王治学

(北京瑞拓电子技术发展有限公司,北京 100400)

随着城市化进程的加快，从建设、运营、管理等方面以信息共享平台为核心的综合监控系统的实现，促使城市轨道交通的自动化水平进入到了一个新的阶段.轨道交通的运行是建立在高度安全基础之上的，为了实现这一目的，除了提供质量可靠的车辆、供电、机电等设备外，还必须对这些设备进行监视和控制，使之运行在可控制的范围内，从而保证轨道交通运行的安全、高效[1].竺方辉等[2]将城市轨道交通系统内部分散、独立的自动化系统有机地结合在一起，实现了各专业系统之间的信息交换和资源共享.蔡佳妮[3]指出由于城市轨道交通综合监控系统与其他系统之间存在着大量的接口和数据交互，使其安全可靠性问题日益突出.为了兼顾城市轨道交通的安全与便捷，目前多使用基于 PSCADA(电力监控系统)的综合监控系统.该系统是一个可与多种机电一体化设备系统互联的综合自动化系统，其功能设计较为全面.在实际工程中，ISCS(信息业务计算机系统)软硬件的安装调试都比较顺利，但是接口调试较为困难，直接影响了监控的效果.为此，在扩音系统的基础上，提出了PA(放大电路)广播综合监控系统.该系统采用一体化监控模式，实现与信号系统的互联互通，但由于系统接口的复杂性和数据交换的复杂性，使得监测效果较差.为了解决以上问题，设计了基于V2V网络的城市轨道交通综合监控系统，以求为我国城市轨道交通自动化系统的工程设计提供理论参考.

1 系统硬件结构设计

通过V2V网络控制流与数据流的相关度分析，可以为城市轨道交通综合监控提供服务.系统硬件结构如图1所示.系统硬件结构主要由4个层次组成，即综合决策层、监控层、网络层和服务层.其中，综合决策层负责信息决策，监控层负责监测轨道交通线路运营情况，网络层负责通信链路故障监测信息传输，服务层负责收集现场信息[4].系统还结合V2V网络通信平台，为各个层次提供网络支持，保证数据快速共享，使得驾驶员遇到紧急情况能够及时反应[5].

图1 系统硬件结构

1.1 综合决策层

该层负责监控全线系统，主要用于各种应用系统中的信息决策，制定交通运行计划，与外部系统的数据和信息进行交互.该通讯平台通过网络通讯平台和共享架构提供数据传输支持.

1.2 监控层

该层负责监测站内各子系统，协调各子系统之间的联系，并根据信息设计相应的决策层，确保各子系统的相对独立性，便于根据实际情况进行扩展分析[6].该层设备主要是监控器，对车站、车辆段、列车及主变电所进行实时监控.全数字化网络监控系统[7]如图2所示.该系统根据轨道交通运营管理模式，采用二级控制方式，即以车站和值班人员控制为主，在发生紧急事故时，将OCC一级控制转换为中心调度控制，实现对整个城市轨道交通线路运营监测.

图2 全数字化网络监控器

1.3 网络层

在监控层和服务层之间部署V2V网络通信平台和网关.综合监控系统网关结构[8]如图3所示.由图3可知，设备层1的装置与设备层2高级网关相连，设备层2高级网关与设备层3通信服务器相连，设备层3通信服务器均与设备层4后台服务器相连.网关管理员负责对每个网关的设备进行配置和管理，同时在设备层2上安装了高级网关和网关管理器.客户机通过接收网关的定时广播包来决定连接哪个网关，如果某个网关发生故障，则每个客户机都不能接收到故障网关的广播包，也不能连接该网关，从而避免了设备层2通信链路上的单点故障.高级网关通过V2V网络通信平台与后台系统通信，每个高级网关可以同时连接4个通信服务器[9].

V2V网络通信平台主要用于各种应用系统的信息传输，并对监控系统中各个模块产生的异构数据源进行管理，实现各个模块之间的数据互联[10].平台通过V2V网络将短信和多媒体数据信息进行集成与传输,通过物理链路,网络将各个独立的工作站或主机连接起来，形成数据链[11].通过统一处理，在单终端上达到了资源共享.利用V2V网络通信技术，通过专业网络将车辆的位置和速度信息发送给另一辆车，这样当另一辆车的驾驶员收到报警信息时，事故的可能性就会降低[12].V2V是一种传输、捕获、中继信号的节点网络，跳转5～10个网络节点，可探测1 mile外的流量，使得驾驶员有足够的时间采取应急措施；利用通信平台收集站内的各种信息，形成数据共享平台，为综合决策提供数据支持[13].如在正常运行1线程500 ms的周期中，网关管理器定期向通信服务器维护链路心跳检测包，若连续接收不到通信服务器响应包的心跳检测包，则表明通信服务器的通信链路连接失败，由此就可确定设备层2通信链路故障.

