（通信与信息系统专业论文）无线机车信号信息传输系统的研究.pdf

摘要 从1 8 2 5 年铁路诞生至今，列车运行控制系统始终是铁路运输系 统中最重要的一环。面对社会和经济发展对铁路运输不断增长的需 t 求，网络化、智能化、综合化的列车运行控制系统成为我国铁路发展 的方向。近年来随着科学技术的飞速发展，基于通信的列车控制系统 ( c b t c ) 成为最佳选择。而基于无线通信的机车信号系统是实现 c b t c 的基础，所以对于它的研究与试验，必将推动c b t c 在中国迅速 发展与应用。论文综述了国内外c b t c 发展现状，针对无线机车信号 通信系统进行了研究。 论文分析比较了基于轨道电路的列车控制系统和基于无线通信 的列车控制系统的特点，并针对无线机车信号系统的特点，对系统结 构以及信息传输通道进行了比较细致的分析。提出了应用g s m r 系 统中g p r s 作为无线机车信号信息传输的主要通道。 在综合分析研究的基础上，论文搭建了一个系统平台，论述了通 信平台的系统结构、分析了无线机车信号数据结构及通信流程，并利 用排队理论对列车控制方案有效性问题进行了较为深入的分析。对整 个系统平台的整体可靠性、安全性等方面进行了分析。 关键词：c b t c 、机车信号、g s m r 、g p r s a b s t r a c t t r a i nc o n t r o ls y s t e mh a db e e nac “t i c a lf a c t o ri nr a i l w a y 仃a s m i s s i o ns y s t e ms i n c et l l eb i n l lo fr a i l w a yi n1 8 2 5 a st h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i c si n c r e 8 s e dt l l en e e d sf o rr a i l w a y t r a l l s m i s s i o ，i l l t e u i g e n ta i l di n t e g r a t e d c t w o r k e dn a i nc b n t m ls y s t e m h a db e c o m et h eg o a lo f c h i n a r e c e n t l y ，晰t l lt h er a p j dd e v e l 0 p m c n to fs d c c ca l l dt e c h n o l o g i e s ， c o m i u n i c a 虹o n b a s e dt f a i nc o n 昀1s y s t e m ( c b t 9t 啪e d0 u t t ob e t h eb e s tc h o i c e 1 1 l e i n l p l e m e n t a t i o n o fc 明 d e p c n d e d o nt h ew i r c l e s s c o m m u n i c 撕o n - b a s e de a bs i 夸试 s y s t e m ， s ot h e化s e a i c ha n d e x p 喇m e n to nc b t cw o u l dd e f i n j t e l yd r i v e i t sd e v c l o p m e n ta n d a p p 王i c a t i o n i c h i n a 1 1 1 i sp 印e ro u t l i n e dt h ed e v e l 叩m c n ts t a t u so f a 玎eb o t hi nc h i n aa i l di no t h e rc o u n t r i e s ，a n dd i s c u s s e dt h ew i r e l e s s c o m m u n c a t i o n - b 船e dc a bs i 驴a ls y s t e m t h i sp a p e f c o m p a r e dt l l ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a c kc i f a l i t - b a s e d1 h i n c 0 n t r o ls y s t e ma n dw i r e l e s sc 0 m m l l l l i c a t 主0 n _ b a s e dt r a i nc 0 n t m l s y s t e m ，t h e nf b c u s e do nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n 七鹞e dc a bs i 印a l s y s t e m ，i n t f o d u c e dt i l e s t n l c t i l r co ft h es y s t e ma n dt h ec h a n n e l so f i n f o m a t i o nt r a i l