基于车车通信的信号系统智能控制方案研究

刘 净

（福州职业技术学院 福建 福州 350108）

0 引言

随着城市的快速发展，在交通日益拥堵的特大城市，城市轨道交通成为重要的交通运输方式，在缓解交通压力等方面起着重要作用。城市轨道交通信号系统是轨道交通控制系统的重要组成部分，其运行效率直接对列车运输效率产生影响，进而影响行车安全。随着科学技术发展，城市轨道交通信号系统也在不断完善和创新，车车通信技术的运用降低了通信时延，提升了效率，计算机信息技术的发展使轨道交通信号系统日趋智能化。

1 基于车车通信的列控系统

目前城市轨道交通信号系统是基于车地通信的列车控制（communication-based train control， CBTC）系统。随着技术的不断发展，车车通信开始应用到列控系统中。车车通信技术可以实现运行列车间直接通信，不再通过轨旁转发，这样可以有效减少轨旁设备数量，减少通信节点，降低传输时延，是未来城市轨道交通信号系统的发展方向，该系统在保障安全运营的前提下，提升了列车通过能力［1］。

基于车车通信的CBTC 系统，取消传统的计算机联锁系统（computer interlocking， CI），新增对象控制器对轨旁信号机、道岔等进行管控，车载控制器（vehicle on-board controller， VOBC）直接与新增的轨旁对象控制器通信完成信号设备的管控，还可与线路上的其他列车直接通信，获取其他列车实时位置、速度等状态信息，再结合自身运行状态，完成移动授权的计算和速度曲线的绘制，保障列车的运行安全距离［2］。基于车车通信的CBTC 系统保留了VOBC 与列车自动监控（automatic train supervision，ATS）系统直接通信的功能，实现列车监控。因此，相比传统的基于车地无线通信的CBTC 系统，基于车车通信的新型CBTC 系统具有以下优势：

（1）系统取消了CI、区域控制器（zone controller， ZC）子系统，使得信号系统的接口量减少，系统复杂度降低；同时，由于减少了系统设备，相应的维护成本也随之降低。

（2）系统具有基于车地通信CBTC 系统的所有功能，但数据传输的节点减少，网联负荷大幅降低，所以实时信息处理效率得到提升，信号系统整体功能更加完善。

（3）系统减少了与轨旁通信的数据量和时延，车载控制器可以更快响应，列车运行间隔较传统列车自动控制系统大幅降低。

（4）前后列车之间可以直接相互通信，后车能够实时接收前车的信息，并根据自身移动速度计算速度距离曲线，控制列车在最优状态下平稳运行［3］。

2 基于车车通信的信号系统智能控制分析

2.1 安全距离分析

在基于车车通信的信号系统中，列车收集周围其他列车及环境信息，自主计算移动授权，为了保证行车安全，必须与前车保持一定的安全距离，此距离的计算应该考虑列车的运行速度、制动距离、对突发情况的反应速度等方面，必须经过全方位、多层次、多角度的分析和判断，进行科学的计算，在保证安全的前提下，尽可能减小安全距离，以缩短列车运行间隔，提高运行效率［4］。

2.2 数据传输分析

传统信号系统中，列车将自身运行数据通过轨旁传递给控制中心，由控制中心进行移动授权计算再发送给列车，单次传递数据较少，对速率要求不高。而基于车车通信的信号系统，列车自主计算移动授权，所需的数据量大幅增加，为了降低传输时延，对传输速率、传输质量的要求大大增加，在实际运营过程中，必须实时监控信号质量，加大控制力度，保证数据传输准确性，从而在确保安全的前提下保证列车平稳有序的运行［5］。

2.3 控制方式分析

城市轨道交通控制系统的控制对象运行环境复杂，具有非线性、时变性以及复杂的环境干扰等各种不确定性，难以建立起精确的控制模型，对于这种类型的控制系统，传统的控制方案难以奏效，对于模糊的控制系统采用模糊的手段更能精确控制，通过不断地分析、优化，了解系统特征、控制策略以及响应的控制指标，通过模糊控制的非线性手段，来实现基于车车通信的智能控制，提升其智能控制性能［6］。

3 基于车车通信的信号系统控制方案

3.1 基于车车通信的信号系统控制参量优化

为了提高城市轨道交通信号系统车车通信的抗干扰能力，提出智能化控制方案，通过建模仿真优化控制系统，以实现信息传输准确性与及时性的提升，确保列车能及时获取自主运行所需数据［7］。使用Smith 结构设计基于车车通信的城市轨道交通信号系统通信控制结构模型，此模型包括信号输入设备、DC/AC 逆变器、调制解调器、反馈电路等部分，如图1 所示。

图1 城市轨道交通信号控制输入输出结构模型

逆变器模型可描述为：

当列车发出的信号满足高斯平稳时，Gms＝G0s，tm＝γ，由此得出系统的反馈模型函数：

结合二阶控制矩阵模型，得到系统的参数模型：

为了提升系统信号的稳定性，将输入信号与反馈信号进行延时耦合，得到其二阶函数：

最终得到系统的开环控制方程：

对系统信号采用64QAM 调制的方式，提高传输速率与抗干扰能力，保证信号的平稳传输，由此得到系统的内环控制参数：

其中Kp1、K11、Kp2、K12为系统的控制参数，通过对这些参数进行不断调整，融合控制，提高系统信号输出的稳定性［8］。

3.2 基于模糊控制的算法改进

采用模糊控制的方法对上述系统进行改进设计，系统信号具有多径传播特性，且采用64QAM 调制，以此实现自适应控制，由此可得到输出信号为：

当系统信号传输信道达到平稳状态时，可得到s（t） 为：

根据以上设计，可得到模糊控制的迭代式：

其中，

当模糊控制系数满足以下表达式时，

整个系统控制过程是线性稳定的，由此实现了基于车车通信的城市轨道交通信号系统控制算法的改进设计［9］。

4 仿真测试结果

采用VISUAL DSP＋＋搭建仿真系统，将控制算法加载到控制器中，设置系统信号采样频率为60 kHz，并进行线性匹配滤波器调制，然后将得到的信号输入到仿真控制系统中，得到的仿真测试结果如图2 所示。

图2 仿真测试结果

可以看出，采用模糊控制方法对基于车车通信的城市轨道交通信号控制系统进行改进设计后，降低了系统时延，提升了包传输率，系统收敛性好，具有很好的传输效率与控制能力。

5 结语

随着通信技术、信息技术的飞速发展，城市轨道交通列控系统也正在不断革新，车车通信的引入简化了设备、提升了效率，智能算法的使用引领城市轨道交通信号系统向着自动化、智能化方向发展，基于车车通信的列控系统智能控制应用于轨道交通的建设，不仅符合经济发展的需求，更能带来城市轨道交通的技术变革，为城市轨道交通智慧信号系统的发展奠定坚实的基础。