下一代高速铁路LTE-R车车通信时延分析

LTE-R是下一代高速铁路无线通信系统,开展对LTE-R通信性能分析具有重要的现实意义.针对下一代高速铁路车车通信系统中不同类型业务的延迟上界问题,提出一种基于随机网络演算理论的车车通信延迟上界计算方法.根据车车通信业务优先级特征引入剩余服务量分析方法,分别构建随机到达曲线与多跳节点的随机服务曲线,推导出LTE-R下车车通信的端到端延时边界,有效克服了传统方法仅能计算平均延时的问题,并通过OPENT仿真验证了本文方法的有效性.研究结果表明,列车控制业务与列车运行状态业务在低违约率下的时延分别为102 ms与126 ms,该值满足LTE-R的QoS指标要求.最后分析LTE-R不同列车车速与车车通信时延之间的定量关系,得到车车通信时延随列车车速的增大而呈现下降趋势的结论.     

基于速度动态函的LTE-R越区切换优化算法

传统的LTE-R越区切换算法,采用固定切换迟滞门限和延迟触发时间的切换算法。但是当列车高速运行时,切换成功率明显下降,无法满足高速铁路无线通信系统对Qo S大于99.5%的要求。通过对切换流程、测量参数、控制参数的分析,提出一种基于速度动态函数的越区切换优化算法。该算法在低速、中速、高速3种列车运行状况下,更适宜高速铁路情景切换时机的选择。仿真结果表明:基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法,既保证了列车在中高速运行时,越区切换成功率有着明显提升,又避免了列车在中低速运行时,乒乓切换事件频率过高。     

基于SPN的LTE-R无线通信可靠性建模与分析

LTE-R是下一代高速铁路无线通信系统,开展对LTE-R通信可靠性的分析具有重要的现实意义。基于随机Petri网建立了LTE-R无线通信可靠性评价模型,采用TimeNET仿真工具对LTE-R可靠性进行了定量分析,并与朔黄重载铁路LTE-R线路实测结果进行了对比,验证了本文建立的LTE-R可靠性模型的有效性。结果表明,当列车运行速度在350 km/h时,LTE-R越区切换成功率为99.913 7%,高于GSM-R无线通信的QoS指标要求。最后得到了采用2.6 GHz高频段和800 MHz低频段的越区切换率都随着列车车速的增加而呈现下降趋势的结论。研究结果为列车提速及LTE-R演进提供了一定的理论参考依据。     

一种高移动场景下基于CoMP的切换方案及性能分析

随着高速铁路的不断发展和列车速度的不断提高,高铁场景下车地通信的可靠性和高效性引起广泛关注。列车速度的提升导致更加频繁的越区切换,使系统的可靠性得不到保障,因此列车速度的提升对高铁通信网络的安全性和可靠性产生严重影响。本文提出1种将LTE-A(Long Term Evolution-Advanced)网络应用到高速铁路场景并基于协同多点传输/接收CoMP(Coordinated Multi-Point transmission/reception)技术的切换优化方案模型,方案参考协作集加入模型。对系统切换成功率等进行性能分析,并与传统切换方案进行性能对比。分析表明:本文基于CoMP的切换方案可有效提升高移动性下网络的切换成功概率,明显改善系统的可靠性和效率。     

基于改进差分算法的高速列车运行调整研究

为了压缩高速铁路列车运行的总晚点时间、编制高质量的列车运行调整计划,建立高速铁路列车运行调整模型,运用矩阵描述高速列车运行调整中的相关概念,以列车到发线数量、列车追踪时间间隔、列车停站时分等作为高速列车运行调整的约束,以列车在各站的到达的总晚点时间最少为优化目标,构建高速铁路列车运行调整模型。在分析基本差分算法差分策略的基础上,提出基于三角差分策略的高速铁路运行调整差分算法,给出详细的计算步骤。以京广高速铁路实际列车运行数据进行计算,验证了模型的有效性和算法的高效性、精确性。本文提出的基于新的改进的差分策略的高速铁路列车运行调整方法是合理可行的。     

