边缘计算视角下的城轨列车运行安全控制探讨

本文为满足城轨列车自动驾驶智能化复杂计算需求，基于边缘计算架构搭建边缘计算服务平台，其中包括设计开发车载边缘计算装置与边缘计算服务器。基于元胞自动机原理和模型预测控制原理设计实现城轨列车安全运行控制算法，对列车运行的安全性进行监控和校验，并得出参考控制策略，将危险防范于未然。
1 引言

1.1 研究背景和意义

随着城市规模的扩大和道路车辆的增多，城市交通日益拥堵。城市轨道交通对于缓解城市交通拥堵起着非常重要的作用，世界交通强国都在大力发展轨道交通。截至 2020 年底，全球共有 77 个国家和地区的 538 座城市开通城市轨道交通，运营里程超过 33346 km，车站数超过 34220 个[1]。城市轨道交通按制式可划分为地铁、轻轨和有轨电车三类。其中，轻轨除了钢轮的轻轨外还包括单轨、磁浮和自动旅客捷运系统（automated people mover system, APM）。有轨电车除了传统的有轨电车外还包括胶轮有轨电车和自导向的有轨电车（智轨）[1]。表 1-1 所示为截至 2020 年世界城市轨道交通运营线路里程排名前十的国家的具体信息[1]

1.2 国内外研究现状

1.2.1 边缘计算

边缘计算[3-4]是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的计算平台，就近提供边缘智能服务，满足各行业在敏捷连接、实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。相比于传统的集中式云计算，边缘计算将部分或全部计算任务迁移到分布式网络边缘设备上，具有实时数据处理和分析、隐私保护、可扩展性强、通信流量少的优势。因此，边缘计算被应用于物联网。在智能工业系统中，边缘计算、雾计算和云计算协同配置，构建分层的智能制造系统，降低了数据直接上传到云端的时间延迟[5]。摄像头等传感器采集的生产线图像数据首先被上传到边缘计算层通过部分卷积模型完成初步的次品辨识任务，云计算中心通过完整的深度模型进一步提高识别精度[6]。在自动驾驶系统中，边缘计算中心基于训练好的人工智能模型来完成实时定位、场景感知和驾驶决策，而计算量密集的离线任务，比如模拟真实驾驶环境，高清地图重建和深度学习模型的训练等，被提交至云端处理[7]。在智慧城市管理系统中，多源传感器采集的城市环境数据在边缘计算层经过一定的预处理和分析，提交至云端来实现环境状态感知，为管理者提供决策依据[8-9]。在医疗健康领域，将基于云端的认知计算系统迁移到网络边缘构建实时健康监测及诊断系统[10-11]，其

中资源认知体系的引入使得医疗健康系统能够根据疾病的危急程度来重新分配医疗资源、通信资源和网络资源，从而提升救助重大突发疾病的成功几率[11]。此外，边缘计算还被广泛应用在智能家居系统[12]、智能饮食评估系统[13]、5G 移动通信网络[14]、智能学生考勤系统[15]。在万物互联时代背景下，边缘计算是云计算模型的一种扩展和补充，这些边缘计算模型共享一个相似的计算架构：终端层、边缘层和云层。

2 系统总体方案设计

本章基于边缘计算体系架构，对城市轨道列车安全运行控制系统的需求与功能进行分析，提出边缘计算服务平台的整体设计方案，其中包括车载边缘计算装置的硬件、软件设计方案和边缘计算服务器的软件设计方案。对本文所使用的车地通信技术和列车定位技术进行总结与分析。
2.1 系统需求与功能分析

本论文旨在基于边缘计算体系架构，在边缘层对城轨列车的运行过程进行自动感知，分析运动状态，从而发现潜在的运行危险，并提前做出预警，产生相应紧急控制策略，增强现有车载和列控系统的功能。基于边缘计算的城轨列车控制架构如图 2-1 所示。

2.2 车载边缘计算装置设计方案

2.2.1 硬件设计方案

根据车载边缘计算装置的功能需求，本文选择采用板卡化的设计方案，车载边缘计算装置共由两个板卡组成，分别为通信定位板和人机交互板。通信定位板主要由微控制器（microcontroller unit, MCU）和通信定位模块组成，人机交互板主要由 MCU 和显示模块组成，两个板卡通过串口进行连接，结构如图 2-2 所示。通信定位板的 MCU 通过控制通信定位模块实时获取城轨列车的卫星定位信息，并将定位信息发送给边缘计算服务器。同时通信定位模块还需要实时接收边缘计算服务器发送的列车安全运行控制方案，并在成功接收后通过串口将信息发送给人机交互板，最后人机交互板通过显示模块对信息进行显示

