随着我国的城市化进程加快，城市中的交通压力不断变大，城市轨道作为一种高运量、高可靠性的公共交通，对缓解城市交通压力起着重要作用，已成为越来越多居民的首选出行方式。随着通信技术的不断发展，国内外都开始了基于车车通信的列控系统研究，将既有连锁系统资源管理方式转变为资源分散协同管理方式，由车载和地面资源管理设备共同完成资源管理和分配，有效减少轨旁设备、降低通信时延、提升运营效率，但同时会增加通信负荷，如果通信资源分配不均，易出现拥堵，影响行车效率和行车安全，如何管理和分配无线资源成为困扰车车通信的一个问题。所以，选择合适的线路资源以及无线资源管理和分配方案对于整个列控系统性能的提升非常重要。1研究背景上海富欣智控联合青岛四方车辆研究所研发的TACS系统，在青岛地铁6号线上成功通过真车上线调试前的专家评审[1]。交控科技提出的VBTC系统通过引入列车协同控制和资源按需分配，实现了列车自主运行控制[2]。2020年11月，卡斯柯重磅发布了其自主研发的列车自主运行系统（TACS），是业内首个商用TACS系统。2基于车车通信的列控系统线路资源管理线路资源是城轨交通运行的基础，所有列车的运行都必须占用线路资源，多列车运行时必然产生竞争，线路资源的管理与分配成为列控系统安全、高效运行的核心功能之一。搭建高效的资源管理平台，建立线路资源使用逻辑，实现列车对线路资源的有序占用，摆脱对连锁的依赖，实现等同于连锁的安全性能。通过合理的线路资源利用，实现列车间隔防护，解决线路资源使用冲突。2.1线路资源管理原则城市轨道交通线路设备包括线路基础设施、信号设备、供电设备、通信设备等。其中轨道、道岔、车挡等线路基础设施，信号机、转辙机、计轴器等信号设备以及屏蔽门、防淹门等都与行车安全性相关，应该纳入线路资源管理进行统一调配。城轨交通的线路资源管理类似于物联网技术，在基于车车通信的列车控制系统的统一管理下，以列车为主体，自主实现线路资源的申请和释放。列车能自主运行的核心在于车车通信技术带来的列车间的自主沟通与协调，在复杂多变的线路环境中，每列车都具有高度自主性，根据自身运行状态和周边动态环境自主进行资源的申请与释放，实现线路资源的有序分配，保证线路运行稳定、有序。在新型列控系统中，资源分配对于提升系统性能具有重要意义，在保证安全的前提下，尽量兼顾列车行车效率和线路资源利用率。独占性原则：多列车同时申请一个资源时，同一时刻只允许一列车得到资源，其他列车均申请失败，保障行车安全。效率优先原则：资源分配时要保证列车运行效率和线路资源利用率，效率高的列车申请资源应优先得到满足。关键资源占用先行原则：线路上占用关键资源的列车优先满足，使关键资源能尽快空闲，以满足更多列车的运行需要。调度优先原则：调度的优先级高于资源自动分配，保证调度命令能及时得到执行。长进路保障原则：长进路列车由于需要占用的资源较多，难以一次性得到满足，在资源分配时应根据长进路列车申请资源的次数，适当提高其优先级，提高其资源申请成功率。流程简化原则：应尽量简化资源分配流程，缩短系统反应时间，使得列车的资源申请快速得到满足，提升效率。2.2线路资源管理设备功能需求基于车车通信的列控系统虽然在资源管理与分配上与传统列控系统区别较大，但两者的核心功能却基本一致，只是在管理模式上存在较大差异[3]。因此，新型列控资源管理方法必须保证核心功能安全、稳定实现，在此基础上提出设计需求。线路资源动态存储与维护：线路资源根据线路或设备类型不同分类存储在数据库中，统一管理，可实时采集并更新线路资源状态，应具备日常维护功能，维护记录以日志形式保存，便于维护管理。自主进行资源分配与释放：可结合线路特点、设备类型、车辆状态等实时信息进行统筹考虑，在保证安全的前提下，寻找均衡线路资源利用率和线路运行能力的方法。线路资源使用流程设计：由于线路资源使用方式的改变，列车可自行申请资源占用，为了线路资源使用的安全和高效，必须针对不同资源，设计一套完整的资源使用流程，包括线路资源的查询、申请、占用和释放等。接口信息管理：以列车为主体进行智能化的线路资源管理的前提是足够完整的数据支持。车载设备、线路资源管理设备、轨旁执行设备之间都具备接口通信功能，将线路资源管理设备和轨旁执行设备的实时数据通过通信接口传输至车载设备，车载设备根据列车运行需求以及线路状态进行资源申请与释放。2.3线路资源管理线路资源管理由车载和地面资源管理设备共同完成，其中列车是资源使用者，地面资源管理设备是资源的管理者和分配者。线路资源作为资源管理分配的主体，存在空闲、占用、故障三种状态，且可以相互转换[4]。线路资源的使用经历了查询、申请、占用、释放四个流程，查询功能的触发条件包括时间触发、位置触发和事件触发。满足其中任一条件时，列车即会向地面资源管理平台申请资源状态查询。查询到目标资源空闲时，立即发起申请，如果仅有一列车申请该资源且该资源正常工作，则该列车申请成功并占用资源。