（检测技术与自动化装置专业论文）基于自律分散技术的列车控制系统设计.pdf

西南交通大学硕士学位研究生论文第1 页 摘要 为适应我国高速铁路发展，铁道部门制定了中国铁路列控系统c t c s 规范。 目前c t c s 2 ，c t c s 3 已经在我国成功应用。为了适应未来高速、高密度的运 行，需要实现基于通信的移动闭塞列控系统。列控系统的未来发展模式是实时 检测前方列车位置，实现最短追踪间隔。采取自律分散系统( a u t o n o m o u s d e c e n 打a l i z e ds y s t e m ，a d s ) 技术来解决这一问题是一种思路。 a d s 系统没有“主一从”结构，所有原子节点都被视为平等的实体。各个 原子节点通过内容代码进行数据语义通信。 本文将列控系统的车载计算机设计为原子节点，它能自律地加入或退出一 个由无线网络组成的动态数据域。当它在正常运行时，会向数据域中定时地、 自律地发送本车的位置、速度、加速度等信息。后续列车根据事先规定好的规 则可以自律地接受并处理这些消息。这样c t c s 3 系统中的r b c 的功能就可以 转移到车载计算上去，实现了“控制分散”。 车站、调度中心系统被视为一种带监督干预功能的原子节点。它们平时不 干涉列车行车状态，可按需对列车下达各种调度命令，只需规定一个等级较高 的内容代码，便可强制列车接收并处理该命令。多数情况下，车站、调度中心 只是根据列车的位置、速度等信息生成可视化文件，对列车运行进行监督。实 现了“信息集中”。 本文设计了基于a d s 技术的移动闭塞的列控系统体系结构。对基于数据语 义的通信模式进行了改进，将发送端地址也纳入了内容代码之中。对数据域的 划分原则进行了讨论，分析了各种信息在数据域内和数据域之间的传播特性； 分析了几种典型的列车运行情况如列车进入、退出、避让、越行、施工等对列 控系统控制策略的影响；分析了列车在通信不畅的情况下可能产生的后果并给 了对策。最后对车号读取、状态变量接收、列车运行顺序变更、临时限速信息 接收、求救信息发送等进行了仿真。结果表明各个原子节点是可以按照a d s 协 议和列控系统要求进行各种消息地发送和接收。 关键词：自律分散；列控；常态变量；非常态变量；c b t c 西南交通大学硕士学位研究生论文第l i 页 a bs t r a c t t om e e tt h ed e v e l o p m e n to fh i 曲一s p e e dr a i l w a yi n 伽n a 。r a i l w a ye n g i n e e r s h a v ef o r m u l a t e dt h e s p e c i f i c a t i o n s o fc h i n e s et i a i nc o n t r 0 1s y s t e mf c t c s ) c u r r e n t l y , c t c s 2a n dc t c s 3h a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nc h i n a i no r d e rt o a d a p tt of u t u r eh i g h s p e e da n dh i g h d e n s i t yo p e r a t i o n ，t h eb e s tw a yo u ti st oa c h i e v e m o v i n gb l o c kt r a i nc o n t r 0 1s y s t e mb a s e do l lc o m m u n i c a t i o n d e t e c t e dt h e1 0 c a t i o n s p e e da n ds oo no fat r a i nw h i c hi si nf r o n to ft h es e r v i c e s 仃a i ni nr e a l t i m ei st h e f u t u r eo fd e v e l o p m e n to ft r a i nc o n t r o ls y s t e mm o d e l t h em e t h o dw i l la c h i e v et h e m i n i m u mt r a c k i n gi n t e r v a l t h e r ei sa ni d e at ot a k ea d s ( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e d s y s t e m ) t os o l v et h i sp r o b l e m a d ss y s t e mh a s n t ”m a s t e r s l a v e ”s t r u c t u r e a na t o m i cn o d e sa r ec o n s i d e r e d e q u a le n t i t i e s e a c ha t o mn o d ec a r r i e so u td a t as