基于通信的列车控制 (communications-based train control，简写为CBTC) 系统能够在确保列车运行安全的前提下，有效缩短行车间隔、提高运营效率，已成为城市轨道交通系统不可或缺的部分[1-2].目前，大多数城市轨道交通CBTC系统利用无线局域网 (wireless local area networks，简写为WLAN) 技术传输列车控制信息[3]，通常采用的标准有IEEE 802.11 b/g/n/ac.其中，IEEE 802.11ac 标准是最新推出的WLAN标准之一.2016年6月，南宁地铁1号线的乘客信息系统 (passenger information system，简写为PIS)首次采用IEEE 802.11ac标准实现车地通信.

IEEE Std 1474.1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[4].在实际运营中，列车与地面设备之间传输双向连续、大容量的数据信息，因而CBTC系统对车地通信有着严格的要求.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；当列车高速运行时，切换频繁，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，影响列车安全高效运行.研究表明引起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.

国内外一些学者针对IEEE 802.11标准的无线网络提出很多快速切换方案[5-7]，主要研究了已有切换方案的优缺点、自适应快速切换参考模型、切换延时和数据包丢失等性能参数优化、移动性支持等问题.尽管现有研究的应用场景通常在室内，而且终端往往是静止或者低速移动的，较少考虑高速移动场景下的切换问题，但是对设计高速移动场景下的无缝切换方案仍有重要的参考价值.目前，针对轨道交通列车越区切换的研究工作[8-12]，主要集中在轨道交通运营环境、越区切换影响因素、越区切换模型、切换时机选择、切换性能参数优化等方面.这些研究成果改进了列车高速运行下的车地通信性能，提高了列车运行的安全性和可靠性；然而，大多是面向高速列车的GSM-R或者LTE-R无线通信环境，难以直接应用于WLAN环境下的城市轨道交通列车无缝切换场景.

本文结合城市轨道交通运营环境，采用IEEE 802.11 ac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CBTC系统无线传播特性，建立列车速度与切换迟滞值之间的数学模型，提出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，改善列车越区切换性能，为城市轨道交通车地通信的多业务承载提供一定的理论依据.

1 系统模型

IEEE Std 1474.1明确提出CBTC系统应具备ATP(automatic train protection，列车自动防护)、ATO(automatic train operation，列车自动驾驶)和ATS(automatic train supervision，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(zone controller，区域控制器)和CC(carborne controller,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(data communication subsystem，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.

当地政府要深入落实国家的农村经济现代化发展战略，利用农村文化站、文化馆和文化活动室等，对广大农村居民进行定期或者不定期的信息技术培训。同时，要聘请一些高校的信息技术方面的专家、学者和技术人员走村串户，对广大居民提供技术咨询、再教育学习服务［2］。此外，要组织广大农村居民参观一些信息化手段应用较好的示范园和基地，提升居民的信息化技术学习意识。

密切观察患者尤其是使用了镇静剂患者的双侧瞳孔直径、形状、对光反射及神志变化，肌力变化和意识状态，及早发现脑出血及脑梗塞等并发症[7]。

1.1 CBTC系统车地通信模型

城市轨道交通CBTC系统DCS包括地面有线通信网络、车地无线通信网络和车载有线通信网络.地面有线通信网络和车载有线通信网络均采用IEEE 802.3标准，车地无线通信网络采用IEEE 802.11 a/b/g/n/ac标准，典型的CBTC系统车地通信网络结构如图1所示.在CBTC系统车地通信网络中，轨旁AP(access point，接入点)与车载MR(mobile radio，移动无线电台)双向通信；列车接收来自轨旁设备的MA(moving authority，移动授权)信息，同时将列车位置报告信息发送到轨旁设备.

