（车辆工程专业论文）青藏铁路基于无线通信的增强型列车控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 举世瞩目的青藏铁路格拉段于2 0 0 1 年内正式动工修建，并于2 0 0 6 年7 月1 日全线通车试运行在青藏高原恶劣的自然条件下，青藏铁路信息系统提出 了全线要实现“免维护、基本无人化管理，全线运行时间最短”的目标因 此，选择适合的列车控制系统，既能满足以上要求，又能对列车运行过程进 行安全有效的控制就显得非常重要。青藏铁路最终采用的是美国g e 公司的增 强型列车控制系统，它是一种基于g s m r 通信的列车控制系统，同时也是 g s m r 首次在我国的全方位的应用 为适应我国铁路的跨越式发展，铁道部将g s m - r 和基于无线通信的列车 控制系统的应用作为我国的技术政策。因此，该系统作为在我国的试点工程， 对于它的研究，具有很好的现实意义：掌握青藏铁路基于无线通信的列车控 制系统的相关技术，为运营，维护提供技术保障；通过引进、消化、吸收， 掌握该领域的前沿技术，提高我国的列车控制系统水平 本文研究工作的主要内容如下； 1 在对国内外列车控制系统的应用及发展研究的基础上，对列车控制系 统的发展趋势进行了初步探讨。 2 从系统结构、工作原理、系统特点、关键技术等方面对基于无线通信 的列车控制系统进行了较全面、系统的分析 3 结合青藏铁路通信信号系统方案，对与青藏铁路增强型列车控制系统 相关的内容进行了简要分析，并提出了方案设计中应考虑的主要方面，如加 强无线通信可靠性措施。 4 从设计思想、设备组成，系统功能、关键技术、工作原理、工作过程 等多方面对青藏铁路增强型列车控制系统进行了全面、系统、深入的研究。 5 根据研究内容，开发了青藏铁路增强型列车控制系统多媒体演示软 件。 关键词：青藏铁路：列车控制系统：无线通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h ew o r l d w i d en o t e dg u l m u d l h a s ad e p o to ft h eq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y w a si n i t i a l l yc o n s t r u c t e dw i t h i n2 0 0 1 ，c o m p l e t e do nj u l y1 ，2 0 0 6 ，a n dp u t p r e s e n t l yt ot r i a lr u n o w i n gt ot h eh a r s hn a t u r a lc o n d i t i o n so f t h eq i n g h a i t i b e t p l a t e a u ，t h ei n f o r m a t i o ns y s t e mo ft h eq i n g h a i t i b e tr a i l w a yi sr e q u i r e dt o c a t e rf o rt h en e e d st h a tt h eg u l m u d l h a s ad e p o ts h o u l db ea u t o m a t i c a l l y m a i n t a i n e da n dt h a tt h eo v e r a l lo p e r a t i o nt i m es h o r t e s t h e n c e ，i ti so fv i t a l s i g n i f i c a n c e t h a tt h e a p p r o p r i a t e t r a i nc o n t r o l s y s t e m t o g u a r a n t e et h e e f f e c t i v e n e s so fs a f eo p e r a t i o nb ec h o s e n t h ei n c r e m e n t a lt r a i nc o n t r o ls y s t e m p r o d u c e d b ya m e r i c a ng e n e r a l e l e c t r i cc o m p a n yw a sf i n a l l y a d o p t e di n q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , as y s t e mt h a t i sb a s e do ng s m kc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，a n dt h a ti sa l l d i r e c t i o n a l l ya p p l i e d i no u rc o u n t r yf o rt h ef i r s tt i m e t h em i n i s t r yo fr a i l w a yi no u rc o u n t r ym a k e st h ed e c i s i o nt h a tg s m r a n dt r a i nc o n t r o ls y s t e mb