鐵路列車控制系統(tǒng)簡析

梅 靖

（上海鐵路局上海通信段，上海 200434）

1 概述

鐵路列車行駛速度的不斷提高，對列車運行控制系統(tǒng)提出了更高的要求。列車運行控制系統(tǒng)是指以技術(shù)手段對列車運行方向、運行間隔和運行速度進行控制，使列車能夠安全運行并提高運行效率的系統(tǒng)，簡稱列控系統(tǒng)。列車運行控制系統(tǒng)基本功能包括：系統(tǒng)能反映出列車前方區(qū)段是空閑或是占用；指示列車可以運行的速度；先進的列車運行控制系統(tǒng)具有自動實施各種報警、制動的功能，以保證行車安全；并具有運行記錄的功能，用于分析列車運行狀態(tài)及設(shè)備維護等。

2 列控系統(tǒng)發(fā)展階段

隨著鐵路運輸?shù)陌l(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，列車運行控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：地面人工控制方式、機車信號方式、軌道電路控制方式（TBTC）和基于通信的控制方式。

2.1 地面人工信號方式

鐵路運營開始就產(chǎn)生了如何控制列車間隔以保證行車安全的問題，從而提出了行車閉塞法。所謂“閉塞”就是指將列車正在運行的一定長度的線路區(qū)段封閉起來，不準(zhǔn)許其他列車駛?cè)耄苑乐拱l(fā)生列車迎面相撞或追尾等事故。開始時，人們在線路上安裝球體、文字指示牌、臂板等多種形式的信號設(shè)備。通過這些地面信號顯示，簡便地給司機以各種運行條件的指示，提醒司機采取相應(yīng)的措施，以免發(fā)生列車正面沖突和追尾事故。這種站間閉塞關(guān)系靠人工保證，而不是靠設(shè)備保證，他們的主要特征是站與站的聯(lián)系開始是用電話，后為電報，然后輔之以路簽、路牌等。

2.2 機車信號方式

地面信號顯示為主的鐵路信號系統(tǒng)的運行控制是以司機嚴(yán)格遵守信號為前提。由于地面信號顯示系統(tǒng)有時受到自然環(huán)境（如霧、風(fēng)沙、大雨等）的影響以及地形的限制，難以做到全天候連續(xù)不間斷顯示，存在明顯的安全隱患，不能滿足高速度、高密度的運營需要，因此，人們發(fā)明了機車信號設(shè)備，即車載信號設(shè)備通過接收地面設(shè)備傳送的信息，經(jīng)譯碼處理后在司機室內(nèi)復(fù)示地面信號顯示。這就大大改善了司機了望條件，使司機能夠在任何條件下從容地駕駛列車，在前方信號變?yōu)榻剐盘枙r，及時采取制動措施，提高了列車運行的效率和安全程度。機車信號分為連續(xù)式和接近連續(xù)式。在有地面信號顯示時，機車信號的顯示應(yīng)與線路上列車接近的地面信號機的顯示含義相符。機車停車位置應(yīng)以地面信號機或有關(guān)停車標(biāo)志為依據(jù)。

2.3 軌道電路控制方式

19世紀(jì)70年代，美國人魯賓孫發(fā)明了利用鋼軌作為通路構(gòu)成軌道電路來檢查列車占用線路狀態(tài)，并傳遞信息，實現(xiàn)自動閉塞控制。基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)（TBTC）有效地保證了行車安全，是提高行車效率的重要措施，也是我國鐵路當(dāng)前采用最為廣泛的列車控制方式。

隨著鐵路的飛速發(fā)展，TBTC越來越無法滿足對列車控制的需要，主要表現(xiàn)在軌道電路只能以較低頻率發(fā)送信息，嚴(yán)重限制了軌道電路所能傳輸?shù)男畔⒘浚痪€路分為若干個固定的閉塞分區(qū)，增加了列車的間距，從而嚴(yán)重影響了列車的通過能力，降低了運輸效率；軌道電路只能實現(xiàn)地面對列車的控制，無法實現(xiàn)車地之間的雙向通信，不能實現(xiàn)對列車閉環(huán)控制；TBTC系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性容易受環(huán)境的影響；TBTC系統(tǒng)工程造價昂貴且維護成本高等。

由于TBTC存在上述不足，難以滿足當(dāng)前高速鐵路的快速發(fā)展，世界各國在不斷完善TBTC系統(tǒng)的同時，也在不斷研究新的列車控制系統(tǒng)。

2.4 基于通信的控制方式

隨著近幾十年來計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國在研究新的列車控制系統(tǒng)過程中提出一種新的設(shè)想，能否用通信方法實現(xiàn)對列車的控制。與軌道電路方式相比，通信方式具有傳輸信息量大、速度快、能實現(xiàn)雙向通信、抗干擾能力強、靈活性好、建設(shè)和維護成本相對較低的優(yōu)點。因此，在八十年代后出現(xiàn)的新型列車控制系統(tǒng)基本都采用無線通信作為車地之間的雙向信息通道，人們普遍將這一系統(tǒng)命名為基于通信的列車控制（CBTC）系統(tǒng)。1999年9月，IEEE制定了第一個CBTC標(biāo)準(zhǔn)，將CBTC定義為利用高精度的不依賴于軌道電路的列車定位，雙向連續(xù)、大容量的車地數(shù)據(jù)通信和車載、地面的安全功能處理器實現(xiàn)的一種連續(xù)自動列車控制系統(tǒng)。