s m i s s i o nj nd e t a i l s ，a n db r o u g h tf 0 耕a r dt h a tg p r so f g s m rs y s t e ms h o u l db et a k e na s 也em a j l lc h 锄e lo fw i r e l e s sc a b s i 纳a ls y s t e m t h i s p a p e i c o n s t n l c t e da s y s t e mp l a t f 0 衄 b a s e do nt h e c o m p r e h e n s i v ea l l a l y s i sa n dr e s e a r c h ，d i s c u s s c dt h es y s t e ms t m c t u r eo f m ec o m m u n i c a t i o np i a t f b 咖，a n a l y z e dt h ed a t as m l d u r eo ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n _ b 笛e dc a bs i 印a l s y s t e ma n d t l l e p r o c e s so f d a t a c o m m u n i c a t i o n ，a n dm a d ed e 印a n a l y s i so nt h ev a l i d i t yo ft h ed a t a c o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nn s j n gt l l eq u e u i n gt h e o r y f i n a l l y t l i er e l i a b i l i t y a n ds e c u 血yo ft h et o t a ls y s t e mp l a t f o nw a sa n a i y z e dt b o r o u 曲l y k c y w o r d s ：c b t c ，c a bs i g n a l ，g s m r ，g p r s l 第一章综述 1 1 列车控制系统 1 1 1 基于轨道电路的列车控制系统 从1 8 2 5 年铁路诞生至今，铁路运输为人类社会的进步、人类文 明和科学技术的高速发展建立了不可磨灭的历史功绩。铁路作为服务 于社会的一种公共运输形式，其始终不变的目的是安全、迅速、可靠、 准确和经济地运送旅客和货物。历史和现实告诉我们，任何时期的铁 路运输都是依靠当时的先进技术及相应的技术系统支撑实现的，而铁 路运输本身也为新技术的发展做出过重要的贡献。2 0 世纪7 0 年代以 来，面对社会和经济发展对铁路运输不断增长的“高速度、高密度” 的需求，铁路运输系统经历从人工，至q 机械化的、电子化的、信息化 的进而向智能化方向发展的历程。在此过程中，列车运行控制系统逐 渐显现出其重要地位。 列车运行控制系统是铁路运输系统中最重要的一环，1 9 世纪中 叶出现火车之后，立即就有人研究如何控制火车安全运行问题。最早 年代，为了保证列车的安全，采用人骑马作为列车运行先导，以后又 用过在一定距离设置导运人员，挥旗来表达列车可否安全前行。1 8 3 0 年在英国开始第一次应用横木式带灯光的信号机，直到1 8 4 1 年臂板 信号才正式诞生在英国。1 9 世纪7 0 年代世界上开始使用钢轨传输信 号控制列车运行，即“基于轨道电路的列车运行控制( 1 h c kc i r c u i t b 弱e d1 h mc c n t r o l ，t b t c ) ”。 列车运行在轨道上，轨道电路就能 自动地检测到它的存在，用以保证行车安全，这是轨道电路的最大优 点。轨道电路的出现是列车运行控制系统的巨大飞跃。 轨道电路有着不可忽视的优点，如：在理论上，它能比较完善地 检查列车在轨道上是否存在，以及列车的完整性，从而为有效地保证 行车安全、提高行车效率发挥了巨大的作用。在目前的实际工作应用 中，用轨道电路来检测列车及车辆的存在是最省、最简单的方法。可 以说，基于轨道电路的列车控制系统是铁路信号的基础和特征。 但是，由于t b t c 是以钢轨为信号传输媒介的，随着铁路的快 速发展，下列问题不可避免的暴露出来： ( 1 )传输的信息量少。钢轨能传输信息的频率极为有限，而 进人信息时代后，管理和控制者不仅要知道列车的存在。而且还要知 道列车在轨道上的位置、列车车次号、列车编组情况、列车的实时里 程标和运行速度等。此外，还应及时通知该列车的交会地点、减速区 段、减速值、列车前方的坡道值和弯道值等。换言之，列车与地面控 制者和管理者之间必须有双向信息传送，其目的是进一步保证安全， 提高运输效率和提供更多的运行实时信息，使铁路运输业更具有竞争 力。但是轨道电路在传输上述信息过程中有极大的困难。 ( 2 ) 轨道电路的工作稳定性易受环境影响。 ( 3 ) 轨道电路构成闭塞分区时的分割，对长钢轨的应用造成 障碍；闭塞区间固定，对不同类型的列车适应性差。 ( 4 ) 轨道电路需要大量电缆以便采集轨道电路发送端和接收 端信息集中到车站进行处理，且维护量大，费用高。 ( 5 ) 用轨道电路构成自动闭塞系统时，闭塞分区的通过信号 等固然能够保护歹车的安全，但是无法知道列车在此闭塞分区内的确 切位置，无法知道列车是停止运行还是在运行状态，或慢速前进，或 快速前进，速度是多少等等，这些情况，地面控制系统均无法知道， 即无法实现列车的精确定位，严重影响了列车的运行效率。 ( 6 )很难实现双向通信。用轨道电路构成自动闭塞系统时很 难用轨道电路实现列车对地面控制中心进行通信。 n 玎c 存在的上述问题使其难以满足现代铁路发展的要求，因 此人们在改造、完善现有1 f f c 系统的同时，一直在积极努力的寻 求新的列车运行控制系统。新的列车运行控制系统必须要解决1 b t c 存在的问题，满足下列要求： ( 1 ) 实现高精度的列车定位。 ( 2 ) 实现列车运行闭环控制。 ( 3 ) 能够适应不同的列车运行速度、列车密度、机车牵引重量 和列车制动性能的自动闭塞系统。 ( 4 ) 实时提供列车各种信息，并能进行反馈。 ( 5 ) 可适应比较恶劣的环境。 ( 6 ) 适应铁路发展的能力强，尽量避免铁路在现有基础上进行 过大的改建工作。 ( 7 ) 使用范围广，并能满足现代铁路乘客的需求。 1 1 2 基于通信的列车控制系统( c b t c ) 基于通信的列车控制系统思想萌芽是在2 0 世纪6 0 年代，2 0 世纪8 0 年代初国外开始系统地展开研究并进行阶段性测试，9 0 年代开始进入 试验段测试阶段。1 9 9 9 年9 月，m e e 将c b t c 定义为：“利用高精度 的列车定位( 不依赖于轨道电路) ，双向连续、大容量的车一地数据通 信，车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统” 【1 1 。定义中指出c b t c 中的通信必须是连续的，这样才能实现连续自 动列车控制，利用轨问电缆、漏泄电缆和空间无线都可以实现车、地 双向信息的连续传输。 图1 1c b t c 的基本原理图 调度控制中心d c a d i s p a t c hc o n 廿o lc e n t e r ) 控制多个车站控制中 心s c c ( s t a t i 0 c o n t r o lc e n t e r ) ，实现相邻s c c 之间的控制交接。s c c 通过管辖范围内的多个基站b s ( b a s cs t a t i o n ) 与覆盖范围内的车载设 备o b e ( o nb o a r de q u i p m e n t ) 实时双向联系。列车在区段内运行时， 通过全球定位系统( g p s ) 、查询应答器或里程计装置实现列车位置和 速度的测定，o b e 利用无线通过基站b s 将列车位置、速度信息发送 给s c c 。s c c 通过b s 周期地将目标位置、速度及线路参数等信息发送 给后行列车。0 b e 收到信息后，根据前车运行状态( 位置、速度、工 况) 、线路参数( 湾道、坡度等) 、本车运行状态、列车参数( 列车长 度、牵引重量、制动性能等) ，采用车上计算、地面( s c c ) 计算或是车 上、地面同时计算，并根据铁路信号故障一安全原则，比较、选择的 方式，预期列车在一个信息周期术的状态能否满足列车追踪间隔的要 求，从而确定合理的驾驶策略，实现列车在区段内高速、平稳地以最 优间隔追踪运行。 c b t c 与传统基于轨道电路的列车控制系统相比，具有如下优点 吼 ( 1 ) 通过整个系统提供可靠的检查与平衡手段，通过车、地间 双向信息传输，实现对列车的闭环控制，从而大大降低人为错误的影 响，系统的可靠性更高。 ( 2 ) 各级调度都可以随时了解区段内任意运行列车的位置、速 度、机车工况及其它各种参数，利用上述信息，各级调度可以规范、 协调地直接指挥行车。 ( 3 ) 车站控制中心依据列车状态及前车状态，结合智能技术调 整列车运行，获得最佳的区间通过能力，减少列车在区段内运行时不 必要的加速、制动，节省燃料，增加旅客乘坐舒适度。 ( 4 ) 区段内所有运行列车的各种参数( 如：列车号、机车号、位 置、速度、工况、始发站、终到站、车辆数、载重量等) 自动地发送 给各种管理系统，不需要人工键入，从而可以避免对参数的漏键、错 键、迟键和其它人为错误，将运输控制与管理紧密结合，实现铁路信 息化。 ( 5 ) 减少沿线设备，设备主要集中予车站和机车上，减轻设备 维护和管理的劳动强度，受环境影响小( 如：可减少雷击等现象的干 扰和损伤) ，在遭受自然灾害或战争破坏后，能很快恢复运行。 ( 6 ) 可以实现移动闭塞。 ( 7 ) 易于维护，降低成本。 基于无线通信的列车控制系统是铁路运输管理系统信息基础设 施的重要组成部分，使无线通信和列车控制两大学科高度融合发展的 结果，从根本上将基于轨道电路的单向信息传输提升为基于无线的双 向、连续、大容量的信息传输。宦以数据通信为纽带，以网络发展为 基础，以安全、高效益、高服务质量为根本目标。 1 2 国内外c b t c 的发展现状 1 2 1 国外c b t c 的发展现状 1 、北美c b t c 发展现状【 北美铁路部门希望首先消除信号盲区，并从节省成本角度考虑， 希望在上述地区不再增装地面信号设备，而是通过无线手段实现列车 控制。