基于無線通信的列車控制系統的應用研究

郭亞娟

（南昌軌道交通集團有限公司運營分公司）

摘 要： 基于無線通信的列車運行控制系統是利用連續、大容量的車、地間雙向數據通信實現的一種新型的連續自動列車運行控制系統。隨著鐵路運輸向高速化、信息化和網絡化發展，CBTC成為列控系統發展的方向。

關鍵詞： CBTC；無線通信；列車控制系統；綜述

1.序言

自鐵路信號出現后，很長時間以來人們一直用軌道電路來傳輸列車信息。我國現有的列車控制系統主要是基于軌道電路的列控系統。軌道電路有它不可忽視的優點，如它能比較完善地檢查列車的完整性，從而為有效的保障行車安全，提高行車效率發揮巨大作用。然而，隨著鐵路運輸向高速化、信息化、網絡化的發展，TBTC越來越不能滿足現代軌道交通發展的需要。

TBTC利用軌道電路傳輸地面至車上的信息、檢測固定閉塞分區的占用情況，存在如下的問題：

（1）為保證有效傳輸距離，只能以較低的頻率發送信息，同時滿足信息傳遞實時性的要求，軌道電路傳輸信息量較小。

（2）軌道電路工作穩定性易受環境影響，如道渣阻抗變化、天氣變化、牽引回流干擾。

（3）軌道電路構成自動閉塞系統時，無法判斷列車在閉塞分區內的具體位置，導致列車定位精度差。在閉塞分區中主控中心也無法知道列車的運行狀態。

（4）軌道電路需要鋪設大量電纜，軌旁設備較多，同時維護費用也很大。

（5）利用軌道電路難以實現車上至地面信息的傳輸，無法實現真正意義上的列車閉環控制。軌道電路構成閉塞分區時的分割對長鋼軌的應用造成障礙等。

實現快速、安全的列車運行控制，成為研究的熱點，目前被普遍認同的是基于無線通信的列控系統CBTC。CBTC有很多優點，如可利用無線信道進行車-地數據的雙向傳輸，列車可將其位置和速度等信息傳輸給車站，同時車站可不間斷的跟蹤、監控列車運行，實現對列車的閉環控制，提高系統的安全性；實行移動自動閉塞，提高運輸效率，節省維修費用等。

總之，從基于軌道交通電路的列控系統到基于通信的列控系統的轉變是列控技術發展過程中的一次飛躍，而采用無線傳輸列控數據更是現代軌道交通發展的方向。

2.無線CBTC系統的工作原理

目前，國內投入運營的CBTC系統基本上都可在CBTC模式和后備模式下運行。

在CBTC模式下，軌旁接入點上電啟動后，首先與無線接入控制器交換一些初始化信息，這些信息包括正常工作所需要的認證信息，注冊信息等，對于非法接入的AP，AC將拒絕提供服務，正常工作時，AP會周期性地通過無線向外發送廣播信息，當一個車載移動終端接收到該AP的廣播信息且該信號的場強值大雨MR的接入值時，MR將發送與AP的關聯信息，AP與MR也將發送安全認證信息，拒絕非法MR的接入，在經過一系列的接入關聯，認證和初始化工作以后，MR與AP才建立通信。

車載控制單元通過檢測軌旁應答器及檢索車載數據庫中的數據來判定和校準列車的位置，并且利用速度傳感器的測距功能計算列車檢測到應答器后列車的走行距離。車載數據庫信息包括應答器位置、車站停車位置、坡度、土建限速、道岔位置和信號機位置等。軌旁區域控制器接收來自ATS的進路請求，然后沿著ATS請求的進路，根據當前列車報告的位置起始為其后續追蹤列車計算移動授權命令，當ZC確認受控列車的移動授權能夠通過前方的信號機時，ZC給軌旁聯鎖系統發布命令，將其所轄的該信號機開放為允許信號。ZC知道其控制范圍內所有列車的位置信息，并通過系統確定何時可以安全地延伸列車的移動授權。

在后備模式下，ZC不工作，ATS發送進路請求給聯鎖系統，聯鎖系統基于固定閉塞的原則建立進路及開放信號，司機根據信號機開放狀態和后備模式下的運營規則控制列車運行。

3.CBTC中相關技術和規范

CBTC中相關技術和規范包括列車位置和速度檢測、雙向數據傳輸、列車完整性檢測、斷軌檢測等。

隨著CBTC系統的優越性被各方認可，世界一些發達國家普遍重視CBTC系統的研制和開發。除了基于通信的思想是一致的外，這些系統的性能，結構及所采用的測速定位、無線通信方式都各有所異，為了規范發展，自1999年以來，IEEE為CBTC制定了一些相關標準，主要有：