e m a n t i cc o m m u n i c a t i o nb yc o n t e n t c o d e v a r i o u sc o m m a n d sc a nb et r a n s f o r m e di n t oi n f o r m a t i o ns m o o t h l yi ns y s t e m t r a i nc o n t r o ls y s t e mo n - b o a r dc o m p u t e ri sd e s i g n e da sa t o m i cn o d e i tc a l la d do r q u i tad y n a m i cd a t af i e l d sw h i c hc o m p o s e db yw i r e l e s sn e t w o r kb yi t s e l f d u r i n g n o r m a lo p e r a t i o n ，i tc a ns e n dt h ev e h i c l ep o s i t i o n ，v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n do t h e r i n f o r m a t i o nt ot h ed a t ad o m a i n p e r i o d i c a l l ya n da u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e d f o l l o w u pt r a i nc a nt oa c c e p ta n dp r o c e s st h e s em e s s a g e sa u t o n o m o u sa c c o r d i n gt o p r e d e t e r m i n e dr u l e s s o ，t h er b cf u n c t i o no fc t c s 3s y s t e mc a nb et r a n s f e r r e dt o t h ec a rc a l c u l a t i o na n dr e a l i z e dt h e ”d e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ” s t a t i o na n dd i s p a t c hc e n t e rs y s t e mc a na l s ob ec o n s i d e r e da sak i n do fa t o m i c n o d ew i t h s u p e r v i s i o n a n di n t e r v e n t i o n c a p a b i l i t i e s t h e yu s u a l l y s t a t e n o n i n t e r f e r e n c ei nt r a i nt r a 伍c w h i l en e e d i n gt oc o n t a c tt h et r a i nt od e l i v e ra l lk i n d s o fs c h e d u l i n go r d e r s ，i to n l yp r o v i d e sah i 出l e v e lo fc o n t e n tc o d e ，t h et r a i nw i l lb e f o r c e dt or e c e i v ea n dp r o c e s st h eo r d e r h o w e v e li nm o s tc a s e s ，s t a t i o n a n dd i s p a t c h c e n t e ro n l yg e n e r a t ev i s u a ld o c u m e n tt o c a r r yt r a i ns u p e r v i s i o nu n d e rt h et r a i n l o c a t i o na n ds p e e di n f o r m a t i o nt oa c h i e v e ”i n f o r m a t i o nf o c u s ” t h ei n h e r e n ta d v a n t a g e so fa d ss y s t e ma n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d so f t r a i nc o n t r o ls y s t e m i ti se a s yt oi m p l e m e n t ”d e c e n t r a l i z e dc o n t r o la n d i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ”t m sb o o kd e s i g