城市轨道交通控制专业毕业论文.doc

毕业论文题目 城市轨道交通区域控制器的研究 学生姓名 学号 班 级 专 业 城市轨道交通控制 分 院 指导教师 2013年12月 9日目 录题目 城市轨道交通区域控制器的研究1摘 要1一、绪 论11.1 概述112 cbtc技术的发展213本论文研究意义及主要内容4二、我国城市轨道交通发展的历程621 cbtc系统原理622 cbtc区域控制器组成原理623区域控制器功能需求724 z0与其它子系统关系925 zc切换10三、当前我国城市轨道交通发展的主要特点1431有色petri网建模可行性分析1432 zc与dsu交互模型设计1533 zc与vobc交互模型设计1634 zc与ats交互模型设计1935 zc与c i交互模型设计20四、轨道交通的安全问题得到高度重视2441移动授权的内容2442移动授权相关zc输入输出信息2543移动授权延伸2644移动授权算法设计2745不同运行场景下的移动授权设计2846系统故障工况下的zc处理策略37总 结39致谢语40参考文献41 xxxxxxxx毕业论文（设计）专用纸 摘 要基于无线通信的列车控制系统cbtc(communication based train controd是今后城轨交通列控系统的发展趋势。作为cbtc系统的核心地面设备，区域控制器主要实现移动授权的生成和发送，是决定cbtc系统下列车行车效率、控制精度、安全性和可靠性的重要因素。本文在分析了cbtc系统的运行机理基础上，确定了区域控制器的功能需求和设计原理，剖析了区域控制器与其它子系统的关系，以区域控制器作为研究对象，进行系统建模和仿真。论文在研究区域控制器的功能和交互过程基础上，在vc+开发平台上设计了区域控制器的仿真系统软件，完成了对区域控制器在不同列车运行场景下进行多车控制的功能验证和仿真实现。关键词：cbtc 区域控制器 移动授权 有色petri网 vc+ 41一、绪 论1.1 概述当今城市经济飞速发展，不断扩张的城市规模和不断增长的城市人口使城市交通问题变得日益严峻，交通堵塞状况在各个城市愈演愈烈，交通问题已经成为世界范围内制约各城市发展的瓶颈，也是各城市发展亟待解决的问题。城市轨道交通因其运量大、运行速度快、安全性能高和不易受干扰等特点，使其成为了解决城市交通问题的首选运载方案和模式。列车运行控制系统是提高城轨列车运行效率，保证行车安全的关键技术装备。近些年无线通信技术飞速发展，无线通信的可用性和可靠性大大提升，基于无线通信的列车控制系统cbtc(communication based train contr01)是今后城市轨道交通列车控制系统的发展方向和趋势。cbtc系统是不再采用依赖轨道电路来进行信息传送和检测的控制方式，脱离了传统的固定闭塞模式的新一代铁路信号系统。cbtc系统在确保车地之间不问断地通信和高精度的列车定位基础上，对列车进行更加精确和安全的运行控制，缩短列车运行间隔，提高客运量，保证行车安全。传统的铁路信号系统是通过轨道电路技术来检测运行列车位置的，并通过轨道电路向列车发送控制信息。轨道电路主要优势在于可靠性高，技术成熟，能够保障行车安全。但轨道电路本身技术和结构上的缺陷也制约着信号系统的进一步发展和线路通行能力的继续提升：(1)轨道电路抗干扰能力差，工作稳定性低，维护费用高；(2)车地通信过程中轨道电路传输信息量小；(3)列车定位精度低；(4)从乘客角度来说，采用轨道电路会不可避免的带来噪声、电磁干扰辐射等影响。而cbtc系统采用应答器、交叉感应环线或计轴器进行高精度的列车定位和准确地判断列车占用轨道情况，通过wlan无线通信技术进行高速、连续、双向地车地通信，摆脱了轨道电路技术上的缺陷和束缚，通过地面和车载安全设备实现对运行列车的安全控制。cbtc技术起源于欧洲连续式列控系统，在cbtc几十年的发展历程中，对cbtc系统的定义逐步趋于一致。为了更好地规范cbtc技术的发展，ieee在1999年首次制定了cbtc系统相关标准ieee std 147411999，其中明确定义了cbtc系统是利用高精度的列车定位技术(不依赖于轨道电路技术)，高速、连续、双向、大容量地进行车地数据通信，依靠车载和地面安全设备实现的一种自动连续列车控制系统。与传统的基于轨道电路技术的列控系统相比，cbtc系统具有以下优势：(1)列车定位不再依赖轨道电路技术，定位精度更高，可对列车实现精确度更高的控制，有效缩短列车运行间隔，可灵活组织列车双向运行和单向连续发车；(2)车地之间通信采用无线通信方式，传输的控制信息和状态信息数据量显著提高，容易实现移动闭塞；(3)大量减少区间敷设电缆，减少日常维护工作，降低了维护费用；cbtc系统现成为城轨交通信号系统的首选方案，包括西门子、卡斯柯等多家列车控制系统设备供货商均研发出了自己的cbtc系统，并在世界上多个城市的地铁及轻轨线路上投入使用，国内也有多条线路使用了cbtc系统。