一种缩短列车控制仿真系统应答器发送延时的方法

柯长博，薛仁溥，杨 凯

（湖南中车时代通信信号有限公司 北京分公司， 北京 100070）

0 引言

应答器是一种利用电磁耦合原理的高速点式数据传输设备，其向列车自动防护(automatic train protection,ATP)系统提供精确位置、线路数据等信息。2004年，国内开始引进法国阿尔斯通公司、德国西门子公司的欧标应答器系统；目前，参考并吸收了相关技术标准、拥有自主知识产权的欧标应答器已实现国产化生产[1-2]。欧标应答器以其技术成熟、可靠、安全的特点，在列车运行控制系统中的应用越来越普遍，已成为高铁列车、城际列车和地铁车辆中各种主流制式列车运行控制系统的重要组成部分[3-5]。

在列车控制仿真测试领域，特别是集成测试和车载专项测试中，车载设备的应答器接口适配方案是一个必备的关键环节[6-8]。但是应答器接口与车载设备的其他接口不同，应答器接口涉及ATP的精确定位和各种线路数据的获取，对实时性有较高的要求。如果仿真系统引入的延时过大，会导致ATP系统接收应答器报文失败。因此，提高仿真系统应答器报文的发送时间精度是一个技术难点，既有文献中也给出了一些解决方法。文献[9]为ATP接口平台选用了实时Linux操作系统Xenomai，将应答器报文发送环节的时间精度控制在10 ms。文献[10]采用较小的周期判断应答器报文激活时机，缩短了搜索环节的延时。文献[11]在应答器搜索环节采用了预先递推计算的方法，一定程度上减小了查找定位应答器的时间误差。

应答器发送时间精度受搜索、传输和发送等各个环节影响，每个环节都可能引入延时。仅针对单一环节进行优化，无法满足应答器发送的时间精度要求，仍可能出现仿真系统大体可用，但应答器小概率丢失的问题，且丢失概率随着仿真规模和列车速度的增大而增大。为了全面提高应答器发送时间精度，解决由仿真系统引入的应答器丢失问题，实现全线、全景、全速的车地协同仿真，本文对应答器发送的完整流程进行分析，针对每个环节分别进行优化设计，缩短了仿真系统在非实时的Windows操作系统下的应答器发送延时。

1 应答器应用背景

1.1 工作流程分析

应答器为车载设备提供精确定位、各种线路数据、临时限速及点式控制级下的移动授权等信息。应答器系统原理如图1所示。

图1 应答器系统原理图Fig. 1 Schematic diagram of balise system

真实环境下应答器系统的实现方式是车载设备持续向地面发送能量信号，一旦应答器进入辐射范围（半径典型值为1 m），即被能量信号激活进入工作状态，向车载设备循环发送1 023位传输报文，直至能量信号消失[2]。紧凑型天线装置（compact antenna unit, CAU）将报文信息传送给应答器传输模块（balise transfer module,BTM），BTM解码得到830位用户报文，并在完全经过应答器后取信号包络中心点对应的时间作为接收时间戳发送至车载主机（european vital computer, EVC）；EVC通过推算该时间戳对应的历史位置，得到精确应答器位置。

真实环境下应答器丢失主要分为4种情况：

（1）现场应答器故障或电磁干扰导致BTM解码失败。该情况与仿真系统的应答器发送延时无关，且在实验室环境下不会出现，但需要仿真测试界面提供主动设置应答器故障或BTM故障的接口以模拟现场故障。

（2）ATP接收到了应答器报文帧，但已超时或者由接收时间戳推算的历史位置已丢弃。此时需要根据BTM平均处理延时、ATP接收速度传感器数据平均延时等精确调整车载参数，属于车载软硬件调试的范畴，与仿真系统的应答器发送延时无关。

（3）接收组内应答器出窗。欧标[12]规定同一组内的相邻应答器接收位置之间的距离不超过12 m。在实验室环境下，由于组内相邻应答器间隔为5 m，且通过数据配置，不存在安装偏差，因此ATP能容忍的由仿真系统引入的误差不大于7 m。