a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa g eo r i e n t e da st h e t e c h n i c a lp o l i c yt os a t i s f yt h el e a p f r o gd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yi n d u s t r y a s a ne x p e r i m e n t a lu n i te n g i n e e r i n g ，t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oe m b a r ko n s o m er e s e a r c ha b o u tt h i ss y s t e m t h em a s t e r yo ft e c h n i q u e sr e l a t i v et ot r a i n c o n t r o l s y s t e m b a s e do nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hi s a p p l i e d i n q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y ，e n s u r e st h et e c h n i c a lm a i n t e n a n c e ；t h ec o m m a n d o ft h e a d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h i sf i e l dt ob ei m p o r t e d ，i n n o v a t e da n da p p l i e d ，s e l v e s t op r o m o t et h el e v e lo f t r a i nc o n t r o ls y s t e mi nc h i n a t h ep a p e rm a i n l yc o v e r st h ef o l l o w i n gi m p o r t a n tp o i n t s ： f i r s t l y , t h et r e n do ft r a i nc o n t r o ls y s t e mi sp r e d i c t e do nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c hi n t ot h ea p p l i c a t i o na n de v o l u t i o no ft r a i nc o n t r o ls y s t e mb o t ha b r o a d a n dh o m e s e c o n d l y , t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e s ，t h es y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ec o r et e c h n o l o g yo ft r a i nc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sb a s e d 0 1 1w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，a r ea n a l y z e d t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h ep l a n n i n go fc o m m u n i c a t i o n ss i g n a ls y s t e mi n q i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , t h et e c h n i q u e sr e l a t i v et oi n c r e m e n t a lt r a i nc o n t r o l s y s t e ma r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h em a j o rc o n c e r n si nt h ep l a n n i n gd e v i c e l i k et h e s t r e n g t h e n i n g o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sl i a b i l i t ym e a s u r e sa g e p r e s e n t e da sw e l l f o u r t h l y , t h ec o m p r e h e n s i v e ，s y s t e m a t i c ，a n d d e e p r e s e a r c ha b o u t i n c r e m e n t a lt r a i nc o