一种基于列车速度的CBTC系统切换算法技术方案

本发明专利技术公开了一种CBTC系统切换算法，扫描列车周围AP的接收信号强度，发现新AP；根据新AP的接收信号强度，判别是否满足切换触发条件；测量列车运行速度，根据速度值选择合适的切换门限值；执行切换，计数器加1。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于列车速度的CBTC系统切换算法
本专利技术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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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是本专利技术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专利技术进行详细说明。本专利技术算法流程如图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，本专利技术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，如果覆盖阈值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于列车速度的CBTC系统切换算法，其特征在于按照以下步骤进行：Step 1：扫描列车周围AP的接收信号强度，发现新AP；Step 2：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。

【技术特征摘要】
1.一种基于列车速度的CBTC系统切换算法，其特征在于按照以下步骤进行：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。2.按照权利要求1所述一种基于列车速度的CBTC系统切换算法，其特征在于：所述步骤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。3.按照权利要求1所述一种基于列车速度的CBTC系统切换算法，其特征在于：所述步骤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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雁鹏，梁春燕，党建武，林俊亭，张鑫，闵永智，张振海，王海涌，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62