n e dt h em o v i n gb l o c kt r a i nc o n t r 0 1s y s t e m a r c h i t e c t u r e i m p r o v e dt h em o d es e m a n t i c - b a s e dd a t ac o m m u n i c a t i o na n db r o u g 斗h t t h es e n d e ra d d r e s si n t ot h ec o d ec o n t e n t s i na d d i t i o n ，t h i sb o o kh a sd i s c u s s e dt h e p r i n c i p l eo ft h ed i v i s i o no ft h ed a t af i e l d s ，h a sa n a l y z e dp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f t h ev a r i o u si n f o r m a t i o nb e t w e e nt h ed a t af i e l d ；h a sa n a l y z e ds e v e r a lt y p i c a l s i t u a t i o n so nt r a i nc o n t r o ls y s t e mc o n t r o ls t r a t e g i e s ，s u c ha st h et r a i ne n t r a n c e e x i t ， a n da v o i d ，o v e r t a k i n g ，c o n s t r u c t i o na n ds oo n ：h a sa n a l y z e dp o s s i b l ec o n s e q u e n c e s o ft h et r a i ni nc a s eo fp o o rc o m m u n i c a t i o na n dg i v e nac o u n t e r m e a s u r e f i n a l l y , s i m u l a t e dr e a d i n gt h el i c e n s en u m b e r , r e c e i v i n gt h es t a t ev a r i a b l e sc h a n g i n gt h et r a i n o p e r a t i o no r d e rr e c e i v i n gt h et e m p o r a r ys p e e dl i m i ti n f o r m a t i o na n ds e n d i n gd i s t r e s s s i g n a l s t h er e s u l t ss h o w e dt h a te a c ha t o mn o d ec o u l ds e n da n dr e c e i v ev a r i e t i e so f 西南交通大学硕士学位研究生论文第1 ii 页 m e s s a g e si na c c o r d a n c ew i t ht h ea d sa g r e e m e n ta n dt r a i nc o n t r o ls y s t e m sr e q u i r e k e yw o r d s ：a d s ；t r a i nc o n t r o ls y s t e m ；n o r m a lv a r i a b l e s ；a b n o r m a lv a r i a b l e s ； c b t c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交 通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密“使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“护) 日期：d “ 哞牡吃 日期加，口6 ，易 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 简要介绍了a d s 的技术的基本概念、发展路线及成果。分析了a d s 技术 与中国铁道列控系统相结合的可能性。构造了基于数据语义通信的列车控制系 统的通信模型。讨论了列控系统中常见的问题极其对策。设计了数据发送格式 并加以仿真。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：椭 日期：硇叹白 西南交通大学硕士学位研究生论文第1 页 曼i = i ；i = l i lii i 皇曼舅曼舅曼曼曼曼皇寡 1 1 铁路现状简介 第1 章绪论 二十一世纪以来，世界经济发展总体上处于调节、休整、攀升阶段。