n t r o ls y s t e mi nq i n g h a i - t i b e tr a i l w a y , i na c c o r d a n c ew i t h d e s i g n i n gi d e a s ，f a c i l i t i e s c o n s t i t u e n t s ，s y s t e mf u n c t i o n s ，c o r et e c h n o l o g y , o p e r a t i n gp r i n c i p l e sa sw e l la sp r o c e d u r e s ，i si m p l e m e n t e d f i f t h ly ，t h em u l t i m e d i ad i s p l a ys o f t w a r ei n v o l v e dw i t hi n c r e m e n t a lt r a i n c o n t r o ls y s t e mi nq i n g h a i t i b e tr a i l w a yi sd e v i s e d ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h o u t c o m e s k e yw o r d s ：o i n g h a i - t i b e t r a i1 w a y ；t r a i nc o n t r o is y s t e m ；w ir e l e s s c o m m u n i c a t i o n 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 列车控制系统综述 第1 章绪论 众所周知，安全是铁路运输的生命，而铁路列车的运行过程却是极其复 杂的，不确定性因素多且离散性大m 因此对列车运行过程进行安全有效的 控制，是世界各国列车控制系统的基本要求。从列车运行过程看，影响列车 运行安全的主要因素有3 个，即冒进、冒出信号机和超速运行( 二冒一超) 。 列车控制系统的首要功能是有效地防止“二冒超”，同时还要满足列车运 行间隔的要求以提高运行效率。 由此可知，列车控制系统主要是实现对列车运行的控制、列车的超速防 护和防止冒进信号m 它有3 个主要功能：列车定位与测速、列控中心与列 车之间的状态和控制数据的传输、列车速度控制“，。 列车控制技术经历过几次革命性的变革：从最初的视线控制、人工臂板 控制、信号灯、发展到轨道电路、数字轨道电路、基于通信的列车控制系统 c b t c ( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i nc o n t r 0 1 ) “，其演进历程见图i - i 图卜l 列车控制技术的演进历程 从发展阶段来看，歹f j 车控制系统已经经历了三个发展阶段，即列车自动 停车装置、列车超速防护系统( a t p ) 和列车自动控制系统( a t c ) ，并正在 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 向铁路智能运输系统发展。 由于各国铁路发展的历史进程和信号制式的不同，各国的列车控制系统 的功能和名称也不尽相同下面对国内外列车控制系统的应用与发展作一简 述。 1 1 1 国外列车运行控制系统 在列车速度不断增加的情况下，各国都不断开发和研制先进的列车控制 系统，以减少追踪时间，提高线路通过能力。以下对国外有代表性的列车控 制系统进行简要分析 1 法国高速铁路列车控制系统“w 法国列车控制系统以u - t 系统为代表，它是以无绝缘轨道电路u m 7 l 和 i i m 2 0 0 0 为基础，车载信号设备采用t v m 3 0 0 或t v m 4 3 0 的超速防护系统 t v m 3 0 0 其基本原则为分级调速，在闭塞分区出口处检查速度，以防护 分区的入口速度作速度监督值，本分区出口速度等于下一分区入口速度，所 以运行中司机按列车上的出口速度显示手动速度，到分区出口前车速必须减 到低于监督速度( 设备有5 k m h 的余量速度) 。如果列车速度超出本分区出 口速度，到下一个分区将超速，列车实施紧急制动，以降至规定速度后方可 进行人工缓解。它是一种人机联控、人控为主的列控方式。其速度监控方式 为滞后阶梯式，要求设置间隔保护分区。 由于t v m 3 0 0 只检查列车离开本分区时的出口速度，当司机疏忽操作在 出口端未能减速到目的速度，列车进入下一个闭塞分区才能检查出超速这 种速度监督方式必须设置一个保护区段才能保证行车安全。 针对这些不足，1 9 9 3 年，t v m 4 3 0 设备在北方高速线投入运用m m ，t v m 4 3 0 与t v m 3 0 0 的主要区别在于：信息传输量增多，速度监控方式为分段曲线式。 我国在上世纪8 0 年代末和本世纪初先后引进了t v m 3 0 0 和t v m 4 3 0 系统。 2 德国l z b 列车控制系统 该系统是两轨道间敷设交叉电缆一，即两条电缆每间隔l o o m 交叉一次， 以此作为传输信道进行地面和车上信息双向交换，列车根据轨间电缆的交叉 点( 地址) 和测速、测距装置确定自己的所在位置，并传送给计算机控制中 心；同时由控制中心送给列车各种运行信息，这样就可以连续确定列车间隔 和容许运行速度。