3 CBTC系統(tǒng)特點

3.1 CBTC系統(tǒng)原理

CBTC的基本原理如圖1所示。調(diào)度控制中心（DCC）控制多個車站控制中心（SCC），實現(xiàn)相鄰SCC之間的控制交接。SCC通過管轄范圍內(nèi)的多個基站（BS）與覆蓋范圍內(nèi)的車載設(shè)備（OBE）實時雙向聯(lián)系。列車在區(qū)段內(nèi)運行時，通過GPS、查詢應(yīng)答器或里程計裝置實現(xiàn)列車位置和速度的測定，OBE利用無線通過BS將列車位置、速度信息發(fā)送給SCC。SCC通過BS周期地將目標(biāo)位置、速度及線路參數(shù)等信息發(fā)送給后行列車。OBE收到信息后，根據(jù)前車、本車運行狀態(tài)、線路參數(shù)等，采用車上計算、地面SCC計算或同時計算，并根據(jù)信號故障倒向安全原則，預(yù)測列車在信息周期末的狀態(tài)能否滿足列車追蹤間隔的要求，從而確定合理的駕駛策略，實現(xiàn)列車高速、平穩(wěn)地以最優(yōu)間隔追蹤運行。

3.2 CBTC系統(tǒng)優(yōu)缺點

CBTC系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

1）通過對列車的精確定位，后續(xù)列車可以前行列車的車尾為跟蹤的目標(biāo)點，從而取消固定的閉塞分區(qū)，實現(xiàn)移動閉塞，大幅度壓縮列車的追蹤間隔，增加發(fā)車密度，提高鐵路運輸效率。

2）采用數(shù)字無線通信方式能夠?qū)崿F(xiàn)車地之間雙向大容量的傳輸，后方列車可以及時了解前方列車的運行情況，通過實時計算，為后方列車制定最佳的制動曲線，減少了不必要的加速和減速制動，改善旅客乘車舒適性，減少了能耗和污染排放。

3）軌道電路中的信號傳輸是開環(huán)的，即發(fā)送者并不能確切知道接收者是否真正接收到信息。而在CBTC系統(tǒng)中能實現(xiàn)地面控制中心與列車之間雙向通信，能實現(xiàn)對列車的閉環(huán)控制，提高了列車控制的可靠性；采用糾錯編碼、反饋重發(fā)、跳頻等各種技術(shù)提高了信息傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)基本不受環(huán)境的影響，同時可以避免人為疏忽所造成的事故。

4）能減少地面信號設(shè)備和軌道電路設(shè)備，降低了系統(tǒng)造價和維護成本。

5）區(qū)段內(nèi)所有運行列車的各種參數(shù)自動地發(fā)送給各種管理系統(tǒng)，從而避免人為錯誤，實現(xiàn)鐵路信息化。

CBTC系統(tǒng)也存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下方面。

1）承載列控信息的無線信道不像有線信道那樣固定并可預(yù)見，而是具有極大的隨機性。

2）鐵路沿線復(fù)雜多變的地形，使無線信道傳播環(huán)境更為復(fù)雜，多徑衰落嚴(yán)重，影響信號傳輸質(zhì)量。

3）高速移動（>250 km/h）的列車，會造成嚴(yán)重的多普勒頻移和擴展，從而導(dǎo)致無線信道呈現(xiàn)明顯的時變特性。

3.3 CBTC系統(tǒng)無線傳輸要求

CBTC系統(tǒng)對無線傳輸?shù)目煽啃浴踩院蛯崟r性提出了更高的要求。CBTC系統(tǒng)中無線通信系統(tǒng)需具備以下條件。

1）極高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)誤碼率BER=10-4～10-6，平均無故障時大于1 000 h。

2）滿足列車運行控制所需信息吞吐量和實時性要求，控制周期通常為50～100 ms。

3）必須是一種故障倒向安全傳輸方式。所謂故障倒向安全傳輸是指當(dāng)傳輸設(shè)備發(fā)生故障或由于無線信道的噪聲導(dǎo)致傳輸信息發(fā)生錯誤時，能夠極力防止倒向危險的一種信息傳輸方式。

4 國內(nèi)CBTC系統(tǒng)發(fā)展與展望

我國在CBTC系統(tǒng)方面的研究略遲于西方發(fā)達(dá)國家，近年來按照鐵道部鐵路建設(shè)發(fā)展的要求，我國CBTC系統(tǒng)的研究蓬勃展開，取得了一系列的成績。

京津城際、合武客運專線、武廣客運專線、京滬高速、滬寧城際、滬杭客運專線等多條鐵路上都先后采用了GSM-R系統(tǒng)，均采用基于通信的列控系統(tǒng)（CTCS-2級或CTCS-3級列控系統(tǒng)）進行列車控制。

CBTC系統(tǒng)是鐵路列控技術(shù)發(fā)展一次飛躍，是世界鐵路列控發(fā)展的方向。在后續(xù)的鐵路建設(shè)中還應(yīng)重點研究能夠滿足CBTC系統(tǒng)要求、具有高可靠性、實時性和安全性的無線通信技術(shù)與實現(xiàn)方案，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，為我國CBTC系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支持，推動我國CBTC的發(fā)展，提升鐵路的現(xiàn)代化水平。

[1] 汪希時．智能鐵路運輸系統(tǒng)ITS-R[M]．北京：中國鐵路出版社，2004.

[2] 鐘章隊，李旭，蔣文怡．鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）[M].北京：中國鐵道出版社，2003.

[3] 步兵．CBTC系統(tǒng)中無線通信的可用性分析[D]．北京：北京交通大學(xué)，2001.