全球 经济一体化进程的加快使得当前经济的发展具有以下特点：世界性产业结构分 工加剧、经济实体集团化发展的区域范围扩大、国与国之间经济发展相互依存 度提高、生产要素和物资跨国界、大范围、长距离、大宗量、快速流转的交换 物流格局开始形成u 一。 我国当前的经济形势对铁路运输提出了很高的要求，针对这种情况，我国未 来铁路的建设规划发展如下： 1 对选定的既有线进行改造，以较少的投资、较短的时间建成旅客列车速 度达16 0 妇泊的准高速铁路。 2 在2 1 世纪初，建成若干条时速达2 5 0 - - , 3 0 0 k m 的高速客运专线，以后再逐 步发展睁引。 目前我国铁路已经既有线上所有提速，新建了京津、武广等3 5 0 k m j h 的客运 专线，石太、胶济等时速2 5 0 k m h 的高、普速混跑铁路。不仅很大的提高了我国 铁路客车的运行速度，也大大的缓解了我国的铁路运输的紧张局面。 为了适应我国全面建设小康社会的目标要求，2 0 0 4 年国务院批准了我国中 长期铁路网规划，为了适应新形势，2 0 0 8 年对该规划进行调整，形成了中长 期铁路网规划( 2 0 0 8 调整) 。 表1 1 是我国铁路建设“十一五规划 与中长期规划，可以说我国铁路建设 已经进入了快车道旧3 。 表1 1 我国铁路“十一五”建设和中长期规划 2 0 1 0 年目标2 0 2 0 年目标 调整前调整后调整前调整后 营业里程( 万k m ) 8 5 9 01 01 2 复线率 4 1 4 5 5 0 6 0 建设新线( 万k m ) 1 2 1 71 64 1 客运专线( 万k m ) o 50 71 2 1 6 增建二线( 万k m ) 0 81 31 9 既有线电化( 万k m ) 1 5 1 5 1 6 2 5 西南交通大学硕士学位研究生论文第2 页 量曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼蔓曼鼍- = = m = n = m = m = m = - - 鼍曼皇曼鼍璺曼量曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼璺舅曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼鲁鼍曼曼皇曼皇皇 1 2 铁路区间信号发展简介 铁道信号是人们在实践中逐步发明和完善的。早期铁道行车时，是靠职工骑 马在前方引导。后来列车速度快了，为了保证安全，1 8 4 1 年英国人格里高利研究 出来壁板信号机。1 9 0 4 年美国在波士顿隧道内安装第一台色等信号机。1 9 2 0 年美 国在波士顿和缅因铁路上设置了三显示探照式色灯信号机。 在区间闭塞方面早期是人工闭塞设备，这种设备效率低下，安全性差，已逐 渐被淘汰。但是电话闭塞的方式被保留。半自动闭塞是人工办理闭塞及开放出站 信号机，我国单线铁路使用6 4 d 型继电半自动联锁。半自动闭塞设备在安全性、 行车效率方面都有了很大提高。 随着技术发展，特别是轨道电路的技术的发展与普及，形成了以地面信号为 主的自动闭塞设备。自动闭塞将一个区间分为多个闭塞分区，每个闭塞分区入口 设立通过信号机。地面信号机的根据轨道电路状态来显示色灯颜色，司机根据信 号机色灯颜色进行行车。它适用于最高时速1 6 0 k m h 以下的铁路，因为超过这个 速度司机凭视觉并解释色灯含义是不安全的。为了防止司机疏忽大意或嘹望条件 不好，要给机车加设信号主体化和自动停车装置。目前大量使用的典型的自动闭 塞设备如z p w - 2 0 0 0 a 。 随着高速铁路的发展，列车运行自动控制设备的水平也在提高。依靠数字化、 无线传输技术、泄漏电缆及卫星定位技术的发展，可以实现列车与地面控制中心、 列车与列车之间通信。这样就可以取消固定的安全分区，而是两个列车通过数据 传输，自动地计算出安全间隔，最大限度的提高行车密度。 目前信号技术的最新变革方向是基于通信的列车控制系统( c o m m u n i c a t i o n b a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，c b t c ) 。c b t c 将轨道划分为若干逻辑上的闭塞分区， 系统充分利用先进的通信手段可以实现实时地或定时地进行列车与地面之间的 双向通信，使后续列车及时地知道前行列车的状况。后续列车通过车载计算机计 算，可以给出最佳制动曲线，提高了运行效率，也增加了旅客舒适度3 。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 德国l z b 系统 德国l z b 系统的列车运行速度可以达到2 7 0 k m h ，世界上唯一使用轨道电 缆的连续式信号传输系统，车地间双向通讯，系统功能强大。缺点是造价高，难 维护，信号和国外不兼容。已停止推广n 、8 1 。但是其核心思想却被保留下来， 西南交通大学硕士学位研究生论文第3 页 主要应用于距离短、线路相对独立的城市轨道交通旧“。 1 3 。2 法国4 3 0 系统 法国4 3 0 系统可以使列车运行极限速度可以达到3 2 0 k m h 。它能实现车地 双向通信。列车定位可靠轨道电路完成。该系统只有2 1 个信息位的点式设备， 因此该设备不适合传输大信息量的、表达复杂情况的数据。