數(shù)據(jù)包丟失對列車控制系統(tǒng)的影響

楊良豐 原 萍

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

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數(shù)據(jù)包丟失對列車控制系統(tǒng)的影響

楊良豐 原 萍

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)中的車-地通信是利用WLAN技術傳輸列車的狀態(tài)和控制命令。列車控制系統(tǒng)的性能取決于通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_、實時、可靠,而WLAN技術并不是為城市軌道交通快速運行的環(huán)境而設計的,因此,在傳輸過程中出現(xiàn)傳輸延時和數(shù)據(jù)包丟失等情況,導致列車運行性能的下降。把列車控制系統(tǒng)等效為網(wǎng)絡控制系統(tǒng),對于車地通信無線傳輸過程中,出現(xiàn)隨機延時大于其采樣周期而導致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包丟失情形,采用補償策略估計列車的系統(tǒng)狀態(tài)并對其進行了分析,提出了改善數(shù)據(jù)包丟失的列車控制方法。

基于通信的列車控制系統(tǒng); 車地通信; 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

Author′s address Shanghai University of Engineering Science,201620,Shanghai,China

基于通信的列車控制(CBTC)系統(tǒng)是控制與指揮列車運行的控制系統(tǒng),其中車地通信是采用基于無線局域網(wǎng)(WLAN)技術來實現(xiàn)的[1]。然而,采用CBTC信號模式的軌道線路通信反饋故障頻發(fā),究其主要原因就是CBTC系統(tǒng)對車地通信有著非常嚴格的要求,WLAN并沒有考慮其應用于城市軌道交通高速運行和隧道工況等復雜的無線通信環(huán)境,因此,最終導致車地通信過程中出現(xiàn)隨機延時和數(shù)據(jù)包丟失的情況,影響了列車運行性能。

針對上述問題,文獻[2]提出了最優(yōu)隨機控制方法,即把網(wǎng)絡延時歸結于一個線性二次高斯問題。文獻[3]運用混合系統(tǒng)的方法分析了隨機網(wǎng)絡延時小于一個采樣周期的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

文獻[4]把列車控制系統(tǒng)建立成一個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(NCS)數(shù)學模型,分析了網(wǎng)絡隨機延時對列車控制系統(tǒng)的影響,提出了在每一個移動授權(MAL)插入帶有MAL生成時間和控制命令執(zhí)行時間的時間戳,列車根據(jù)接收到的時間戳以及列車狀態(tài)發(fā)送所需要的時間估計其執(zhí)行控制命令時刻的系統(tǒng)狀態(tài)的方法。通過仿真實驗驗證,這對于延時的消除效果比較明顯。但是,僅僅討論了隨機延時小于其采樣周期的情形,并沒有分析隨機延時大于一個采樣周期時對列車控制系統(tǒng)的影響。

文獻[5]研究了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡延時和數(shù)據(jù)包丟失等基本問題,提出了NCS估計器的概念,通過NCS估計器對網(wǎng)絡延時進行估計,然后對其補償。但是,對于網(wǎng)絡延時分析所建立的前提條件都是假設出現(xiàn)的隨機延時小于一個采樣周期的情形。

基于上述問題,本文研究在車地通信的無線傳輸過程中,出現(xiàn)隨機延時大于其采樣周期時對列車控制系統(tǒng)的影響并給出相應的改進措施。

1 CBTC系統(tǒng)

如圖1所示,CBTC是由軌旁設備、車載設備以及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)(DCS)組成。軌旁設備包括列車自動監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)、區(qū)域控制器(ZC)、計算機聯(lián)鎖(CI)和數(shù)據(jù)存取單元(DSU)。車載控制設備(VOBC)主要是由列車自動防護(ATP)系統(tǒng)和列車自動運行(ATO)系統(tǒng)組成。車載無線單元、軌旁無線接入點(AP)以及光纖骨干網(wǎng)絡構成了DCS。