1 9 8 2 年由美国铁道协会a a r 和加拿大铁道协会r a c 共同提出 了“先进列车控制系统w r c s ( a d v a n c c dt r a 纽c o n t m ls y s t e m ) 。a t c s 的主要思想是在获取精确的 列车位置、速度信息的前提下，通过先进的微处理器和数据通信手段， 实现对列车的闭环控制。a t c s 由5 个子系统构成，分别是：机车车 载系统、现场设备、工务车车载系统、数据通信系统和中央调度系统。 先进铁路电子系统a r e s ，由美国北方柏林顿公司b n 和r o c k w c l l 公司于1 9 8 3 年共同推出，1 9 8 4 年在明尼阿波利斯的两台机车上测试了 数据无线和g p s 。系统分为控制部分、数据部分和车辆部分，由操作 控制、道旁接口单元、数据传输、g p s 接收、机车分析与报告、能源 管理和车载显示7 个子系统组成。数传予系统为一个工作在幢频段 的通信网络，提供移动部分和控制部分的数据通道。 先进列车自动控制系统从t c ，1 9 9 3 年提出，由联邦技术再投资 项目资助，h u 曲e s 越r c r a f i 和m o r r i s o n k j l u d s e n 合作为美国旧金山海湾 高速运输线b a r t ( b a y e ar a p i dn a n s i t ) 开发。系统采用h u 曲e s 越r c r a f t 为军队开发的e p u 略恤h a n c e dp o s 讹o nb c a t i o nr e p o r t 虹g s y s t e m ) 实现列车定位，利用扩频无线信号、t d m a 方式传递车、地 信息。 为制订统一标准，提高北美各c b t c 系统间的互操作性和使用最 新技术，a 根于1 9 9 4 年提出了可靠列车间隔p t s ( p o s i t i v et r a i n s 印a r a t i o n ) 和可靠列车控制p t c ( p o s “i v et r a i l lc o n t r 0 1 ) 。兀s 由 u p ( u n i o np a c i 丘c ) 和b n s f ( b u r l i n g t o nn o r n l e r i ls a n t af c ) 公司投资， g eh a r r i sr a i l w a ye l e c t r 0 i l i c s 公司负责系统的开发、测试。p 1 s 通过 d g p s ( d i 虢r e mg 1 0 b a lp o s i t i o l l i l l gs y s t 锄) ，惯性传感器和里程计实现 列车定位。数字无线通信网络工作在v h f ，u h f 频段。p 1 是在p 俺 的基础上，改进a r c s 的等级标准后，进一步实现列车的闭环控制。 实旌的形式可以是固定闭塞或移动闭塞。通过p t c 实现以下目标：准 确安排对向列车的会让，避免由于列车超速或者不必要的制动而造成 能源的浪费；实现列车精确控制，提高线路通过能力；通过接收列车 位置、速度等实时数据，使调度员有更充裕的时间安排列车会让，修 订行车计划，地面人员能够准确估计列车到达时间，使枢纽和编组场 更好地安排运营，提高通过能力和运营效率。 2 、欧洲c b t c 的发展现状【5 - l o 】 欧渊铁路各国铁路的标准、模式不统一，有各自的u 甲及a t c 系 统。各国铁路的轨距、信号设备和供电系统都不尽相同，这种制式上 的差异对各国铁路之间的连续运输形成了不容忽视的障碍，为建立欧 洲统一的铁路信号标准、保证列车在欧洲铁路网内的互通运营，提高 铁路运输管理水平，1 9 9 1 年，欧共体国家签署了研制“欧洲列车控制 系统”e t c s 的备忘录，由欧共体资助e t c s 的研究和试制工作。1 9 9 2 年1 月。国际铁盟( u i c ) 给出e t c s 的项目说明、相关的功能和系统 的技术规范。详细的规范( 包括e t c s 的功能条件、系统技术条件、各 相关子系统的技术条件以及有关系统安全、环境、可靠性等的技术条 件) 由欧洲铁路研究所( e r r i ) 的a 2 0 0 小组于1 9 9 6 年6 月完成。1 9 9 8 年夏天，为了最终完成规范的制订，由欧洲各大信号公司组建的 u n j s i g 形成。1 9 9 9 年4 月2 3 日编制完成了系统需求标准。2 0 0 0 年4 月2 5 日签署了e l 汀m s 第1 级的技术规范。到此为止，这个系统终于诞生了， 它为提供较高的运营控制和管理系统铺平了道路。e t c s 在实施方面 具有不同的功能级别，各国可根据本国铁路信号设备的条件、要求达 到的功能、投资能力确定采用的功能级别。 等级1 ：通过完善沿线信号设备，实现a t p 。也可以通过查询应 答器、无线信道发送有关信号表示的数据信息。 等级2 ：在a 卯基础上提供带目标速度显示的机车信号，通过轨 道电路或是里程计实现列车定位。该级别可以取消地面信号。 等级3 ：提供a t c ，取消轨道电路，在车上安装检测列车完整性 的故障一安全设备，通过查询应答器或环线装置给车载设备提供位置 信息。