法国列控系统的一 大特点是很强调工人的工作积极性，信号只作为一种辅助设备盯8 “刳。 1 3 3 日本a t c 系统 日本新干线早在1 9 6 4 年就已经开始通车运营。利用a t c 系统以及为5 0 0 系及其以上的动车组加设的地面应答器，可以允许3 0 0 k m h 的运营n 3 、1 钔。但是 其设备和制式多和中国不同( 如存在绝缘轨道电路，大量采用模拟设备) 幢、t a 。 这里不再赘述。 1 3 4 美国lt c s 系统 美国g e 公司提出的i t c s ( 增强型列车控制系统) 强调了无线网络和卫星 定位系统在行车中的重要作用n9 别。列车的占用及定位技术有g p s 列车定位系 统与地面轨道电路共同结合，g p s 的精确度可达3 米。整个系统设置一个r b c ， r b c 根据虚拟闭塞分区状态、道口状态、联锁信息计算出列车运行许可，发送 给列车，供列车使用。2 0 0 5 年列车最高时速到达1 7 7 k r n h 。 1 3 5 其它研究成果 文献 2 1 探讨了在g p s 模式下列车定位的模型。文献 2 2 2 5 初步探讨了利用 无线通信和轨间环线等方法来控制列车运行特别是无线通信模式已成功在北京 西北环线寨口一聂各庄站无线信号良好的情况下进行了低速试验，而且在没有 g p r s 的情况下，探讨了列车定位的原理。该系统目前结论仅限于通信条件良好、 列车运行速度较低的情况，且不考虑其他信号设备问题。文献 2 6 完成了可控列 尾装置g s m r 数据处理模块( t c u ) 的设计和实现。文献 2 7 指出未来的列控系 统应该具有对铁路机车( 含动车组) 的导航、调度和管理功能，并介绍了一种基 于g p s 、g s m 和p i c 单片机技术的车载单元硬件设计方案。 西南交通大学硕士学位研究生论文第4 页 1 1 z - - - - - 鼍曼曼曼曼鼍曼鼍曼葛 文献 1 9 、2 8 、2 9 介绍了“c t c s 3 级列控系统仿真平台”，在这个平台中车 地信息交互系统被认为是关键环节。该课题小组部分成果将在武广客运专线上进 行现场调试、试验。 文献 3 0 、3 1 介绍t c b t c 的基本原理。文献 3 2 介绍了c b t c 在成都地铁运 用情况。文献【3 3 介绍了东日本铁道公司在既有线窄轨铁路上实现c b t c 的情况。 1 4 中国列车控制系统c t c s 1 4 1 中国列控系统分级简介 列车控制技术在我国起步较晚，因此起点较高。中国的铁道工作者根据中国 铁路的实际情况并参考欧洲铁路标准制定了c t c s ( c n n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 5 个等级规范。 1 c t c s 0 级：它是既有线的控车模式。设备构成是地面区间轨道电路+ 站 内电码化+ 车载通用机车信号+ 列车运行监控装置。 2 c t c s 1 级：它是基于既有设备改造的a t p 系统。面向1 6 0 k m h 以下的区 段，在既有设备基础上强化改造，达到机车信号主体化要求，增加点式设备，实 现列车运行安全监控功能。在地面子系统方面，轨道电路完成列车占用检测及列 车完整性检查，连续向列车传送控制信息。车站正线采用与区间同制式的轨道电 路，侧线采用与区间同制式的叠加电码化设备。点式信息设备向车载设备传输定 位信息。车载子系统包括主体机车信号+ 点式信息接收模块+ 安全型运行监控记录 装置。 3 c t c s 2 级：它是基于轨道电路传输信息的列车运行控制系统，面向提速 干线和高速新线，采用车一地一体化设计。适用于各种限速区段，地面可不设通 过信号机，机车凭车载信号行车。地面子系统中要增加列控中心( t r a i nc o n t r o l c e n t e r , t c c ) ，根据列车占用情况及进路状态，计算行车许可及静态列车速度曲 线并传送给列车。点式信息设备用于向车载设备传输定位信息、进路参数、线路 参数、限速和停车信息等。 4 c t c s 3 级：它是基于无线传输信息、采用轨道电路等方式检查列车占用 的列车运行控制系统。面向提速干线、高速新线或特殊线路，基于无线通信 ( g s m r ) 的固定闭塞或虚拟自动闭塞。除轨道电路和点式设备，地面子系统还包 括无线闭塞中- l , ( r a d i ob l o c kc e n t e r , r b c ) 和无线通信( g s m r ) 地面设备，r b c 根 据列车占用情况及进路状态向所管辖列车发出行车许可和列车控制信息。轨道电 路在实现区段占用与列车完整性检查方面具有不可替代的优势；无线通信 西南交通大学硕士学位研究生论文第5 页 ( g s m r ) 在满足我国铁路移动信息网需求的同时，又能解决超速防护。信息高速 率可靠传输。再辅以定位校核的点式设备，系统具有与国际接轨的先进性。 5 c t c s 4 级：它是c t c s 4 级是基于无线传输信息的列车运行控制系统。面 向高速新线或特殊线路，基于无线通信传输平台，可实现虚拟闭塞或移动闭塞。 由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和列车完整性检查。