基于无线通信的列车自动控制系统施工技术研究

栾维磊

【摘 要】论文介绍了基于无线通信的列车自动控制系统的现状与应用前景，并从原理和功能实现、车地通信、后备模式三个核心内容进行研究，强调了系统的研究对现场施工及调试具有的重要意义。

【Abstract】This paper introduces the present situation and application prospect of train automatic control system based on wireless communication， and researches on three core contents： principle and function realization， vehicle-ground communication and backup mode. The importance of systematic research to site construction and commissioning is emphasized.

【關键词】无线通信；列车自动控制；施工及调试

【Keywords】wireless communication； train automatic control； construction and commissioning

【中图分类号】U231+.6 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）04-0148-02

1 引言

随着经济的快速发展，我国进入城市化和机动化的加速发展阶段，高速铁路和城市轨道交通得到空前发展。基于无线通信的列车自动控制系统（CBTC）作为一种先进的列车控制系统，具有速度快、运能大、安全准时等优点，进行CBTC应用技术研究具有必要性[1]。

2 基于无线通信的列车控制系统概述

基于无线通信的列车控制系统（CBTC）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连续自动列车控制系统。CBTC借助先进的列车定位技术、无线通信技术，从根本上将基于轨道电路的单向信息传输，改变为基于无线的双向、连续、大容量信息传输[2]。CBTC系统的运用有着广泛的前景，但是CBTC系统目前核心技术一直被国外公司掌握，我国对CBTC系统的研究起步较晚，2002年开始筹划自主的CBTC关键核心技术研发、工程化开发和示范应用等问题，并于2004年正式启动，目前CBTC的国产化程度不高。

3 基于无线通信的列车控制系统核心内容

3.1 CBTC系统的原理和功能实现

CBTC系统不以闭塞分区作为列车追踪的最小单元，而是采用一种移动闭塞技术。移动闭塞是基于通信技术的列车控制系统，该系统不依靠轨道电路向列控车载设备传递信息，而是利用通信技术实现“车地通信”并实时地传递“列车定位”信息。

CBTC主要通过列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）、列车自动监控（ATS）、联锁（CI）、数据传输（DCS）子系统来实现列车控制功能。

ATP列车自动防护子系统是ATC系统的安全核心，主要负责保证列车的运行安全。

CI子系统联锁设备是保证列车运行安全的设备，实现列车进路上道岔、信号机、轨道区段正确的联锁，因此必须满足故障——安全原则。

ATO是自动控制列车运行的设备。ATO系统是列车运行自动化系统中的高层次环节，对提高运行效率，提高列车运行的准点率和安全性，实现列车经济运行等具有重要作用。

ATS子系统是ATC系统的上层管理部分，负责监督、控制和调整列车间的有效运行，是保证地铁运输效率、提高服务质量的重要设备。

DCS子系统是一个独立于其他应用系统的网络，是完全透明与开放的。DCS子系统的主要作用是在各个信号子系统之间传输列车控制信息、ATS信息和维护信息等。

3.2 车地无线通信

3.2.1 车地无线通信的通信方案

车地通信是CBTC关键技术之一，传输的是涉及行车安全的重要数据信息。基于目前车地通信技术的应用情况，针对CBTC系统的车地通信提出以下两种方案：

方案一：采用WLAN技术的车地通信方案。

基于无线通信技术的移动闭塞 ATC 系统，其车地通信采用无线局域网技术构建，WLAN 技术在开放的 2.4GHZ ISM 公共频段中传输车地双向数据通信信息，其主要优点是成本低、设备小、静止场景数据带宽宽、应用比较成熟，但同时存在安全性差、覆盖难、切换频繁、干扰源多等问题。

方案二：采用TD-LTE技术的车地通信综合业务通信方案。

LTE 是基于 OFDMA（正交频分复用多址接入）技术，由3GPP（第三代合作伙伴计划）组织制定的全球通用标准，具有 100Mbps 的数据下载能力。LTE 采用了OFDM（正交频分复用）、MIMO（多输入多输出）、HARQ（混合反馈重发）等先进技术有效提高数据速率、频谱效率和抗干扰性，提供综合业务承载的优先级调度和高速移动性支持，并通过抗干扰技术和安全机制保证无线数据业务的安全可靠传输。

