基于自律分散的城市轨道交通信号研究

赵　晔

(广州地下铁道总公司　广州　510030)



基于自律分散的城市轨道交通信号研究

赵晔

(广州地下铁道总公司广州510030)

为满足对轨道交通信号系统高效率、高安全性的发展需求，引入自律分散的技术，介绍自律分散系统的构成、特点、内部结构及其工作机制。以现行移动闭塞条件下列车控制系统为基础，提出基于自律分散的城市轨道交通信号系统的数据域结构设计、数据单元格的设计以及行车安全子系统的设计，为城市轨道交通信号系统的设计提供一种新的思路和方法。

城市轨道交通；自律分散；数据域结构；数据单元格；行车安全子系统

在轨道交通系统中，信号系统作为行车管理的重要组成部分，其工作效率的高低直接影响轨道交通的运营安全和生产效率。如何在保证列车运行安全的条件下缩短发车间隔，是城市轨道交通信号系统的重要任务。从最初的固定闭塞发展到现代的列车自动控制系统及无线通信网络，信号系统的自动化与智能化水平逐渐提高。采用先进的技术，实现轨道交通信号系统的自动化、智能化，使其具有高安全性、在线扩展、在线维修的特性，成为信号系统发展的趋势。

1　自律分散系统

自律分散系统突破了传统的中央集中控制或者是集中分布式结构，强调在系统设计及架设时赋予终端的自律机以自主决策的权利；为了使系统整体运转正常，需要设置自律机间的协调控制机制。同时，为了实现自律分散系统的功能要求，设计系统内的数据域(data field ，DF)机制也十分重要。

1.1自律分散系统的构成及特点

自律分散系统(autonomous decentralized systems，ADS)的基本构成为节点(atoms)和数据域：节点可对应的物理实体为计算机、智能设备或其他硬件，数据域是信息传播的空间。由于自律分散系统的特点，其节点能够具有一定的自主决定权利，并且具有相互间能够协调一致的自律机。在数据域中，主要是维护ADS正常运转所需的基础数据，一般包括支持环境数据(environment data，ED)和协调数据(coordination data，CD)。在每个节点自律机中都有自律控制处理器(autonomous control processor，ACP)，通过ACP每个节点从数据环境中过滤选择与其相关的数据信息，支持其完成自身的自律决策和自主可协调的目标。自律分散系统具有两大特性：自律可控性和自律可协调性。

1.2自律分散系统的内部结构

为了实现自律分散系统的自律可控性及自律可协调性，一般的自律分散系统内部的结构如图1所示。其中：传感单元是决策单元从数据环境收集数据的通道，它通过传感设备收集环境信息和其他自律机工作状态的信息；决策单元从传感单元获取环境的信息，并根据内部的工作机制及目标，通过其自身的计算单元完成逻辑计算，并将满足系统运行约束的决策作为输出传给ADS中的执行单元；执行单元从决策单元接受并执行决策策略，并对环境及其他自律机产生影响。

图1　自律分散系统的内部结构

基于这种模式，协作特性显得尤为重要，数据域是这种协调工作机制的核心。由于地理原因，自律机都是分散在不同地区的，自律机间的协作就必须通过系统间通信的方式解决，为了协调一致，各个系统都需要有整个ADS的环境和其他自律机的状态才能协调控制，所以DF一般设计为环境和自律机状态及策略的集合。

2　基于自律分散的城市轨道交通信号

基于自律分散的城市轨道交通信号系统的主要设计，是基于现行移动闭塞条件下列车控制系统的组织形式及其之间的工作模式。

2.1自律分散系统的工作模式

移动闭塞的协调模块通过列车间运行状态的显示通知或广播形式，通知相关列车，达到其自律可协调的目的。该模块的控制策略对所有运行列车是完全一致的，这也就可以在车载端通过嵌入式技术，将列车距离计算、安全状态判断等功能加入，并预留协调模块接口，使列车根据其运行状况自动进行决策(见图2)。

图2　ADS工作模式

2.2系统的子系统划分及其相互关系

为了保证列车的正常运行，可以将信号系统分为两个子系统。

1) 数据环境子系统：通过联锁计算机、轨道电路、线路信号设备采集行车相关数据，并且构建数据通信网络达成数据共享。

2) 行车安全子系统：根据采集到的线路占用、线路自身条件等，决定其行驶策略。

在自律分散系统的组织方法中，数据环境子系统构成其数据域，而行车安全子系统对应由分散的节点自律机群所构成的自律节点群。

2.2.1数据域结构设计

根据行车的需求，主要采集到的数据为列车位置、轨道线路特征、列车运行状态及策略(见图3)。多数信号系统采用的是车地通信系统、联锁计算机等采集设备，为后续构建完备的工作数据域服务。由于采集数据的传感器网络分布在线路上或线路旁边车站，自律机也分散在线路两侧的分布式智能控制端，而自律机的工作是基于数据域内的具体数据来进行的，所以需要构建能够使每一个节点控制单元都完备的数据环境。具体方案为全局数据域和区域数据域(见图4)。