图3 综合监控系统网关结构

1.4 服务层

该层的系统服务器包括综合旅游服务子服务器、自动售票机子服务器,运营服务器包括列车自动控制子服务器和电力调度子服务器,安全服务器包括火警预报子服务器和环境控制子服务器[14].该层负责收集现场信息，维护和管理现场设备，根据不同的运行状态，更好地协调车站设备运行，充分发挥设备的作用，保障轨道交通正常运行.

2 系统软件设计

在车辆上安装强大的车载设备，通过V2V网络,与其他车辆进行无线通讯，将车辆定位、状态信息采集和无线通讯等功能结合起来，使车辆之间能够进行广泛的通讯，并及时向驾驶员提供周围情况或查看道路信息、交通信息等，保证驾驶员有足够的时间做出正确决定.

2.1 V2V网络MAC层协议栈信道管理

在基于MAC层协议通信环境的V2V网络中，城市轨道交通综合监测设备的节点必须采用协议栈信道，实现数据传输.根据可同时使用的 MAC实体数，城市轨道交通综合监测将天线装置分为单天线装置和多天线装置两种[15].单天线装置能够稳定在单一信道上传输信号，而多天线装置则能够在 CCH公用传输信道和 SCH同步信道上同时实现介质访问控制和信号同步传输.为确保2个信道能稳定地传输信号，需要采取交替协调措施，以实现对信道的访问控制.交替协调措施主要有4种信道占用模式，如图4所示.

1)单一信道连续占用模式.多天线装置在1条信道上工作，即CCH公用传输信道或SCH同步信道，当在1条信道上工作时，另外1条信道停止传输.

2)信道交替占用模式.多天线装置在2条信道上工作，即CCH公用传输信道和SCH同步信道往复交替传输信号，交替周期为信号同步传输的一半.

3)抢占模式.多天线装置在2条信道上后采用不固定的交替方式传输信号，当CCH公用传输信道处于空闲状态时， SCH同步信道可提前占用时隙，但在下个交替周期时，应再次切换到 CCH公用传输信道.

4)扩展模式.多天线装置在2条信道上工作时，SCH同步信道在多天线设备同时工作的情况下，不需要在同步间隔时间开始时切换到 CCH公共传输信道，就可以请求多个同步间隔时间的占用，从而实现信道的相对自由切换.

图4 V2V网络MAC层协议栈4种信道占用模式

2.2 V2V网络窗口丢包退避算法

由于每个节点在V2V模式下都可以检测到信道资源分配过程中的数据包丢失情况，所以该模式下V2V网络节点通过固定最小竞争窗口进行退避，有效减少了网络拥塞不确定性.

图5 一维Markov模型

由于每个节点都有1个唯一媒体访问控制地址，因此所有车辆和广播新闻媒体的访问控制地址信息都与源节点相关，从而使接收节点能够接收来自源节点的媒体访问控制地址信息.媒体存取控制地址和接收时间信息存在于本地邻居中，如果是媒体存取控制地址信息，则更新接收时间；否则，则添加 MAC地址和接收时间.同时，如果通信范围内的某个节点离开了该范围，则不会发送通知，因此应设置观察间隔，以更新本地邻居信息，删除过期的邻居信息，并在观察周期结束时获得竞争节点的数量.为保证最小竞争窗口选择结果的准确性，初始观测值应为本次监测和前2次监测的平均值，判别其结果是否小于设定的阈值：若是，则不满足最小竞争窗口与节点数之间的函数关系，此时最小竞争窗口的初始值为常数，否则，按最小竞争窗口与节点数之间的函数关系取整数.

在确定最小竞争窗口初始值后，构建一维Markov模型，以减小碰撞概率，如图5(W0为退避系数)所示.