因而被称为移动闭塞方式“， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 9 8 8 年5 月，l z b 系统n u w 取得了突破性的进展，即在此以前所有装备 l z b 设备的线路均保留地面设备，列车运行过程中以地面信号为主，而在 1 9 8 8 年5 月2 9 日在富尔达一维尔菝堡高速新线，首次正式使用l z b 机车信 号为主体信号的行车控制方法，取得了令人满意的效果。德国高速铁路列车 控制系统“”主要技术特点见表i - i 。 3 日本新干线a t c 列车控制系统 日本铁路认为高速行车时，采用常规的以地面信号为主的闭塞制式己不 安全从本世纪5 0 年代后期开始发展电源同步单边带( s s b ) 方式的a t c 系统该系统遵循设备优先的原则，在每个闭塞分区入口处起即以该分区出 口速度作为监督速度值，车内根据与前行车的间隔和线路条件连续显示列车 允许速度，若列车运行速度超过此速度值，a t c 设备即以常用制动自动减速， 低于出口速度后自动缓解，但a t c 不具有加速功能“ a t c 地面和车载设备都采用三重系结构，只要有二套设备完好系统就可 以正常工作，这种冗余方式可靠性高，一般设备故障及维修不影响行车从 1 9 6 4 年东海道新干线 t c 系统开通投入运营4 0 多年来影响行车的故障极 少，代用闭塞几乎没有使用过。 在此基础上，日本又研制了铁路数字a t c 系统2 0 0 2 年1 2 月，数字a t c 在东北新干线盛冈- a 户区段( 9 7 k m ) 投入运用，2 0 0 3 年1 2 月在既有线京 滨东北段开通运用。 数字a t c 的特点“是：采用具有诊断功能的全双重系统，全数字化技术 实现高安全性和高可靠性。采用一次制动、设备优先方式满足高速，高密度 运营需求设备为小型化、一体化设计，提高系统功能。 数字a t c 的基本原理是：轨道电路检查列车占用状态，并与联锁设备配 合，通过轨道电路发送列车定位、目标速度、进路条件和轨道电路状态等报 文信息。车载采用数据库方式存储线路数据，车载控制单元完成数据调用和 一次制动模式生成。设备制动后如果列车速度低于目标速度，则设备自动缓 解。这种控制模式要求动车组制动性能稳定，常用制动能准确地调整制动力 ( 可随时阶段制动，阶段缓解) ，连续多次制动后制动力不会衰竭 在数字a t c 的基础上，又研制了一种新型列车控制系统。其原理及特征 是使前后两列车保持一定的安全距离，确保列车运行安全，有基于计算机和 无线电的列车控制系统( c a r a t ) “”和基于移动通信和计算机的列车控制系 统( a t a c s ) 4 欧洲的e t c s 系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 欧盟( e u ) 及国际铁路联盟( u i c ) 为解决欧洲境内铁路运输的联通联 运问题，花了1 0 年时间研究e t c s 。1 9 9 1 年底，e t c s 技术规范在欧洲以法 律形式强制执行，e t c s 的研究推动了a t p 系统的发展在e t c s 规范中，对 列车控制系统规定了三个发展等级“”。 e t c s i 级：设备保留地面信号，线路两侧增设欧洲标准型应答器，列车 按地面信号显示运行，由超速防护装备监督列车运行速度。 e t c s 2 级：设备取消了地面信号机，但保留检查轨道空闲和占用状态的 设备，列车按无线集中闭塞和机车信号运行。 e t c s 3 级：设备在线路两侧不再设轨道空闲状态检查设备，而设欧洲标 准型应答器和无线集中闭塞，设车载列车完整性检查设备，列车按无线集中 闭塞和机车信号运行 5 美国先进的列车控制系统( a t c s ) 美国先进的列车控制系统“m “，1 ( a t c s ) 开发于2 0 世纪8 0 年代，该系统 不用轨道电路和信号机，采用最新的无线通信技术和电子计算机技术，通过 卫星和雷达控制铁路行车。其基本原理是：由列车本身检测列车的所在位置， 通过无线通信系统把列车位置信息传送到地面，地面根据来自各列车的位置 信息和站内进路状态决定列车可以安全运行的区间和速度，并通过无线通信 系统通知列车，列车再根据来自地面的信息以及线路坡度、列车自身制动能 力等数据计算出可以安全运行的速度。其目的是实现列车高速运行，缩短行 车间隔a t c s 实质是采用先进计算机技术与无线电和数字通信技术的闭环 分散控制系统，其最大特点是根据铁路中各列车的速度、位置信息精确地调 度列车，保障列车安全运行，达到增加列车密度、提高列车速度的目的 为对a t c s 系统列车控制功能的不足进行补充完善，由美国h a r m o n 工业 公司开发了列车增量控制系统( i t c s ) t ，该系统地面与列车问的信息传递 使用9 0 0 m za t c s 链路，开发目的是实现美国a m t r a c k 旅客列车高速化，提 高底特律到芝加哥间的旅客列车速度i t c s 使用a t c s 现有的轨道电路与信 号，通过由路边服务器向车载计算机提供状态信息来增加铁路沿线的“可见 性”由于准确掌握了列车运行前方空闲轨道电路数量，列车可以1 6 0 k m h 的速度运行，而此前的速度最高为1 2 7 k m h 。列车的车载计算机装有轨道信 息预处理系统及列车信息系统。当其收到更新的信息后，计算出列车速度的 调整量，并将其显示给列车司机。