1.2 WLAN覆盖方式

为了使城市轨道交通线路实现WLAN全覆盖，通常沿线路设置若干AP，间隔几百米，AP通过光纤环网连接到骨干传输网.每个AP一般都有两个定向天线，并分别面向线路的两个相反方向.同时，为了达到更好的收发效果，列车的每一端都装备一个MR，并为每个MR配置两个定向天线.这样，在冗余的无线网络覆盖范围内，列车的每一端都能扫描到两个AP，CBTC系统无线网络覆盖方式如图2所示.此外，为了满足CBTC系统对数据传输的实时性、安全性、可靠性等要求，确保一个AP故障不会影响CBTC系统车地通信，以及列车以200 km/h的速度运行时无缝漫游，车地无线通信网络采用双网冗余配置[13].

  

图1 典型的CBTC系统车地通信网络结构Fig.1 A typical network architecture of train-to-wayside communications for CBTC systems

  

图2 CBTC系统无线网络覆盖方式Fig.2 A coverage scheme of wireless networks for CBTC systems

1.3 IEEE 802.11ac标准相关特性

2008年，IEEE成立了超高吞吐量(very high throughput，简写为VHT) 工作组，开始制定IEEE 802.11ac标准，目标是 WLAN 的传输速度达到1 Gbit/s 以上[14].从核心技术来看，IEEE 802.11ac标准是在IEEE 802.11a标准之上发展起来的，具有向下兼容的特性，采用更多的空间流、更高密度的调制方式、更宽的传输带宽等方式提高了物理层性能[15].考虑城市轨道交通实际运营的特点，本文采用40 MHz信道带宽、2×2多天线技术，探讨CBTC系统车地通信的性能优化问题.

此节首先给出一种基于随机梯度SG(Stochastic Gradient)迭代和Probit模型的最大似然估计方法,然后推导出一种基于权重的最大似然估计算法。

2 算法描述

在城市轨道交通CBTC系统中，当列车从一个AP的覆盖范围运行到下一个AP的覆盖范围时，会发生切换，整个切换过程是自动触发的.为了使列车在高速运行时能够准确把握切换时机，避免切换过程中任何可能的数据丢失或车地通信中断，本文提出动态调整滞后参数H的切换算法，实现CBTC系统无缝切换.

2.1 列车越区切换过程

由于线路上相邻AP之间有足够的重叠区域，采用基于IEEE 802.11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3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为迟滞参数.

  

图3 列车越区切换过程Fig.3 Handover process of a train

2.2 列车越区切换算法

当列车在相邻AP的重叠区域切换时，选择切换时机是至关重要的.如果切换时机太早，目标AP的信号强度较弱，极易产生“乒乓效应”，占用较多的网络资源，降低网络性能；如果切换时机太晚，源AP的信号强度较弱，车地通信质量下降，有可能发生数据包丢失严重，甚至车地通信中断的现象.

现有的城市轨道交通CBTC系统切换算法是通过设置固定的切换迟滞参数H来触发切换.如果列车接收到源AP的平均信号强度小于最高切换门限TH1、大于最低切换门限TH2，并且目标AP的平均信号强度比源AP高出H时，就触发切换，这样能够有效避免"乒乓效应"的发生.在图3中，F点就是列车切换位置，切换触发条件为

在描述和同学之间的关系时，使用频率较高的隐喻排序为：植物和太阳（52.72%）、扫帚和簸箕（35.24%），选择这两项的学生认为，在他们的生活以及学习中都离不开同学的帮助和支持；而菜和菜刀（6.3%）、猎人和兔子（5.73%）则意味着同学之间是敌对关系。

 

(1)

其中：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，本文提出动态调整滞后参数H的切换算法.

2.3 CBTC系统无线传播特性分析

城市轨道交通线路环境复杂，存在地面线路、高架线路、隧道线路等多种运营场景，而且绝大部分线路为地下隧道线路.列车在线路上高速运行时，WLAN的无线传播特性会对CBTC系统车地通信造成一定的影响，然而难以采用一种简单的无线传播模型表示各种环境下的无线信号传播特性.地面线路和高架线路为开放空间，可以选用自由空间传播模型估算覆盖范围和无线路径损耗；在地下隧道线路中，CBTC系统存在反射、散射、衍射等造成的深度衰落和多径效应，而且隧道截面尺寸、传输频率、天线极化等都会影响车地通信性能[16-17].因而，通过对CBTC系统在隧道环境中的无线传播特性进行分析，选用合适的无线传播模型是非常关键的.