12 cbtc技术的发展1.21国外cbtc发展与应用国外对cbtc的研究起步时间较早，技术发展速度也较快，目前许多国家和信号设备供货商都研发出了自己的cbtc系统，如：北美铁路公司研发的atcs，法国自动化实时追踪系统astree，德国铁路研发的新型无线列车控制系统fzb，日本铁路的新型列车控制系统carat。(1)北美atcs系统atcs整体结构由车载设备、数据通讯网络、沿线设备、调度控制中心等构成atcs共有4个级别，各铁路公司可根据线路和自身情况逐级实现相应的atcs系统，这4个级别是根据系统的复杂程度来划分的。通信系统为atcs系统的核心，将无线移动数据通信作为信息传输的主要手段，在隧道中将泄露同轴电缆作为传输介质，整个通信系统参考osi模型。atcs系统的另一特点是引入了列车识别和定位系统，使得atcs系统成为一个闭环控制系统。atcs系统的研发晚于国外其它系统，故采用了一些新技术，整体性能也优于其它国外cbtc系统。(2)德国fzb系统德国铁路为该系统进行了大量而深入的研究和实验，它也是目前一个较为典型的基于无线通信的列控系统。fzb系统通过无线传输方式实现车地通信，传输的信息包括列车普通信息列车控制信息等。fzb系统在通信安全性方面采取了许多有效的措施，以防止通信过程中可能发生的恶意入侵、破坏等。fzb系统不仅支持高速客运线路，还支持货运运输线路。(3)日本carat系统carat系统包括车载设备和地面设备，地面设备包括无线通信设备和地面监控设备，车载设备负责对列车的直接控制。列车运行过程中，对自身所处位置进行检测，通过无线通信方式将位置信息发送给地面设备。地面设备接收来自列车的位置信息，在实施列车追踪运行的同时，监视沿线轨旁设备的状态，并根据线路周围的状态，判断列车可以安全运行的区间。车载设备连续地监视列车运行速度，列车速度超过安全防护速度时，按照缓和制动、常规制动、紧急制动的顺序，根据实际运行情况由车载控制设备自动地实施制动。carat系统中各子系统都具有较完善的自检和自诊断功能，对各子系统的设备进行实时监督和故障报警。122国内cbtc发展与应用1994年我国与瑞典adtranz公司、dalarna大学及瑞典国家铁路合作，进行了cbtc2mas的可行性研究，并且在cbtc系统技术指标的制定、理论研究、计算机模拟等方面取得了一定成果和结论。1 999年北方交通大学提交了关于无线通信安全性、有效性方面研究的“无线数据传输在铁路安全中的应用研究”报告，报告对基于gsmr网络的数据传输、无线列控安全性进行了分析与研究。20世纪8090年代我国学者对cbtc条件下的系统整体结构、行车控制方式、线路通行能力及列车运行组织方法、通过能力模拟等，进行了深入和广泛的研究。2002年，铁道部完成了青藏铁路无线通信机车信号设备的研究及两套通信样机的生产，其中每套样机包括两台车载设备和一台地面设备，并完成了在青藏铁路的现场性能测试。2004年9月，武汉地铁一号线进入运行阶段，此条线路也是国内第一个采用cbtc技术的城轨线路，阿尔卡特公司为武汉地铁一号线提供了seltrac$40 cbtc信号系统解决方案。并且阿尔卡特公司还为广州地铁三号线提供了cbtc技术解决方案。随着cbtc技术的飞速发展和城轨交通在城市发展中的地位不断提升，国内城市轨道交通采用cbtc方案已经成为一种趋势。例如上海轨道交通6号线、8号线、北京地铁4号线和昆明地铁1号线的供货商均提供了cbtc解决方案。13本论文研究意义及主要内容1.3.1研究意义为了提高城轨交通运输效率和确保行车安全，近年来各条城轨交通线路的信号系统均采用cbtc技术，这也就迫切需要性能先进和安全可靠的信号装备。区域控制器zc(zone controller)是cbtc列控系统中的一个安全计算机系统，它对系统的安全性和可靠性有着极高的要求，并且区域控制器的工作稳定性直接影响着列车运行效率和行车安全。根据欧洲连续式列控系统规范，cbtc系统需要设置zc地面设备。现在区域控制器设备主要由欧美和日本几个铁路信号供应商提供，比如法国阿尔斯通公司、德国西门子公司、加拿大庞巴迪公司和日本日立公司等。随着国外铁路公司对区域控制器的不断深入研究，并投入应用的同时，国内对cbtc的研究逐渐起步，国内运营线路上现有的关键信号设备均采用进口设备，也就是说国外供应商垄断了国内cbtc关键设备的供货。因为城轨交通的发展决定着城市的发展速度和规模，所以对cbtc系统的研究迫在眉睫，而区域控制器的国产化任务也刻不容缓。近几年已有多家国内科研院所和公司在引进国外区域控制器的基础上，已经开始了对区域控制器的理论研究和系统仿真。区域控制器的体系结构是否合理，能否计算出安全且不影响行车间隔的移动授权，能否稳定运行，直接关系到系统是否可以安全地控制列车运行，甚至关系到整个cbtc系统能否正常运行。本文遵循并发系统建模思想，采用pctri网建模方法，紧密联系cbtc系统的特点，建立了zc与其它子系统的交互模型，并在此基础上分析了zc的核心功能移动授权的生成，最后采用vc+开发方法，对zc控制列车运行的过程进行仿真。