信息物理融合系统环境下轨道交通信号安全控制规划研究*

方宇恒 徐中伟 彭 聪

（同济大学电子与信息工程学院，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

现在无论是在城市轨道交通还是铁路的信号控制系统中，都是采取集中式控制方式进行安全控制。由于控制设备种类众多，很多功能纷繁复杂且相互冗余重叠。当其中一个集中控制器产生故障时，往往会对运营具有较大影响，甚至造成大面积停运等事故。

随着网络通信、控制工程和计算机科学等技术的日益发展，系统的结构变得越来越复杂且具有广泛的空间分布。而分布式控制系统在生产生活中的应用已经在逐步取代原有的传统集中式控制系统，因为它可以消除集中式控制系统灵活性低、可拓展性低和鲁棒性不高等劣势［1］。

本文将分布式控制系统运用于列车控制系统中，使整个轨道交通系统通过车-车节点、车-地面节点和地面节点之间的互相通信协同工作来完成对于列车的控制任务。整个控制过程都是分布式的，这样可将轨道交通分布式控制系统的各个传感器或控制器结合并抽象成各类节点，并根据其拓扑关系组成网络。

另外，本文进一步提出将信息物理融合系统（Cyber-Physical System，以下简称CPS）运用到轨道交通分布式控制系统当中，使整个轨道交通控制系统和信息网络相融合。利用CPS在保证行车安全、提高运输效率［2］的约束条件下使系统的灵活性、可拓展性和鲁棒性等方面得到提高。

1 CPS体系结构

CPS指信息计算和物理过程紧密结合与协作的系统。CPS是通过网络将信息世界与物理世界联系在一起而构成的一种大型、异构、分布式实时系统，如图1所示。CPS的特征为：可靠感知、实时传输、普适计算、精确控制、可信服务［3］。CPS在对物理环境可靠感知的基础上，通过网络的实时传输，利用信息世界的普适计算和信息处理能力，实现对物理世界的精确控制，为人们提供可信高效的服务。

图1 CPS体系结构示意图

CPS体系结构是CPS研究和开发的基础。CPS强调计算和物理的紧密结合，同时也强调了网络化。分析可知，整个CPS中最核心的任务实际上是信息处理，感知物理世界获取信息，然后对信息进行处理做出决策，给控制单元发送指令。在现实环境中，大量的传感器以无线通信方式自组织成网络，协同完成对物理环境或物理对象的监测感知。传感器网络对感知数据做进一步的数据融合处理，将得到的信息通过网络基础设施传递给决策控制单元；决策控制单元与执行器通过网络化分别实现协同决策与协同控制。

CPS是运行在不同时间和空间范围的闭环（多闭环）系统，而且感知、决策和控制执行子系统大多不在同一位置。逻辑上紧密耦合的基本功能单元依托于拥有强大计算资源和数据库的网络基础设施（如Internet、数据库/知识库服务器和其他类型数据传输网络等），构成了CPS完整的体系结构，使之能够实现本地或者远程监测并影响物理环境。各种网络结构构成了CPS最为基本的骨架。因此，要想充分发挥CPS的功能，首要的任务就是不断地开发与完善系统体系。

CPS中各个单元模块不仅仅是独立完成的，模块和模块之间有信息的交流。上下级模块之间、同级模块之间、不同功能模块之间，可通过不同方法实现传感器网络与各种控制系统及传输网络的连接。这种结构一方面加强了对外界变化的敏感度，形成资源的交流；另一方面，还可以按照人的意愿对检测到的结果进行处理，营造资源共同利用的氛围。在具有计算功能的系统中，它的子模块内部具有紧密的联系，具有不同功能的模块经过关联后，使得整个CPS的性能大大提升。提高CPS性能的最为关键的方法就是要不断强化系统内部模块的紧密联系性。各个模块的功能具有多样性，而且每个模块均可能拥有一种或多种功能，具体结构关联如图2所示。