若司机未遵照执行，则强制执行。 其后，美国又开发了自动列车控制系统( a a t c ) ，其特点是采用了美国 军用高精度定位系统e p l r s ( 增强型位置定位和报告系统) 实现列车追踪。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 具体办法是通过测量列车头部和尾部的无线电台与沿线设置的地面无线电 台之间的无线电波的传播时间，确定出列车位置，定位精度可达1 8 3 m 。 现在，b n s f & u p 铁路正在进行列车间隔控制系统( p t s ) 的联合开发，最 终将实现精确列车间隔控制( p t c ) 系统 表i - i 、表i - 2 列出了国外有代表性的列车运行控制系统的主要技术特 点，并进行了简要的系统评价表l 所示主要是投入运营多年的系统，表2 所示为近期投入运营或试验中的系统一 表卜l 已运营的国外铁路列车控制系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 闭塞方式 控车方式 固定闭塞 人机联控 设备优先 固定闭塞 人机联控 人控优先 列车定位轨道电路轨道电路 翟主妻整 轨道电路轨道电路 地面信号机 无有 列警轨道电路鬈纛应 采用一地面在既 次制动模有信号系统 式和设备上增加应答 优先的控器或应答器+ 制方式，提环线，车载设 高运输效备符合e t c s 系统特点率标准。通过轨 道电路检查 列车完整性 及列车位置 移动授权通 过点式设备 给出。 固定闭塞 设备实施 自动控制 应答器 轨道电路 无线闭塞中心 无 联锁和无线闭 塞中心 道旁信号设 备较少，车载 设备符合 e t c s 标准。列 车完整性检查 通过地面无线 闭塞中心和轨 道电路完成 列车位置依靠 点式设备确 定，移动授权 由无线闭塞中 心给出。 移动闭塞 设备实施 自动控制 应答器 车载设备 无 联锁和无线 闭塞中心 不设轨道 电路，列车位 置依靠点式 设备确定，列 车完整性检 查由车载设 各本身完成。 车载设备符 合e t c s 标 准，移动授权 通过联锁和 无线闭塞中 心给出 移动闭塞 设备实施 自动控制 g p s 卫星定位 车载设备 无 联锁和无线 闭塞中心 缩小列车 间隔，减小 列车阻塞和 误点 1 1 2 国内列车运行控制系统 我国歹l j 车控制系统的发展有其特殊性，从应用情况来看，仅仅是处于列 车超速防护a t p 的起步阶段。 我国a t p 的发展可分为3 个步骤： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第一步骤：9 0 年代之前，机车信号+ 自动停车，在最高列车速度不大于 1 2 0 k m h 的条件下，安全主要由司机保证，设备具有有限的安全防护功能 第二步骤：9 0 年代至本世纪初，主要是侧重于列车超速防护系统，以 t v m 3 0 0 、l s k 、t v m 4 3 0 超速防护系统为代表虽然投入现场运营，但由于多 方面的原因，未大范围推广。 第三步骤：9 0 年代至今，通用机车信号+ 列车运行监控装置，全国推广 主要应用于最高列车速度不大于1 6 0 k m h 的条件下，安全主要由司机保证， 具有一定的安全防护功能 在我国，车载设备的信息接收和列车运行监控装置是分别设计的，通过 并行方式连接两部分，从整体看，这种模式在系统安全上与国际公认的a t p 系统有较大差距，例如在安全业绩上，在规范和概念上，在系统设计和手段 上等等。 此外，列车控制系统还存在着现有的单信道模拟制式无线通信系统设备 不足以满足技术发展和日益增长的运输需求；落后的自动闭塞制式不能适应 a t p 的技术发展要求；机车信号不能达到主体化程度，提速运行后信号不能 完整接收，限制了速度的提高，制约了a t p 的发展；既有的列车运行控制模 式缺乏系统设计等问题。 为了配合提速以及( 准) 高速客运专线的开行，做到安全与效率的并重， 在一些线路上也采用了较先进的列控方式，如郑武段最早应用的u t 系统， 秦沈客运专线引进的法国c s e e 公司的s e i 列控联锁一体化系统设备，在广 深线上采用了由铁科院主持开发的国家科研攻关项目广深准高速旅客列车 速度分级控制系统。该系统采用“人机共用、人控优先”的控制方式，当司 机错过时机未能按要求减速或停车时，设备报警提醒司机采取响应措施；当 司机失去警惕未采取措施，则自动启动设备实施强迫制动。采用常用制动方 式实现速度分级控制，是集信号、安全技术、自动控制技术、列车制动技术 及微机技术为一身的机电一体化的准高速信号安全防护系统 但在实际应用中，也开始暴露出一些不足。一是在引进国外先进技术时 只重设备单一优势，没有研究系统的协调和应用方式的优化问题；二是随着 我国铁路的不断提速，高速客运专线的不断上马，原有的系统已不能满足新 的要求n “ 为适应我国铁路的跨越式发展，铁道部正在编制中国列车运行控制系统 ( c t c s ) 的技术规范u ”，以全力发展列车控制系统。c t c s 根据功能要求和设备 配置划分应用等级，分为0 - 4 级。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 应用等级0 ：由通用机车信号+ 列车运行监控装置组成，为既有系统 应用等级l ：由主体机车信号+ 安全型运行监控记录装置组成，点式信息 作为连续信息的补充，可实现点连式超速防护功能 应用等级2 ：是基于轨道传输信息并采用车一地一体化系统设计的列车 运行控制系统。