基于數字通信技術的鐵路列車控制系統設計

鄭 聰

（陜西陜煤銅川礦業有限公司 鐵路運銷分公司，陜西 銅川 727000）

0 引 言

隨著科技的迅猛發展和社會進步的推動，鐵路交通作為一種高效、安全的交通方式在現代社會中扮演著重要的角色。然而，傳統的鐵路列車控制系統在面對日益增長的運輸需求和復雜的運行環境時，存在一系列的挑戰和限制。模擬信號傳輸和人工操作的方式導致了系統復雜度高、故障率高以及安全隱患的存在。為了解決這些問題，基于數字通信技術的鐵路列車控制技術應運而生，為鐵路運輸系統帶來了新的機遇和挑戰。基于該背景，研究基于數字通信技術的鐵路列車控制設計及優化方法，以提高鐵路交通的安全性和運行效率。推動數字通信技術在鐵路交通領域的廣泛應用，有助于提高鐵路交通的安全性、運行效率以及服務質量。

1 基于數字通信技術的鐵路列車控制系統研究概述

1.1 數字通信技術與鐵路列車控制系統

數字通信技術是一種基于數字信號傳輸和處理的通信技術，能夠將模擬信號轉換為離散的數字形式，通過使用數字編碼和調制技術傳輸數據[1]。相對于傳統的模擬通信技術，數字通信技術具有以下特點和優勢：（1）抗干擾能力強，數字信號可以通過差錯檢測和糾錯編碼等技術提高數據傳輸的可靠性，有效抵御噪聲和干擾對信號質量的影響；（2）數據壓縮和處理高效，數字通信技術能夠將原始信號進行高效的采樣和編碼，減小數據量，提高數據傳輸的效率；（3）靈活性和可擴展性強，數字通信技術的處理過程可以通過軟件和算法進行配置和調整，靈活適應不同的需求，同時能夠支持多路復用和分組傳輸，實現在同一信道上同時傳輸多個信號，提高信道的利用率；（4）兼容性好，數字通信技術能夠與現有的通信設備和網絡兼容，可以與模擬通信技術進行互聯互通[2]。

鐵路列車控制系統（Train Control System，TCS）以數字信號為基礎，用于管理和控制鐵路列車的運行[3]。該系統能夠實現列車位置檢測、速度控制、列車間距管理以及與信號系統協調等功能，從而確保列車在鐵路網絡上的安全、高效運行。TCS 的關鍵組成部分包括列車位置檢測設備、通信系統、列車控制中心以及列車載荷設備，通過數字通信和自動化技術實現精確的列車位置控制與運行調度，提高鐵路交通的安全性和運行效率。

1.2 基于數字通信的鐵路列車控制系統研究現狀

基于數字通信的鐵路列車控制系統的研究現狀表明，數字通信技術的應用為鐵路運輸領域帶來了許多創新和改進的機會，目前已經取得了一些重要的進展，主要研究方向如下[4,5]。

（1）通信技術應用。數字通信技術在鐵路列車控制系統中得到了廣泛應用，傳統的模擬信號傳輸正在逐漸被數字信號取代，從而提高了通信的可靠性和穩定性。同時，無線通信技術如Wi-Fi 等被用于實現列車與控制中心之間的數據傳輸和通信。

（2）列車位置檢測。數字通信技術為精確的列車位置檢測提供了新的手段。利用全球定位系統（Global Position System，GPS）和地面設備等可以實時監測列車的位置與運行狀態，為列車控制系統提供了準確的數據基礎，有助于實現列車之間的安全運行間隔和運行計劃優化。

（3）控制指令傳輸。數字通信技術實現了高速和可靠的控制指令傳輸。通過數字信號的處理和編碼，控制指令可以準確地傳輸到列車，實現實時的速度調整、制動控制等操作，從而提高列車的響應速度，增強列車控制的準確性和靈活性。

2 數字通信技術的列車控制系統

2.1 1FZL300 型CBTC 系統

1FZL300型基于通信的列車控制（Communication-Based Train Control，CBTC）系統由中國鐵路通信信號集團有限公司（China Railway Signal & Communication Corp，CRSC）開發。它采用數字通信技術，通過無線通信網絡實現列車位置監測、速度控制和列車間距管理等功能，特點如下。

（1）高度自動化。1FZL300 型CBTC 系統利用數字通信技術和自動控制算法，實現列車的自動運行和調度。它能夠根據列車位置和速度信息，自動控制列車的運行、停車和起動，提高了列車運行的效率與安全性。

（2）實時通信。系統采用可靠的無線通信網絡，實現列車與控制中心之間的實時數據傳輸和通信。基于該背景，控制中心可以準確監測列車位置和狀態，并下發實時的控制指令，確保列車的安全運行。

（3）靈活性和擴展性。1FZL300 型CBTC 系統包括FZL300 型CBTC 系統、自動轉換開關（Automatic Transfer Switch，ATS）、聯鎖、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）以及列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）等子系統。ATP 子系統提供行車間隔的安全防護功能，有中心控制模式和本地控制模式，如果ATS 發生故障，則可以切換到本地的聯鎖控制模式，大大增強了行車調度的靈活性和可靠性。