高速铁路列车运行线铺画模型与算法设计

高速铁路列车运行线铺画是高速铁路运输组织工作的基础,具有多约束性、高度复杂性等特征。综合考虑列车区间运行时间、停站时间、追踪间隔时间、车站发车与到达时间域等安全制约因子,以列车总旅行时间最小为优化目标,构建了基于高中速混跑模式的高速铁路列车运行线铺画模型,设计了基于遗传算法的高速铁路列车运行线铺画算法;设计了计算机铺画列车运行线仿真系统,并通过具体的实例来验证模型和算法的有效性。     

高速铁路大站作业计划鲁棒性链式优化研究

提出运用作业链来描述高速铁路车站中列车作业全过程,重点研究高速铁路车站技术作业计划鲁棒性优化问题。基于给定车站列车到发时刻表,在不改变列车到发时序的前提下,通过优化所有列车作业链的空间资源序列,同时考虑有调车作业列车的调车时机,从而一体化地优化列车作业与调车作业,降低列车间的相互影响,提高作业计划鲁棒性。具体方法是以列车间总冲突系数最小为优化目标,建立基于列车时-空资源占用函数的模型。设计改进的GRASP算法求解模型,优化随机特性参数α的设置,并增加路径重连过程。开发高速铁路列车运行计划网络协同辅助决策支持系统中的车站作业子系统,并以北京南站高速场的实际数据做实例分析,验证模型与算法的可行性,实验结果表明,改进算法可提高求解适应性和效率,提升车站技术作业计划的鲁棒性。     

高速铁路无线网络制式升级换代的趋向

随着我国高速铁路的迅猛发展，铁路专用通信系统也发生了前所未有的巨大变化，从传输语音模拟信息为主向传输数据、图像数字信息过渡，从有线通信为主、无线通信为辅的通信方式向有线、无线网络并驾齐驱的通信方式转变，为高速铁路运营提供强大的技术支持，以保证信息传输快捷畅通和安全可靠。特别是，以GSM—R为代表的专用无线通信网络与以往传统的铁路无线通信网络相比，它不仅是一个高度复杂、高度冗余的铁路专用无线通信系统，而且也是实施高速铁路列车调度指挥、列车运行控制等关键任务的核心通信网络，其具有高技术、高集成、高安全性、多系统联动等特点。为此，从高速铁路专用无线通信系统的各种需求出发，通过对系统的技术分析，以探讨专用无线通信网络更新换代的需求，以及未来专用无线通信网络应用诸如LTE-R、卫星导航等下一代无线通信技术的可行性，是提高铁路专用无线通信网络合理运行和科学发展的一个重要课题。     

高速铁路列车运行调整的模型及其策略优化方法

在分析高速铁路列车运行调整决策特点的基础上,针对高速铁路列车运行调整的传统优化模型在求解效率方面存在的问题,以相邻且存在冲突列车所在的位置为状态,行车调度员可采取的调整措施为行动,列车加权总晚点时间为调度员采取行动所获得的报酬,构建高速铁路列车运行调整的马氏决策过程模型;分析高速铁路列车运行调整决策过程最优策略的结构,给出采取列车顺晚开行和越行调整等行动的最优策略条件,基于列车的越行矩阵、到开时刻矩阵、最小停站时间矩阵和区间标准运行时间矩阵的定义,采用极大加代数和矩阵推算列车到发时刻,并据此设计模型求解的策略优化方法。结合某高速铁路区段的实例计算结果表明:给出的模型和策略优化方法能取得较人工调整方法更好的优化效果,较数学模型优化方法可提高求解效率,从而验证了高速铁路列车运行调整的马氏决策过程模型和策略优化方法的有效性。     

LTE-R场强测试系统的实现

LTE-R场强覆盖是物理层重要指标,在通信系统的设计、实现、优化及维护过程中起着非常重要的作用。研究LTE-R网络下的场强覆盖测试,提出铁路典型应用场景下以LTE-R接收机和定位装置为核心部件的LTE-R场强测试系统架构;实现了LTE-R场强电平值-公里标的二维图形化显示,并进行了静态测试;通过搭载试验列车的动态测试结果,验证了系统架构的可行性。     