由此可看出，采用LTE技术作为车地通信方案完全能够满足信号系统车地通信功能及工程实施进度要求，由LTE作为车地无线通信系统承载地铁业务已成为城市地铁建设的趋势。

综上所述，推荐采用基于TD-LTE技术的车地通信综合业务通信方案。

3.2.2 车地无线通信的传输方案

CBTC系统全线可以单独采用天线方式、漏泄同轴电缆方式或者波导管方式进行无线信息传输，也可以采用其中的两种相结合的方式。

方案一：无线电台

天线方式是指通过天线把符合IEEE802.11标准的无线接入点所发出的信号辐射出去，无线信号在空间的传播特性符合自由空间的传播特性。天线方式传输的最大距离约为400米，由于轨道交通线路多穿行于城市区域，其弯道和坡道较多，增加了无线场强覆盖的难度。无线电台的体积较小，安装比较灵活，但是存在干扰问题，需要现场场强测试。

方案二：漏泄同轴电缆

采用漏泄同轴电缆的方式，就是把AP发出的无线信号局限在漏泄同轴电缆内传输。漏泄同轴电缆方式的传输特性和衰减特性较好，传输距离较远，沿线无线场强覆盖均匀，且呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。漏泄同轴电缆的安装要求不是很高，其自身安装调试完成后维护工作量很小。

方案三：波导管

采用波导管的方式，就是把AP发出的无线信号局限在波导管内传输。波导管上有开孔，通过开孔泄露出来的无线信号与车载的无线设备通信。波导管因其波导管物理特性和衰减特性很好，传输距离较远，且沿线无线场强覆盖均匀，呈现良好的方向性分布，抗干扰能力较强。其传输距离要优于漏泄同轴电缆，减少列车在各个AP之间的漫游和切换，提高了无线传输的连续性和可靠性。

由于青岛地铁11号线属于高架线，信号干扰大，站与站距离长，所以正线传输媒介采用波导管。

3.3 CBTC故障情况下的降级运行模式及安全性分析

信号系统降级能力，是信号系统在部分故障状态下实现功能后退的能力，是在自己系统构成基础上的功能降级运用，是提高系统利用率的重要途徑。信号系统的降级运营模式主要有两种：联锁级降级控制方案；点式ATP/ATO降级控制方案。

在联锁级的降级模式下，列车在通过当前开放的信号机后司机无法获取前方信号机的确切位置及显示，也就无法知道具体的移动授权信息（前行列车的位置或运营停车点），列车驾驶完全由司机控制，这就给行车安全埋下了一定隐患。

在点式ATP/ATO降级模式下，列车采用AM或CM模式运行，车载ATP对列车实行全功能监控，车载ATP计算列车运行的速度防护曲线，列车在ATO或司机的控制下按照速度防护曲线运行。相较于联锁级模式，列车运营的安全、效率以及乘客乘坐的舒适度将显著提升。

4 基于无线通信的列车控制系统的研究对施工及调试的意义

研究CBTC系统的原理和实现功能的方法，掌握CBTC关键技术，对CBTC系统的施工和调试有着积极的作用。对CBTC原理性知识的掌握可以加深管理人员对施工和调试的理解，使得设备的安装更合理，设备的调试更有效率。可以使管理人员融会贯通，在原来的基础上更加大胆的创新，从而使工艺更美观。特别是因现场不确定性因素需要调整方案时，管理人员可以从更高的角度考虑问题，从而对问题的处理更加迅速，合理。熟练地掌握CBTC系统的原理性知识和硬件设备对于设备安装和联调联试都很重要，既能节省时间，也能节省财力物力。青岛地铁11号线将基于无线通信的列车自动控制系统与现场安装施工过程相结合，并建立施工工艺工法，达到了满意的效果。

5 结语

基于无线通信的列车控制系统是一套健全、高效的系统，通信和传输采用的方案都是经过仔细筛选的最佳方案。CBTC相比传统的铁路信号系统具有减少电缆敷设及维护，成本低，信息传输流量大、效率高、速度快、兼容性强，提高调度中心工作效率等优点。基于无线通信的列车控制系统的研究也使得施工及调试更准确更高效。

【参考文献】

【1】宗明. 基于无线通信的列车控制系统应用研究[J]. 城市轨道交通研究， 2012， 15（7）：120-122.

【2】周迎，丁烈云，地铁工程建设集成控制系统研究[J]，施工技术，2009（09）：96-98.