在级别3 ，列车通过无线将位置、速度信息发送给主控中心。 e t c s 系统分为三个主要模块：e u r o c a b ( e t c s 中的车载设备) 、 e u r o - b a l i s e ( 含e 啪- l o o p ，查询应答器或环线装置) 和e u r o r a d i o 舰c s 中对g s m r 的称谓) 。对e u m b a i i s c 和e u r o c a b 的研究己于1 9 9 6 年完 成，对e 啪一m d i o 的试验也正在德国、法国和意大利等国进行。1 9 9 6 年的世界铁路研究大会提出在已经使用机车信号的三个国家的铁路 线上进行应用e t c s 系统的实验。这三个国家分别是德国、法国、意 大利。在西班牙马德里塞维利亚的e t c s 试验和维也纳布达 佩新的试验中，互联互通运营的试验己经取得了巨大的成功。2 0 0 1 年初系统在意大利试验线上试用，另外还有一些不同等级的商业项 目。其它国家也陆续安装了一些试验区段。 欧洲已从e t c s 过渡到欧洲铁路运输管理系统e r r i m s ( e u r o p e a n r a j lt m f ! i cm 强a g c m e ms y s t 啪) 1 9 9 2 年e r r l 提出e r t m s ，e t c s 是这个综合项目的一个组成部分。 3 、日本c b t c 的发展现状”1 2 】 日本铁道技术研究所于1 9 8 7 年开始综合应用计算机和无线通信 技术的新型的“计算机和无线电辅助列车控制系统”( c a r a d 。 g 蛆认t 包括地面系统和车载系统两部分。地面系统分为地面监控系 统和无线传输系统。地面监控系统由沿线设置的监控传感器或监控应 答器构成。其任务是连续追踪和检测列车运行的位置和距离。无线传 输的任务是向列车传送列车运行位置和容许列车运行区间的信息。车 载系统包括列车安全控制计算机系统、无线传输和收发系统。 日本正在开发的新一代列车控制系统a t a c s ( a d v a n c e dt r a j n a d 删j s 仃a t i o na i l dc o 蛐u n i c a t i o n ss y s t e m ) ，相当于欧洲的e r t m s 3 系统，其主要特征是不再采用以前的轨道电路检测列车位黄，而是利 用最新的数字通信和计算机技术等进行列车控制。以列车问隔控制为 例，列车通过传感器进行自我定位，然后将位置信息传送到地面站， 地面站根据前车的位置返回其停车位嚣。列车的车载控制装置根据停 车位置、本车的位置速度、车辆性能、线路状态等生成速度控制曲线， o ， 当超速时启动制动器进行自律控制。a t a c s 包括3 部分：地面控制器 与无线通信基站、车载设备、铁路交通管理系统。 1 2 2 国内c b t c 的发展现状 为了提高铁路运输效率，保障运输安全，与国际化接轨，我国一 直在进行新的列车控制系统的探索与研究【1 4 】。 1 9 6 3 年，北京交通大学汪希时教授发表了首篇有关c b t c 的文 章，提出无线自动闭塞的概念。随后，北京铁道学院成立专题科研组， 分信号控制与无线通信两部分进行试验研究。 8 0 年代至9 0 年代，以北京交通大学、铁道部科学研究院为代表的 国内科研机构对c b t c m a s 条件下的系统结构、行车控制方法、线 路通过能力及列车运行组织方式、通过能力仿真等问题，进行了广泛、 深入的研究，在国内、国际发表了大量的论文。 在第一勘察设计院主承2 0 0 1 年铁道部科技司“青藏线通信信号系 统技术方案的研究”项目，北京交通大学承担无线机车信号和列车控 制系统方案、无线移动通信系统方案等四个子课题的研究和编写工 作。 2 0 0 2 年由北京交通大学校、院两级投资7 0 万元设立无线机车信号 基金项目，资助完成青藏线无线机车信号的研究及两套样机的生产， 其中每套样机包括一台地面设备和两台车载设备。并完成在青藏线清 水河和西宁分局涅源站地区无线机车信号在现场的性能试验。进一步 开展了青藏线无线机车信号系统主体化问题和基于g s m r 通信平台 相关问题的前期研究。 2 0 0 3 年，北京交通大学电子信息工程学院现代通信研究所建成 了g s m r 模拟实验室，并进行了机车信号系统的实验。 2 0 0 5 年，北京交通大学在青藏线工程中成功进行了无线机车信 号系统的安装与测试工作。 目前，我国已经成功借鉴欧洲e t c s 的成功经验，研究制定了适 合我国国情的中国列车控制系统( a r c s ) 技术规范。 1 3 基于无线通信的机车信号系统 近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的可靠性、可用 性大大提高，同时无线通信可以实现大信息量的双向通信，除了满足 列车控制系统需要外，还可用于调度指挥信息，可以满足铁路信息化 对固定设备与移动体大容量信息交换的要求。