IEEE Std 1473-1999車載單元（車輛內、車輛間）間通信協議標準；

IEEE Std 1474.1-1999 CBTC性能及功能需求標準；

IEEE Std 1475-1999 車載控制功能及與動力系統、制動系統的接口標準；

IEEE Std 1482.1-1999 車載事件記錄儀標準；

IEEE Std 1483-2000 鐵路運輸控制處理器系統安全功能驗證標準。

4.無線CBTC系統的優勢

隨著移動無線技術的發展，在軌道交通自動控制領域中，采用基于無線的通信方式進行車-地的數據傳輸正日益成為一種趨勢，大的數據傳輸量為提高信號系統的性能和效率提供了空間。同時，無線技術更有利于車載設備的監控和系統性能的監督，還可用于乘客信息傳輸和語音、圖像的傳輸、無線CBTC系統的車-地通信是基于開放的IEEE 802.11無線通信技術，其軌旁的數據傳輸采用802.3IP以太網通信技術，經過多年國內工程項目的測試和驗證，在系統應用的安全性、兼容性、節約運營維護成本、靈活性等方面均表現出明顯的優勢。

4.1 安全性

無線CBTC系統秉承了傳統信號系統設計故障導向安全、可靠的基本原則。通過在所有網絡人口設置安全網關實現整個網絡的安全防護，以認證的方式防止假冒，來確保安全性，以動態加密的方式保護密鑰，從而實現保密性。

采用802.11 WEP加密技術和非標準的跳頻序列進行無線網絡的保護，調頻技術的應用為無線CBTC系統的數據傳輸安全性提供了保障。FHSS使車場或其它有線路交叉的地方多個頻率共存，同時大大減少了頻率間干擾的風險。經過大量實驗室和現場測試，IEEE.802.11無線數據通信控制系統能抵抗藍牙或WIFI等設備可能產生的干擾。

4.2 兼容性

在軌道交通信號領域，應用開放式的標準即可以節約成本，也能夠實現兼容性，這已成為該領域技術發展的主要驅動力。IEEE標準是世界網絡技術領域中使用最廣泛的，ISM組織發放了3個自由使用的頻段，分別為900M、2.4G和5.8G。IEEE 802.11描述了2.4G共用頻段的使用。該標準也支持在連續傳輸中數據包的無縫拆分和組合。IEEE 802.11開放標準與廣泛使用的IEEE 802..3以太網標準完全兼容。

4.3 靈活性

移動閉塞的列車定位不依賴于軌道電路或計軸區段，極大地改善了列車的運行間隔，減少了設備數量，且列車定位精度更高，支持不同運行模式的列車混合運行，受控列車基于移動閉塞方式運行，非受控列車基于固定閉塞間隔方式運行。

無線設備的部署和安裝簡單清晰，每輛車都安裝了移動無線設備MR，軌旁無線設備AP以合理的間隔沿線路布置，為車-地通信提供無線鏈路，除了部分商用定制設備外，其它所有無線DCS系統的設備都是可以在市場上購買到的標準商用設備，無線DCS系統的容量大，不但能夠滿足當前列車控制系統的數據傳輸需求，今后也可為其他媒體或企業IP通信提供額外容量。

軌旁AP提供小區的冗余覆蓋，如果一個AP出現故障，車-地間的無線通信將通過鄰近覆蓋的小區來進行，保證了列車控制和通信不受影響。同時，如果故障發生，網絡后臺管理系統會很快識別出故障點的ID地址，對于任何一個AP的替換都非常的便捷和簡單。

5.結語

本文對CBTC的研究進行了較為系統的綜述。在具體的應用中，CBTC系統利用無線通信傳遞雙向大容量車-地信息。因此，無線通信是CBTC的關鍵環節。如何提高數據傳輸的可靠性、減少誤碼率、提高抗干擾性等是必須解決的關鍵問題。

參考文獻

[1]基于無線通信的機車信號系統的研究 俞亞芳 北京交通大學 2004.

[2]基于通信的列車控制系統工程設計中需注意的幾個問題 劉會明 城市軌道交通研究 2006.