因此本课题的研究无论从近期还是远期看对cbtc系统的研究都有一定的参考价值，对我国在区域控制器方面的技术进步具有积极的意义。1.3.2主要内容论文在详细分析了在cbtc系统地面设备中起到核心作用的区域控制器的系统结构、功能需求和控制功能的基础上，对zc与其它子系统的交互过程进行建模，并结合实验室条件，搭建了zc系统仿真运行环境，完成了区域控制器控车模型的功能验证，实现了简单的cbtc系统下的列车运行控制。二、我国城市轨道交通发展的历程21 cbtc系统原理基于无线通信的列车控制系统cbtc(communication based train contr01)是指在高精度的列车定位前提下，通过wlan无线通信技术进行高速、连续、双向地车地通信，从而实现对列车运行的安全控制。数据通信子系统在cbtc系统中建立了车地之间双向、高速、连续的数据传输通道，车载设备和地面设备的命令和状态信息可以在车地之间进行可靠地数据交换，将地面设备和运行列车紧密地连接在一起。车载控制器从应答器传送上来的数据中提取相关信息，数据存储单元提供应答器位置信息，从而车载控制器结合各传感器信息获得列车的实际位置，并对此位置进行安全包络来获得列车的准确位置。地面设备区域控制器负责管理其管辖范围内的所有cbtc运行通信列车。zc根据各列车的实时运行位置、速度以及运行方向等因素，同时考虑列车进路、道岔所处状态、ats发送的线路临时限速以及其他障碍物的条件，向列车发送移动授权ma(movementauthority)，即列车可以以什么样的速度行驶到哪个位置，从而保证运行线路上各个列车间的安全行车间隔。cbtc系统中，移动授权是以距离更短的轨道分区为单位，这也就为区域控制器计算移动授权提供了更为精确的分辨率，所以cbtc系统可以更精确地控制列车运行，从而缩短了运营间隔，大大提高了行车效率。典型的cbtc系统结构框图如图2-1所示，主要包括以下子系统或模块：列车自动监控系统ats(automatic trainsupervision)、区域控制器zc(zone controller)、数据存储单元dsu(database storage unit)、计算机联锁ci(computer interlocking)、车载控制器vobc(vehicle on board controller)、轨旁设备we(wayside equipment)和数据通信系统dcs(data communication system，包括网络交换机、骨干网、无线接入点及车载移动无线设备等) 22 cbtc区域控制器组成原理城市轨道交通中，cbtc系统的主要任务是保证在准移动闭塞模式下列车的安全运行，这是通过vobc执行从zc接收到的移动授权来实现的，为管辖范围内的列车提供移动授权是zc的核心任务。在zc的每个周期工作过程中，zc需要实时地与vobc、dsu、ci、ats子系统进行信息交互，为ma的生成提供数据支持。当列车在zc管辖范围内按运行时刻表正常运行时，zc接收列车发出的当前位置和运行方向等信息，并使用以上列车信息和进路信息，以及来自ci的周围障碍物状态信息确定列车的ma，vobc向zc提出ma延伸申请，zc通过dcs通信子系统向vobc发送生成的ma，zc还会把列车移动授权范围内的障碍物状态告诉给vobc。区域控制器也回应相邻区域控制器的授权申请。zc需要对所有在其管辖范围内的列车进行管理和控制，根据列车的运行状态，可以将整个管理和控制过程分为列车预登陆，列车进入zc控制、zc正式控制列车和列车注销。下面给分别对以上四钟情况进行说明：每个区域控制器采用三取二配置，可减少故障出现的可能性。23区域控制器功能需求(1)列车管理区域控制器管辖范围内的运行车辆有如下几种状态：列车预登陆、列车进入zc控制，列车正式控制列车、注销状态。区域控制器在完成对其管辖范围内单车的管理功能基础上，实现对多车的管理。列车管理功能需要的数据和信息来自区域控制器与其它子系统的信息交互过程，列车管理的目的是为了对通信列车的运行行为进行管理，记录列车的当前运行状态，监控列车的控制等级，记录列车紧急制动信息等。(2)ma生成移动授权的计算是区域控制器子系统的核心功能，也是区域控制器对列车进行控制的主要手段和方式。区域控制器实时地与数据存储单元、车载控制器、联锁设备、列车自动监控系统等其它子系统进行交互，也为ma的计算提供了数据支持，并通过数据通信系统向列车的vobc发送ma。在zc计算ma的过程中，将道岔、进路终点、前行列车等视为障碍物，zc还会把障碍物状态和信息告诉vobc。移动授权的原理如图22所示。图22 ma原理图(3)线路管理线路管理功能主要用来确定区域控制器管辖范围内区段线路的状态，根据vobc汇报的列车位置和从联锁设备接收到区段线路信息，确定此轨道区段是否被占用。(4)与其它子系统交互zc为了完成其特定功能需要规律地、周期性地与vobc、dsu、ci、ats等其它子系统进行交互，如图23所示。zc与不同子系统之间的交互过程在zc运行过程中所起到的作用也各不相刚。