可实现行指一联锁一列控一体化、区间一车站一体化、通信 一信号一体化和机电一体化 应用等级3 ：是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用 的列车运行控制系统。点式设备主要传送定位信息 应用等级4 ：是完全基于无线传输信息的列车运行控制系统。地面可取 消轨道电路，由r b c 和车载验证系统共同完成列车定位和完整性检查，实现 虚拟闭塞或移动闭塞。 在2 0 0 0 年底，铁道部己正式确定将g s m r 作为我国铁路综合数字移动通 信系统的技术政策，计划n 2 0 0 8 年建成全路主要干线和重点枢纽地区的g s m r 网络，n 2 0 1 5 年建成覆盖全路的g s m r 网，这将为c t c s 3 、c t c s 4 的发展奠 定良好的基础。 1 1 3 列车控制系统发展趋势 由前面列车控制系统的应用和发展可以看出，其发展趋势主要体现在以 下方面： 1 调度系统、通信系统、信号系统、列车控制系统的一体化，并向铁路 智能运输系统发展。 2 以话音和数据同时传输为特征的列车无线通信将成为主流，并会成为 列车控制系统实现车、地双向安全信息和指令传输的移动通信平台。 3 信号设备将实现微电子化、数字化，以联锁设备为基础的综合调度集 中和列车控制系统将成为铁路信号发展的主流。 4 随着列车提速和密度增大，列车超速防护系统将向列车自动控制系统 发展 5 列车追踪将由固定闭塞向移动闭塞发展，井逐渐采用一次制动模式 6 为减少沿线设备，闭塞、列车控制、通信等功能逐步向车上转移，将 实现以机车信号为主体 7 随着卫星定位技术、电子地图技术的应用，列车的定位、追踪和间隔 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 控制有新的进展。 可以得出，计算机、通信、控制技术已经渗透到列车控制系统中，随着 计算机技术( c o m p u t e r ) 、通信技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和控制技术( c o n t r o i ) 的飞跃发展，必将向传统的以轨道电路作为信息传输媒体的列车运行控制系 统提出新的挑战。综合利用3 c ( c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 ) 技术 代替轨道电路技术，构成新型列车控制系统将成必然 综上所述，列车运行控制系统的发展趋势将是一个基于计算机和通信技 术，以列车控制为中心、一体化的智能系统。 1 2 青藏铁路对列车控制系统提出的新要求 举世瞩目的青藏铁路格拉段于2 0 0 1 年内正式动工修建，这项工程是我 国西部大开发重大工程之一，青藏铁路的修建对弘扬西藏自治区文化、加快 西部经济发展，促进民族团结进步发挥着重要作用。 青藏铁路格拉段起于青海省格尔木市，止于西藏自治区首府拉萨市全 线为单线铁路，长1 1 4 2 公里，其中多年冻土地段约6 0 0 公里，占全长4 8 ， 海拔高于4 0 0 0 米地段有9 6 0 多公里，占全长8 4 “”，见图卜2 图i - 2 青藏铁路线路平纵断面示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 青藏高原的地理、气候、生态环境条件，如空气稀薄、高寒、温差大、 极度干燥、多雷暴、地质条件复杂，对人体和运营设备均有不利影响由于 青藏铁路如此恶劣的生态条件，全线必须最大限度减少人员配备，实现“免 维护、基本无人化管理，全线运行时间最短”的目标即青藏铁路对信息系 统有以下特殊需求：通信信号系统应实现自动控制、远程控制，应具有完善 的、多种运输方式( 有线、无线、卫星) 的、可靠的立体信息传输网络，实 时传输远程动态信息和控制信息，应具有完善的实时信息处理系统要保证 在恶劣自然环境下的行车安全，要最大限度减少沿线作业人员，信息系统本 身在结构设计和设备方面要实现免维护，沿线最大限度减少维护人员，信息 系统所配设备必须适应高寒地区气候环境、能可靠地工作n ” 为把青藏铁路建成世界一流的高原铁路，如何根据其生态条件对信息系 统提出的特殊需求，选择适合的通信信号系统及列车运行控制系统，是采用 基于轨道电路的列控方式，还是采用基于无线通信的列控方式，文献m m 一已 进行了一定的探讨。 青藏铁路最终采用的是美国g e 公司的增强型列车控制系统( i t c s i n c r e m e n t a lt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，它是一种基于无线通信的列车控制 系统( c b t c ) 。 目前国内对于列车控制系统的研究主要集中于高速铁路和城市轨道交 通，关注更多的是欧洲的e t c s 、法国的u t 、德国的l z b 等所采用的新技术， 新应用。而对于美国的列车控制系统研究不多或不深入，而此次青藏铁路采 用的增强型列车控制系统( i t c s ) ，该系统采用了无线通信、g p s 卫星定位、 虚拟闭塞等技术，这些都是列车控制系统的发展趋势和关键技术。 因此，本文拟对青藏铁路增强型列车控制系统( i t c s ) 进行系统的分析、 研究，从其设计思想、设备组成、系统功能、关键技术、工作原理、工作过 程等方面作一探讨 由此论文的研究意义在于： 1 掌握青藏铁路基于无线通信的增强型列车控制系统的相关技术，为运 营、维护提供技术保障。 