基于无线通信的列车控制系统的应用研究

郭亚娟

（南昌轨道交通集团有限公司运营分公司）

摘 要： 基于无线通信的列车运行控制系统是利用连续、大容量的车、地间双向数据通信实现的一种新型的连续自动列车运行控制系统。随着铁路运输向高速化、信息化和网络化发展，CBTC成为列控系统发展的方向。

关键词： CBTC；无线通信；列车控制系统；综述

1.序言

自铁路信号出现后，很长时间以来人们一直用轨道电路来传输列车信息。我国现有的列车控制系统主要是基于轨道电路的列控系统。轨道电路有它不可忽视的优点，如它能比较完善地检查列车的完整性，从而为有效的保障行车安全，提高行车效率发挥巨大作用。然而，随着铁路运输向高速化、信息化、网络化的发展，TBTC越来越不能满足现代轨道交通发展的需要。

TBTC利用轨道电路传输地面至车上的信息、检测固定闭塞分区的占用情况，存在如下的问题：

（1）为保证有效传输距离，只能以较低的频率发送信息，同时满足信息传递实时性的要求，轨道电路传输信息量较小。

（2）轨道电路工作稳定性易受环境影响，如道渣阻抗变化、天气变化、牵引回流干扰。

（3）轨道电路构成自动闭塞系统时，无法判断列车在闭塞分区内的具体位置，导致列车定位精度差。在闭塞分区中主控中心也无法知道列车的运行状态。

（4）轨道电路需要铺设大量电缆，轨旁设备较多，同时维护费用也很大。

（5）利用轨道电路难以实现车上至地面信息的传输，无法实现真正意义上的列车闭环控制。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等。

实现快速、安全的列车运行控制，成为研究的热点，目前被普遍认同的是基于无线通信的列控系统CBTC。CBTC有很多优点，如可利用无线信道进行车-地数据的双向传输，列车可将其位置和速度等信息传输给车站，同时车站可不间断的跟踪、监控列车运行，实现对列车的闭环控制，提高系统的安全性；实行移动自动闭塞，提高运输效率，节省维修费用等。

总之，从基于轨道交通电路的列控系统到基于通信的列控系统的转变是列控技术发展过程中的一次飞跃，而采用无线传输列控数据更是现代轨道交通发展的方向。

2.无线CBTC系统的工作原理

目前，国内投入运营的CBTC系统基本上都可在CBTC模式和后备模式下运行。

在CBTC模式下，轨旁接入点上电启动后，首先与无线接入控制器交换一些初始化信息，这些信息包括正常工作所需要的认证信息，注册信息等，对于非法接入的AP，AC将拒绝提供服务，正常工作时，AP会周期性地通过无线向外发送广播信息，当一个车载移动终端接收到该AP的广播信息且该信号的场强值大雨MR的接入值时，MR将发送与AP的关联信息，AP与MR也将发送安全认证信息，拒绝非法MR的接入，在经过一系列的接入关联，认证和初始化工作以后，MR与AP才建立通信。

车载控制单元通过检测轨旁应答器及检索车载数据库中的数据来判定和校准列车的位置，并且利用速度传感器的测距功能计算列车检测到应答器后列车的走行距离。车载数据库信息包括应答器位置、车站停车位置、坡度、土建限速、道岔位置和信号机位置等。轨旁区域控制器接收来自ATS的进路请求，然后沿着ATS请求的进路，根据当前列车报告的位置起始为其后续追踪列车计算移动授权命令，当ZC确认受控列车的移动授权能够通过前方的信号机时，ZC给轨旁联锁系统发布命令，将其所辖的该信号机开放为允许信号。ZC知道其控制范围内所有列车的位置信息，并通过系统确定何时可以安全地延伸列车的移动授权。

在后备模式下，ZC不工作，ATS发送进路请求给联锁系统，联锁系统基于固定闭塞的原则建立进路及开放信号，司机根据信号机开放状态和后备模式下的运营规则控制列车运行。

3.CBTC中相关技术和规范

CBTC中相关技术和规范包括列车位置和速度检测、双向数据传输、列车完整性检测、断轨检测等。

随着CBTC系统的优越性被各方认可，世界一些发达国家普遍重视CBTC系统的研制和开发。除了基于通信的思想是一致的外，这些系统的性能，结构及所采用的测速定位、无线通信方式都各有所异，为了规范发展，自1999年以来，IEEE为CBTC制定了一些相关标准，主要有：