地面不设通过 信号机，机车乘务员凭车载信号行车。该系统完全基于无线通信( g s m r ) ，具有 移动自动闭塞的特征。列车完整性检查、定位校核分别靠车载设备和点式设备实 现，使得室外设备减少到最低程度阳1 。 到2 0 0 8 年，达到c t c s 3 d 标准的京津高速铁路已经通车阳j 1 。其中 c t c s 3 级列控系统是基于无线传输信息并采用传统轨道电路方式检查列车占 用、基于无线通信网g s m r 传输列控信息的列车运行控制系统。面向时速 3 0 0 3 5 0 k m p n 及以上客运专线和高速铁路。c t c s 一3 级列控系统采取目标距离控 制模式和准移动闭塞方式。c t c s 3 级适用于各种限速区段，地面可不设通过信 号机，司机凭车载信号行车，满足客运专线和高速运输的需求悟n 3 。 1 4 2 列控系统的基本要求 应在满足r a m s ( 可靠性、可用性、可维护性和安全性) 条件下，对列车进 行超速防护，保证列车安全运行，向机车乘务人员提供驾驶信息及数据输入输 出界面，完成设备运行状态诊断记录。 系统的基本功能是： 1 安全防护：列车在没有得到区间开放信号时禁止行车。列车在运行过程 中时刻都要小于最严格限速。线路中出现临时限速点后，列车必须加以处理。 任何时刻都要防止溜车。 2 人机界面：人机界面功能主要功能是以字符、数字、图形、语音方式向 司乘人员提供当前速度、目标速度、目标距离等信息。允许司乘人员根据当前 情况对设备进行输入操作，并检测输入数据有效性。人机界面还应具有超速报 警，缓解允许提示等功能。 3 检测功能：列控设备应有自检测功能，并时刻监听接口数据。此外，还 应记录列车控制动作、关键数据、或错误数据等等。 4 可靠性和安全性：系统必须满足“故障一安全 原则进行系统设计。重 要硬件设备需要冗余，部分通信数据也要做冗余。满足电磁兼容性相关标准n 引。 西南交通大学硕士学位研究生论文第6 页 1 5 在列控系统中应用自律分散系统的意义 1 5 1 自律分散系统与列控系统的结合点 自律分散系统和其它体系结构的一个不同点是自律分散系统依靠内容代码 通信，。并且a d s 系统有良好的在线扩展性和在线维护性。这种模式是符合未来 的基于c b t c 移动闭塞列控系统的基本要求的，有很好的切入点。把a d s 技术 引入到列控系统中，是解决c b t c 的一个很好的方案。 1 5 2 自律分散系统的应用 a d s 技术在日本已经获得了巨大的成功，涉及到了多个领域。东日本铁路 著名的自律分散交通运输管理系统( a m o n o m o u sd e c e n t r a l i z e dt r a n s p o r to p e r a t i o n c o n t r o ls y s t e m ，a t o s ) 是世界上最大a d s 系统，也是世界上最大的实时信息控 制系统。据2 0 0 5 年a o t s 手册介绍，它可以管理j r 柬日本的首都圈2 3 条线 路，2 8 9 个车站，线路总长为1 0 4 5 5 k m ，惠及1 4 0 0 万人日b 制。近年来，我国 铁路部f - j 引入了自律分散概念，建成了分散自律调度集中系统( c e n t r a l i z e d t r a f f i cc o n t r o l ，c t c ) ，并且在局部应用 3 5 - 4 0 o 柬日本铁道公司松本雅行博士等 人共同开发了在既有线窄轨低速铁路上实现列车自律控制的列控系统。它的特 点是速度低，通信模式没有采用数据语义，地面限速和联锁设备较多4 1 。 此外a d s 系统在工厂自动化h ，公共设备管理m 1 、楼宇设备管理朝、钢铁 生产管理h 劓、报纸生产管理5 1 、卫星控制【4 引、广域信息方面7 3 也得到了很好的 应用。 1 6 论文的主要内容 首先介绍分析了几种实现铁路高效高密度的技术路线。简要介绍自律分散 系统的基本概念、体系结构。然后分析基于a d s 技术的以实现移动闭塞为目标 的列车控制系统的基本要素，并将这些要素以a d s 系统的要求在列控系统中表 达出来。最后对该系统的关键部分进行了计算机仿真并给出了结论。 1 实现铁路高效高密度运行的几种技术路线：分析了当前铁路存在的问 题，提高运行密度，特别是实现移动闭塞的几种常见思路。详见第1 章。 2 简要分析a d s 系统概念：介绍了a d s 系统的起源、特点、体系结构， 基于数据语义的通信方式。详见第2 章。 一 i_i_ i i 宣i 西南交通大学硕士学位研究生论文第7 页 3 设计基于a d s 技术的列控系统：将发送端地址( s a ) 与内容代码( c c ) 逻辑上捆绑以便实现数据语义通信；原子节点加入与退出数据域( d f ) ；原子 节点在数据域内顺序改变对列控系统的影响极其对策；其它设备的接入与退出； 信息的等级。详见第3 章。 4 设计以列车为代表的原子节点：加入数据域的具体流程；状态变量的发 送接收模式，讨论了暂时通信不良对列控系统的影响；讨论了生存信息的替代 方式；临时停车的处理机制以及列车实现定位的原理。详见第4 章。 