圖1 CBTC系統(tǒng)結構

ATS主要是通過命令CI按照列車運行時刻表為運行的列車設置路由,從而實現(xiàn)對列車的監(jiān)督和控制。CI檢查軌旁信號機的狀態(tài),在路由成功設置以后進行鎖閉,并且向ZC傳輸軌旁進路和設備狀態(tài)的信息。DSU向車載控制單元和其他的軌旁設備提供相關的軌道參數(shù)以及臨時速度限制。ZC監(jiān)督其控制區(qū)域內(nèi)所有列車的精確位置,同時根據(jù)軌旁設備的狀態(tài)以及進路信息為監(jiān)督區(qū)域內(nèi)每一輛列車計算移動授權。

ATP基于列車的狀態(tài)、接收到的MAL和軌道參數(shù)為列車計算緊急制動的速度/距離曲線,如果列車在到達MAL之前速度超過了ATP安全防護曲線,列車將會實施緊急制動來保障列車的安全。在ATP防護曲線下,ATO基于運營需求為列車計算運行速度/距離曲線維持列車正常的運行。

在軌道沿線大約300 m布置一個AP,所有的AP都連接到光纖骨干網(wǎng)絡中。車載無線單元(STA)與軌旁AP進行關聯(lián),為ZC和VOBC之間的數(shù)據(jù)通信提供無線鏈路。VOBC周期采樣列車的狀態(tài)、速度、位置和方向等信息,然后,通過無線鏈路發(fā)送給ZC,ZC則向控制區(qū)域內(nèi)的VOBC發(fā)送MAL。

2 CBTC系統(tǒng)數(shù)學模型的建立

本文建立的多輛列車在線路上追蹤運行的CBTC系統(tǒng)模型如圖2所示。圖中符號下標K表示的是第K個周期,下標i表示的是第i輛列車。SKi和VKi分別表示列車車尾位置及列車速度,τsc表示傳感器到區(qū)域控制的傳輸延時,τca表示區(qū)域控制器到執(zhí)行器的傳輸延時,為了方便分析,傳感器到區(qū)域控制器的延時和區(qū)域控制器到執(zhí)行器的延時簡寫為τ=τsc+τca。[SKi,VKi]表示ZC接收的列車狀態(tài)信息。

圖2 多列車控制的系統(tǒng)模型

NCS是通過實時網(wǎng)絡構成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),主要用來處理網(wǎng)絡誘導的隨機延時以及數(shù)據(jù)包丟失對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性能的影響[2]。圖2的列車控制系統(tǒng)可以等效為NCS,該等效模型如圖3所示。

圖3 等效網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模

由于ZC和CBTC中的列車保持嚴格的時間同步,而且其通信周期較短,可以認為CBTC的列車控制系統(tǒng)是離散、時不變的線性系統(tǒng),其狀態(tài)表達式為

(1)

其中:A為狀態(tài)矩陣;B為輸入矩陣;G為系統(tǒng)的閉環(huán)增益。列車的系統(tǒng)狀態(tài)是所有列車的速度和距離偏差,定義為

(2)

這里:Lk=[ lk1,…,lkn]′,Vk=[ rk1,…,rkn]′,Uk=[ uk1,…,ukn]′。其中:Lk是與列車計劃運行間隔的距離偏差向量,lki是第i輛列車的距離偏差;Vk是與最優(yōu)速度偏差的向量,rki是第i輛列車的速度偏差;Uk是列車基本阻力與作用力之間的偏差向量,uki是第i輛列車作用力之間的偏差。

對于列車距離、速度、基本阻力與作用力偏差有

其中:di是最佳距離;v是最優(yōu)速度;mi和aki分別是第i輛列車的質(zhì)量與加速度[4]。

在這里僅考慮當前普遍采用的列車控制系統(tǒng),即前行列車的狀態(tài)信息傳輸給ZC,ZC計算的MAL發(fā)送給后續(xù)列車,后續(xù)列車根據(jù)接收到的MAL和列車自身的狀態(tài)計算速度/距離曲線。在列車控制中傳感器是受時間驅(qū)動的,而區(qū)域控制器和執(zhí)行器是由事件驅(qū)動的。