2 通过引进，消化、吸收，掌握该领域的前沿技术，提高我国的列车控 制系统水平。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 1 3 本文主要结构和研究内容 论文共分6 章。第1 章绪论综述了国内外列车控制系统的应用及发展情 况，然后通过青藏铁路对信息( 列车控制) 系统提出的要求得出论文的研究内 容和研究意义第2 章主要是青藏铁路列车控制系统的选型第3 章在青藏 铁路列车控制系统选型的基础上，从基于无线通信的列车控制系统的基本结 构、工作原理、系统特点、关键技术、与其它系统的关系等方面进行分析， 为后面的研究奠定理论基础。第4 章分析了青藏铁路列车控制系统的基础： 通信系统和信号系统方案，并提出了方案设计中应着重考虑的方面和应采取 的措施第6 章具体分析、研究了基于无线通信的增强型列车控制系统 ( i t c s ) 的设计思想、设备组成、系统功能、关键技术、工作原理、工作过 程，以构建该系统的知识体系。第6 章简要说明了基于无线通信的增强型列 车控制系统( i t c s ) 多媒体演示软件的功能、总体结构及软件开发中存在的 问题等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章青藏铁路列车控制系统选型 本章结合青藏铁路信息系统的特殊要求：“免维护、基本无人化管理， 全线运行时间最短”和青藏铁路近、远期运营情况，对列车控制系统的选型 进行阐述，并对所选列车控制系统从工作原理及系统构成作一简要分析 2 1 青藏铁路运营情况 根据青藏铁路的运用条件和机车车辆总体技术条件( 暂行规定) ，青藏 铁路列车采用内燃牵引方式，机车采用美国g e 公司提供的7 8 台n j 2 交流内 燃机车( 3 机重联) ，以实现客、货运列车牵引旅客列车编组1 5 1 6 辆： 货物列车牵引质量和辆数，近期为2 0 0 0 t 和2 6 辆，远期为3 0 0 0 t 和3 9 辆。 列车在格拉段上运行时的最高运行速度限值如表2 - i 所示。行车间隔暂按 l o m i n 、间隔两个闭塞分区追踪运行” 表2 - i 各车型最高运行速度限制值 2 2 青藏铁路列车控制系统选型 结合青藏铁路的运用环境，对于列车控制系统是采用基于轨道电路的列 控方式，还是采用基于无线通信的列控方式，是事关列车运行安全的大事 鉴于轨道电路在如此恶劣的环境下，存在以下问题： 1 由于钢轨的集肤效应，其传输信息的频率极为有限，致使传输的信息 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 量受限，难以满足列车控制自动化大信息量传输的要求由于青藏铁路的特 殊性，列车控制系统要求传输的信息量较大很显然，轨道电路难以满足这 一要求 2 轨道电路受道碴阻抗、天气变化等因素的影响，参数变化大，容易绘 轨道电路传输信息造成错误。 3 基于轨道电路的自动闭塞系统利用轨道电路难以实现车一地的双向 通信。无法实现a t p 、a t c 等系统保证列车运行安全。 4 滚地雷对轨道电路及信号设备危害极大 5 青藏铁路沿线人口稀少，生活条件恶劣，若用轨道电路则必须要有大 量电务维护工人和技术人员沿线作业，这是极为困难的。 6 轨道电路要使用大量电缆，费用很高，占所有信号部分建设费用的 5 0 6 0 ，若不用轨道电路可节省一次性投资。 7 青藏地区有特大硕鼠，轨道电路铺设的电缆，有被硕鼠咬断而中止作 业的可能。 8 集中式系统的设备在车站继电室内，要求站间距离在电气化区段小于 2 0 k m ，在内燃区段小于3 0 k m ，而青藏铁路的最长区段为5 0 3 k m ，不能满足要 求 考虑上述因素，因此青藏铁路不宣采用现行基于轨道电路的列车运行控 制系统，而应选择先进的基于无线通信的列车运行控制系统。 结合青藏铁路信息化的建设要求，通信、信号、列车控制系统应采用调 度集中、计算机联锁、自动站间闭塞、连续式( 接近连续式) 无线机车信号， 卫星定位等技术，利用通信光缆传输站间信息，利用无线通信传输车地之 间信息。 利用无线通信传输车地之间信息，列车控制系统就应采用基于无线通 信的列车控制系统。虽然2 0 0 0 年底铁道部已正式确定将g s m r 作为中国铁路 未来发展的方向，计划n 2 0 0 8 年建成全路主要干线和重点枢纽地区的g s m _ r 网络，n 2 0 t 5 年建成覆盖全路的g s m r 网。并在胶济线、大秦线进行了试点 工程，但如此大规模的高原g s m r 工程建设和基于无线通信的列车运行控制 系统的应用还属首次。因此必须引进国外已有的、成熟的基于无线通信的列 车控制系统，并应满足现场设备少、维护工作量小的要求 通过比选阿尔斯通公司的青藏铁路a t l a s 4 0 0 方案和通用电器公司的青 藏铁路i t c s 方案，并由于a l s t o m 公司以书面形式拒绝承诺其系统在高海拔地 区使用不成功应承担的相应责任，最终采用了g e 公司的青藏铁路i t c s 方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 该方案特点有：现场设备少、维护工作量小；基于无线的列车控制方案；采 用了虚拟闭塞、g p s 卫星定位等先进技术。 2 3 美国增强型列车控制系统 i t c s 系统。”