列車運行控制系統中地-車信息傳輸方式的探討

馬小玲

（西安鐵路職業技術學院，西安 710014）

1 概述

列車運行控制系統的車載設備完全靠地面控制中心發送的行車信息控制命令進行行車，并實時監督列車的實際速度和地面允許的速度指令，當列車速度超過地面行車限速時，車載設備將實施制動，保證列車的運行安全，因此地－車信息傳輸直接影響著行車安全，是列車運行自動控制系統的重要組成部分。世界各國長期以來一直都很重視地－車信息傳輸方式的改進。

2 地－車信息傳輸的主要方式

地面信息傳遞到車上的方式目前有兩大類，一類是點式傳遞方式，另一類是連續式傳遞信息方式。點式傳輸方式常用的有查詢應答器和點式感應環線；連續式傳輸方式常用的有軌道電路、軌道電纜以及無線傳輸等方式。

2.1 點式傳遞方式

點式傳遞方式是在地面某些固定點，如閉塞分區分界點處，從地面向車上傳遞信息。點式傳遞方式常采用查詢/應答器來實現或點式環線兩種方法。其中查詢/應答器應用較為廣泛。

2.1.1 查詢應答器

利用查詢應答器進行信息傳輸的方式已經廣泛應用。在歐洲ETCS 1級標準中利用歐標應答器提供全部控車信息，在ETCS 2級標準中主要提供列控系統的輔助信息，如里程標、線路數據、切換點等。在中國的列車運行控制系統當中歐標應答器在CTCS-1級、CTCS-2級中都發揮著重要作用。

應答器系統主要有無源應答器、有源應答器、LEU、車載天線、應答器傳輸模塊（BTM）、報文編碼工具、應答器無線讀寫工具等構成。

應答器安裝在軌道中間，分為無源應答器和有源應答器，無源應答器與外界無聯系，用來傳送固定不變的信息，如線路速度信息、線路坡度、線路長度信息等；有源應答器通過電纜與室內的地面電子單元（LEU）與相連，用來傳送可變的信息，如臨時限速信息、進路信息等[1]。

無源應答器的數據報文由無線讀寫工具寫入；有源應答器的數據由列控中心、聯鎖設備通過接口傳送給LEU，再由LEU傳送給地面應答器。當LEU與有源應答器間通信故障時，LEU可以向列控中心、車站聯鎖等發送故障信息，并給出報警信號。

當列車經過地面應答器上方時，應答器接收到車載天線發射的電磁能量后，電子電路工作，把存儲的數據報文循環發送出去，直至電能消失。車載天線將接收到的數據報文傳送給BTM，經過濾波、放大、解調后，對接收到的數據報文進行解碼，還原得到用戶報文，然后發送給車載列控設備。

采用地面應答器進行信息傳輸，結構簡單，安裝靈活，可靠性高，價格明顯低于連續式列車運行自動控制系統，但是不能得到連續的信息。

2.2 連續式信息傳輸方式

2.2.1 軌道電路

軌道電路是信號的關鍵基礎設備之一，借助它可以監督列車在線路上的運行情況，并利用它可以連續傳遞與行車有關的各種信息，是一種傳統的地－車信息傳輸方式。在列車運行控制系統中應用較廣泛。法國、日本列車運行控制系統都采用軌道電路來傳遞行車信息[2]。

法國TVM系列車運行控制系統主要采用UM移頻系列軌道電路，TVM300系統于1981年在巴黎—里昂首先投入使用，系統構成較簡單，造價較低。采用了無絕緣移頻軌道電路UM71，地對車的信息傳輸容量達18個。

在1993年用于法國第三條北方線高速鐵路的TVM430列車運行控制系統中采用了對UM71進行數字化改造后的數字軌道電路——UM2000實現地對車的信息傳輸。低頻信號增加到28種，其中一種低頻信號為軌道占用信息，將其余27種低頻信號進行編碼處理，使信息傳輸量由18個增加為227個，其中傳輸防護碼6位，有效信息量為221個。

基于軌道電路的信息傳輸方式在我國應用也非常廣泛。我國CTCS-0級使用國產18信息移頻軌道電路，CTCS-1級采用UM71或ZPW-2000型軌道電路；CTCS-2級使用UM71或者ZPW-2000A型軌道電路[3]。

2.2.2 軌道電纜

德國LZB系統采用軌道電纜實現列車地面信息的雙向傳輸。LZB系統由地面控制中心、軌道傳輸電纜、車載設備3部分組成。地面控制中心根據地面存儲的各種信息，結合聯鎖設備的信息實時計算列車的最大允許速度，通過軌道電纜傳輸給車載設備，實現列車速度的控制。

這種傳輸方式的優點：由于控制中心“全局管”，統一指揮在其管轄范圍內的列車，對于一些交通繁忙的樞紐是非常有利的，一旦發生行車誤點或其他行車障礙，可以迅速地將行車命令傳送到列車，但是也存在一定隱患，一旦控制中心出現設備故障即會引起全線交通癱瘓，另外這種傳輸方式軌旁設備比較多，設備維護和維修較復雜。