中国铁路已经制定了发 展中国列车控制系统a 呛s ( c h i c s et r a i nc 0 n 咖l s y s t e m ) 的策略， c r c s 被分成5 个级别： c r c so 级：有线的控车模式 c t c s1 级：基于既有设备改造的p 系统 c r c s2 级：基于轨道电路信息的硝r p 系统 a r c s3 级：基于轨道电路和无线通信( g s m r ) 的u t 系统 c r c s4 级：完全基于无线通信( g s m r ) 的a r r p 系统 在级别3 和级别4 中，实现了基于g s m r 的c b t c 网络。中国铁路 发展g s m - r 的基本战略：既有线提速，客运专用，青藏线建设和高 速铁路研究，对通信信号技术的发展提供了新的发展机遇。列车提速 后，铁道部提出了机车信号要尽快实现主体化的明确要求，加快推进 铁路通信信号技术一体化，实现对列车移动体的控制。欧洲g s m r 的成功运用，为我国提供了良好的技术借鉴，发展中国铁路g s m r 的时机已经成熟，并将成为中国铁路通信信号技术发展的重要领域。 g s m r 适应中国铁路移动通信发展的需要，具有适应铁路运输特点 的功能优势，具有成熟的技术优势，可支持铁路移动通信的可持续发 展，符合通信信号一体化技术发展的需要。g s m - r 是基于成熟的公 共网络g s m 的技术、为铁路专用的通信网络。g s m r 可以覆盖地面 设备和车载设备，为它们提供连续的、双向的信息( 包括数据和语音) 传输通道。 中国铁路正在大力发展基于g s m - r 的列车控制系统。因为基于 无线通信的机车信号系统是实现c b t c 的基础，所以对于它的研究与 试验，必将推动c b t c 在中国迅速发展与应用。列车控制信息通过无 线的g s m _ r 网络传输，列车运行的控制问题应运而生。 1 4 论文的主要内容 本文对无线机车信号的信息传输系统进行了研究，各章主要内容 安排如下： 第一章比较了基于轨道电路的列车控制系统合基于无线通信的 列车系统的特点，综述国内外c b t c 的研究和发展状况，并由此提出 基于无线通信的机车信号系统及研究意义。 第二章详细叙述了机车信号系统的结构，并比较了数传电台和 g s m r 两种不同的无线通信方案。 第三章在前面分析的基础上比较了g s m r 不同的数据传输方 式，认为g p r s 作为系统数据传输通道具有很大的优势，并搭建了系 统平台。 第四章深入研究了基于g s m r 的机车信号信息传输系统数据 帧封装流程及信息传输控制方式，并且应用排队论对其有效性进行了 分析。 第五章综合分析了基于g s m 。r 信息传输系统的性能。 第六章总结了论文的主要内容，指出了进一步研究的方向。 第二章无线机车信号系统 任何列车控制系统中，信号系统都是列车运行控制的关键。铁路 信号是作为一种行车安全设施产生和发展起来的。目前我国铁路信号 系统应用的色灯信号和机车信号都是基于轨道电路实现的。传统机车 信号的功能是复示地面信号机的显示，通过轨道电路实现地面与机车 的通信，而基于无线通信的机车信号系统是通过无线数据通信取代轨 道电路来实现地面与列车之间双向通信。 2 1 无线机车信号系统结构 无线机车信号就是利用无线通信传输设备，将车站信号信息( 信 号显示、进路信息、车站和线路信息等) 传送至机车上，指示列车安 全运行的设备总称【1 5 】。 无线机车信号系统主要由车站地面控制设备、列车车载设备及无 线通信传输系统三部分组成。其基本构成如图2 1 所示： 无线机车信号与通用机车信号相比，有以下优点： ( 1 ) 无线机车信号基于通信的列车运行控制系统( c b t c ) 最基 本形式，符合未来铁路信号发展方向。 ( 2 ) 无线机车信号实现了控制信息的双向传输，有利于对列车 的监控。 ( 3 ) 无线机车信号道旁设备少，维修作业量小。 ( 4 ) 信息含量大，可传递自动停车和简单的超速防护信息。有 利于实现对列车的闭环控制，为司乘人员、调度管理人员提供更多信 息。 2 2 地面控制设备 图2 1 地面控制设备主要由地面控制机、数据传输设备接口、联锁接口、 信号微机监测接口、应答器、上位机等设备构成，完成采集车站联锁 信息、生成机车信号信息、处理车载设备回执信息、数据记录、自诊 断和故障报警等功能。 地面控制机：地面控制机是地面控制设备的核心部分，主要负责 与控制范围内的列车建立联系。它负责信息的收集、处理、转送和记 录等。地面控制机与计算机联锁可以有两种配置方式，一种是地面设 备与微机联锁设备一体化：另一种是与微机联锁设备独立设置的地面 设备。地面控制机故障时，两种方式均不能影响计算机联锁的正常工 作。地面控制机具有以下工作特点： 1 ) 建立车站系统数据库，将车站编号、邻站编号、车站进路( 列 车) 信息、信号机编号、应答器编号等输入到数据库中。该数据库应 包含所有列车的静态参数，有机车车辆数据系统提供；包含地面控制 设备控制范围内的所有地面设备的静态信息及特征；包含所有控制范 围内列车的动态信息。 2 ) 采用双机热备的结构。设计双机热备检测电路，当主设备故 障时，可自动切换到备机，并报警。 3 ) 系统采用三取二的方式采样计算机联锁信息，并根据数据库 信息对采样结果进行校核，以保证系统信息的正确性。 4 ) 系统通过软件防护及软、硬件的配合，保证设备故障倒向安 全，并保证当无线机车信号系统发生故障时不影响微机联锁设备的正 常工作。 5 ) 具有数据记录功能，为故障分析处理和系统的日常维护提供 方便。