图3　数据域结构

图4　数据域设计方案

2.2.2数据单元格式设计

数据消息结构由两部分组成：数据属性(data pro-perty ,DP)和内容码(content code ,CC)。对应CC为数据消息结构的主体，包括消息的内容，而DP则是描述数据消息的性质与特征。由于数据域内需要描述系统多方面的数据，所以采用DP对其进行表示，同时在CC部分采用相同的结构，使其在不同节点自律机或者不同数据域内有共同的数据结构。

2.2.3行车安全子系统

在信号系统中，列车一般是在列车自动保护系统 (automatic train protection, ATP)的直接管理下，在自动列车运行装置(automatic train operation, ATO)控制及列车自动监控系统(automatic train supervision, ATS)的监管下安全运行的。虽然在移动闭塞的情况下取消了线路的信号显示，而且列车的控制最后转化为列车自动加速及减速的策略，但是在这里还是将其抽象为3类基本策略来对应传统的“三显示”信号控制。该策略集合可表示为S= {r,y,g}，其中S表示策略的集合，r表示信号机显示红灯，y表示信号机显示黄灯，g表示信号机显示绿灯。

这样，ATP、ATO系统的功能就由输出的策略进行表示，而ATS系统的功能则由系统内不同主体显示的信号间协调一致来表示。最终，行车安全子系统实现信号系统功能，控制线路上列车的行驶(见图5)。

图5　行车安全子系统

数据域：I = {1, 2} ，II = {2, 3, 4}，III = {4, 5}； I∩II={2}，II∩III={4}。

S= {r,y,g}，其中策略子集r= {A1，…，An},y= {A5，…，Am},g= {A2,A3，…，Ai}。

2.3ADS运行模式设计

ADS确定列车具体位置，对于将控制权分散到分散控制器至关重要。在分布式系统内进行数据的传输与交换，需要将不同的数据信息以一种规则的数据结构进行标识，这样在不同的系统间进行交换时能够互通，基于ADS架构模式组织的、系统构建的数据设计都抽象为令牌(token)的形式进行表示。在整个信号决策过程中，每个自主决策的主体都需要通过了解其周围的运行情况来决定其自身的状态，也通过数据的形式向周边类似的自主决策主体报告自身状态，并考虑其间的协调一致。这些工作都需要建立一个或多个数据环境，各个自主主体向数据环境提交数据和下载相关的数据内容，完成其逻辑上的自主决策与自主可协调。

系统的令牌结构满足之前设计的内容码(CC)和数据属性(DP)的模式，成为ADS数据域的通用数据结构，并成为其载体，使其能够在数据域内自由流动，并且能够被相关的逻辑控制模块或者协调控制单元所识别，也为在ACP的识别打下良好的基础，主要是设计token内部的表达结构及其构成的keys和values的结构(见图6)。

图6　ADS的数据环境与模式

ADS本身就是一个分布式系统，为了更好地刻画与描述这一由多个自律分散主体构成的信号系统，需要用形式化描述语言进行系统的建模与分析。在有关ADS实现方式及建模的研究中，通过文献的查阅及模型间的对比，认为Petri-Net具有高级的Colored Petri-Net及Hierarchical Petri-Net的建模能力，适合于对其主体的控制逻辑及其相互协同的作业机制进行刻画与描述。与此同时，基于Petri-Net的系统化建模工具及技术比较成熟，初步确定采用Hierarchical Petri-Net的模式，分为控制层和协调层的双层结构体系进行建模，并将其逻辑控制分不同层次从顶向下依次展开。其中，决策机制是将在轨道交通运营中信号显示的约束进行形式化表示，将其以标准的语言进行表示；在以Petri-Net进行控制建模后，将其以嵌入的方式写入信号控制器的微处理器；在微处理器上写入嵌入式程序，将信号灯自律分散的控制机制设计的系统以微处理器可以解析的程序化语言实现(见图7)。

图7　ADS的信号系统协调机制

3　结语

城市轨道交通具有高密度、高速度、不间断运营的特点，为保障列车运行安全和线路通过能力，其信号系统必须具有较高的容错能力。笔者通过对自律分散系统和嵌入式技术的分析，结合两种技术，提出了基于自律分散系统和嵌入式的轨道交通信号系统，并对其具体实现进行研究，为城市轨道交通信号系统的设计提供了一种新的思路和方法。

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(编辑：郭 洁)

Research on Urban Railway Signal Systems Based on Autonomous Decentralization

Zhao Ye

(Guangzhou Metro Corporation, Guangzhou 510030)

To meet the high efficiency and high security requirements of urban railway signal systems, the Autonomous Decentralized system is introduced. The composition, characteristics, internal structure and its working mechanism of self-control and self-discipline of the system are illustrated. The data structure, data cell design and operation safety subsystem design by using Autonomous Decentralized system for urban rail transit signal system were put forward on the basis of the train control system for current closed moving block. This design provides a new thought and method for urban rail transit signal system.

urban rail transit; Autonomous Decentralized system; data field structure; data unit; security subsystem

10.3969/j.issn.1672-6073.2015.01.028

2014-01-10

2014-03-05

赵晔，女，硕士，助理工程师，从事城市轨道交通运输规划与计划的工作和研究，zhaoye8@126.com

U231.7

A

1672-6073(2015)01-0121-04