（4）接收链接应答器出窗。当前一组应答器报文内有[ETCS-5]链接信息包[13]时，ATP从中得到下一组或几组应答器的期望位置和安装偏差。ATP容忍的位置误差由应答器安装偏差和测速测距综合测量误差两部分组成。前者从[ETCS-5]的Q_LINKACC字段中获取[13]，取值范围为0～63 m，国内典型取值为5 m；后者欧标[14]规定不大于（5+5%S）（单位：m），国标[15]规定不大于（0+2%S）（单位：m），其中S为列车距上一个参考点的测量距离。在实验室环境下，应答器位置由于是通过数据配置的，不存在安装偏差，仿真系统能够利用该5 m应答器安装偏差；而车载实物的测距误差不会太小，可能接近2%S，因此仿真系统只能有限利用该误差。

1.2 仿真指标分析

考虑到BTM和EVC处理应答器报文的时间是一个范围值，ATP内部仅能设置一个固定值来校正，不可避免地占用ATP容忍的位置误差，因此综合应答器丢失情况（3）和（4），在实验室环境下，可以认为ATP能够容忍的仿真系统引入的应答器位置误差不超过5 m。

由1.1节分析可知，虽然ATP容忍的位置误差是个距离值，但仿真系统引入的误差是通过BTM接收时间戳间接转换为应答器位置的，是一个时间值，且列车速度越快，能够容忍的延时越小。对于已开通的基于通信的列车自动控制(communication based train control,CBTC)系统，线路最大允许速度典型值为120 km/h，则5 m应答器位置误差对应的延时为150 ms；对于高铁CTCS-3，最大允许速度为350 km/h，而仿真系统应支持该速度至400 km/h，则5 m应答器位置误差对应的延时仅为45 ms。

可见，在高铁列控系统测试中，对于仿真系统引入的应答器发送延时的要求是很苛刻的，一旦超标，则会导致一定概率下ATP接收应答器出窗。同时，对于国内信号供应商而言，实验室环境除了承担测试任务之外，还需要承担大量对外演示任务，演示时往往要求全速行驶，演示效果的好坏可能直接影响业主对列控产品的选择。因此，最大限度地缩短仿真系统引入的延时，提高应答器发送精度，从而提升系统测试和演示的稳定性，具有很现实的意义。

2 系统结构

以线路级的集成测试仿真系统为例，对系统结构和各个模块的功能进行描述。仿真系统主要包括：地理线路模型、动力学模型、列车模型和车载接口单元，如图2所示。

图2 集成测试仿真系统结构图Fig. 2 Structure of the integrated test simulation system

动力学模型以一定的时间周期（典型值为100 ms），根据牵引制动挡位和方向挡位，计算出本周期的加速度；根据存储的上一周期的速度，计算出本周期的速度和步进位移；为了防止丢包，可同时维护累计位移和累行距离，将加速度、速度和步进位移信息分别发送给车载接口单元A、车载接口单元B和地理线路模型。

列车模型是列车车辆在仿真系统中的逻辑对象，用于存储列车状态信息，集中管理动力学模型、驾驶台模型和挡位模型等各个内部模块，提供统一的对外通信接口。

地理线路模型是对地理空间的模拟，其存储了线路拓扑结构、全体列车位置和全体轨旁设备状态信息，其中全体轨旁设备状态信息包括：应答器位置和报文、道岔开向状态信息等。地理线路模型从地面设备获取最新的应答器报文和道岔开向状态信息，并从动力学模型获取列车步进位移，更新列车位置。

车载接口单元仅与列车模型通信，获取来自地理线路模型的应答器报文，发送至ATP。ATP实物对应硬件版接口单元，ATP模型对应软件版接口单元[6]。车载接口单元与ATP主要有3种连接方式：（1） 在CAU天线下方放置测试专用的可变应答器，车载接口单元更新其中的报文；（2） 利用BTM专用的调试接口，直接发送报文至BTM；（3） 车载接口单元替代BTM，直接发送报文至车载总线。本文中的方法支持其中任意一种连接方式。

3 优化方法的设计与实现

3.1 总体设计

未经优化的处理流程为：地理线路模型周期性地接收到步进位移时，更新列车位置；地理线路模型将本周期CAU天线辐射范围内的应答器报文发送至列车模型，再由列车模型转发至车载接口单元；车载接口单元接收到应答器报文后，立即发送至ATP。

