC 系统的网络结构如图2 所示，控制中心ATS 设备、数据存储器、相邻区域控制器、区域控制器、联锁系统与骨干网相连，实现数据交换。车载控制器(VOBC)通过轨旁收发设备与区域控制器进行双向通信。

1.2 CBTC 移动授权的信息发布系统结构

图1 移动授权（MA）示意图

图3为CBTC 移动授权的信息发布系统结构框图，其中区域控制器是CBTC系统的核心。区域控制器根据接收到的列车信息、联锁设备向区域控制器传递的进路信息等，计算移动授权（MA），通过数据传输系统和轨旁收发设备将MA数据发送给车载控制器。

图2 CBTC 系统的网络结构图

图3 CBTC 移动授权（MA）的信息发布系统结构

在CBTC系统中，要保证列车追踪间隔，必须采用高精度的定位技术实现列车的自主实时定位，以及车-地之间为双向、大容量无线通信方式。

CBTC系统传输的关键内容包括：①轨旁到车载的移动授权（MA）；②车载到轨旁的定位位置报告。

对车载设备而言，可以在任何时刻估算其对列车定位的检测,进而给出列车位置数据。

在CBTC系统中，正常通信时移动授权保证行车安全：①列车在某确定ZC区域运行，一般情况下，轨旁传输设备能够满足列车运行；②列车从1个ZC区域进入下1个ZC区域，CBTC越区切换站中断时间抑制在一定范围之内，能够保证通信的正常运行，从而保证列车平稳运行[7~11]。

出现特殊情况或突发情况时，CBTC移动授权传输时延超时，车-地通信失败。

2 影响CBTC移动授权时延因素

影响CBTC移动授权时延因素主要有4 种。

（1）信息延迟。信息传输产生的延时，如：列车向区域控制器传输实时位置信息时产生的延迟；区域控制器通过数据通道向车载控制器传输移动授权的延迟；设备集中站联锁设备向区域控制器发送信息，区域控制器接收到信息会延迟；区域控制器向设备集中站联锁设备发送信息时，联锁设备接收信息也会延迟等。

（2）信息的异步性。当列车传送1 条信息到2个不同的区域控制器，在2个区域控制器中可能出现异步性，也就是没有同时接收信息；或当区域控制器传送1条信息到2个不同的设备集中站联锁设备，在2个联锁设备中可能出现异步性，没有同时收到信息。

（3）信息丢失。当列车向区域控制器发送信息时，不能保证区域控制器一定能够收到信息；当区域控制器向列车发送信息时，同样不能保证列车接收到信息。

（4）通信中断。在列车运行过程中，由于突发情况（如自然灾害等），列车与区域控制器瞬间或短时间内通信中断。

3 移动授权时延分析

在CBTC系统中，移动授权信息传输过程的实质是区域控制器通过数据传输通道向列车发送移动授权。

对列车运行安全保障而言，列车的位置信息、速度信息必须实时传输给区域控制器，区域控制器也必须周期性向列车发送移动授权。

假设区域控制器有1条数据通道，向列车发送1条信息，并得到响应，该过程所产生的时延如图4所示。根据时延产生过程和特性不同，可将时延分成10个部分：区域控制器接收信息和产生移动授权的时延TZC-R，移动授权从区域控制器到轨旁传输设备的时延Tperiod，轨旁传输设备到通信列车的车载控制器的时延Tts，车载控制器接收和处理信息的时延Trev，车载控制器响应的时延TVOBC-R；车载控制器测量列车实时位置的时延TCL，车载控制器获得列车实时位置的时延TCL-R，列车实时位置从车载控制器到轨旁传输设备的时延Tts，轨旁传输设备到区域控制器的时延Tperiod，区域控制器接收信息和产生移动授权的时延TZC-R。

CBTC系统中，区域控制器移动授权到车载的时延为

CBTC系统中，车载到区域控制器移动授权的时延为

列车与轨旁传输设备、轨旁传输设备与区域控制器之间的双向信息传输时间是固定的，由设备和网络共同决定。

式（1）、式（2）中，延时在一定范围之内时，满足移动闭塞的追踪间隔要求，否则，无法满足连续追踪间隔要求，影响列车运行。

图4 区域控制器到通信列车的时延示意

4 CBTC系统移动授权时延的确定

列车运行时，车载设备与区域控制器始终处于双向通信状态，并根据接收到的移动授权控制列车运行。一旦出现通信中断，会影响列车正常运行。

（1）移动授权正常时间延迟Tmin。一般情况下，通信系统或数据传输通道均采用一定的数据传输保障机制，来保证数据传输的可靠性。例如，为了克服数据传输过程中通信数据的延迟和异步性,在所有的数据信息中加入1个时间戳，以保证CBTC系统中区域控制器到车载设备以及车载设备到区域控制器数据传输的实时性、可靠性；区域控制器到2个联锁设备，或联锁设备到2个区域控制器的数据传输的实时性、可靠性。