高速铁路车站股道运用与列车运行调整综合优化方法

股道运用是高速铁路车站作业组织的核心,车站股道运用与列车运行相互影响、相互制约。为缓解晚点对列车正常运行秩序的影响,以相邻若干高铁车站股道运用与列车运行调整综合优化为对象,统筹考虑各站股道、进路占用的唯一性及其最小安全间隔时间、车底周转计划等约束,以最小化列车到发时刻波动性和车站股道运用方案波动性为优化目标函数,构建综合优化模型;以列车在站到发时刻为纽带,设计基于模拟退火算法思想的综合优化算法,制订高速铁路车站股道运用与列车运行调整综合优化方案。算例表明：所提方法能快速解决线路级高速铁路车站股道运用与列车运行调整综合优化问题,有效降低股道运用站间影响及晚点对后续车站的影响;合理设置初始Markov链长有利于提高算法效率;立折旅客列车晚点对方案的波动性影响最大,终到、经停旅客列车的影响最小,在调整过程中应优先保证立折旅客列车的正点运行;若调度员决策偏好到发时刻稳定性,可优先调整终到旅客列车的方案,若决策偏好股道运用稳定性,优先考虑经停旅客列车;所提方法能够为高速铁路列车运行计划实时调整提供决策支持。     

基于模糊神经网络预测控制的高速列车ATP研究

在目标-距离速度控制模式普遍应用于我国高速铁路列车控制的背景下,本文针对高速列车运行性能的要求,将模糊神经网络预测控制运用到高速铁路ATP中,对列车速度进行控制。控制系统以闭塞区间为单位,建立高速列车速度模糊神经网络预测控制模型。在闭塞区间内,利用车-地通信将控制所需信息发送至列控中心;根据所得信息,通过预测控制算法得到从当前位置到闭塞分区出口的列车速度自动防护曲线并确定列车运行方式和控制策略;在每1个通信周期内,利用滚动优化和误差校正进行速度优化。仿真结果表明,与传统的控制方法相比,基于模糊神经网络预测控制的高速列车ATP具有更高的安全性。     

基于车-地通信的朔黄铁路列车追踪优化研究

为优化朔黄铁路列车追踪,通过增加地面调度优化系统和车载辅助智能操控系统,建立基于LTE-R网络的连续车-地通信,使车载设备获得更多的前方线路信息,并实时监督列车的追踪间隔,从而实现列车精确定位以及临时限速和行车许可即时传递,通过比对分析,优化后不仅能提高效益,更能保证列车运行安全。     

LTE高铁环境下OFDM载波间干扰消除优化研究

对高速铁路LTE环境下OFDM载波间干扰消除算法进行深入研究,针对传统载波间干扰消除算法性能不佳问题,对列车高速移动下的通信非恒定时变信道进行重新建模,在此基础上提出一种OFDM载波间干扰消除的联合优化算法。算法以循环序列前缀作为保护间隔,对各子序列进行线性加权,有效降低了接收信号的干扰,消弱了系统子载波频偏的易感性,通过仿真验证此联合优化算法能有效改善系统信干比性能,使列车在高速运行环境中通信更加稳定可靠。     

高速铁路的列车检测方式及比较

随着高速铁路控制系统的发展,列车运行检测的方法和手段越来越丰富,列车检测技术也更多地涉及了通信、计算机和信息处理技术。其进一步的发展必将对高速铁路列车运行安全性、舒适性、能耗效率和机车维修维护水平的提高产生积极影响。     