图2 CPS中各单元模块关联图

2 轨道交通的安全控制

在轨道交通的控制系统中，对于列车的安全控制可分为对列车速度的安全控制和对列车方向的安全控制。对列车速度的安全控制就是对列车许可的控制，即在一定的范围内根据周围情况决定列车运行速度曲线，保障在出现紧急情况下可以在安全范围内停车。对列车方向的控制是对列车即将行进的路径进行规划。因此，对于轨道交通的安全控制可分为以下三方面来完成。

（1）基于车间通信的安全控制：很多CBTC（基于通信的列车控制）系统都运用移动授权的闭塞方法，在保障安全的前提下，利用列车间速度控制曲线的动态规划来提高运营效率。本文利用本车和相邻列车之间的通信协同来对本车的移动授权进行智能规划，以保障同一线路上前后车的安全速度并保障相邻线路上的邻车在占用道岔时不产生侧面冲突。通信可采用无线自组织网络的架构［4］。

（2）基于车地通信的安全控制：车地之间的通信可以将地面的信息告知于“车”，比如前方的限速和线路状态等信息，“车”可以根据这些信息结合自身列车之间的速度与距离，进一步智能规划其动态路径和移动授权。另一方面，车可以将自身的信息告知于地面节点，使地面设备可以得知“车”的信息（包含目的及优先权等信息），再结合感知的周围环境信息完成地面设备的功能，即为列车安排出安全有效的行进路径。

（3）基于地面设备间通信的安全控制：当地面设备接收到车的信息后，需要完成自身的功能。而地面设备的功能可以进一步简化为对于列车方向的控制，即道岔根据自身状态和列车信息交互协同完成对该列车的方向控制。而且，在取消集中控制设备的情况下地面设备是分布式地、共同决策、协同工作来完成控制的。在线路拓扑和安全实时的约束条件下，分布式地询问并安排出进路，并通过列车的移动授权来对设备进行锁定占用和之后的解锁功能。

3 节点分层结构

根据上述CPS的特性，再将其运用到轨道交通的信号控制系统中。

首先最底层为设备的自治功能层，即在没有通信协同的控制下也能在确保安全，并完成自身功能所要求的控制任务。该层是基本功能层，自治表示其行动上的独立性。节点清晰地对待所处的环境，感知和作用于其所处的环境，能对环境发生的改变及时做出响应。此外节点不仅能对所处环境做出响应也能主动展现其面向目标的行为［5］。

其次是信息层，该层为该节点提供通信保障。从安全通信的角度出发，将信息打包加密成多播或单播通信包传输给指定节点的信息层，以供协同层进行协同决策。所有节点都是通过该层来互相链接的，而且信息的实时性是保证系统安全的重要组成部分［6］。此外，列车节点之间和列车节点与地面节点之间均通过无线通信进行传输，而地面节点之间通过以太网链接。

最上层为协同层。协同层利用自治层对于本节点状态信息的采集和信息层对其余周围节点接收到的信息综合于该层。协同层在这些信息的综合评估下给予局部最优解然后输出控制命令，通过控制自治层进行相应的控制操作。

4 具体设计

在具体设计前提出如下的先提条件：

（1）为了优化列车运营效率，列车自身的移动授权（Moving Authority，MA）设计为其从本时刻起的刹车距离DBrake再加上一定的安全防护距离DSafe，即为移动授权距离DMA。列车的MA所覆盖的轨道区段不可以有任何其他互斥的物体，包括施工人员、其他列车等。被MA所覆盖的道岔需被锁定，不可进行搬动。

（2）地面节点是在已知其上游有哪些相邻节点和下游有哪些相邻节点的情况下工作的，而且这些相邻节点之间都是由物理轨道区间相连的。有这样的链路拓扑关系就可以表达一个站场的物理特征，在寻找路径时提供便利。

