一种基于列车速度的CBTC系统切换算法的制作方法

本发明属于无线通信与交通运输交叉领域，涉及一种基于列车速度的cbtc系统切换算法。

背景技术：

近年来，我国城市轨道交通发展迅猛，有效地缓解了城市交通压力。cbtc(communicationsbasedtraincontrol，基于通信的列车控制)系统能够在确保列车运行安全的前提下，进一步缩短行车间隔，提高运营效率，已成为城市轨道交通系统不可或缺的部分。目前，城市轨道交通系统大多数采用基于wlan(wirelesslocalareanetworks，无线局域网)技术的cbtc系统实现车地信息的安全可靠传输，包括ieee802.11b/g/n/ac系列协议。其中，ieee802.11ac协议是目前最新推出的无线局域网标准，2016年南宁地铁1号线的pis(passengerinformationsystem，乘客信息系统)首次采用该技术实现车地通信，为城市轨道交通cbtc系统车地通信技术的发展提供了新的思路和工程应用经验。

ieeestd1474.1将cbtc定义为：“利用高精度的列车定位(不依赖于轨道电路)，双向连续、大容量的车－地数据通信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统。在实际运营中，列车与地面设备之间进行双向、大容量、连续的数据通信，因而cbtc系统对车地通信有着严格的要求。然而，当前wlan标准的应用场景主要是室内环境，很少考虑高速移动场景，尤其当列车高速运行时，系统频繁切换，很可能发生车地通信延时和数据包丢失的现象，严重时将导致列车紧急制动，影响列车安全运行。引起cbtc系统车地通信延时和数据包丢失的主要因素是越区切换，因此研究在wlan环境下的列车越区切换相关问题是非常必要的。

本发明考虑了城市轨道交通运营环境，采用ieee802.11ac标准的wlan实现cbtc系统车地通信，从动态调整切换迟滞值的角度出发，分析列车速度对越区切换的影响；如果切换迟滞值设置太高，切换难度增加，影响切换质量，有可能导致cbtc系统车地通信中断；如果太低，就会发生乒乓切换，浪费无线网络资源，可见，合理调整切换迟滞值能够改善列车越区切换性能。在分析无线传播模型的基础上，建立了列车速度与切换迟滞值之间的数学模型，提出一种根据列车运行速度动态调整切换迟滞值的cbtc系统切换算法，能够进一步降低列车乒乓切换概率，确保较高的列车切换成功率和网络吞吐量，为cbtc系统车地通信承载更多业务提供一定的理论依据。

ieeestd1474.1明确提出cbtc系统应具备atp(automatictrainprotection，列车自动防护)、ato(automatictrainoperation，列车自动驾驶)和ats(automatictrainsupervision，列车自动监控)三个子系统的功能。在城市轨道交通实际应用中，cbtc系统功能分别由轨旁设备、车载设备、ats设备、数据通信设备等协同实现；其中，zc(zonecontroller，区域控制器)和cc(carbornecontroller,车载控制器)协作完成atp和ato的具体功能，控制中心ats设备和车站ats设备共同完成ats的具体功能，dcs(datacommunicationsubsystem，数据通信子系统)为各设备之间提供安全实时的数据传输服务。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于列车速度的cbtc系统切换算法，解决了因而列车在运行过程中需要进行多次切换，容易造成cbtc系统车地通信延时和数据包丢失的问题。

本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：

step1：扫描列车周围ap的接收信号强度，发现新ap；

step2：根据新ap的接收信号强度，判别是否满足切换触发条件；

step3：测量列车运行速度，根据速度值选择合适的切换门限值；

step4：执行切换，计数器加1。

进一步，步骤step1中，触发条件为新ap的接收信号强度比现在ap的接收信号强度高出h，h为迟滞因子：

式中，lap1表示源ap的平均信号强度，lap2表示目标ap的平均信号强度。

进一步，步骤step3中，切换门限值th1和th2通过每一个ap单独设置，计算在切换点f处，ap1和ap2的信号强度。假设两个小区的网络性能完全对称，迟滞因子表示为

式中：d1为切换点f到ap1的距离；d2为切换点f到ap2的距离；n为路径损耗因子，当前小区ap1和相邻小区ap2的覆盖半径r，两个小区的重叠区长度s，则d2＝2r-s-d1，

假设列车以速度v行驶，经历切换时间为t，则切换完成时，列车离ap1的距离为

d＝d1+vt

当列车从ap1向ap2行驶，满足切换条件时，触发切换，切换过程发生在相邻ap的重叠区内，切换点可以是重叠区内的任何位置，那么d1＝r-vt，则

得到在固定覆盖环境下，切换时间和速度的关系如下

结合实测数据进行修正，具体的切换门限h(v)优化公式为

且满足

式中：hr为列车在80km/h的平均切换门限值；vt为列车的边界速度；vr为列车的参考运行速度；k为降低因子，表征滞后余量降低的程度，由于列车的即时速度值可以由列车本身的测速传感器实时获取，通过对速度值区间划分，根据h(v)优化公式可以得到合适的切换门限值，实现无缝切换。