1) 分界距离确定

切换算法流程图如图4所示.

地下隧道无线传播特性研究通常采用波导理论，由于国内城市轨道交通隧道断面尺寸普遍为6 m左右，电磁波的波长远小于隧道断面尺寸，因此可以将地下隧道近似为一个有损耗的介质波导，该波导为高通滤波器，截止频率为

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(2)

由式(5)可知，分界距离与隧道的高或宽的平方成正比，与电磁波的波长成反比.如果将地下隧道近似为一个空气填充的矩形波导，其断面等效为边长为6 m的矩形，那么理论上对应于2.4 GHz和5.8 GHz的电磁波的分界距离可以由式(5)计算得到.

依据波导理论，电磁波在隧道中传播，可划分为近区和远区，两个传播区域的分界距离通过菲涅尔区(fresnel zone)理论确定.如果第一菲涅耳区开始被阻断，发射天线和接收天线之间的距离为分界距离，那么障碍物为左右壁和上下壁时的分界距离分别为

 

(3)

 

(4)

因此，地下隧道中发射天线到转折点的最大距离就是近区和远区的分界距离，即

 

(5)

其中：h为隧道的高度；w为隧道的宽度；λ为电磁波的波长.

其中：c为光速，数值是3×108 m/s；λc为截止波长，与填充介质有关；kc为截止波数，与电磁波的具体模式有关；m和n为波型指数，取值为任意非负整数，但不同时为0；a和b分别为波导的宽度和高度.由式(2)可知，隧道的截止频率仅与断面尺寸有关，通常小于100 MHz；然而列车在隧道中运行时，改变了波导的宽度和高度，截止频率降低[18].CBTC系统车地通信选用ISM的2.4 GHz频段和5.8 GHz频段，都远高于截止频率，完全可以在隧道中传播.

 

(6)

将h=w=6 m，f1=2.4 GHz，f2=5.8 GHz，c=3×108m/s代入式(6)，可得2.4 GHz和5.8 GHz的电磁波的分界距离分别为288 m和696 m.

由于在实际的隧道线路环境中，存在列车、钢轨、轨旁设备、通信线缆、金属固定架、馈线等障碍物，会对电磁波产生反射和遮蔽的影响，阻断第一菲涅尔区的电磁波[19]，因而可以等效于减小隧道断面尺寸.这样，隧道中两种传播区域的分界距离要比理论值小一些，根据实测数据，分界距离大概减小100 m左右.

模型以本次建造的监测孔ZK1、ZK2、ZK3、ZK4、ZK5和厂区内其他项目的工程勘察钻孔作为稳定流地下水流场校准的依据。对成品库、分解分级、热电、原料磨区域分别各选1个钻孔，读取地下水位，并按拼音缩写依次编号为:热电(RD)、原料磨(YLM)、成品库(CPK)、分解分级(FJFJ)。模型模拟结果见图3，各个观测孔处计算水位均在设定误差范围内(表2)。

2) 无线路径损耗分析

通常，估算无线路径损耗和覆盖范围，可采用天线自由波的无线链路预算公式，如式(7)所示.

Pr(dBm)=Pt(dBm)+Gt(dBi)-PL(dB)+Gr(dBi)-Lc(dBm).

(7)

在CBTC系统无线链路预算时，充分考虑线路环境、WLAN覆盖要求、WLAN工作频段等因素，进一步优化无线网络拓扑，满足空口速率能达到9 Mbps、信号强度大于等于-86 dBm的要求.通过以上理论分析，地下隧道采用IEEE 802.11 ac标准的WLAN覆盖，当选用5.8 GHz频段、40 M带宽时，物理传输速率MCS(modulation and coding scheme)9的最大覆盖距离为137 m，MCS8的最大覆盖距离为225 m.因此，CBTC系统中的电磁波在近区传播，遵循自由空间传播特性，可以准确计算传播损耗；同时为了满足冗余覆盖要求以及便于仿真，本文将AP沿线路按200 m间隔布置.