（3）本CPS的运行环境是在一个物理站场环境下的，故本系统的安全控制角度都是从列车进站和出站角度出发考虑，不考虑区间列车安全控制和其余情况。

4.1 地面间功能节点的设计

4.1.1 信号节点设计

在本CPS分布式列车控制系统中，信号节点作为车站的边界节点提供移动的列车接入到该车站CPS网络的接口，为列车开放是否可以进入车站的信号；此外，还提供列车进出站台的信号。该节点的自治层上传实时信号机的状态，并执行下发控制点灯命令。主要完成的控制任务有：完成进路搜索、选岔、选排一致性检查、锁闭、信号开放及保持等［7］。

信号节点的主要功能为进路搜索（Searching Route，SR），进路搜索采用多播的方式对该节点的下游节点传输车辆信息和目的地信息，如果到达终点（站台信号机节点）就对该搜索的进路进行回溯。图3为进站信号节点进行SR过程的流程图；图4为站台信号节点和岔区的道岔节点进行回溯过程的流程图。

4.1.2 道岔节点的设计

道岔节点通常位于车站CPS的岔区中，属于中间节点，在地面节点的寻路过程中属于传递的中间节点；同时道岔也是对列车方向控制的直接节点。所以在SR过程中道岔节点的协同工作显得尤为重要。图5是道岔节点在SR过程中的流程图。

4.2 列车间功能节点设计

列车节点在本CPS环境下的分布式列车控制系统中处于重要地位，列车之间通过协同控制来保证前后列车不会发生碰撞。图6为列车节点的协同层功能如何防止前后列车产生碰撞的流程图。

图3 信号节点SR过程流程图

图4 信号节点回溯过程流程图

图6 列车间协同规划MA流程图

4.3 车地间功能节点设计

4.3.1 道岔节点设计

车地间功能主要包括道岔节点与列车节点之间协同决策以保障列车在侧面不冲突的情况下提高列车的通行效率。因为列车在进站和出站的过程中必然要经过道岔，所以道岔是运行路径上的一个重要节点［8］。本文提出道岔节点可存有一张表格表示为该节点的锁闭信息，即为预计列车到达的时刻和预计离开占用的时刻，再加上自己启动转辙机的时间和防护时间，该时间段即为该列车的预定MA锁闭时间信息。该锁闭信息是在与列车周期通信中不断更新的，且在周期刷新后告知所有预计通过该节点的列车，以保证在该节点上算法的局部效率最高。图7为道岔节点在此功能下的工作流程图。

图7 道岔节点工作流程图

4.3.2 列车节点设计

列车在地面节点与前方同一路径上列车节点通信后可得知每一条可达路径的各方面信息（包括每条路径的长度，可通行的最大速度，限速的长度和最大速度，根据前方列车的位置、速度等）实现CPS环境下列车MA的智能动态规划。该规划机制是利用一种综合评价机制，在选择一条效率最高的路径的基础上将MA进行智能规划，以达到列车通行效率的极大化。图8为列车节点的智能动态规划MA流程图。

本CPS中列车节点在车地安全通信的基础上达到动态智能规划的方法是采用一种符合CPS分布式轨道交通环境下的路径评估算法。该算法是结合改进的Dijkstra算法和权值排序优化策略的评估算法。在权值排序优化算法中加以分层和算法改进，结合Dijkstra算法对预计路径局部最优解从而综合得出列车在进入车站时的局部最优路径。而在每列车都利用局部最优路径时就可以得到本车站CPS环境下的全局最优解，以最小化加权延迟总和（Total Weighted Tardiness，TWT）为优化调度的目标［9］。从而可以在列车运营密度较大时进一步扩大运行效率，节约运行成本。此外，列车可以实时与前方车站的地面节点协同通信，得知与本CPS相关的信息，以达到在前方出现突发情况（设备故障或突发险情）时可以动态改变路径，保障列车顺利运行，全力避免事故损失，提高系统的容错率。