图23与其他系统间的交互zc接收vobc发送的列车位置、行驶方向以及列车运行等信息，并向vobc发送计算出的ma，在zc与dsu的信息交互过程中，简要进行数据库版本号的比较，并可进行数据库版本号及相应内容的更新；ci发送给zc的数据主要包括喂列车所排进路信息以及进路范围内的障碍物所处状态；ats所发信息主要是对zc所发信息的确认和临时限速等信息。24 z0与其它子系统关系区域控制器在cbtc系统中的交互结构如图2-4所示。在整个zc工作过程中，需要实时地与其它子系统进行通信。图2_4 zc与其它子系统信息交互结构图(1)zc与vobcvobc发送给zc的信息主分为两类：一类是列车控制信息，另一类是系统维护信息，本论文主要讨论的是列车控制信息。当列车在zc管辖范围内运行时，zc从vobc得到列车当前位置和运行方向，结合障碍物状态信息，zc为vobc计算ma，计算结果以通信报文的形式通过dcs子系统发送给vobc。vobc对报文进行合理性检查，如果报文通过检查，vobc翻译并执行该报文信息。(2)zc与ats区域控制器会实时地周期性地把列车当前位置和列车信息，以及周围障碍物的状态发送给ats，ats会在线路显示屏上显示列车具体所处位置和线路状态。ats向zc发送的信息包括：临时限速的设定及取消，人工进路预留的设定及取消，开放关闭区域的设定及取消。(3)zc与dsu区域控制器每个工作周期前要首先进行zc的本地数据库版本号与dsu数据库版本号比较，如果二者版本号一致，则无需进行数据库内容的更新；如果二者版本号不一致，则要更新数据库版本号，然后从dsu下载新的数据库内容。(4)zc与ci每个zc工作周期内，zc都要将在其管辖区域范围内列车的信息发送给ci，主要包括列车的所在位置和列车进路情况信息，还需要向列车发送进路申请。ci向zc发送周围障碍物的状态(如车站紧急停车按钮状态、道岔状态、屏蔽门状态等)和进路信息。25 zc切换当zc与相邻的zc之间的控制区域重叠时，在指定区域(切换执行应答器组处)应对列车进行交接，即当列车将要从一个zc区域进入另一个zc区域时，这两个zc需要对列车控制权限进行交接。zc切换是列车行车所必须经历的过程，正常情况下，列车从一个zc切换到另个zc无需司机干涉。当“移交zc查询到列车接近切换边界而无法继续延伸凇时，“移交”zc从dsu子系统得到“接管”zc的d号，通过dcs子系统与“接管zc的通信，得到延伸ma必要的地面信息，同时通知“接管zc有列车需要登录。如果要使列车平滑无缝的按原状态运行就必须使区域控制器的切换顺利完成。zc通过dsc通信子系统与其他相邻zc连接，通过查询dsu子系统的数据，zc可以知道其他所有zc信息。切换示意图如图25所示：图2-5 zc切换示意图车载控制器只会与列车所占用区域的zc进行通信。为了使列车的移动授权能够延伸超过zc切换边界，“接管zc将接收到“移交”zc为列车请求的ma延伸请求。当列车车头通过zc切换边界时，vobc将开始与“接管”zc通信，在两者通信连接建立以后，“接管”zc积极响应，列车的ma将会延伸通过切换边界，然后这些信息将会传送到vobc，最后列车将停止与移交zc通信，完全脱离原来的zc。具体流程如图26所示：图2-6 zc切换流程图（1）列车经过zc切换预告应答器组时，此时列车的移动授权已经到达zc切换边界，随即启动区域控制器切换流程，zcl与zc2建立通信连接，zcl要通知zc2即将进行切换。（2）当列车前端经过zc切换执行应答器组时，也就是列车已经到达两个区域控制器切换边界时，vobc将提取ma信息中的zc2信息，并且与zc2建立通信连接。这时列车与zc2只是在通信上保持联系，zc2不直接控制列车，列车的控制信息还是由zcl进行发送，所以这个过程也是zc2对列车的预接管过程。（3）当列车车尾通过切换边界之前，也就是在zcl进行控车和zc2预控车的过程中，列车同时与zcl和zc2保持通信，zcl向列车发送ma，保证列车的正常运行，zc2只发送用于与列车保持通信连接的空信息。西南交通大学硕士研究生学位论文 第14页（4）当列车后端通过区域控制器切换边界后，列车登录zc2，zc2在列车管理队列中插入登陆列车信息，直到zcl检测到列车最小安全后端也已经通过切换边界时，列车将发送受zc2控制的申请信息；当zc2接收到这个申请后，它将结束对列车的预控制状态，zc2直接正式控制列车。（5）当列车最小安全后端通过zc切换边界时，列车将发送与zcl注销的信息，以脱离zcl的控制，由zc2来控制。zcl将发送列车注销信息，清除列车信息，同时与接管zc2建立通信连接，告知已经与运行列车注销，整个zc切换过程结束。三、当前我国城市轨道交通发展的主要特点31有色petri网建模可行性分析有色petri网模型适合从两个层面上对异步并发系统的行为机理进行充分的描述。本论文主要围绕着区域控制器的核心功能“生成移动授权来对区域控制器进行研究分析，在生成移动授权的过程中，区域控制器实时地与其他子系统进行交互，区域控制器内部会发生数据流动和一系列的处理过程，每个交互过程都会完成其相应的功能。