研究表明[20-21]，无线信道的长距离衰落特性服从对数正态分布，常用的路径损耗模型为

 

(8)

其中：d为发射机与接收机之间的距离；d0为参考距离，通常取1 m；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；Xσ为均值为0、方差为σ的高斯噪声.

玫瑰茄花萼含有丰富的花色苷、有机酸、多酚、矿物质和维生素[2]，被广泛用来制作冷热饮料、茶剂、果酱、果脯、汽水等，是墨西哥和非洲大宗消费品，中国人称其茶剂为洛神花茶。据报道，玫瑰茄花色苷的主要成分是飞燕草素-3-接骨木二糖苷、矢车菊素-3-接骨木二糖苷等[3～6]，是天然安全色素的重要来源。从该植物提取的天然色素可作为食品工业的着色、调味添加剂。玫瑰茄有降血压[7,8]、降血脂[9,10]、抗肿瘤[11,12]、抑制肥胖症[13,14]、糖尿病[15]等功效，具有很高的药用价值。

其中：Pr为最小接收电平；Pt为最大发射功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；PL为路径损耗；Lc为综合损耗(包括线缆、接头、玻璃等损耗).

2.4 迟滞参数与列车速度的关系

根据式(8)中的无线路径损耗模型，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，迟滞参数表示为

Step4：执行切换，计数器加1.

 

(9)

其中：d1为切换点F到AP1的距离；d2为切换点F到AP2的距离.在图3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，d2=BF=AB-AF=2r-s-d1.由式(9)可得

 

(10)

假设列车以速度v行驶，经历切换时间为t，则切换完成时，列车距离AP1为

D=d1+vt.

(11)

列车在行驶过程中，小区覆盖信号强度模型如图3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[22].那么d1=r-vt，则

 

(12)

其中：hr为列车在80 km/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，取值为80 km/h；k为降低因子，表征滞后余量降低的程度，本文取值为0.9.

 

(13)

2.5 切换迟滞参数H的优化

合理调整切换迟滞参数H可以适应各种列车速度下的切换难度，有效提高切换成功率，预防乒乓切换.从前面分析可知，当切换时间固定时，随着速度的增长，切换迟滞参数H逐渐降低.当速度较大时，应适当降低H，提前切换；当速度较低时，应适当推迟切换，防止发生乒乓切换.由于城市轨道交通列车运营速度通常为60～80 km/h，广州地铁22号线的列车最高速度达到160 km/h，同时为了满足未来列车跨站运营的高速需求，本文考虑列车最高速度为200 km/h条件下的切换优化算法.将列车在80 km/h的切换迟滞参数H作为参考值，该值可以由以上公式推导得出，结合实测数据进行修正，具体的切换迟滞参数H优化公式为

遂一起下楼，保安又核查了一下他家的车位，发现就在离冯一余车位不远的地方，但意外的是那个车位上竟然也停了一辆车。那女的立刻说，不能怪我们了，是人家先占了我们的。保安又核对那辆车的车牌号，可在登记簿上怎么找也找不到这个车牌号，才知道不是本小区的车辆。

 

(14)

且满足

 

(15)

可以得到在固定覆盖环境下，切换时间和列车速度的关系为

2.6 算法的流程

根据上述对列车越区切换算法的描述，具体步骤为：

Step1：扫描列车周围AP的接收信号强度，发现新AP；

首先，DMSP/OLS全球夜间灯光遥感数据作为独特客观的探测遥感大数据，为研究东盟区域经济的发展提供了一条可靠、便利的途径。与传统的人工统计数据相比，全球夜间灯光数据获取途径便利，在掌握相关处理技术后，可以根据研究需要灵活处理；另外这一数据具有高度客观性和全球性，不受人为因素的干扰，尤其是对于那些缺乏有效统计数据或统计水平欠发达的东盟国家和地区而言，全球夜间灯光数据能作为区域经济发展程度的有效替代变量。

