基于车车通信的列控系统后备模式研究

李强 ，陈子健

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省工业交通自动化工程技术研究中心，甘肃 兰州 730070)

目前，城市轨道交通主要采用的列车运行控制系统为基于通信的列车控制系统(Communica‐tion Based Train Control, CBTC)，是一种典型的多模列控系统。该系统采用点式系统作为后备系统，正常情况下利用车地无线通信获得移动授权，当通信故障时，车载系统通过地面设备可变应答器或环线获得移动授权和控制命令，采取固定闭塞的运行方式。该模式需要铺设大量轨旁设备，仅能实现轨旁设备到车载的单向且不连续的传输，且仅当列车通过有源信标时才能获得轨旁发出的信息，对列车运行影响较大，易造成大规模晚点。由于长期演进系统(Long Term Evolution, LTE)中无线通信技术的发展，“车−车”(Train to Train，T2T)的通信方式成为了可能。曹源等[1−4]提出了基于超短波的直接通信方案，实现了两车间的直接通信，MORENO等[5−12]证明了车车通信方式可以应用于城市轨道交通中无线通信系统，因此，新一代的基于车车通信的列控系统产生。该系统采用“车−车”的通信方式，能实现两车间的直接通信，减少轨旁设备的配置，提高运行效率，但尚无与之对应的后备模式。多模列控系统对状态的并发性，切换的实时性有着较高的要求，Petri网能有效描述系统的并发性和异步性，模型中加入的时间参数能满足系统的时间约束性，赵晓宇等[13]利用有色Petri网对CTCS3级列控系统下RBC切换进行了建模与分析，得出了列车速度、消息重发时间间隔对RBC切换的时间的影响，郑艺等[14−15]基于有色Petri网构建验证了CTCS3级列控系统下车载设备模式转换的模型。车车通信列控系统作为安全苛求性系统，当车-车通信发生故障时，也要保证列车的安全运行，但尚无文献对车车通信下新型列控系统的后备模式进行研究。本文通过分析车车通信列控系统的结构和功能，提出了一种车地通信方式作为新型列控系统的后备模式，利用有色Petri网建立模式切换模型，并对模型中系统切换时间进行分析，得出后备模式下不同时间间隔设计对列车运行的影响。

1 车车通信列控系统

基于车车通信的列控系统取消了地面的区域控制器和联锁控制设备，将原先地面设备的各项功能整合至车载设备中，实现以车载为核心的控制架构，提高列车的自主性。基于车车通信的列控系统结构如图1所示，包括中心设备，车载设备和轨旁设备三大部分。中心设备包括智能列车监控系统(Intelligent Train Supervision, ITS)和列车信息管理中心(Train Information Management Center,TMC)，ITS负责行车计划的制订与下发，监督列车运行，与CBTC系统中ATS的功能类似。TMC是储存信息的数据库，所有列车上线后需在TMC中登记本车信息，包括车次号，IP地址，所在位置等，并向管辖范围内列车提供其他列车的信息，同时，救援车等非通信列车进入线路后也要向TMC报备。车载设备主要包括车载联锁模块，车载通信模块和车载移动授权模块等，车载联锁模块负责进路的控制和轨旁设备控制命令的发布，车载通信模块包括车地通信模块和车车通信模块，分别负责列车和地面，列车和列车之间的通信，车载移动授权模块负责为本车提供移动授权。轨旁设备主要包括应答器和对象控制器(Object Con‐troller, OC)，OC负责采集道岔的状态以供ITS和列车的查询，并接收和执行列车发送的指令。

图1 车车通信系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the train-to-train communication system

列车在区间正常运行时既要与前车保持通信以获取前车位置信息，又要与地面的TMC进行周期性通信以更新自身的位置信息，因此，将车车通信列控系统运行模式分为车车模式(T2T)和车地模式(T2G)，列车驾驶模式主要分为自动驾驶模式(AM/AM-G)，完全监控模式(SM/SM-G)，限制人工驾驶模式(RM)。当列车车载通信设备中的车车通信模块故障时，列车无法进行车车通信来获取位置信息，但仍能通过车地通信模块与地面设备TMC通信来获取TMC中存储的相关联列车的位置信息，此时，列车可切换为车地模式，根据地面设备提供的位置信息来生成移动授权。另外，当列车距离过大或者车车通信链路信道质量较差无法保证通信质量时，列车也能切换为车地通信的模式。

2 模式切换模型建立

2.1 模式切换流程分析

列车在区间正常运行时，列车处于T2T模式，以AM模式运行，如图2所示，后车与前车进行周期性的车车通信，后车根据所获得的前车位置信息在车载移动授权模块中实时计算移动授权(Mo‐bile Authorization, MA)并送至车载ATP模块，形成ATP曲线。同时两车周期性向TMC汇报自身的位置信息。