在交互过程中数据资源流动频繁，数据类型众多，各个交互过程具有复杂的逻辑结构和运行机理，因此可将每个交互过程的参与者看作为模型的主体，这样区域控制器生成移动授权就是一个多主体参与的过程，为了准确地展现交互过程的动态行为机理，本文考虑利用有色pctri网模型可以直观地通过图形化的模型界面对系统运行机理进行展现，又可以对系统模型进行形式化的表述。应用有色petri网对实际系统进行建模主要目的之一就是借助系统模型来分析实际系统的性质和功能。当为一个实际系统建立了petri网模型后，并且模型准确地描述了系统的层次结构和运行机理，那么这个petri网模型也可以体现出这个系统的一些特性。pctri网理论中，定义和讨论了petri网模型运行过程中的一些特征和性质，并且把这些性质称为动态性质(dynamic property)，包括系统的活性、死锁、有界性、家态性等，其动态特性主要通过托肯的分布和转移进行展现，这些动态性质同所模拟的实际系统运行过程中体现的系统特性有着密切的联系。有色pctri网可利用图形描述每个变迁过程的输入输出关系。cpn tools是创建、分析和仿真有色petri网模型的强大工具。cpn tools建模工具为用户提供了图形化和可视化的模型开发环境，创建模型后，可以调用simulation tools工具箱，进入模型仿真状态，对模型的仿真既可以单步执行，又可以连续执行，用户可以自行定义执行的时间和步数删。cpntools状态空间分析功能可对模型计算其状态空间，生成状态空间报告，在状态空间工具和仿真器之间传递状态矢量，根据状态空间报告中的数据可以分析有色petri网模型的有界性，活性等静态和动态特性。32 zc与dsu交互模型设计数据存储单元dsu完成整个cbtc系统中的数据管理工作，其它所有子系统用到的数据内容都来自dsu，zc也不例外。dsu中，用数据库版本号来标识数据库内容的实时性，为了确保数据库内容的实时性，zc的每个工作周期都要从dsu获取数据库版本号，并与zc本地数据库版本号比较，当本地数据库版本号与dsu数据库版本号不一致时，zc停止一切应用处理，zc需要从dsu下载新的数据库内容保持数据库 内容最新。zc与dsu交互模型如图31所示：图3-1 zc与dsu交互模型zc与dsu交互模型中所涉及的库所和变迁说明如表31、32所示：进入cpn tools中的state space工具，生成zc与dsu交互模型的状态空间报告：从生成的此pctri网状态空间报告来看，模型有109个节点和224条弧，整个模型是一个强连通的模型。有界性分析报告给出了每个库所包含托肯的数量区间，从状态空间报告中可以看出每个库所中的资源都不会无限增大，库所资源数量都是有限的，整个模型是有界pctri网。活性分析报告显示模型中无死标识状态和死变迁，所有的变迁都是活的，即任何一个变迁都可在指定标识下发生，表明系统没有死循环和死节点。从以上分析可得系统模型正确。33 zc与vobc交互模型设计zc与vobc的交互过程是zc整个交互过程的核心，因为在cbtc系统中，列车的行车安全是依靠移动授权来保证的，zc计算完的移动授权发送给vobc，而vobc发送给zc的列车位置信息是计算移动授权的基础，具体zc与vobc交互模型如图32所示：图3-2 zc与vobc交互模型zc与vobc交互模型中所涉及的库所和变迁说明如表3-3、3-4所示。表3-3 zc与vobc信息交互模型库所说明表3-4 zc与vobc信息交互模型变迁说明进入cpn tools中的state space工具，生成zc与vobc交互模型的状态空间报告： 从生成的此pctri网状态空间报告来看，模型有9809个节点和134116条弧，整个模型是一个部分连通的模型。有界性分析报告给出了每个库所包含托肯的数量区间，从状态空间报告中可以看出每个库所中的资源都不会无限增大，库所资源数量都是有限的，整个模型是有界petri网。由于模型预设了7个ma申请，所以活性分析报告显示模型中无活的变迁和死的变迁，模型不会无限循环下去。从以上分析可得系统模型符合预期。34 zc与ats交互模型设计zc与ats间的信息交互过程主要包括zc向ats报告列车登陆出清信息和位置信息，ats向zc提供ats对列车的管理信息，两者之间的交互具体模型如图33所示：图3-3 zc与ats交互模型进入cpn tools中的state space工具，生成zc与ats交互模型的状态空间报告： 从生成的此petri网状态空间报告来看，模型有6个节点和8条弧，整个模型是一个强连通的模型。有界性分析报告给出了每个库所包含托肯的数量区间，从状态空间报告中可以看出每个库所中的资源都不会无限增大，库所资源数量都是有限的，整个模型是有界petri网。活性分析报告显示模型中无死标识和死的变迁，因为在实际系统中，只要列车在zc管辖范围内，ats和zc要对列车进行实时控制，所以ats sendmessage to zc、zc send message to ats两个变迁是活的，即在网中的任何一个标识下，这两个变迁能在可发生序列中。