的开发自1 9 9 4 年开始，结合位于美国密歇根洲东北走廊的 提速改造工程开展设计已安装在a m t r a k 拥有的芝加哥一底特律高速走廊一 个长1 1 2 k m 的试验段上，进行了1 4 5 k m h 的安全验证，并于2 0 0 2 年1 月， 实现了1 4 5 k m h 商业运营 2 3 1 工作原理分析 i t c s 系统是一种基于无线通信的列车控制系统该系统工作原理为： 利用既有a t p 地面信号系统的电子设备监视线路的状态，并通过无线通信将 监视到的状态信息发送给车载计算机。车载计算机对接收到的状态信息与存 储在车载数据库中的数据进行比较，确定并通知司机允许速度以及各种行车 限制。如果列车不按规定要求运行，则车载系统自动使列车停车。列车定位 由g p s 系统实现1 ，图2 - i 为i t c s 的数据流程图 图2 一li t c s 的数据流程图 i t c s 能够替代既有信号系统或者叠加在既有的地面信号设备上向列车 传送行车命令在调度盲区或者新建线路上，i t c s 能够作为独立的行车方 式来控制列车运行，而不需要直接运营控制系统( d t c ) 或者地面信号设备 的支持。i t c s 的这种功能能够提高运行速度、线路能力、行车安全，同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 能够降低生命周期成本 2 3 2 系统构成分析 i t c s 由通信网络、地面系统和车载系统三大部分组成。 1 通信网络 i t c s 的通信网络原则上可采用任何频率的系统或由本地的无线服务商 提供。在密歇根州的试验段上，i t c s 综合采用了由a t c ss p e c 2 0 0 无线系统 和通用扩频无线系统组合而成的网络。i t c s 无线系统承担向列车传送信号 显示和道岔位置信息的功能，扩频无线系统承担采集所有地面设备状态信息 的功能，这样可以有效的节省带宽 2 地面系统 i t c s 的地面系统负责将地面设备( 道岔、信号机、轨道电路) 的状态 传送给列车。i t c s 连续地监视信号，道岔以及道口并向列车提供实时信息， 每6 s 向所有列车发送一次所有的信号机显示、道岔位置以及道口状态。 当i t c s 地面系统叠加在既有信号系统上时，i t c s 可以传送既有信号的 状态信息当i t c s 应用在无地面信号设备的区段时，它必须确定并向列车 传送所有的状态信息，在这种情况下，状态信息的监视和控制是由g e 公司 的v h l c ( v i t a lh a r m o nl o g i cc o n t r o l l e t ) 联锁系统实现的。 3 车载系统 i t c s 车载系统以u l t r a c a b l i 型计算机作为核心平台，由它执行速度控 制、定位以及显示各种限速信息等功能，u l t r a c a bi i 型计算机利用g p s 定 位系统进行列车定位，利用车载数据库“w 来确认沿线的各种相关位置( 如信 号机和道岔等) i t c s 车载系统能够与既有的机车信号设备兼容，因而可以应用在同一 个车载平台，实现在不同线路区段的无缝转接。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 第3 章基于无线通信的列车控制系统 基于通信的列车控制系统( c b t c ) 是采用无线数据通信方式取代轨道电 路传输列车控制信息的先进的列车控制系统在1 9 9 9 年9 月，i e e e 为基于通 信的列车控制系统( c b t c ) 制订了第一份标准一i e e es t d1 4 7 4 卜1 9 9 9 。该 标准将c b t c 描述为：是一个连续的自动控制系统，装载了独立于轨道电路的 高精度的列车定位装置、连续高容量双向车地数字通信系统以及车载与轨旁 处理器m ，。 无线列控系统的研究已有许多年的历史，由前面列车控制系统综述可 知，现已开发或实验的主要有；美国的a t c s 系统、i t c s 系统，a a t c 系统、p t s 系统、p t c 系统；欧洲的e t c s 3 级；德国的f z b ；日本的c a r a t 系统，a t a c s 系 统等 本章下面就从其系统基本结构及工作原理、系统特点、关键技术、与其 它系统的关系等方面进行较系统、全面的分析，为后面的分析、研究奠定理 论基础。 3 1 系统基本结构及工作原理 基于无线通信的列车控制系统最大的特点是引入了无线控车的概念，在 车一地之间利用数字无线通信系统来双向传输有关列车控制的安全信息。基 本结构见图3 - i 。 图3 一i 基于无线通信的列车控制系统基本结构图一一一一一 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 通常c b t c 系统为5 层结构，其中3 层为控制层：调度层、车站层及车载设 备层，另外2 层为通信层：光纤通信层和无线通信层，用于3 个控制层之间的连 接。 车载设备( o b e ) ：a t p - a t c 处理系统含m m l 人机界面，各种i o 接口( 无 线通信接口，d g p s 接口，测速接口，列车完整性检测接口) ，以及测速设备， 查询应答器，全球卫星定位装置，列车完整性检测装置等 移动无线通信网：移动交换中心( m s c ) ，基站控制器( b s c ) ，基站收发器 ( b s ) ，移动台( m s