数据记录的主要内容有： a ) 计算机联锁向地面控制设备传送的信号内容和时间； b ) 地面控制设各发送信号和收到回执信号的内容及时问； 0 列车停靠或通过车站的股道号和时间； d ) 经过车站的列车的机车号； e ) 列车的运行方向( 上，下行) ； f ) 设备报警情况。 通信接口：发送设备负责将车站无线控制主机形成的机车信号信 息进行编码并发送给无线通信系统。接收设备负责接收列车发送来的 列车位置及其它相关信息，进行解码后传送给地面控制机。 联锁设备接口：车站无线控制中心设有与联锁设各( 包括车站和 区间) 的接口，通过此接口，采集列车所对应的进路信息、地面信号 信息等。 信号微机监测接口：负责故障诊断及报警、双机热备的切换检测、 回执显示等功能。 2 3 列车车载设备 车载设备主要由车载主机、无线数据传输设备接口、列车安全运 行控制记录装置接口、查询机、信息显示等设备构成，完成接收地面 信息、发送回执信息、与列车安全运行记录装置及卫星定位装置互联、 人工设置调车停用和上下行切换、声光报警、数据记录及转储、信 息显示、自诊断和死机自动恢复、语音提示等功能。 车载主机：是车载设备的核心，当列车接近车站，进入无线场强 覆盖范围内，车载设备与地面控制设备建立通信。通信链路成功建立 后，车载设备确认机车接近车站的名称和列车位置，并开始与地面控 靠8 设备进行信息交换，及时对接收的信息进行正确显示和发出语音提 示。当机车经过进站和出站信号机时，根据联锁信息的变化，切换相 应的信号显示。当机车离开当前地面控制设备控制范围时，向地面发 送信息注销列车注册，并自动将接收设备的接收频点转换为下一站的 接收频点。当机车经过点式应答器的地面点时，机车设备将接收到地 面送出的位置信息。机车设备根据接收地藤所发的无线命令，将经点 式信息、g p s 信息、机车信息等进行多重安全校核处理确认无误， 实现机车信号显示，并不断的将其接收的命令、机车的位置、机车的 速度、设备的工作状态等机车设备工作的有关信息回送给地面设备， 实现系统的闭环控制。在机车经过应答器的地面点，未能接收到相应 的信号命令，系统将向司机送出报警信息。 车载主机采用双机热备的结构，设计双机热备检测电路，当主设 备故障时，可自动切换到备机，并报警。考虑到机车两端均可驾驶， 显示部分和查询器天线在机车两端各设一套。 通信接口：接收设备负责接收车站无线控制主机形成的机车信号 信息，解码后传送给车载主机。发送设备负责将列车位置及其它相关 信息进行编码，然后通过无线信道发送给地面控制机。 查询器：查询器是由查询器天线( 安装在机车低部) 和车载查询 器主机两部分组成。在机车两端下部横梁上分别安装一台查询器，在 机车上设最两台查询器主机，互为备用，相当于双机热备可做到故 障检测、报警，提高可用性。查询器连续不断地向地面发送查询功率， 当机车通过应答器时，激活地面应答器，并接收应答器发送的信息。 此信息通过电缆送入查询器车载主机，主机对数据进行处理后，通过 数据线送入无线机车信号车载主机，启动机车信号显示，校正里程信 息，并提供前方车站代号和确认上下行等。 存储设备：记录车载控制系统得相关数据、列车运行状况数据等。 显示设备：给出指示列车运行的机车信号信息的显示。 2 4 无线传输系统 无线传输系统主要负责车载设备和地面设备之间的传输。无线传 输通道成为联系地面设备和车载设备的通道。无线传输的主要内容便 是无线机车信号。 基于无线通信的机车信号，与传统的基于轨道电路的机车信号相 比，其系统结构发生了根本的变化，并具有以下突出特点：信息传输 不再依赖轨道电路，设备主要集中在室内和机车上，减少了故障面， 现场维修业务量大幅度减少：车载机车信号设备随着列车的运行，要 依次与各个车站地面控制设备建立联系，车站地面无线发送设备要同 时与多个列车的车载机车信号设备建立联系：车站地面控制设备发送 的机车信号信息，不但受连锁条件控制，而且根据列车运行位置的不 同而不同；传输和交抉数字编码、高速率、大容量的数据包，信息量 大；车地间信息双向传输，地面向列车传送机车信号信息，列车向地 面传输列车位置等信息，实现了对列车的闭环控制，为列车的监控提 供了更大的便利；软硬件资源充分共享，降低投资，随着系统不断完 善，可持续发展性强。 我国铁路正在朝商速铁路、客运专线方向发展。铁路提速和客运 专线网络化、智能化、综合化的铁路控制系统，需要高可靠性、高安 全性和更快速的接入，以及透明、双向、大容量的控制信息传输。其 中，无线机车信号的传输通道是其中一个重要的环节。将数字移动通 信技术用于铁路行车自动控制之中进行数据传输，首要考虑的问题是 可靠性，但是过多地采用这些技术措施或一味地追求某一种技术降低 误码率的作用，必然会占用大量有效信息位和占用大量时间，造成对 传输效率的影响，也就是对传输实时性的影响。因此在将无线通信用 于列控数据传输过程中，应兼顾数据传输的可靠性和实时性以及故障 安全性。 无线传输系统是无线机车信号的基础，其性能( 速度，误码率和 可靠性，可用性) 对无线机车信号系统影响较大。因此要必须实现较 好的通信质量，达到较高的通信指标。 无线机车信号的信息传输无线通道主要有以下两种：无线数传电 台和铁路综合数字移动通信系统。 