35 zc与c i交互模型设计ci发送的障碍物状态信息以障碍物的id作为障碍物标识，由于ma本身相当于一个位置信息，所以要明确障碍物的具体位置，包括障碍物所在区段信息，这些数据都包含在dsu中，在dsu中障碍物同样以d标识，除此之外，还有障碍物的类型描述。这就需要zc在使用障碍物信息前，通过障碍物id作为桥梁，将ci和dsu中的障碍物信息进行结合，为zc生成ma做好数据准备。采用建立层次petri网的方法建立zc与ci交互模型，首先建立没有内部详细功能的顶层模型，用于仿真遍历障碍物过程，命名为network，network层中设置了四个替代变迁find obstacle。为了实现建立仿真功能更加详细的模型，建立了site层模型，用于仿真提取障碍物信息过程，每个替代变迁find obstacle都连接到site层模型，具体模型如图3-4、3-5所示：图3-4 zc与ci交互模型network层图35 zc与ci交互模型site层进入cpn tools中的state space工具，生成zc与ci交互模型的状态空间报告： 生成的此petri网状态空间报告来看，模型有22922个节点和50056条弧，整个模型是一个部分连通的模型。有界性分析报告给出了每个库所包含托肯的数量区间，从状态空间报告中可以看出每个库所中的资源都不会无限增大，库所资源数量都是有限的，整个模型是有界petri网。由于模型预设了4个障碍物，所以活性分析报告显示模型中无活的变迁和死的变迁，模型不会无限循环下去。从以上分析可得系统模型符合预期。四、轨道交通的安全问题得到高度重视41移动授权的内容411移动授权的概念城轨交通中，cbtc系统的主要任务是时刻确保列车在cbtc系统控制线路内安全运行，具体采用的手段是向每列通信列车发送移动授权ma(movement authority)。通信列车只有在接收到zc发送的ma后，才能在移动授权的范围内安全行车，一个移动授权可以包含多条连续的轨道区段。移动授权的几个概念：(1)移动授权：指从列车车尾到前方终点障碍物的这部分线路。(2)移动授权终点eoa(end ofmovementauthority)：列车可运行到的授权位置。(3)缩短移动授权sma(shortened movement au血ority)：当列车新接收到ma中的eoa近于上一周期ma的eoa，缩短移动授权可以强制通信列车以此周期接收到的停车位置作为新的eoa。列车根据当前的位置信息，来决定是否启动常规制动或者紧急制动。如果列车位置已经超越新的eoa，则列车马上启动紧急制动。此过程也叫回撤移动授权。412移动授权的结构及内容区域控制器向车载控制器发送的信息包含两部分：一部分是对vobc的应答信息，用于对接收到vobc发送的信息进行确认，此信息在列车管理功能中实现；另一部分是向vobc发送的ma信息，ma信息融合了vobc汇报的列车位置信息、dsu汇报的数据库内容信息和ci汇报的障碍物信息、进路信息，并将障碍物信息编制成链表信息，进而进一步对链表信息排列和遍历。具体移动授权生产过程的数据流图如图42所示。图4-2移动授权生产过程数据流图42移动授权相关zc输入输出信息移动授权的生成和发送主要发生在区域控制器和车载控制器之间，车载控制器首先向区域控制器汇报列车的运行信息，包括列车运行状态、列车当前位置、ma延伸申请等，之后zc根据列车运行信息向列车发送ma。421区域控制器的输入、输出信息（1）输入信息根据各个信息在区域控制器子系统功能中发挥地不同作用，对区域控制器输入信息进行划分，具体划分为：系统决策层输入信息、系统控制层输入信息和系统维护层输入信息。划分原则如下： 系统决策层输入信息：向区域控制器实现功能申请、汇报信息、功能实现或者对功能转换起到重要作用的信息，如vobc汇报的运行状态信息等。系统控制层输入信息：列车具体运行参数输入信息，区域控制器根据这些信息计算ma，对vobc给出控制信息。系统维护层输入信息：vobc发送给zc的状态和模式信息等，不参与zc的ma计算，只用于显示或者标识系统的状态。（2）输出信息zc发送给vobc的输入信息内容和意义如下：(1)列车运行信息标示她：用来标识zc对列车运行状态，包括列车登陆区域控制器状态确认信息、列车进入区域控制器控制状态确认信息，列车正常运行atp状态确认信息。(2)ma终点p,az：本周期zc计算的ma终点eoa。(3)进路号r：本计算周期内ci为列车所排进路的进路编号。(4)障碍物数量：从列车当前所在位置到eoa之间的障碍物数量。(5)障碍物类别号瓯：用于标识障碍物的类别。(6)障碍物：用于唯一的标识障碍物。(7)障碍物状态d胁：标记障碍物的状态，如道岔的定位、反位。43移动授权延伸区域控制器zc向车载控制单元vobc发送包含ma消息的信息帧，vobc接收到ma信息后计算出目标一距离速度防护曲线，并在ma规定的许可范围内行车，移动授权终点eoa是列车被授权可以前进到的线路位置。