基于卡尔曼滤波的高速铁路时间同步网时间补偿

LTE-R作为下一代高速铁路无线通信系统，保持时间同步对于高速铁路行车安全至关重要。针对现有时间同步方法仅考虑随机噪声，而忽略LTE-R无线信道多径衰落、多普勒频移等对时钟同步过程的影响，导致主从时钟偏移估计不准确的问题，提出一种基于卡尔曼滤波的高速铁路时间同步网时间补偿方法：建立LTE-R下主从时钟之间相位、频率偏移的状态转移方程；构建引入伯努利随机变量的时钟相位、频率偏移观测方程；利用改进的卡尔曼滤波算法得到最优时钟偏移估计值；使用本方法实现对LTE-R时间同步误差的补偿；通过实验仿真，得到LTE-R下信道多径衰落、多普勒频移、信噪比、列车车速等对高速铁路时间同步的影响，并实现对不同高铁运行场景下时间同步偏差的定量分析。结果表明：本方法能够有效消除LTE-R无线信道时钟偏差，与其他补偿方法相比，具有更好的稳定性和鲁棒性。     

基于实时动态迟滞的LTE-R切换算法优化研究

现行的的LTE-R切换算法在进行切换时采用固定的切换迟滞,或者对列车速度进行分级,进而调节动态迟滞,只做到了"局部动态",这意味着确定更准确的切换触发点是一个关键问题。首先,为了切换方案的顺利提出,根据实际信道模型对LTE-R网络重叠覆盖区的过渡区段、切换区段的距离作了理论的推导;然后,为了提高高速环境下的切换成功率,优化系统性能,提出基于实时动态迟滞的越区切换优化算法,先利用乒乓切换率和链路失效率等指标得到不同速度下的切换迟滞值,之后利用最小二乘法得到列车速度与切换迟滞的最佳函数匹配。仿真结果表明,相比于现行的切换算法,改进算法具有更高的切换成功率,佐证了所提出的方案比现行方案能更有效地触发切换。     

基于多智能体的地铁列车运行调整方法

针对移动闭塞条件下地铁列车运行的特点,将降低列车群的总晚点时间和提高相邻列车对客流的吸纳水平作为性能指标,建立地铁列车运行调整模型。应用Agent、多Agent协作技术,构建地铁列车Agent,设计地铁列车运行调整算法,给出基于规则的地铁列车运行调整控制策略。根据列车群晚点程度的不同,列车运行调整分为全局调整和局部调整。全局调整采用偏移计划运行图方法,局部调整采用滚动优化方法,通过多次调整达到恢复计划运行图的目的,并分别给出相应的调整方法和调整步骤。以北京1号线为背景进行仿真测试,仿真结果表明:基于多Agent协作技术的地铁列车运行调整方法是合理的,并具有动态的扩展性。     

重载列车智能化操控系统车地实时通信方案研究与实现

为提高重载列车调度和运行的自动化水平,提高线路运输能力,基于朔黄线神华机车进行重载列车智能化操控系统和地面调度优化系统的车地实时通信方案研究,包括车地通信的接口安全性、车地通信机制和内容以及重载列车智能化操控系统对地面调度信息的处理,通过LTE-R 4G网络实现车地数据的实时安全交互,实现朔黄线车地设备报文实时自动交互功能,进一步提高朔黄线重载列车运行的准时性和节能性。     

基于人工蜂群算法的高速列车运行节能优化研究

合理的列车操纵方式能在很大程度上降低列车运行过程中的能耗,为了有效降低高速列车运行能耗,从研究高速列车的操纵方式入手,首先建立列车牵引计算模型和列车运行能耗计算模型,其次通过对比人工蜂群算法(ABC算法)和粒子群算法(PSO算法)的优化性能证明ABC算法优于PSO算法,提出了在满足运行速度、运行时间以及运行区间等约束条件下,采用ABC算法与操纵工况序列相结合的方法来优化计算确定高速列车操纵工况关键转换点最优位置和速度。最后通过对选取线路的MATLAB仿真模拟,验算了ABC算法在降低列车运行能耗方面的有效性。研究表明,经过ABC算法优化后的结果均能满足优化操纵方式的基本操纵策略且达到了良好的优化效果,能较好地解决列车节能操纵优化问题。