计轴设备与区域控制中心直接接口方案设计

姜庆阳，刘海祥，冯浩楠，柴金川

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081; 2.国家铁路智能运输系统工程技术研究中心,北京 100081; 3.国家铁道试验中心,北京 100015)

基于通信的列车控制(CBTC,Communication Based Train Control)是一种基于移动闭塞的列车运行控制技术,广泛应用于我国城市轨道交通信号控制领域。计轴设备是CBTC系统中保证行车安全的基础设备之一[1-2],计轴信息与列车位置的融合是CBTC系统功能实现的基础[3-5],与CBTC系统的安全性和效率密切相关[6-7],计轴信息与列车位置融合的主流方案是由区域控制中心(ZC,Zone Controller)系统来实现的[8-11]。

由于具有高集成、体积小、易维护的优点,全电子化的联锁(CI,Computer Interlocking)系统取代基于继电接口方式的CI系统已成为CBTC系统发展的基本趋势之一[12-16],计轴设备与CI系统的信息交换方式也由继电接口方式变更为通信接口方式。在项目实施的过程中发现,计轴设备采用通信接口方式增加了ZC系统获取计轴信息的时延,影响了ZC系统的功能设计和工程设计,因此,分析计轴信息传输过程中时延较大的环节,并对其进行优化,具有非常重要的意义。

1 计轴信息的数据流图

在主流的CBTC系统中,计轴设备与CI系统相连,CI系统将计轴设备采集的轨道占用信息处理后再传递给ZC系统和ATS(Automatic Train Supervision)系统[17],ZC系统收到CI系统发送的计轴信息后,将控制区域边界的计轴信息发送给相邻ZC系统。

计轴设备与ATS系统之间采用通信方式进行接口的方案已有分析和研究[18],本文不再敷述,计轴设备与ZC系统之间的数据流如图1所示。

图1 计轴信息数据流

基于数据流图,计轴信息传递到对应ZC系统的过程划分为2个阶段。

(1)第1阶段:计轴设备将计轴信息发送给CI系统。

(2)第2阶段:CI系统将计轴信息发送给对应ZC系统。

计轴信息传递到相邻ZC系统的过程划分为3个阶段。

(1)第1阶段:计轴设备将计轴信息发送给CI系统。

(2)第2阶段:CI系统将计轴信息发送给对应ZC系统。

(3)第3阶段:对应ZC系统将边界计轴信息发送给相邻ZC系统。

将计轴信息传输至ZC系统的各个阶段时延相加,即可得到ZC系统所用计轴信息的时延。

2 计轴信息时延分析

当计轴设备与CI系统之间使用继电接口方式时,ZC系统计轴信息的传输时延组成如表1所示。

表1 继电接口方式时计轴信息时延组成

当计轴设备与CI系统之间使用通信接口方式时,ZC系统计轴信息的传输时延组成如表2所示。

表2 通信接口方式时计轴信息时延组成

计轴信息在各个设备之间传递时,影响其时延的参数很多,如设备运行周期、设备通信周期、通信板卡处理时间、系统倒机切换时间等。另外,各个设备都是独立设计的,均有各自的时钟,各个设备的时钟也难以同步,很难基于统一的时钟对信息时延进行较精确的测定,各设备之间的信息时延只能依据工程经验进行粗略估计。在进行计轴信息时延估计时,各参数取值如下:

(1)计轴设备的处理周期和通信周期取值为200 ms;

(2)CI系统的处理周期和通信周期取值为300 ms;

(3)ZC系统的处理周期和通信周期取值为400 ms;

(4)各设备通信板卡的处理周期取值为100 ms;

(5)“计轴设备驱动继电器时延+CI系统采集继电器状态时延”取值为500 ms。

在系统分析和设计时,通常使用“较小时延”、“正常时延”和“最大时延”3个参数来描述两个设备之间的信息时延情况,用于对信息时延的安全性评估和信息传递效率评估,当采用通信方式时:

(1)较小时延通常按照“发送方处理周期/4+发送方通信周期/4+50 ms+通信板卡处理周期/4+接收方处理周期/4”估计;

(2)正常时延通常按照“发送方处理周期/2+发送方通信周期/2+50 ms+通信板卡处理周期/2+接收方处理周期/2”估计;

(3)最大时延通常按照“发送方处理周期+发送方通信周期+50 ms+通信板卡处理周期+接收方处理周期”估计。

依据上述估计参数和估计方法,计轴信息传递的各个阶段时延估计如表3所示。

表3 各阶段时延估计 ms

设备实际使用的估计时延按照中国城市轨道交通协会T/CAMET 04010系列互联互通接口文件中定义的时延估计相关字段和估计方法进行估计[19-22],按照此方法估计的信息时延约为设备间的双向时延与通信目的设备的处理周期之和,ZC系统的计轴信息时延估计如表4所示。

表4 计轴信息时延估计 ms

由表4可见,当计轴设备与ZC系统的接口方式由继电方式改为通信方式后:

(1)ZC系统本控区范围内计轴信息的较小时延和正常时延小幅增加;

(2)ZC系统相邻ZC边界的计轴信息最大时延增加较多且绝对值比较大。

由于计轴系统、CI系统及ZC系统均为成熟设备,设备处理周期、设备通信周期及通信板卡的处理时间可调整范围有限,因此,考虑对各设备间的接口方案进行优化。

3 计轴设备与ZC系统直接接口

计轴设备支持通信接口方式为计轴设备与ZC系统直接接口提供了便利条件,对计轴设备接入CBTC系统的方案进行改进,计轴设备与ZC系统增加直接接口,计轴信息不再需要经过CI系统或相邻ZC系统到达目的ZC系统,改进接口方案后的计轴信息数据流如图2所示。

图2 改进接口方案后的计轴信息流

计轴信息无论是传送至对应ZC系统还是相邻ZC系统,都仅需要1个阶段,按照第2节时延的估计方法和估计参数,改进方案后通信接口方式计轴信息时延估计如表5所示。

表5 改进方案后通信接口方式计轴信息时延估计 ms

与表4相比可知,方案改进后,ZC系统本控区计轴信息时延和相邻ZC边界计轴信息时延都大幅度减少,估计的本控区计轴信息时延减少0.9～2.4 s,相邻ZC边界计轴信息时延减少2～5.5 s。

4 计轴信息时延仿真

4.1 仿真方案

按照图3所示模型,对计轴设备信息至对应CI系统(ta),计轴设备信息至对应ZC系统(经过CI系统,tb),计轴设备信息至相邻ZC系统(经过CI系统和ZC系统,tc),计轴设备信息至对应ZC系统(采用通信方式直接接口,td)的时延进行计算机仿真,仿真时各设备估计参数使用第2节采用的数值。

图3 仿真模型示意

4.2 仿真结果

按照仿真模型,模拟各设备间通信100 000次,取得仿真数据并进行分析,结果如表6所示。

表6 计轴信息时延统计 ms

采用计轴设备与ZC系统直接接口的方案后,ZC系统所用的计轴信息时延明显减小,为1.0～2.4 s,与估计的结果基本吻合。

5 结论

相比计轴设备只与CI系统接口的方案,计轴设备与ZC系统增加直接接口的方案简化了计轴信息的数据流,明显减小了ZC系统计轴信息时延,优化了CBTC系统参数,为ZC系统的功能设计和工程设计提供了技术支撑,需要在ZC系统后续研发及工程实施过程中进行进一步验证。