2.2 LCF-300 型CBTC 系統

LCF-300 型CBTC 系統是由Alstom 公司開發的一種基于通信的列車控制系統。它采用數字通信技術和自動化控制算法，實現列車的精確控制與安全運行，主要特點如下。

（1）高度可靠性。LCF-300 型CBTC 系統采用了雙重通信鏈路和冗余設計，確保了數據傳輸的可靠性和穩定性。這使得列車與控制中心之間的通信更加穩定，并提供了高度可靠的列車控制功能。

（2）高精度位置檢測。系統利用多種技術，如全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）、軌道電路、慣性導航等，實現列車位置的高精度檢測，為列車控制和安全間隔管理提供了準確的數據基礎。

（3）多功能性。LCF-300 型CBTC 系統不僅可以實現列車的自動控制和調度，還可以集成其他功能，如列車健康監測、車輛故障診斷等，提供全面的列車管理和維護支持。

2.3 TRANAVI 系統

TRANAVI 系統是一種基于通信的列車控制和信號系統，由日本東芝公司開發。該系統采用數字通信技術和先進的列車控制算法，能夠實現高度自動化和安全性的列車運行，其主要特點如下。

（1）高度安全性。TRANAVI 系統采用多層次的安全措施，包括車載設備和線路設備之間的多重監測與驗證，確保列車運行的安全性。它還具有自動防撞和速度限制等功能，確保列車在任何情況下都能安全停車和運行。

（2）高容量運輸。系統利用先進的列車控制和優化算法，實現列車之間的緊密運行與高容量運輸。這提高了鐵路線路的運輸能力和效率，減少了列車之間的間隔時間，提高了線路的吞吐量。

（3）系統可靠性和穩定性。TRANAVI 系統具有強大的冗余設計和自動故障檢測功能，能夠快速識別和糾正系統故障。這確保了系統的可靠性和穩定性，并提供了連續運行的保障。

3 基于數字通信的列車控制系統構建

3.1 基于CBTC 的制動模型

基于數字通信技術的列車控制系統利用列車-地間的雙向實時通信，后續列車可以實時從軌旁控制器中接收前方列車的實際運行狀態及前方軌道的狀態等信息。由于車地間可以傳輸較大的信息量，車載設備可以實時從地面接收到車輛運行前方線路限速或者障礙物的情況，從而實時計算與調整列車的運行曲線，大大提高了列車運行的安全性[5]。CBTC 系統原理如圖1 所示。

圖1 CBTC 系統原理

列車定位的檢測判定是CBTC 系統的基礎，列車位置的確定由車載設備中的列車定位模塊單獨完成，列車追蹤功能由地面設備中的列車定位模塊和ATS共同完成。安裝在列車上的速度傳感器和其他的傳感器檢測列車的運行狀態，車載計算機根據這些信息計算出列車的行走距離[5]。

3.2 基于CBTC 的的牽引/制動模型分析

列車的運動通過安裝在輪軸上的編碼里程計（速度傳感器）監測。通過編碼里程計測量列車的運動，車載控制器計算列車速度和加速度。系統中ATP 采用安全速度，ATO 采用非安全速度。當采用安全速度時，ATO 在安全速度下考慮部分速度余量駕駛列車。控制速度是非安全速度和ATO 速度中的最小值。ATP 子系統包括列車能量檢測。當ATP 估計司機或ATO“接觸”或“超過”緊急曲線時觸發緊急制動。

如果列車的速度超過列車最大的限制速度，ATP子系統將會觸發緊急制動。該速度限制一般為線路土建的永久限速，也可以是調度員設置的臨時限速。為防止列車在正常行駛過程中緊急制動被觸發，ATO與ATP 速度（緊急制動觸發速度）區間之間應當有一定的駕駛余量。當前方有一個速度限制點時，ATO駕駛列車時將會貼近緊急自動觸發曲線運行，使得列車能運行在最大的允許速度。

3.3 系統設計

本案例中，鐵路列車控制系統通過無線通信實現車地的雙向通信。采用的是移動閉塞設計理念，不需要定義虛擬區段，能滿足小編組、高密度的行車要求。核心系統結構如圖2 所示。

圖2 核心系統結構

4 結 論

傳統的鐵路列車控制系統使用模擬信號和人工操作，存在復雜性高、故障率高以及難以避免的安全隱患等問題。然而，隨著數字通信技術的快速發展，為鐵路列車控制帶來了全新的解決方案和優化潛力。基于數字通信技術，構建與研究了智能鐵路列車控制系統，首先介紹了數字通信技術在鐵路列車控制領域的研究概述，其次詳細探討了數字通信技術的列車控制系統框架，最后設計了一種基于數字通信的列車控制系統，為自動化鐵路列車控制系統的搭建與應用提供了新思路。