通信列车在行驶到eoa之前，必须已经得到新的ma，也就是对原有ma的延伸，使得运行列车能够保持正常的运行速度继续前进。如果列车已经行驶到eoa之前，vobc还没收到新的ma，vobc将主动向zc发送ma延伸申请。cbtc系统中可以在列车运行ma终点前设置一个规定时间，在这个规定时间内， 列车行至最近相关应答器组lrbg(last relevant balise group)，vobc发送ma延伸请求，或者在zc响应一个联锁设备输出的变化时自动生成一个新的ma，从而列车行车路线延长到了列车当前位置之前，示意图如图43所示。图4-3 ma延伸原理示意图在下面两种情况下列车车载设备vobc也可以请求ma延伸，一种是列车到达eoa之前的规定时间内，另一种是在ma信息内部计时器到时之前的规定时间内。cbtc系统中vobc在接收到新的ma之前是否进行多次ma延伸申请是可以定义的，如果需要多次申请，可以定义每次重复申请的时间间隔。直到zc给出了新的ma参数，旧的ma参数才会失效。44移动授权算法设计441移动授权算法设计原则cbtc系统中因为取消了固定闭塞分区，采用了移动闭塞信号系统，轨旁信号机只有在后备模式中才发挥作用，所以移动授权信息是列车运行安全防护的关键，vobc完全根据ma信息确定前方最大防护距离。移动授权的具体计算原则分为外部条件和内部机制两个方面。计算移动授权的外部条件：ma的计算是在所依据的信息是有效准确的前提下进行的，各子系统向zc提供的信息，经过有效性判断之后，有效信息在zc中被存储起来，更新路径信息过程就是将这些有效的信息及时地更新到已建立的路径上，保证ma实时性的要求，从而满足ma计算的准确性。需要更新的信息主要包括临时限速信息，联锁设备发送的进路信息和障碍物状态信息，以及联锁设备转发的区间占用信息。在此基础上，依据完善的dsu数据库存储单元子系统的信息(线路信息等)，结合vobc发送来的数据(列车d，列车速度，列车非安全位置等信息)，进行安全包络以对列车成功定位，至此数据信息准备工作已经完成。从移动授权计算的内部机制角度看，大致可将ma计算过程分为两个步骤：第一个步骤，zc依据前面已经提到的准备完毕的信息，根据不同的行车场景，计算ma；第二个步骤是判断是否发送已经计算出的ma。45不同运行场景下的移动授权设计451区间撇的设计两个车站之间只有一列车运行时，zc记录下vobc发过来的列车位置，并以此为列车ma的起点。如图4-7所示：图4-7区间ma的延伸当列车在位置l时：1)进路锁闭，联锁设备向zc发送信号授权：(sa_61)，(sa_62)，(sa_63)。2)zc从列车刚经过的lrbg位置沿着列车行驶方向向前查询，查询到轨道区段61的状态为在进路范围内、无列车占用、不是zc切换边界，则f为等于1，继续向前查询，同理轨道区段62和63的f=1，继续查询轨道区段64，由于轨道区段64前面没有联锁设备的信号授权，前方无进路，则f为0，所以ma终点到轨道区段64处。zc向列车发送终点为轨道区段63终点的移动授权。当列车在位置2时：1)ci向zc发送：(sa-61)的“使用(occupied)”状态。2)zc以轨道区段61的起点为目标点，向列车发送有条件紧急停车消g(cesm)。zc根据信号授权，延伸移动授权。3)正常运行运行列车将忽略该cesm。当列车在位置3时：1)ci向zc发送：(sa_62)的“使用(occupied)”状态。2)zc以轨道区段62的起点为目标点，向列车发送有条件紧急停车消息(cesm)。zc根据信号授权，延伸移动授权。当列车在位置4时：1)ci向zc发送：(sa_63)的“使用(occupied)”状态。2)zc以轨道区段63的起点为目标点，向列车发送有条件紧急停车消息(cesm)。zc根据信号授权，延伸移动授权。如图48所示。图4-8区间ma示意图452区间列车追踪过程的ma设计图4-9列车追踪过程ma的产生当区间有列车追踪情况发生时，ci会把区间所有活动对象状态一起发送给zc。如图49，若联锁设备所排进路到轨道区段66终点处，即发送的信号授权为(sa 61)、(sa 62)、(sh 63)、(sa 64)、(sa 65)、(sa 66)，zc收到信号授权后对追踪列车从列车处位置开始沿着列车行驶方向向前遍历轨道区段，在到达轨道区段64处有列车占用，则f=o，追踪列车的ma终点确定，生成eoa为轨道区段63终点处的ma，同理对前行列车生成eoa至轨道区段66终点处的ma。若下一时刻，前行列车进入轨道区 段65后，追踪列车的移动授权也延伸到轨道区段65。由此可以继续延伸追踪列车的移动授权，如图410所示。图4-10列车追踪过程ma示意图453站内的m设计站内区段是一个特殊的区段，当联锁为列车排列了迸路后，该进路就会被锁闭，在该站内进路中不会存在第二辆列车，且站内不会有zc边界的因素，因此只需考虑进路。