上述处理流程具有如下弊端：

（1）在应答器搜索环节，地理线路模型的搜索周期受动力学模型驱动，会直接转换为发送延时，如果采用较小的周期同时创建多车时，地理线路模型又会成为性能瓶颈。

（2）在应答器传输环节，应答器报文从地理线路模型被发送至车载接口单元的过程中，受操作系统任务调度、网络传输延时等因素影响，会引入随机延时。

（3） 在应答器发送环节，车载接口单元为被动响应，而速度传感器接口由车载接口单元主动适配，虽然都源自动力学模型周期驱动，但会产生同源不同步的情况，在ATP推算应答器历史位置时会引入随机延时。

为了尽可能减少仿真系统引入的延时，需要对应答器发送的完整流程进行精细化设计和统筹优化。为此，本文提出如下处理流程：地理线路模型周期性地接收到步进位移时，搜索列车前方一定距离内的应答器列表并将其预发至列车模型，由列车模型转发至车载接口单元；车载接口单元接收到应答器信息后，维护预加载应答器列表；车载接口单元以自定义周期对预加载应答器列表进行搜索，将CAU天线辐射范围内的应答器报文发送至ATP。

本流程的特点在于：地理线路模型提前搜索了预加载应答器列表，并预发至车载接口单元，完全避免了这两个环节产生的延时；地理线路模型可以采用较大周期，保证应答器提前发送至车载接口单元即可；车载接口单元仅需搜索预加载列表中的少量应答器，能采用自定义的较小周期，也能与速度传感器接口同步。

3.2 应答器搜索方法

既有方法中普遍需要遍历全体应答器，计算量随着列车和应答器数目的增加而显著增加，也就意味着需要限制列车数目或仿真线路规模，有较大的局限性。

本文中的地理线路模型存储了全线轨道区段长度和拓扑连接关系，仅搜索列车运行前方一定范围内的应答器，提前预发至车载接口单元存储，从而地理线路模型和车载接口单元的计算量均与线路规模无关。此外，地理线路模型的搜索周期也无须太精确，宜选用动力学模型周期的整数倍，即接收到一次或多次步进位移后触发一次搜索，以免额外创建定时器。

在搜索范围的确定上，文献[7]提出了搜索列车前方一个轨道区段的方案。然而对于高铁线路而言，虽然区间区段长度普遍在900 m左右，但站内区段长度差别很大，甚至存在0或1 m的虚拟区段，可能会出现来不及预发至车载接口单元的情况，这将导致应答器丢失。可见搜索范围应该是一个距离值D1，应由地理线路模型的搜索周期和列车最大允许速度的乘积决定；考虑到周期的波动或丢包情况，因此搜索范围应多覆盖几个周期。

如果精确搜索D1范围内的应答器，会产生较大的计算量，同时导致搜索到的应答器频繁变化。更合理的方法是以轨道区段为单位搜索，前方能够覆盖D1范围的一段或多段轨道区段上的全部应答器。

需要注意的是，CAU天线与车头有3 m左右的距离，搜索的起点应为CAU天线的位置；列车首尾两端的CAU天线位置应分别独立维护，并分别独立搜索前方应答器。

3.3 应答器传输方法

地理线路模型搜索到的应答器组成了预加载应答器列表，通过列车模型转发至对应端的车载接口单元，大部分情况下列表内的应答器数量不超过6个。列表内的应答器信息包括：应答器ID、应答器位置和应答器报文。应答器ID用于删除或更新应答器信息；应答器位置用于应答器激活时机判断，即是否进入CAU天线的辐射范围；应答器报文用于应答器激活时发送至ATP。其中，应答器位置p采用相对位置，计算公式为

式中：d为列车累行距离；o为应答器距CAU天线当前位置的距离。

累行距离的应用将车载接口单元发送环节的搜索简化为了一维标量运算，无须关心轨道区段长度、道岔开向和行驶方向等信息。然而，由于行驶方向改变时测试人员无法精确获取累行距离，因此当采用测试脚本控制时，应答器位置P应采用绝对位置，由测试脚本直接给出，相应的车载接口单元内的标量运算也应变为矢量运算。

如果网络条件稳定，宜采取初始全体、变化发送的机制，以便减小通信数据量和车载接口单元的计算量。地理线路模型应存储上一周期的预加载应答器列表并与本周期的进行比较，仅发送变化的应答器信息。除了列车步进位移推进搜索到新的应答器之外，设置应答器故障、移动应答器位置、修改应答器报文、前方道岔开向/进路变化、行驶方向变化等均会触发应答器信息的删除或更新，从而支持各种应用场景。