图8 列车智能动态规划MA流程图

5 性能评估

5.1 可拓展性

现有的车站列车信号控制系统由车站联锁、列控中心、LEU（轨旁电子单元）集中监控中心、临时限速服务器等许多设备组成。而在站场的改建过程中，不仅要对底层的物理设备进行更改，更需要对各个列车信号控制设备软件及硬件进行升级更新。这是一个十分复杂的工作，往往需要消耗大量的人力和物力。

在本CPS环境下的列车信号控制系统属于分布式的控制系统，每个节点都可以单独工作和协同工作。在改建站场的过程中只需要增加必要的节点，并配置其物理位置和连通性（即配置其上下游节点的传输链表），最后更新集中监控设备即可。另外，在应用到新建站场中，本系统拥有更多的便捷性，将链表配置好的节点直接接入车站系统网络中即可。

由此可见，本CPS环境下的列车信号控制系统在可拓展性上拥有优势。

5.2 灵活性

在列车信号控制系统中，灵活性可以从列车的智能动态路径选择过程中体现出来。现有的CBTC系统中列车的行进路线由联锁来完成，而这其中的路线都是提前定义好的进路，在灵活性上不能做到智能动态选择最佳路径。而本CPS环境下的列车信号控制系统在列车节点端可以根据前方线路情况和列车情况动态地智能选择最佳路径。并且，在临时事故发生的情况下后方列车可以快速感知从而决定可更换更具效率的路径，从而增加系统的灵活性。

由此可见，CPS环境下的列车信号控制系统更具灵活性。

5.3 鲁棒性

对于系统鲁棒性，本文利用系统中节点有一定概率出现故障的情况下的系统运行效率来进行比对。因此，在仿真前需要对轨道交通系统进行假设：列车在运行过程中，前方的道岔节点产生故障的概率为1%（为了使CPS环境下和传统信号系统中的节点数量一致，假设信号机节点不会发生故障），在发生故障的情况下，必须要修理的时间Tfix为120 min；可绕行时增加的时长Tadd为2 min。在上述条件下，本文选取了两个复杂度不同的车站进行仿真，得到了两种信号控制系统在可能发生故障情况下的平均晚点时间，如图9所示。

图9 两种列车信号控制系统在可能故障情况下的平均晚点值

在传统的列车信号控制系统中，列车在遇到前方道岔出现故障的情况下，一般都是采取停车操作，等待人工调度或者检测维修。而本CPS环境下的列车信号控制系统会由列车节点智能动态地规划运行路径，减少节点故障对列车运营产生的影响，这就是CPS环境下的系统在鲁棒性下的优势体现。因本次比较没有考虑信号机等其他信号设备的故障情况，故在真实环境中，分布式信号控制系统的有效性更高。另外从图9还可以看出，在较大的车站，存在较多道岔节点的情况下，CPS环境下列车信号系统的鲁棒性较传统系统更加优越。

6 结语

如今集中式控制设备广泛运用于轨道交通控制系统中，但它极大地限制了设备的拓展性和系统的鲁棒性。本文提出的利用CPS的特性结合轨道交通的特点，将各个设备简化为不同类型的节点，且将节点分为自治层、信息层、协同层三层，致使本系统的功能划分更加清晰，可以更好地确保安全控制。此外，本CPS分布式控制系统中的各个节点既相互独立又在网络环境中协同控制，可以达到高可拓展性和强鲁棒性。而且，CPS环境下的分布式轨道交通控制系统还可使列车在运行压力大的情况下进一步提高运行效率。因此，该系统必将成为未来轨道交通控制系统的发展方向之一。同时这种CPS分布式控制系统还可以推广运用在生活生产的其他场景中，并带来鲁棒性、灵活性和可拓展性的提高。

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［3］ 伦永亮.信息物理融合系统优化调度理论与方法的研究［D］.广州：广东工业大学，2012.

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