3 數(shù)據(jù)包丟失的影響及改進措施

數(shù)據(jù)包在傳輸過程中,由于環(huán)境對無線信道的影響,數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失或者傳輸?shù)难訒r太大,都有可能導致數(shù)據(jù)包傳輸失敗,從而導致列車產(chǎn)生不必要的牽引、制動甚至是緊急制動,最終影響列車運行的性能。在本文中,上述原因都認為是延時大于列車的一個采樣周期,歸咎于數(shù)據(jù)包的丟失。假設0≤τK≤h,h為列車的一個采樣周期。在正常情況下,圖3的模型為當出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時,一般情況下,后續(xù)列車的VOBC都是沿用上個周期接收的MAL即控制量UK-1和自身的狀態(tài)產(chǎn)生控制命令,出于安全考慮,后續(xù)列車認為上一次接收到MAL之后,后續(xù)列車就一直保持靜止。

采用補償策略,對丟失的控制量進行估計,表示為

(3)

式(3)可以寫為

于是

(4)

其中:

由于

(5)

于是當出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失時,控制量則為:

(6)

模型的系統(tǒng)狀態(tài)方程為

(7)

那么,閉環(huán)控制系統(tǒng)則可表示為

(8)

其中

這里I表示為單位矩陣。對于上述的網(wǎng)絡控制系統(tǒng),如果存在Lyapunov函數(shù)V(ZK)=ZKTPZK,P為對稱正定矩陣,則只要證明:V(ZK+1)-V(ZK)<0,那么,整個網(wǎng)絡控制系統(tǒng)就漸近穩(wěn)定。可以通過求解此線性矩陣不等式,證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[7]給出了系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件。

就此,提出改善數(shù)據(jù)包丟失的列車運行控制方法,具體步驟如下:

(1) ZC在指定的時間內(nèi)等待接收所有列車的狀態(tài)信息,該等待時間應大于上行網(wǎng)絡的最大傳輸時延。

(2) ZC在接收到所有列車的狀態(tài)信息后,計算移動授權并發(fā)送給其控制區(qū)域內(nèi)的每輛列車。

(3) 如果列車在指定的時間沒有接收到ZC所發(fā)送的移動授權信息,列車控制系統(tǒng)采用補償策略,根據(jù)前面所接收到的移動授權對丟失的控制量進行估計。

(4) 列車根據(jù)補償估計的系統(tǒng)狀態(tài)生成控制命令并執(zhí)行。

4 結語

CBTC系統(tǒng)中列車控制系統(tǒng)的性能取決于通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸準確、實時和可靠性,而數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡WLAN并不是一種可靠的傳輸網(wǎng)絡,因此,在車地通信過程中會出現(xiàn)網(wǎng)絡隨機延時和數(shù)據(jù)包丟失的情形。本文針對這種情況,采用了補償估計的方法,對隨機延時大于其采樣周期而導致的傳輸數(shù)據(jù)包丟失,進行估計補償,從而在一定程度上改善數(shù)據(jù)包丟失列車性能的影響。

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Effect of Data Packet Dropout on Trains’ Control System

YANG Liangfeng, YUAN Ping

Train-ground communication based on CBTC uses WLAN technology to transfer status and control commands of the train. The performance of train control system depends on the accurate, real-tme and reliable data transmission in communication links. WLAN technology,however,is not originally designed for the high mobility environment of mass transit.Thus, when random delay and data drop happens in transmission process will result in the degraded train performance.In the paper,train control systemis modeled as a networked control system, and in the train-ground transmission process, when the random delay is greater than a sampling period which causes the transmission data drops, a compensation scheme is proposed to evaluate the system state of train, and through analysis of the fault, some improvement measures are put forward.

communication based train control (CBTC) systems; train-ground communication; networked control system

U231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.08.013

2015-01-09)