进一步，降低因子k取值为0.9。

本发明的有益效果是能够进一步降低乒乓切换率，提高切换成功率和网络吞吐量。

附图说明

图1是本发明切换算法流程图示意图；

图2是列车越区切换过程示意图；

图3是不同列车速度下的乒乓切换率示意图；

图4是不同列车速度下的列车切换时间示意图；

图5是不同列车速度下的切换成功率示意图；

图6是列车在不同速度下的吞吐量变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明算法流程如图1所示，步骤如下：

step1：扫描列车周围ap的接收信号强度，发现新ap；

step2：根据新ap的接收信号强度，判别是否满足切换触发条件；

其中，触发条件为新ap的接收信号强度比现在ap的接收信号强度高出h(迟滞因子)。

step3：测量列车运行速度，根据速度值选择合适的切换门限值；

在城市轨道交通cbtc系统中，当列车从一个ap的覆盖范围沿线路运行到下一个ap的覆盖范围时，会发生切换，整个切换过程是自动触发的。为了避免切换过程中任何可能的数据丢失或车地通信中断，本发明用动态调整切换迟滞余量的策略，实现cbtc系统无缝切换。由于线路上相邻ap之间有足够的重叠区域，采用基于ieee802.11标准的wlan技术，列车可以在与源ap(如ap1)断开连接之前，同目标ap(如ap2)进行关联。也就是说，在相邻ap的重叠区域内，列车自动完成整个越区切换过程，实现无缝切换。假设沿线ap的无线信号覆盖环境完全对称，列车从ap1的小区运行到ap2的小区过程中，信号强度变化如图2所示。其中，th1表示切换门限的最大值，th2表示切换门限的最小值，lmin表示最小接收电平值，h为迟滞因子(动态调整滞后参数)。

式中，lap1表示源ap的平均信号强度，lap2表示目标ap的平均信号强度。

切换门限值th1和th2，也就是ap的覆盖阈值，可以通过每一个ap单独设置，是固定值。通常情况下，根据线路具体情况，合理设置每个ap的覆盖阈值。同样，如果覆盖阈值太高，则切换难度增大，切换时机推迟，影响车地通信性能；如果覆盖阈值太低，切换难度就变小，切换时机提前，容易引起“乒乓效应”。为了使列车在高速运行过程中能够准确把握切换时机，需要动态调整迟滞因子h。

计算在切换点f处，ap1和ap2的信号强度。假设两个小区的网络性能完全对称，迟滞因子可表示为

式中：d1为切换点f到ap1的距离；d2为切换点f到ap2的距离；n为路径损耗因子，表征路径损耗与距离的关系，与周围环境有关，通常开阔空间取值为2。在图2中，ad和bc分别为当前小区ap1和相邻小区ap2的覆盖半径r，cd为相邻两个小区的重叠区长度s，则d2＝bf＝ab-af＝2r-s-d1。可得

假设列车以速度v行驶，经历切换时间为t，则切换完成时，列车离ap1的距离为

d＝d1+vt

列车在行驶过程中小区覆盖信号强度模型如图2所示，当列车从ap1向ap2行驶，满足切换条件时，触发切换。理论上，切换过程发生在相邻ap的重叠区内，切换点可以是重叠区内的任何位置。那么d1＝r-vt，则

可以得到，在固定覆盖环境下，切换时间和速度的关系如下

结合实测数据进行修正，具体的切换门限h(v)优化公式为

且满足

式中：hr为列车在80km/h的平均切换门限值；vt为列车的边界速度；vr为列车的参考运行速度；k为降低因子，表征滞后余量降低的程度，经大量测量后本发明取值为0.9。

由于列车的即时速度值可以由列车本身的测速传感器实时获取，通过对速度值区间划分，根据h(v)优化公式可以得到合适的切换门限值，实现无缝切换。

step4：执行切换，计数器加1。

仿真结果及分析

根据上述推导出的列车速度与切换迟滞因子之间的约束关系，结合wlan环境下列车越区切换算法，采用matlab仿真工具对cbtc系统车地通信性能进行定性和定量的分析。考虑跨站运营的实际需求，列车最高速度不超过200km/h，仿真参数如表1所示。在下面的仿真中，传统的切换算法均指采用固定切换门限的切换算法。