如果同时多列车申请该资源，则地面资源管理平台根据内置逻辑判断出优先级最高的列车并分配资源。列车实现资源占用后，此部分资源即为占用状态，其他列车不可申请；列车占用结束并出清该资源后，列车确认释放资源，该资源重置为空闲状态，可接受其他列车的占用申请。线路资源管理需要遵循独占性原则，但当不同列车对相同资源的使用方式不同时，也可申请共享资源，例如前车出站并越过站前道岔，此时并未释放道岔资源，为保证后车能及时进站，后车可申请站前道岔作为保护区段，及时进站，此时站前道岔由前、后车共同使用，在保证安全的前提下，提高了效率。多数情况下，资源的管理还是必须遵循独占性原则，例如前车侧线进站占用整个站前道岔，资源申请成功后，在前车释放前方道岔前，后车都无法再申请道岔资源。为了保证线路通行效率，当前车运行并出清一个道岔后，虽未完全出清整条进路，已经出清的道岔也应及时释放，后车即可申请道岔资源正线进站。资源独占、共享场景如图1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.08.007.F001图1资源独占、共享场景3车车通信无线资源管理3.1无线资源分配D2D通信技术旨在使一定距离范围内的用户直接通信，以降低服务基站的负荷，D2D既可以在基站控制下进行连接及资源分配，也可以在无网络基础设施的时候进行信息交互，每个用户节点都能发送和接收信号，且具有自动路由（转发消息）的功能。网络的参与者共享拥有的一部分硬件资源，能够被其他用户直接访问而不需要经过中间实体。在D2D通信网络中，用户节点同时扮演服务器和客户端的角色，用户能够意识到彼此的存在，自组织地构成一个虚拟或实际的群体。3.1.1功率分配D2D通信虽然可以缩短用户信息交互时延、提升速率，但由于新增了用户之间的传输通道，无线环境变得更加复杂，不仅存在普通蜂窝用户间的干扰，还存在D2D用户间的干扰。通过给不同用户分配不同大小功率，降低干扰是保证通信质量的有效手段，但目前针对功率分配的研究多是牺牲部分用户为代价提升小区整体指标，未考虑用户特征。列车的业务种类较多，且作为普通蜂窝用户和D2D用户时，所承载的业务对于QoS的需求各不相同。因此在功率分配时，不仅要考虑用户特征也要考虑不同业务类型的QoS需求，从而实现更好的用户体验。3.1.2频谱分配无线通信的频谱分配功能关系到用户业务需求能否得到满足，是极其重要的功能。目前关于频谱分配方案的研究多数都是基于固定场景，而城市轨道交通列车高速移动，通信场景切换频繁，无线环境变化快，因此在频谱分配时要结合此特点，以提升用户级业务QoS指标为目标。3.1.3通信模式选择依据通信用户间使用资源的关系，可分为正交模式、复用模式和基站中继模式。正交模式指不同用户在通信过程中使用的资源在频域上正交，相互没有干扰，但没有充分利用D2D技术的优势。复用模式指D2D用户复用其他普通用户使用的资源，用户间必然产生干扰，难以保障QoS质量，但复用模式能大幅提高频谱利用率。基站中继模式频谱利用率较低，适用于信号质量差、无法建立直接通信的场景。正交模式实现较易，但频谱利用率低，无法满足日益增长的通信需求，由于无线频谱的稀缺性，应重点关注复用模式。但在实际使用过程中，为了提升网络性能，不应局限使用一种传输模式，应该根据实际情况选择最适宜、收益最大的传输模式。3.2基于软频率复用的资源调度我国4G网络采用的LTE同频组网在提升频谱效率的同时，也带来了严重的小区间干扰，尤其是在多小区重叠覆盖且电平相当的区域。在商用网络中，小区间的干扰协调（ICIC）就是一种重要的干扰处理技术。常见的ICIC分为软频率复用和部分频率复用，部分频率复用将小区频带分为4个相互正交子带，小区中心使用1个子带，小区边缘用户均使用其他子带，在重叠覆盖区域的不同小区用户使用的频带资源相互正交，有效降低干扰，但这样小区内用户只能使用部分带宽，极大影响用户吞吐率和小区容量。软频率复用将小区的频率资源分为主、辅，分别用于小区中心和边缘，相邻小区的载波间相互正交，干扰大幅度减小，用户可使用全部系统资源，频谱利用率较部分频率复用大幅增加，所以城轨交通采用软频率复用进行资源调度。基于车车通信的列控系统通信多数情况下是在运行过程中进行，列车速度快，小区切换频繁，常规的基于软频率复用的静态资源调度方案会导致小区容量损失，无法满足列车通信需要。根据城轨交通列车用户少的特点，相较于公网更关注小区吞吐量，城轨交通更应关注提升列车最小吞吐量，根据列车的实时无线信道质量，合理分配载波及发射功率，保证小区内所有列车用户均能获得满足自身数据传输需求的无线资源，提升整个列控系统性能。4结语资源管理与分配功能是基于车车通信的列车控制系统的核心功能之一，对于保证行车安全、提升运营效率具有重要作用。本文分析了新型列控系统的线路资源的管理原则及功能需求、无线资源的分配和管理办法，提出了线路及无线资源管理的基本方案，可为基于车车通信的列控系统设计及现场应用提供借鉴。