（2）最长延时Tmax。是指在固定的时间周期内，保证列车接收移动授权的最长时间。如果在此周期和最严酷的条件下，保证列车能够接收到完整移动授权信息时，为最长延时（或称最差延时）。

（3）最长延时超时。是指在固定的时间周期内，列车尚未接收移动授权，则为最长延时超时。

5 移动授权延时的实时处理技术

CBTC通信列车在某一正线区域控制器控制区域运行，或者列车从1个区域控制器区域到相邻区域控制器区域，轨旁传输设备（如无线AP、漏泄波导管等）通常能够保证信息传输的可靠性。一旦发生通信中断，系统根据列车运行速度和运行距离会发出报警信号或紧急停车措施。

5.1 列车在1个区域控制器区域

当1列通信列车失去通信，此时列车被称为非通信列车。如果非通信列车在其计时器过期（最差延时）之前，重新获得通信，区域控制器将自动处理恢复过程。如果1列通信列车失去通信时间超过非通信列车计时器时间（最差延时），区域控制器将建立1个非通信障碍物，以保护该列车以及后续列车，防止发生冲突。

对于列车而言，未在规定的时间范围内接收到移动授权信息，列车必须马上发出报警信息，并采取自动紧急制动。

5.2 列车从1个区域控制器区域到相邻区域控制器区域

当列车处于1个（当前）区域控制器区域边界处和列车完全处于相邻（前方）区域控制器区域时，该区域控制器与相邻区域控制器通信中断，此列车已归相邻区域控制器接管，按照相邻区域控制器发出的移动授权运行。

5.3 列车在正线与车辆段的分界口

5.3.1 列车在CBTC 入口区域

正线与车辆段/停车场通过转换轨相连。当列车从入口进入正线，必须满足CBTC响应时间，使列车变为CBTC通信列车，以保证列车进入CBTC区域之前实施车载设备的查验，以及CBTC向列车发送车次号、目的地等初始化信息。

当信号开放后，列车从车辆段/停车场到达CBTC入口区域，完成地-车双向通信，进入正线。若列车与相邻正线区域控制器尚未在最差延时情况响应，列车将不再进入正线。

若列车在没有建立通信的情况下进入运行线路，区域控制器会使用1个障碍物表示。

5.3.2 列车在CBTC 出口区域

列车下线进入转换轨，控制相邻正线车站的区域控制器不再控制列车运行，CBTC系统删除当前列车运行信息（如车次号等），列车变为非通信列车，列车由当前驾驶模式，如自动驾驶（AM）或ATP 监督下的人工驾驶（SM））模式变为人工驾驶模式，然后由车辆段/停车场的联锁系统保证列车安全。一旦发生通信中断，不会影响列车安全。

6 实例

以阿尔卡特SelTrac 基于通信的列车控制系统为例。

（1）SelTrac S40 移动闭塞系统，为了保证行车安全，列车必须连续不断地接收控制中心发送的目标点的更新信息。系统设定，列车在3 s内收不到有效信息，就判断为通信发生故障，车载列车自动防护（ATP）产生紧急制动，迫使列车紧急停车，确保列车运行安全。同时，控制中心做出反应，阻止该列车继续前进，以避免发生行车事故。

（2）CBTC 系统移动授权通信周期为200 ms[9]，通信延时，会影响列车运行安全。一旦发生1列通信列车失去通信时间超过非通信列车计时器时间，列车发出警告的同时，自动转入常用制动方式，并将列车的目标速度设置为零。如果通信在9 s 内恢复，列车将停止制动，并继续按原有进路行驶。如果通信未在9 s 内恢复，列车自动转入紧急制动方式。

对于区域控制器而言，一旦发现列车车载控制器通信故障，将取消列车的原来移动授权，并建立新的移动授权。

由上述可以看出，CBTC系统时延小，反应速度快，追踪间隔短，是真正意义上的闭环控制。

7 结束语

基于通信的列车控制系统，是目前城市轨道交通的发展方向。列车定位技术和车-地通信技术是其非常重要的关键技术，一旦传输信息畸变，信息丢失，通信失败，其后果非常严重。因此，研究移动授权通信延时非常重要。

本文对移动授权的信息系统发布系统及时延分析，目的通过对移动授权延时的分析，提高系统的快速反应能力和应急处理措施。

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Information Transmission System and Delay Analysis based on Movement Authority

Liu Bohong

In the communication based train control (CBTC) system, information transmission has mainly with correspondence communication network. The delay characteristics of the movement authority transmission network are the key factors which affect the system performance. With the introduction of CBTC movement authority information transmission system, the paper focuses on analysis of delay and uncertainty, the CBTC system processing technology with delay characteristics.

CBTC, movement authority, information transmission, time delay

U231.7

刘伯鸿：兰州交通大学自动化与电气工程学院，副教授，甘肃兰州 730070

2014-07-14

责任编辑冒一平