5 对常态变量与非常态变量的结构体进行了定义，分析了它们的传递和 接收模式的特点，并进行了仿真。详见第5 章。 西南交通大学硕士学位研究生论文第8 页 第2 章自律分散系统简介 2 1 自律分散系统的概念 2 1 1 自律分散概念提出的背景 2 0 世纪8 0 年代的计算机系统都是集中式系统，作为主机的大型计算机承 担了系统的全部处理任务。在过去，为了保证传统的集中式管理运行良好，必 须准确地把握整个系统。如果系统规模小、整体没有变化或者变化不多，这个 前提条件容易成立。以工业生产为例，根据预先制定的日程和计划安排生产， 如果中途偏离了计划，只要能够作相应的调整，重新与计划保持一致，集中式 系统就能充分发挥其功能，实现高效的运行。对于那些基本没有变化( 静态) 、 能够按计划构建和运行( 计划为主体) 的对象，集中式系统更为有效。 但是，集中式系统面临以下问题。首先，中央计算机一旦终止运行，就会 造成整个系统瘫痪。其次，在对终端进行扩展和维护时，需要关闭整个系统。 为了解决这一问题，日本森欣司 k i n j im o i l ) 教授提出了自律分散系统的概念。 指出了这一概念的三个层面，即它是一种方法论，采用相对思路，即整体 是各个子系统的集成。其次，自律分散下的新体系结构，这种体系结构赋予了 自动化系统在线扩展，在线维护，容错等诸多特性。该系统更注重考察整体系 统的可生存能力。在全新的体系结构中主要依赖软硬件平等的原子节点和逻辑 上的数据池。所有的节点根据自身情况，依靠事先规定的数据语义发出和接收 信息，避免了集中式系统中的由于主机可能瘫痪带来的潜在风险1 。但是其意 义不仅仅在于系统的可生存性这点，全新的通信模式，即所有的平等的子系 统通过数据语义来实现通讯联络可以为中国的铁路信号与通信提供一种参考模 式。这种模式也为本文提供了重要的理论依据。 2 1 2 分子生物学的启示 分子生物学家指明了生命的三个特征：生命体成长的“生成”特征；生命一 体生存不灭的“永存特征；生命体时代相传的“发展特征。 在“生成过程中，分子生物学家主张生命体的所有细胞内都存在被称为 d n a 的完全相同的遗传基因信息，含有d n a 的细胞汇聚成了生命体。也就是 说，从细胞层次来认识生命体，生物系统是由完全相同的性质的要素构成，可 要喜銮鎏盔耋墨吉釜笔2 毒耋鲨蚤篓! 圣 称为细胞层次的构造“均质性”。图2 - 1 是1 9 7 7 年克隆青蛙的示意图。 部分 国2 - 1 生命体中均质性 范隆体 在“永存”过程中，生命体不断排除周围入侵的病苗。在分子生物学家看来，抗击外 来细菌的过程就是一种。自我认识”过程而不是所谓的“非己认识”。如倒2 - 2 所示，当细 苗进 判 体时，细胞会把它当作自己来判断。田为细菌有白己的d n a 细胞也有m d a 。 生命出现在这个世界，其进化过程被记录在d n a 中。细胞就是根据d n a 中的记录，也 仅仅需要这个记录就能得出对应的策略产生抗体，消灭藕苗。如果是“非己认识一 由于抗 原和抗体相异，就无法止常的认知和对应，结果是 体被外来病菌所侵蚀。 入 侵 图2 - 2 a 免疫细胞“非 图2 - 2 b 免疫细胞“自我认识”一自动调整策略消灭外来者 在“发展”过程中，分子生物学家提出了与个体强弱无关的“利己遗传基 一j 西南交通大学硕士学位研究生论文第10 页 量量曼曼曼曼曼毫曼鼍- - 一_ - 。 | _ a t 鼍 因”观点，强调应该从遗传基因的层面而不是从个体的层次来认识进化。两个 细胞的d n a 通过生殖交配为新的d n a ，这个过程带有随机性，并不是“强强 联合 。因此新的d n a 形成的过程就是两个细胞在细胞层次的联动，体现了细 胞层次的平等性。这个过程见图2 3 。 带有随机性 细胞层次的联动一一细胞层次的平等 图2 - 3 生命体特征中的平等性 生物在“生成”、“永存和“发展”方面有以下几个特征：第一，结构 是均质的，组成某个器官的细胞在结构上都是相同的：第二，信息是局部的，每 个细胞所具有的能量和信息都是有限的，组成某个器官的细胞只与它周围局部 范围内的细胞通过微弱的生物电进行联系：第三，功能是平等的，组成某个器官 的全部细胞都是平等的，细胞之间不存在主从关系。生物的这些特征与传统的 计算机系统正相反，生物己具备了在线特性。自律分散系统就是模仿生物学的 观点，为工程学尤其是计算机系统创造新技术而提出的新系统概念旧、删。 因此要构筑具备三大特征的新系统，必须立足于以下两个观点： 1 异常即正常：传统的系统的“正常”是指系统全部完成，整个系统建设 完备，结构、信息处于完善状态。但是生命体不存在一切完备的状态，每天都 有大量的细胞生成、死亡。生命体中没有前面提到的“完备状态”，但并不影响 生命的正常运转。 2 系统是由子系统集成的：在实际生命体中，子系统是细胞，它们拥有相 同的d n a ，而作为整体的生命体却没有备定义。生命有不同时期有不同的构造， “系统 是各个时期子系统集成的结果h 8 1 。 2 - 1 3 自德分散系统的定义 若1 个系统满足以下2 个属性，称之为自律分散系统。 o o 西南交通大学硕士学位研究生论文第11 页 1 自律可控性：系统中任何子系统出现故障、正在维修或刚刚加入，都不 影响其它子系统的运行与管理。此时，其它在运行中的子系统能够控制自己所 承担的责任。 