图2 T2T模式运行示意图Fig.2 Operation diagram of T2T mode

当后车因故障与前车通信中断时，后车ATP输出紧急制动，司机缓解后选择后备模式，经与ITS确认后，列车转为RM模式(限速25 km/h)且车载ATP以上一个周期收到的前车位置生成制动曲线，同时，后车向TMC申请前车的位置信息，若TMC能更新前车的位置信息且与后车通信正常，那么后车切换为T2G模式，后车根据TMC中获得的前车位置信息可将驾驶模式升级为AM-G或SMG。切换流程如图3所示。

图3 区间运行系统模式切换流程图Fig.3 Flowchart of system mode switching

当列车处于T2G模式，前车的位置由TMC发送给列车，如图4所示，前车处于正常运行T2T模式，周期性向TMC汇报自身位置，TMC将前车位置转发给后车，后车根据从TMC处得到的列车位置生成移动授权。由于TMC中所存储的列车位置为上一通信周期的位置，因此后车的追踪间隔距离变短。

图4 T2G模式运行示意图Fig.4 Operation diagram of T2G mode

2.2 模式切换建模

车车通信列控系统采用的是连续的无线传输，当列车在T2G模式下时仍能随时与前车建立通信，一旦与前车通信建立成功并收到有效的前车位置信息时就能切换到T2T模式，实现实时切换，因此，主要对T2T模式转为T2G模式进行建模分析。

当列车由T2T模式转为T2G模式时，T2G模式不能立即可用，这是由于中心设备存在一定的处理时间，地面设备和车载设备也都有着相互独立的时钟，TMC收到前车的位置信息后必须等待下一个通信周期才能发送给后车，并且车地信息传输时也存在一定的通信延迟。同时，由于TMC的管辖范围是有限的，还需要增加判断前车在TMC管辖范围内的可运行时间。基于T2T模式切换至T2G模式的流程和功能分析，建立HTCPN模型如图5所示，由库所集P和变迁集T构成。

图5 T2T转T2G模式模型Fig.5 Model of T2T switching to T2G

库所集P={Train, T2T Invalid, decelerate, Fault,Confirm, RM, Model, K_RM}。

其中Train, Model分别表示列车初始T2T模式状态和切换后的模式状态，T2T Invalid和Fault表示T2T不可用状态，RM和K_RM表示列车的RM模式，decelerate表示列车减速后的状态，Confirm表示ITS收到列车切换模式请求后确认列车可以切换模式。

变迁集T ={T2TLost, Brake, ITS, Change,T2G}。

其中，T2TLost描述列车车车通信故障后丢失了前车的位置，列车开始准备模式切换，ITS为列车向中心ITS汇报模式切换请求，根据地铁处理流程，通常在2 min之内，此处利用延迟函数Idelay()随机产生一个延迟值，变迁Change为列车司机收到同意信息后切换模式开关的反应时间，在复杂情况下通常为0.4～1.2 s[12]，用函数pdelay()表示，Brake为包含子页的可置换变迁，描述了列车车车通信故障后减速制动的过程，T2G也为可置换变迁，描述了T2G模式初始化的过程。

State为模型中托肯(TOKEN)定义，由模式和速度复合而成(MSG，v)，表示列车当前所处的模式和速度，模式包括T2T下的AM，SM模式，T2G下的AM-G，SM-G模式，限速下的RM模式和无模式None，列车的初始速度由函数v0()产生，取25～80 km/h，由于本次模型中时间参数单位为s，因此利用v0()随机产生一个7～22 m/s的初始速度。托肯TimeState中加入了Td()时间函数，作用为计算模式切换前所需的时延。

顶层模型描述为列车在区间正常运行时，由于车车通信故障，列车一方面减速制动调至RM模式，一方面与地面ITS确认请求切换模式，当ITS同意后，经过变迁T2G判断切换条件是否满足，满足则转至T2G模式，反之则保持RM模式制动。

置换变迁Brake描述了列车在车车通信不可用的情况下减速制动的过程，如图6所示，子模型中库所T2T Invalid为列车车车通信故障后的状态，变迁Delay表示列车ATP触发紧急制动的过程，该时延包括紧急制动触发的反应时间和车载设备运行计算时间[16]，用时间函数delay表示，本文分别取0.75 s和0.35 s。列车触发制动后，Release为列车制动状态，由于列车速度为随机产生值，根据列车当前速度的不同，利用并发的状态来描述，当列车速度小于7 m/s时，在变迁Keep中保持当前速度并由ATP规划停车曲线，当列车速度大于7 m/s时，在变迁Braking列车减速至7 m/s制动，最后输出至decelerate，其中制动加速度取0.8 m/s2。

图6 Brake子模型示意图Fig.6 Schematic diagram of Brake sub-mode

置换变迁T2G为列车进行模式切换的过程，如图7所示，列车经ITS确认后减速切换为RM模式，列车向地面设备TMC申请前车的位置信息。若车地通信也出现故障，那么列车在RM模式下以最后时刻收到的前车位置信息进行制动。若车地通信正常，在ConfirmB变迁中确认前车是否在当前TMC管辖范围内以及在当前TMC管辖范围之内的可运行时间，若前车不在当前TMC的管辖范围之内，则列车保持RM模式直至行驶到下一个TMC管辖范围内再查询前车的位置信息。若两车同属一个TMC管辖，经TMCSend将前车通信情况和位置发送给后车，经后车车载判断后可将模式升级为T2G模式。