表1仿真参数

(1)乒乓切换性能

“乒乓效应”是指由于切换门限值设置太小或者信号不稳定导致列车在小区边沿来回进行多次切换。通常，乒乓切换是指列车从源ap切换到目标ap，行进中再从目标ap切换到源ap的过程。从图3中可用看出，当切换迟滞因子设置为1.5db时，乒乓切换率低于1.023％；当切换迟滞因子设置为2db时，乒乓切换率低于0.536％；采用本文提出的自动调整切换迟滞因子的算法，乒乓切换概率低于0.185％。可见，采用动态调整切换迟滞因子能够有效降低乒乓切换率，提高切换质量。

(2)列车速度与切换时间的关系

依据前面的分析，切换时间与列车速度、切换迟滞因子、ap覆盖半径、重叠覆盖区域之间存在一定的约束关系。然而，在实际运营中，很多参数都是难以调整的或固定不变的，比如列车速度、ap覆盖半径、重叠覆盖区域等。因此，在切换算法中可以考虑通过调整切换迟滞因子达到调整切换时间的目的。在列车快速运行过程中，切换时间对切换质量影响较大。为了确保cbtc系统可靠连续的车地通信，列车在重叠覆盖区域内需要有足够的切换时间。在城市轨道交通中，通常需要考虑不利情况下的列车切换过程，即在重叠覆盖区域内列车至少能够执行两次切换过程。依据上面设定的条件，列车切换时间与速度之间的关系如图4所示。

当列车运行于不同的速度等级时，越区切换位置发生了变化。从图4中可以看出，列车速度小于80km/h时，切换位置延后，平均切换时间缩短，从最大138ms降到了最大86ms，减少了切换时间，保证了乒乓切换的低概率；列车速度大于80km/h时，切换位置前移，从最小12ms的切换时间降低到了最小23ms，增加了切换时间，降低了车地通信中断概率。

(3)列车速度与切换成功率的关系

当列车速度在0～200km/h范围内，传统切换算法与本发明的切换算法对于切换成功率的仿真比较如图5所示。在图5中，列车在不同速度等级下运行，本文所提算法的切换成功率均高于传统切换算法。当列车速度在80km/h以下时，列车切换成功率高于99.5％；当列车在80km/h～160km/h范围内，列车切换成功率高于99％，当列车速度高于160km/h以下时，列车切换成功率高于97％，能够满足cbtc系统车地通信的性能要求。采用双局域网、车载双天线等冗余方式能够充分利用wlan网络，提高了车地通信的可靠性。

(4)不同列车速度下的网络吞吐量变化

从图6可以看出，采用不同标准的wlan技术，列车以不同速度运行时的平均吞吐量变化情况。当列车速度为100km/h时，采用ieee802.11g标准的wlan吞吐量降低到1mbps以下，难以满足cbtc系统车地通信的需求。当列车速度为200km/h时，采用ieee802.11n标准的wlan的吞吐量降到1mbps以下，也难以满足cbtc车地通信的需求；此时，采用ieee802.11ac标准的车地通信的吞吐量仍然能够满足车地通信的需求。而且，应用ieee802.11ac标准的多天线技术能够有效抑制cbtc系统车地通信网络吞吐量的波动，提高通信质量。

城市轨道交通cbtc系统大多数采用无线局域网技术实现列车和地面设备之间的连续数据通信，因而列车在运行过程中需要进行多次切换，切换性能直接影响列车运行安全和效率。传统的切换算法往往采用固定门限，较少考虑列车速度对切换过程的影响。为了满足实际运营需求，列车的运行速度在不断提高，传统的切换算法已不再适用。分析列车切换过程和无线传播模型，推导出列车速度与切换迟滞值之间的数学关系；根据当前接收信号强度，列车动态调整切换迟滞值，适应不同速度下的切换需求。仿真结果表明，与基于固定门限的切换算法相比，所提算法能够进一步降低乒乓切换率，提高切换成功率和网络吞吐量。

本发明考虑了城市轨道交通运营环境，采用ieee802.11ac标准的wlan实现cbtc系统车地通信，从动态调整切换迟滞值的角度出发，分析列车速度对越区切换的影响；如果切换迟滞值设置太高，切换难度增加，影响切换质量，有可能导致cbtc系统车地通信中断；如果太低，就会发生乒乓切换，浪费无线网络资源，可见，合理调整切换迟滞值能够改善列车越区切换性能。在分析无线传播模型的基础上，建立了列车速度与切换迟滞值之间的数学模型，提出一种根据列车运行速度动态调整切换迟滞值的cbtc系统切换算法，能够进一步降低列车乒乓切换概率，确保较高的列车切换成功率和网络吞吐量，为cbtc系统车地通信承载更多业务提供一定的理论依据。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。