3 车载边缘计算装置软件设计............................................................................. 15

3.1 主要模块介绍.......................................................................................... 15

3.2 通信定位板卡软件设计.......................................................................... 17

3.3 人机交互板卡软件设计.......................................................................... 22

3.4 本章小结.................................................................................................. 27

4 边缘计算服务器软件设计................................................................................. 29

4.1 软件开发环境.......................................................................................... 29

4.2 人机交互界面设计.................................................................................. 29

4.3 边缘计算服务器程序设计...................................................................... 30

4.4 本章小结.................................................................................................. 37

5 边缘计算服务器列车安全控制算法................................................................. 39

5.1 列车运行过程分析.................................................................................. 39

5.2 元胞自动机模型...................................................................................... 44

5.3 基于规则的列车安全控制算法.............................................................. 46

5.4 模型预测控制原理.................................................................................. 48

5.5 基于规则的模型预测控制算法.............................................................. 49

5.6 本章小结.................................................................................................. 51

6 系统功能测试及算法的仿真实现..................................................................... 53

6.1 车载边缘计算装置功能测试.................................................................. 53

6.2 边缘计算服务器功能测试...................................................................... 57

6.3 列车安全控制算法的仿真实现.............................................................. 61

6.4 本章小结.................................................................................................. 66

6 系统功能测试及算法的仿真实现

本章分别对车载边缘计算装置和边缘计算服务器进行功能测试，并针对 5.3 节和 5.5 节建立的列车安全运行控制算法进行仿真实验，验证算法的有效性。

6.1 车载边缘计算装置功能测试

6.1.1 通信定位板卡测试

本节在测试边缘计算车载装置的通信定位板卡功能时，通过使用串口调试软件对板卡实现功能的过程进行监控，同时对其功能进行调试。首先编写嵌入式系统的底层代码，使其在发送与接收信息的过程中能同时将信息发送至串口，然后将板卡与 PC 机通过 TTL-USB 转接口相连接，最后在 PC 机端使用串口调试软件对模块实现功能的过程进行监控。通信定位板卡上电后，EC20 模块按照 3.3.2 节介绍的步骤进行初始化，每一步初始化的过程及结果均可以通过串口调试软件进行监控，若当前初始化步骤执行成功，则会通过串口输出“OK”并显示于软件界面中，其过程如图 6-1 所示

7 总结与展望

本文为满足城轨列车自动驾驶智能化复杂计算需求，基于边缘计算架构搭建边缘计算服务平台，其中包括设计开发车载边缘计算装置与边缘计算服务器。基于元胞自动机原理和模型预测控制原理设计实现城轨列车安全运行控制算法，对列车运行的安全性进行监控和校验，并得出参考控制策略，将危险防范于未然。

（1）开发车载边缘计算装置，该装置的硬件系统由通信定位板卡和人交互板卡两部分组成，板卡间通过串口通信实现数据传输。对于通信定位板，设计并编写软件系统的主程序、串口驱动程序、EC20 模块初始化程序、数据发送函数、中断服务程序，实现了列车定位和车地通信功能。其中，列车定位功能采用卫星定位技术实现；车地通信功能采用基于 TCP/IP 协议的 4G 无线通信技术实现。对于人机交互板，完成 LVGL 图形库在 STM32H743IIT6 芯片上移植，设计并绘制人机交互界面，设计并编写软件系统的主程序及任务回调函数。

（2）开发边缘计算服务器，采用 C#语言编程实现边缘计算服务器软件系统的人机交互界面模块、通信接口模块、数据解析模块、列车动态显示模块、数据存储模块、列车运行状态分析模块。

（3）对城轨列车运动过程进行分析，建立列车动力学模型。基于元胞自动机原理与移动闭塞系统下的列车运行控制原理提出列车安全运行控制规则，设计基于规则的列车安全控制算法。基于模型预测控制原理，对基于规则的列车安全控制算法进行改进，设计基于规则的模型预测控制算法。

（4）对车载边缘计算装置和边缘计算服务器的基本功能进行实现与测试。测试结果表明，车载边缘计算装置和边缘计算服务器均可有效地实现预期功能。以北京某条地铁线路的实际数据为例，通过仿真实验分别验证基于规则的列车安全控制算法和基于规则的模型预测控制算法的有效性，并最终得到这两种控制算法的可靠度。