IEEE Std 1473-1999车载单元（车辆内、车辆间）间通信协议标准；

IEEE Std 1474.1-1999 CBTC性能及功能需求标准；

IEEE Std 1475-1999 车载控制功能及与动力系统、制动系统的接口标准；

IEEE Std 1482.1-1999 车载事件记录仪标准；

IEEE Std 1483-2000 铁路運输控制处理器系统安全功能验证标准。

4.无线CBTC系统的优势

随着移动无线技术的发展，在轨道交通自动控制领域中，采用基于无线的通信方式进行车-地的数据传输正日益成为一种趋势，大的数据传输量为提高信号系统的性能和效率提供了空间。同时，无线技术更有利于车载设备的监控和系统性能的监督，还可用于乘客信息传输和语音、图像的传输、无线CBTC系统的车-地通信是基于开放的IEEE 802.11无线通信技术，其轨旁的数据传输采用802.3IP以太网通信技术，经过多年国内工程项目的测试和验证，在系统应用的安全性、兼容性、节约运营维护成本、灵活性等方面均表现出明显的优势。

4.1 安全性

无线CBTC系统秉承了传统信号系统设计故障导向安全、可靠的基本原则。通过在所有网络人口设置安全网关实现整个网络的安全防护，以认证的方式防止假冒，来确保安全性，以动态加密的方式保护密钥，从而实现保密性。

采用802.11 WEP加密技术和非标准的跳频序列进行无线网络的保护，调频技术的应用为无线CBTC系统的数据传输安全性提供了保障。FHSS使车场或其它有线路交叉的地方多个频率共存，同时大大减少了频率间干扰的风险。经过大量实验室和现场测试，IEEE.802.11无线数据通信控制系统能抵抗蓝牙或WIFI等设备可能产生的干扰。

4.2 兼容性

在轨道交通信号领域，应用开放式的标准即可以节约成本，也能够实现兼容性，这已成为该领域技术发展的主要驱动力。IEEE标准是世界网络技术领域中使用最广泛的，ISM组织发放了3个自由使用的频段，分别为900M、2.4G和5.8G。IEEE 802.11描述了2.4G共用频段的使用。该标准也支持在连续传输中数据包的无缝拆分和组合。IEEE 802.11开放标准与广泛使用的IEEE 802..3以太网标准完全兼容。

4.3 灵活性

移动闭塞的列车定位不依赖于轨道电路或计轴区段，极大地改善了列车的运行间隔，减少了设备数量，且列车定位精度更高，支持不同运行模式的列车混合运行，受控列车基于移动闭塞方式运行，非受控列车基于固定闭塞间隔方式运行。

无线设备的部署和安装简单清晰，每辆车都安装了移动无线设备MR，轨旁无线设备AP以合理的间隔沿线路布置，为车-地通信提供无线链路，除了部分商用定制设备外，其它所有无线DCS系统的设备都是可以在市场上购买到的标准商用设备，无线DCS系统的容量大，不但能够满足当前列车控制系统的数据传输需求，今后也可为其他媒体或企业IP通信提供额外容量。

轨旁AP提供小区的冗余覆盖，如果一个AP出现故障，车-地间的无线通信将通过邻近覆盖的小区来进行，保证了列车控制和通信不受影响。同时，如果故障发生，网络后台管理系统会很快识别出故障点的ID地址，对于任何一个AP的替换都非常的便捷和简单。

5.结语

本文对CBTC的研究进行了较为系统的综述。在具体的应用中，CBTC系统利用无线通信传递双向大容量车-地信息。因此，无线通信是CBTC的关键环节。如何提高数据传输的可靠性、减少误码率、提高抗干扰性等是必须解决的关键问题。

参考文献

[1]基于无线通信的机车信号系统的研究 俞亚芳 北京交通大学 2004.

[2]基于通信的列车控制系统工程设计中需注意的几个问题 刘会明 城市轨道交通研究 2006.