2 4 1 基于数传电台信息传输系统 数传电台信息传输系统采用数传电台为无线机车信号提供无线 数据传输通道，在全线各车站设置车站无线数传设备，机车上安装机 车无线数传设备。以时分多址方式通过不同的时隙对其覆盖范围内不 同地址、不等数量的机车无线数传电台建立通信并进行控制，以达到 传送无线机车信号的目的。 每台机车设置车载电台，每个车站设置车站电台，并统一按规定 设置电台编号。每个车站的数传电台有一个确定的通信地址，车站数 传电台负责向车载台发送控制命令，同时接收车载台发来的列车信 息。车站的数传电台要满足向多个车载台连续发送控制命令的要求， 并根据联锁信息的交化实时传输信息。无线数传电台根据信息帧中包 含的地址信息判断是否是发给自己的信息，完成信息识别功能。如果 是发给自己的信息，就传给终端设备处理，如果不是，就自动放弃。 从而保证列车控制的安全性。 设备主要包含车站数传电台、车载数传电台及相应电源、天线和 天线馈线等。无线数传电台有两个重要参数：启动时间和发送速率， 这两个参数决定了在实时性允许的范围内车站能控制的列车数量。启 动时间是指电台生成发送信息帧所需要的时间。发送速率是指电台每 秒钟发送的比特数。 无线通信网络由车站数传电台群和车载数传电台群共同构成，车 站两端3k m 左右要求场强可靠覆盖，电台的场强覆盖范围是以车站 为中心的椭圆形区域。在区问分界点处及其周围区域，相邻车站的电 台场强重叠。在这个区域列车能接收到两个者占控制中心的控制信 号。下行方向采用两个频率f 1 ，f 3 ，上行方向采用两个频率f 2 ，f 4 ， 为了防止站间频率干扰，车站电台交替使用这两个频率。每隔车站设 置两个数传电台，分别与下行方向和上行方向运行的列车通信。一个 车站同时可控制数列列车，车站与管辖内列车时分复用信道资源。 专用数传电台技术相对成熟，投资较低，容易实施。但是这种方 法受到电台通信距离的限制，并且容易受到外界无线电信号的干扰， 使得数据发送成功率受到影响。 由于青藏铁路的低密度以及无线通信的工程造价和维护等原因， 我国青藏铁路接近连续式无线机车信号系统中决定采用数传电台传 输系统。 接近连续式无线机车信号是在进站信号机外方的接近区段开始 不间断地从地面向机车传递信息，控制显示部分连续地复示前方地面 信号机的显示状态及显示有关的进路和位置信息的机车信号。接近连 续式无线机车信号的有效工作范围是进站信号机外方接近区段、所有 接车进路及股道。与接近连续式无线机车信号相对应的，是连续式无 线机车信号。 连续式无线机车信号是在整个区间线路上不间断地从地面向机 车传递信息，控制显示部分连续地复示前方地面信号机的显示状态及 显示有关的进路和位置信息的机车信号。一一般使用于自动闭塞区段。 在连续式无线机车信号系统中，数传电台信息传输系统得缺点便暴嚣 出来，不足以适应高密度通信的需要。 为了实现连续式无线机车信号，必须采用另外的无线信息传输系 统目前，g s m r 已经成为公认的适于铁路应用的无线信息传输系 统。 2 4 2 基于g s m r 信息传输系统 基于g s mp h a s e2 + 标准的g s m r 是国际铁路联盟( u i c ) 和欧洲电信 标准协会( e t s i ) 专为欧洲新一代铁路无线移动通信开发的技术标准。 g s m r 是在g s m 基础上发展而来的，一个拥有上、下行4 删z 带宽频率， 工作在9 0 a m z 频段的铁路专用无线通信系统。它提供高效、低运营费 用和高可用性，以及不同铁路通信网络间互通的功能。它同公用g s m 移动通信网一样主要用于传输话音和数据，但增加了优先级、强插话 音组呼及广播功能，在其结构中增加了g c r ( 组呼寄存器) 。调度员 司机间的运营通信、自动列车控制、调车作业、远程遥控、紧急情况 区域广播、列车支持通信、车间和维修段的地区通信和旅客服务等都 可以在g s 扣r 这个综合的标准化平台上实现。 g s m r 的产生并不是偶然的，它是目前适用于铁路控制与管理需 要最有代表性的无线移动通信系统，正因为如此，在欧洲已经有很多 国家已将它投入工程应用，目前中国铁路被国家无委会批准使用频 率，并将在某些地区投入使用。 g s m r 由无线网络、交换网络、及与其他通信网络的接口组成。 它与g s m 相同，采用g m s k 调制，8 时隙2 0 0 k h zt d m a 多址方 式，调制速率为2 7 0 k b s 。 其主要技术特征包括： a 具有全部g s m 业务和功能； b 单一平台，能够满足所有语音和数据通信( 电路交换分组交 换) 的需求； c 满足铁路员工在车上和铁路沿线语音通信的需求： d 灵活的数据传输方式( g p r s ) ，可按需分配带宽： e 具有智能网络功能，可提供新的业务和操作员特殊功能； f 具有列车自动控制及信号和安全系统： 卫可以向第三代移动通信( 3 g ) 平稳过渡； h 频率管理和g s m 兼容。 为了满足铁路的需求，g s mp h a s e 2 + 标准中引入了相关业务， 称为高级语音呼叫项目a s c i ( 集群移动通信业务) ，主要包括：语 音组呼业务( v g c s ) ，话音广播业务( v b s ) ，增强多优先级与强占 ( e m i j p ) 。 g s m r 作为信息传输系统，存在以下优缺点： a 系统本身比较成熟。欧洲铁路广泛采用。 b 可用于