2 自律可协调性：系统中任何子系统出现故障、正在维修或刚刚加入，其 它子系统之间能够完成各自的任务并以协作方式运行。 因此，a d s 系统中的予系统都有自我管理能力，同时不干涉其它子系统的 运行，更不接受其它子系统的干涉，但是可以与其它子系统以协作的方式运行。 自律分散系统放弃了从整体出发的观点，以上两点完全是从子系统的角度 来定义的整个系统。“系统是由子系统构成的 。如图2 - 4 所示，某时刻1 个系 统只有1 个子系统存在，这个子系统能正常工作，它就是系统晦引。1 个系统有 1 0 个子系统，其中1 个休眠，1 个瘫痪，1 个正在退出，那么剩下的7 个子系 统集合仍然可以构成一个系统，但是前提是这7 个子系统要相互协调。 3 个子系统由于各种原因对外表现为不工作，但是并不 影响其它7 个子系统之相互协调组成一个新的系统 图2 - 4 从子系统的角度看系统的组成 2 1 4 实现自律分散系统的要求 为了实现具有自律性的a d s 系统，每个子系统要求满足以下3 个条件： 1 平等性：每个子系统必须是平等的，能够独立的管理自身，子系统之间 不存在主从关系。 2 局部性：每个子系统根据其自身本地的信息管理自己，以及与其它子系 统进行协调工作。 3 自给性：子系统只管理和运行自己的职能，不干涉其它子系统的任务。 至霍耋鎏奎耋罂圭耋堡窑耋耋篓耋垂! ：圣 这三个条件意味着即使其它子系统没有正常工作，或者通信出现故障的情 况下，每个子系统也能够正常工作”1 。 2 2 自律分散系统的体系结构 体系结构是系统的基础。自律分散系统的体系结构具备以下三个特征( 见 圈2 5 ) 卧“： 原于节点( a t o m ) ； 基于内容代码( c o n t e n tc o d e ，c c ) 的数据驱动； 数据域( d a t af i e l d , d f ) ； 此外为了保证原子节点和数据域能够正常交换，还应该在节点内部设置原 于节点数据域( a t o md a t a f i e l d , a d f ) 。 p l a t o m l a t o m2 22 1 原子节点 崮2 - 5 自律分散系统的体系结构 所谓原子节点，就是上文提到的子系统。它是指具有保证各子系统满足自 律可控性和自律可协调性所需的管理功能及信息的结构。通常情况下，一台工 业计算机，一个传感器或者部掌上电脑等设备都可以作为一个原子节点而接 入系统。由于每种设备在系统中的具体的任务不同，因此拥有不同的应用功能 和相应的应用软件( a p l ) 。 作为原子节点的具体设备既不向其它设备发送指令，也不接受其他设备的 西南交通大学硕士学位研究生论文第13 页 指令。而且任何原子节点不需要知道这个系统的情况，仅仅依靠本地信息就能 廷仃。 2 2 2 数据域与内容代码 原子节点之间需要进行信息交换以保持协调。如前所述，在自律分散系统 中，任何原子节点都不发出也不接受命令。取而代之的是，将各种命令转化为 信息形式，与其它非命令性质的信息共同被系统处理。为了实现系统对信息的 共享，自律分散系统设置了供信息传播的逻辑空间，即数据域( d f ) 。数据域 是一种开放式的逻辑概念，并不需要十分严格的限制。因此可以有多种实现形 式，比如一台数据库服务器，一个专用通信网络，甚至个通讯软件中的“群 都可以被视为是数据域的具体实现方式。 在自律分散系统中，内容代码通信按照消息的格式发送数据，数据域中传 输的信息的格式如表2 1 ，消息中有内容代码和数据。此外还有表示消息起始和 截止的标志位( f ) 、对因通信干扰而受损的数据进行修正的校验码( c r c ) 、发 送端地址( s a ) 等h 别。 表2 1 自律分散系统系统数据格式 fc cs acd a t ac r c f i 标志位内容代码发送端地址 控制域数据校验码标志位 i 原子节点( a t o m ) 根据数据域( d f ) 中的内容代码( c o n t e n tc o d e ，c c ) 来 判断一个信息是否是必要的。c c 是针对信息的具体内容( d a r a ) 而定义的固 有编码，也就是说，内容代码与内容相结合才形成一条信息。 在某一时刻，系统中某一个或某几个原子节点向数据域的所有原子节点发 送信息，而其它原子节点根据来自d f 的信息的内容代码c c ，做出取舍，当原 子节点对内容代码所指示的信息感兴趣时，就提取其应用软件所要利用的数据； 当不感兴趣时，就抛弃后面的数据( 信息的具体内容) 。在自律分散系统中，在 启动应用软件时，就在各原子节点的自律分散系统管理系统( a u t o n o m o u s c o n t r o lp r o c e s s o r ，a c p ) 中注册所需要的内容代码，作为选择数据域中的信息的 判断依据。将这种使用内容代码进行信息收发的的方式称为内容代码通信。 指定发送方式要在数据包内整合目的端地址，信息根据这个地址直接传到 目的计算机，目的计算机并不对信息进行检验就直接接收。自律分散系统的数 据包并没有明确的目的端地址( 当客户需要时，也可以添加，但是有可能造成 西南交通大学硕士学位研究生论文第14 页 通信资源浪费) 5 5 o 而是通过原子节点对内容代码地检验来判断是否接收。图 2