3.4 应答器发送方法

作为车载设备的连接终端，由车载接口单元执行应答器激活时机的判断，这能够避免传输延时。考虑到判断周期会直接转换为发送延时，应尽量减小判断周期（不宜超过10 ms）。然而，传统方法往往直接使用动力学模型的计算周期作为判断周期，如果动力学模型的计算周期T1随判断周期减小，势必影响到列车模型、地理线路模型等各个模块，大大提高了对硬件性能的要求，同时也增大了仿真系统各个模块之间的耦合度。

合理的方法是：车载接口单元采用自定义周期T2，根据最近一次动力学模型更新的加速度a，自行计算当前速度v2和步进位移Δs2，从而更新累计位移s和累行距离d，用于更新向速度传感器发送的速度脉冲和应答器激活时机判断。当前时间t1与上次更新时间t0的间隔为Δt，计算周期数用n表示，则计算公式为

当动力学模型再次发来动力学参数消息时，应以动力学模型最新发来的加速度a、速度v1和步进位移Δs1为基准来更新当前速度v2、累计位移s和累行距离d，同时将s和d分别存储为当前更新的累计位移s1和累行距离d1用于下次计算：

具体执行激活时机判断时，应考虑CAU天线辐射范围，将其转换为应答器激活范围R参与计算。当Δs2与R有重叠时，应答器被激活成功，发送应答器报文，如图3所示；当Δs2与R不再重叠时，系统自动将应答器信息从预加载列表中删除。

图3 应答器激活示意图Fig. 3 Schematic diagram of balise activation

程序实现时设置两个独立线程，流程如图4所示。其中，线程1为消息驱动，接收和处理列车模型的动力学参数消息和应答器信息消息；线程2执行应答器激活时机判断和应答器报文发送。

图4 应答器激活时机判断流程图Fig. 4 Flow chart of balise activation moment judgement

3.5 自适应时间间隔调整方法

为了支持多车同时仿真，节约有限的硬件资源，通常会在一台物理主机上同时创建多个车载接口单元和ATP模型进程。如果T2设置得过小，则会增大CPU占用率，导致进程间频繁的任务调度，额外引入延时。

T2可以不采用固定周期，而采用动态计算的时间间隔。当CAU天线远离应答器时，T2可以延长，减小CPU占用率；当CAU天线接近应答器时，T2可以缩短，减小发送延时。基于此，提出如下自适应方法：车载接口单元根据最接近的应答器距离D2以及当前速度和最大加速度（例如：1.5 m/s2）估算最小应答器激活时间间隔T3，进而采用查表法得到时间间隔T2。时间间隔查询表的一种取值示例如表1所示。

表1 时间间隔查询表Tab. 1 Query table of time interval

由于Windows操作系统为非实时操作系统，不能直接采用普通定时器，因此T2的控制应采用高精度延时函数，如timeGetTime函数。

4 结语

本文对列控仿真系统应答器报文发送至ATP的完整流程进行了全面分析，针对搜索、传输和发送等各个环节进行了统筹优化，提出了一种减小仿真系统引入延时的方法。该方法直接避免了搜索和传输环节的延时，延时仅由发送环节决定；提出了精确控制发送环节判断周期的算法，从而减小发送环节延时；减少各个环节计算量，避免计算量随着仿真线路规模增加而增大，从而支持线路级大规模仿真；同时，本方法也能够支持设置应答器故障、移动应答器位置、修改应答器报文等各种应用场景。

在长期的实践中，该方法得以逐渐完善，已被广泛应用于高铁和地铁的列控系统集成测试和车载专项测试，支持了全线、全景、全速的车地协同仿真。以ETCS列控系统为例，整个项目研发期间，进行车载专项测试140余轮，累计执行测试脚本超过20万个，进行集成测试3轮，同时承担了多次拉通测试和对外演示；在此期间，从未发生过由于仿真系统延时导致应答器丢失的情况。

实际应用结果表明，在非实时的Windows操作系统下，本方法能显著减小列控仿真系统应答器发送延时，满足ATP容忍的应答器位置误差要求，解决了列控系统测试和演示（400 km/h及以下）中应答器丢失的问题。