(1)站内无进路：为了向前延伸移动授权，zc需要查询站内进路是否是为该列车开放，如果查询到联锁所给信号授权不是该列车的站内接车进路，则接车进路轨道区段式(43)为0，则ma只能到达进站信号机处。(2)接车进路：如图411所示，ci为列车办理了x_xi接车进路，向zc发送(saxi)信号授权，zc向vobc发送终点为的ma。当列车处于位置2时，zc以进站信号机x为目标点，向列车发送有条件紧急停车消息(cesm)。当ci向zc发送发车进路“无进路(noroute)信息， zc向列车发送到列车前端的移动授权。图4-11接车过程tvia示意图(3)发车进路：如图412所示，ci为列车办理了发车进路，向zc发送授权信号(sa_xi)、(sasn)、(sa 79)。zc向列车发送至轨道区段79的移动授权。列车在位置2时，zc以出站信号机为目标点，向vobc发送有条件紧急停车消息(cesm)。当列车运行到位置5时，zc根据信号授权图4-12发车过程ma示意图 (4)通过进路：如图4-13所示，列车在位置1时，ci办理接车进路。在位置3时，ci办理发车进路，zc发送终点为轨道区段79的ma。在位置5时，zc根据ci发送的进路信息，延伸移动授权。图4-13通过进路ma示意图454 zc切换时的ma设计图4_14 zc切换时的ma延伸如图414所示，列车从a站开往b站，区间有zc的切换。zc 1只能给到轨道区段63的线路数据和移动授权，而在zc2管辖范围内b站的联锁设备排进路到了轨道区段65终点处，为保证列车以最大速度通过zc切换边界，zcl应该把移动授权从轨道区段63终点处延伸到轨道区段65终点处，这就需要zc2提供所管辖范围内的线路数据及计算移动授权其它所需信息，即轨道区段64和轨道区段65的数据。列车ma=63ma+65ma，其中63ma来自于zcl，65ma来自于zc2，最终列车的ma延伸至轨道区段65终点处。具体步骤为：1)联锁为列车办理进路。2)ci向zcl信号发送授权信息，即(sajl)、(sa-_62)、(su5)，zcl沿列车行驶方向遍历轨道区段，由于轨道区段63在zc切换边界，并且无列车占用，则f=0，zcl所生成的ma只能到切换边界即轨道区段63终点处，zcl生成的ma只能到此处。3)zcl向zc2发送切换请求。4)zc2得到zcl的请求后向联锁获取该列车在zc2管辖范围内的进路信息，即得到轨道区段64和65的信号授权信息，zc2就将轨道区段64和65的线路数据及临时限速发送给zcl。5)zcl得到zc2发送的线路数据后，移动授权延伸至轨道区段65处，然后将整个移动授权内(即该车位置到轨道区段65终点)的线路数据发送给列车。6)通信列车得到该数据后就可以以轨道区段65终点处为目标终点正常行车。455列车进出车辆段时的ma设计地铁车辆每次迸出车场时都要经过转换轨，由于地铁车辆段属于非cbtc覆盖范围，所以转换轨区域也可以看做为列车进入或者驶离cbtc区域的换区域。为了确保列车驶入cbtc系统之前已经登陆zc和驶离cbtc区域之后安全运行在转换轨区域，zc的覆盖区域要比cbtc区域大，如图415所示。图4-15 cbtc区域示意图下面分别讨论列车进出车辆段时zc对列车的控制方式以及移动授权的生成。(1)列车由车辆段驶入正线当列车由车辆段驶入转换轨停稳后，开始进入zc的管辖范围，ats检测到列车位置后并确认是cbtc列车，vobc登陆zc，并且申请进入zc控制状态，ci自动办理由转换轨至正线车站的进路。当上述控制过程都进行完毕后，司机可将驾驶模式切换到atpm模式，列车以小于25kmh的速度行驶在转换轨。一旦切换到atpm模式，列车在zc生成的移动授权的监督下，在cbtc区域内前向第一个车站。zc为刚刚驶入cbtc区域的列车第一次生成地移动授权终点为转换轨的终点，当列车驶离转换轨，驶入正线之后，zc移动授权的计算按区间ma的算法进行，如图416所示。一旦在第一个车站停车，司机将atpm模式切换到am模式，进入正线运行，列车处于cbtc下的ato运行模式。图4-16列车驶入cbtc区域的ma计算(2)列车由正线驶入车辆段cbtc列车由正线进入车辆段时，如图417所示，当列车行至紧邻转换轨的轨道区段时，zc为列车生成的移动授权终点在转换轨起点。列车车头在越过转换轨起点后，zc为列车生成的移动授权终点在转换轨终点，在列车全部进入转换轨后，列车需停车，司机必须将模式选择开关从am或atpm切换到rm，列车以rm限速在轨旁信号的控制下在车辆段内继续行驶。zc清空系统内该列车的数据信息，不再管理此列车。图417列车驶离cbtc区域的ma计算456列车自动折返时的ma设计cbtc系统下列车可以在折返站完成自动折返作业。整个折返过程中列车的启动、巡航、惰行、加速、制动和精确停车由车载信号控制，移动授权由zc生产并发送给列车，vobcl对列车折返过程进行监控，无需司机进行任何操作。如图4一18所示，列车在vobcl的控制下运行到折返站站台，vobcl控制列车车门关闭。开始自动折返前，列车运行模式开关仍置于“ato模式，司机在驾驶室中按压“折返”按钮