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v，根据速度值选择合适的切换门限值H；

1.4 文献质量评价 采用纽卡斯尔-渥太华量表(Newcastle-Ottawa scale，NOS)对文献中发表的研究质量进行评价。

采取委托管理、连锁运营的方式，通过专业化服务、科学化管理，做好总分馆日常管理运行。建立合格主体单位目录库，采用政府购买服务方式，引入合格的第三方主体参与公共图书馆服务，建立诚信反馈、服务评估、优胜劣汰等机制，切实加强基层服务管理水平，提升标准化居村综合文化活动室（中心）终端服务质量。

  

图4 切换算法流程图Fig.4 Flowchart of the proposed handover algorithm

3 仿真结果及分析

根据上述推导出的列车速度与切换迟滞参数之间的约束关系，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200 km/h，仿真参数如表1所列.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

 

Tab.1 Simulation parameters

  

参数类型数值AP发射功率15dBm发射天线增益Gt10dB接收天线增益Gr10dB天线类型90°Directional小区半径r200m重叠区长度d100m信号频率f2．4GHz/5．8GHz

1) 乒乓切换性能

检查中，工作人员重点对各单位的消防设施、消防通道、用电保护装置、电线私接乱搭以及食品生产、楼道乱堆乱放、电动车安全充电等方面进行了检查。督促各单位落实安全生产相关规定，解决安全管理中的突出问题和薄弱环节，切实防范和遏制重特大安全事故发生。

"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5中可用看出，当切换迟滞参数设置为1.5 dB时，乒乓切换率低于1.023%；当切换迟滞参数设置为2 dB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参数的算法，乒乓切换概率低于0.185%.可见，采用动态调整切换迟滞参数能够有效降低乒乓切换率，提高切换质量.

  

图5 不同列车速度下的乒乓切换率Fig.5 Rates of Ping-pong handover under different train speeds

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、切换迟滞参数、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参数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6所示.

  

图6 不同列车速度下的切换时间Fig.6 Handover time under different train speeds

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6中可以看出，列车速度小于80 km/h时，切换位置延后，平均切换时间缩短，从最大138 ms降到了最大86 ms，减少了切换时间，保证了乒乓切换的低概率；列车速度大于80 km/h时，切换位置前移，从最小12 ms的切换时间降低到了最小23 ms，增加了切换时间，降低了车地通信中断概率.

2.产业结构得到了合理调整，改变了产品结构单一的现状。不同地区适合生长和发展的农作物不一样，有的地方可能不适合生长农作物，有的地方虽然适合生长但是由于各种交通和市场条件的限制不适合发展。通过一系列的政策发展现代农业，比如丘陵山地地区不适合发展农作物，但是适合发展经济作物。所以在这些地方成立专业的合作发展经济作物，适当发展小部分的农作物，从而改变单一的产品结构。

3) 列车速度与切换成功率的关系

当列车速度在0～200 km/h范围内，传统切换算法与本文提出的切换算法对于切换成功率的仿真比较如图7所示.在图7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80 km/h以下时，列车切换成功率高于99.5%；当列车速度在80～160 km/h范围内，列车切换成功率高于99%；当列车速度高于160 km/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[23].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.

  

图7 不同列车速度下的切换成功率Fig.7 Successful handover rate under different train speeds

4) 不同列车速度下的网络吞吐量变化

从图8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100 km/h时，采用IEEE802.11g标准的WLAN吞吐量降低到1 Mbps以下，难以满足CBTC系统车地通信的需求；当列车速度为200 km/h时，采用IEEE802.11n标准的WLAN的吞吐量降到1 Mbps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.

  

图8 列车在不同速度下的吞吐量变化Fig.8 Change of throughput under different train speeds

4 结论

从动态调整切换门限值的角度出发，提出了基于IEEE802.11 ac标准的城市轨道交通CBTC系统切换算法.该算法主要考虑列车在WLAN环境下运行时，列车速度对越区切换质量的影响，采用幂函数动态调整切换门限值，仿真分析列车在不同速度下的乒乓切换、切换时间、切换成功率、网络吞吐量等性能.仿真结果表明，本文算法能够降低乒乓切换概率，显著提高越区切换成功率，且明显增大了网络吞吐量，进一步改善了通信质量和资源利用率，能够满足CBTC系统车地通信的要求.

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