图7 T2G子模型示意图Fig.7 Schematic diagram of T2G sub-mode

当后车的车车通信故障时，若两车同属一个TMC1管辖时，如图8所示，t1为列车在当前TMC1管辖范围内已运行的时间，由于车车通信故障会在任意时刻发生，时间值随机产生，车车通信下列车正常追踪间隔为tT2T，T2G模式设计间隔时间为tT2G，td为后车模式切换所需时间，则后车成功切换模式后，前车列车2在TMC1管辖范围内可运行的时间t2为t2=tT2G-t1-tT2T-td。即模型中的Interval()，该时间也是后车列车1模式切换成功后能以T2G模式运行的时间。若在后车进行模式切换的过程中，前车已驶出当前TMC的管辖范围(t2<0)，那么后车也无法切换模式。

图8 Confirm B时间参数图Fig.8 Confirm B time parameter diagram

当后车的车车通信故障时，若前车已驶离当前TMC1管辖范围，那么后车无法从TMC1中获取前车位置信息，则以当前TMC1管辖范围的终点生成移动授权，并从车车通信不可用时所在的位置以RM模式的速度运行至下一个TMC2管辖范围处，其所需时间最大值(tT2G−t1)为以RM的速度(vRM)运行T2G设计运行间隔的距离(v0∙tT2G)所需的时间，即其中，v0为列车最大运行的速度，由于列车车车通信故障可能在运行的任意位置发生，该时间值在模型用随机函数Rundelay()产生。当后车运行至下一个TMC2管辖范围内时再进行登记并查询前车的位置信息。

3 模式切换模型仿真分析

根据建立的模式切换模型，相关参数如下，列车最高运行速度为80 km/h，列车在RM模式下限速25 km/h，T2T模式下列车运行追踪间隔设计为90 s，T2G模式的设计间隔分别为180，210和240 s。对3种运行间隔分别进行10 000次仿真，得到不同T2G模式设计间隔下切换成功次数如图9所示。可以看到，模式切换的成功次数随设计间隔的增大而增大，其中，切换失败的原因是由于后车在切换过程中，前车已经驶出了当前TMC的管辖范围。

图9 模式切换成功次数Fig.9 Mode switching success times

对能够成功切换至T2G模式的列车时间参数进行统计，得到列车的模式切换时间与可运行时间分布如图10所示。

图10 3种T2G设计间隔切换运行时间分布Fig.10 Three kinds of T2G design interval switching operation time distribution

根据仿真所得数据，对模式切换的成功率和模式切换与运行时间统计，见表1。

表1 不同T2G设计间隔下系统切换实时性Table 1 Real-time system switching under different T2G design intervals

假定A，B 2站之间的距离为2 000 m，两车正常运行速度为20 m/s，两车最大加速度为1 m/s2，制动加速度为0.8 m/s2。取T2G模式设计间隔为240 s仿真结果中的一组数据，当列车在30 s时出现车车通信故障，即t1为30 s，中心ITS处理时间为80 s，此时列车在T2G模式下能运行45 s，得到2种情况下的速度−时间曲线如图11和图12所示。可以看到，正常情况下，列车从A站出发，经过123 s到达B站，当列车出现车车通信故障时，列车经过模式切换，以T2G模式运行，最终花费184 s到达B站。即延误61 s，满足3 min的需求，同时，红色线为列车以T2G模式运行，时间为20 s，满足45 s内的运行时间。

图11 列车正常运行速度-时间曲线Fig.11 Speed-time curve of normal train operation

图12 列车故障情况速度-时间曲线Fig.12 Speed-time curve of train failure condition

结合以上图表，由仿真运算的结果可知，当列车出现车车通信故障时，列车由T2T模式切换至T2G模式时，切换成功率随T2G模式设计间隔增大而增大，为保证列车晚点时间不大于3 min，T2G模式的可运行时间越大越好。在设计间隔为240 s时，才有较大可能将运行晚点时间控制在3 min之内，即为了满足3 min的晚点要求，T2G模式设计间隔应大于240 s，且通信条件许可下，T2G模式设计间隔越大越好。

4 结论

1) 根据车车通信列控系统的功能结构，提出了车车模式(T2T)和车地模式(T2G) 2种列控系统运行模式，并将T2G模式作为列控系统的后备模式，较之CBTC列控系统，列车无需行驶至信标处才发生模式切换，运行效率更高。

2) 为评估T2T模式向T2G模式切换的实时性，建立了模式切换的HTCPN模型，能有效描述车车通信列控系统模式切换的过程。

3) 通过对模型的仿真分析表明，列车模式切换成功率随T2G模式设计间隔增大而增大，当列车因车车通信故障导致运行模式降级时，将T2G模式设计间隔为240 s能将运行晚点时间控制在3 min之内，对于不同运营质量要求的线路可参考表1进行T2G模式间隔的设计来满足运营的要求。