2.2.3 無線移動通信

基于GSM phase2+標準的GSM-R技術，是國際鐵路聯盟（UIC）和歐洲電信標準化協會（ETSI）為歐洲新一代鐵路通信設計的無線移動通信系統。UIC通過歐洲綜合鐵路無線增強網絡（EIRENE）對各種數字移動通信系統進行了比較，最后決定GSM-R為新一代歐洲鐵路無線移動通信基本制式[4]。歐洲列車運行控系統ETCS 2級及ETCS 3級技術標準明確確定利用GSM-R無線系統進行列控信息車-地雙向傳輸。

1999年，歐洲一些國家開始GSM－R網絡的試運行和商用建設。截至2006年底，德國全國鐵路線路總長46 142 km，GSM-R覆蓋達到了36 000 km；意大利全國鐵路線路總長20 000余公里，GSM-R覆蓋網絡到達了7 500 km；法國鐵路線路總長31 724 km，GSM-R覆蓋14 000 km[5]。

中國列車運行控制系統（CTCS）也把無線傳輸方式作為發展方向。CTCS-2級和CTCS-3級都明確規定采用GSM-R來實現車-地間的雙向通信。

我國GSM-R建設和發展主要經過3個階段，第一階段主要是可行性論證和技術試驗階段，通過在大秦線（重載鐵路）、青藏線（環境條件嚴酷）和膠濟線（高速線路）的建設與試驗；第二個階段為客運專線建設，著重構建中國鐵路GSM-R核心網絡的中心節點。搭建網絡骨架結構，并以客運專線為主干線，建設相關的無線接入網絡，為客運專線列車控制系統提供相關的網絡服務；第三個階段為全國鐵路GSM-R網絡的行車與完善。

GSM-R與基于軌道電路的傳輸系統相比具有以下優點。

（1）在各種列車混跑的區間，由于軌道電路信息量的局限，無法向列車傳遞軌道電路長度信息，因此，由軌道電路限定的閉塞分區通常設計成固定長度，從而根據兩列車相隔幾個閉塞分區獲得列車間的距離。而GSM-R的信息量大，足以傳送前方列車的距離信息，可以構成隨列車速度、線路參數改變的優化列車間隔。

（2）在使用軌道電路時，閉塞分區的長度與該區段列車的最大運行速度有關。隨著列車運行速度的提高或制動性能的改善，固定長度的閉塞分區限制了運輸能力的進一步提高。對于無線控制系統來說，列車速度提高或制動性能的改善，對應的僅是程序參數的改變，系統發展、完善十分簡單。

（3）無線列車運行自動控制系統由于無固定的閉塞分區長度，所以對于任何類型的列車都可以提高運行速度。

（4）GSM-R的應用可以進一步取消固定信號機及軌道電路，又可以節省大量的安裝、維護費用。

3 各種方式優缺點

查詢應答器、軌道電路、軌道電纜、無線傳輸方式各有其優缺點，對這幾種信息傳輸方式的特點進行比較，其優缺點如表1所示。

表1 各種傳輸方式優缺點

以上信息傳輸方式各有優缺點，通常列車運行控制系統以一種方式為主，輔以其他方式。如歐洲列車運行控制系統中的ETCS 1級采用“查詢應答器+軌道電路”，ETCS 2級采用“軌道電路+查詢應答器+GSM-R”的方式；ETCS 3級采用“查詢應答器+GSM-R”。在我國列車運行控制系統中CTCS-0級采用國產4信息、8信息、18信息移頻軌道電路來傳遞行車信息，CTCS-1級中采用從法國引進的UM71軌道電路或者是國產化的ZPW-2000型軌道電路，并增加了點式設備；CTCS-2級采用“軌道電路+查詢/應答器”的點式設備來實現地－車直接的信息傳輸。CTCS-3級是基于GSM-R的列車運行控制系統，輔以軌道電路和點式設備。CTCS-4級是完全基于無線通信的列車運行控制系統，輔以點式傳輸設備。

4 結論

隨著列車運行速度、運行密度的不斷提高，要求地面各種行車信息能夠更加準確、及時、豐富地傳送到機車上。GSM-R以其系統結構簡單，信息傳輸速率高、傳輸量大，可以實現雙向傳輸，維修量少等特點，在國內外列車運行控制系統中得到廣泛應用，實現了地－車信息傳輸從信息少到信息多，點式到連續，有線到無線，單向到雙向，維修量減少的發展要求，逐漸開始取代其他傳輸方式。

[1]王磊．應答器報文在CTCS中的定義與應用[J].交通科技與經濟，2007，9(1)：53-54.

[2]傅世善．閉塞與列控概論第四講—典型的列控系統[J].鐵路通信信號工程技術，2005(2):39-40.

[3]傅世善．閉塞與列控概論第三講—列控系統的系統構成與分級[J]．鐵路通信信號工程技術，2005(1):43-45.

[4]李國斌．對我國列車控制系統發展的幾點建議[J]．中國鐵路，2007(2)：49-53.

[5]朱學偉．GSM-R系統在我國鐵路應用狀態分析[J]．鐵路工程，2006(3):27-28.