由图5可知，通过离散Markov链，节点在某个时刻传送数据的概率τ是独立的退避过程.用{k}描述每个节点传送数据状态，k为退避计数值，设传送数据状态转移概率为P{b(t)=k}，由此得到的Markov链极限平稳分布公式为

(1)

式中：Pk为稳态概率，t为时间段，k∈[0,W0-1].可推导出某个时刻传送数据的概率

(2)

结合式(2)，每次发送之前，需先等到退避计数值降为0.通常在信道繁忙的情况下，其概率表达式为

Pb=1-(1-τ)n′，

(3)

式中n′ 表示节点竞争信道.该公式表达的是当信道忙概率为1的情况下，减去所有竞争节点都空闲时的概率.

在信道不存在误码情况下，碰撞信号传输概率

Pc=Pb-Ps，

(4)

式中Ps表示节点成功传输且不发生碰撞的概率.当某个时刻传送数据的概率Pc≤1，可以确定碰撞信号传输概率最小，此时的最小竞争窗口与节点数之间的函数关系是1个单调递增函数.在节点间竞争通道被选择时，只有1个对应的竞争窗口.随着节点数目增加，最小竞争窗增大，碰撞概率减小.

2.3 监控数据传送流程设计

将有效监测节点中的数据传送到主机，通过主机对城市轨道交通进行实时综合监控.中央监控系统中的状态数据直接上传到主机，数据由站级存储转化为站级，并选择性地传输到中央层.其具体过程如下：

Step1：各子系统将设备运行状态信息发送到中央监控系统并存储.

Step2：中央监控系统是在预定可控性的基础上实现的，按照预先设定的自我管理协调模式，主动上传需要集中协调的数据.

Step3：所有工作站和控制中心的设备状态通过事件服务更新.

Step4：各个位置或控制中心负责监督或协调，一旦发现有异常数据，则应立刻发出预警信号.

3 仿真实验

3.1 实验环境与参数

以某市3号线地铁交通为例.该地铁系统为全封闭运行，车辆平均运行速度>36 km/h.A型车辆长度为21.0 m，宽度为2.9 m，轴重<17 t；B型车辆长度为18.0 m，宽度为2.7 m，轴重<15 t.两者的线路半径分别大于210、260 m.动力系统监控平台如图6所示.

图6 动力系统监控平台

3.2 仿真实验设计

在仿真实验环境下，影响监控结果的指标主要有两种，分别是数据包碰撞概率P1和数据包过期丢弃概率P2，即

(5)

(6)

式中：n表示发生碰撞的数据包总数，m表示过期丢弃数据包总数，N表示发送数据包总数.数据包碰撞概率低、数据包过期丢弃概率高，说明监控系统获取的数据是真实有效的，在真实有效数据支持下，该系统监控效果较好.

3.3 结果与分析

分别使用PSCADA综合监控系统、PA广播综合监控系统和基于V2V网络监控系统对比数据包碰撞概率和数据包过期丢弃概率.对比结果如图7所示.

图7 系统数据包碰撞概率和数据包过期丢弃概率对比

由图7可知， PSCADA综合监控系统受到测控单元、监控单元及整流器监控单元等接口调试不及时影响，节点出现丢包现象，最小碰撞概率为0.17，最大过期概率为0.18.PA广播综合监控系统结合工控机软件，与信号系统直接相连，有人工广播、预录音广播、PA界面、主控与屏蔽门接口等，接口众多，数据交互量大，也出现了丢包问题，最小碰撞概率为0.18，最大过期概率为0.18.基于V2V网络的监控系统采用了V2V网络窗口丢包退避算法，使信道资源分配公平，最小碰撞概率为0.05，最大过期概率为0.27.

通过上述对比结果可知，使用基于V2V网络的监控系统数据包碰撞概率低、数据包过期丢弃概率高，系统监控效果较好.

4 结语

综合监控系统层之间的数据传输是多层、复杂的网络环境中的重要环节，在设备层和通信服务器层之间设置网关设备，可以保证监控业务的持续稳定运行.在V2V网络广播模式下，通过对最小竞争窗口丢包进行算法研究，有效地减少了网络拥塞的不确定性.在V2V网络中应用改进的媒体访问控制层协议是一种新的部署方式.该系统虽然能进行精确监控，但车辆节点间的通信距离并不能被控制，因此建议采用无线信号功率来控制车辆节点间的通信距离，根据网络的状态动态调整信号传输功率，以提高网络性能.