基于无线通信的城市轨道信号系统论文

基于无线通信的城市轨道信号系统学 生 姓 名： 学 号： 专 业 班 级： 指 导 教 师： 邢红霞 西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）- I -摘 要对目前城市轨道交通信号系统中，主要采用传统的基于轨道电路的信号系统及无线 CBTC 移动闭塞系统的技术，在行车运行间隔、施工维修、传输方式等方面进行分析比较。提出无线 CBTC 移动闭塞系统代表了城市轨道交通信号系统的发展方向。随着现代铁路发展的需要, 特别是高速铁路和跨国铁路和城市轻轨铁路的发展, 在列车运营效率和运行安全和操作通用性等方面都提出了更高的要求, 基于无线通信的列车控制系统(CBTC)借助于先进的列车定位技术、安全处理器技术和无线通信技术 , 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, 于是越来越受到人们的关注。在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全间隔距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力，以及其自身诸多优势。许多国内城市轨道交通项目都相继采用了移动闭塞系统。列车自动控制系统在现在城市轨道交通系统的信号系统中占有重要的地位。基于通信的移动闭塞技术 ,是列车自动控制系统中最先进的技术 ,它保证了列车的高速、安全运行。用无线局域网方式来实现移动闭塞 ,是一种新兴的先进技术。文中介绍了无线局域网的标准、基本结构、在轨道交通中的应用以及无线局域网方式实现移动闭塞的一些优点。并且研究了目前几种主流无线通信技术 , 对其传输速率、覆盖范围、特点等进行比较 , 简要分析现代城轨交通中无线通信系统的需求，比选出一种适用于车地间无线传输方案 WLAN, 提出 WLAN 在城轨交通系统中应用的可行性，对城市轨道交通通信系统建设具有一定参考价值。关键词：CBTC；WLAN；信号系统；无线通信西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 格 式 规 范- II -目 录摘 要 .I引 言.11 3 种城市轨道交通信号控制系统.31.1 固定闭塞方式的 ATC 系统.31.2 准移动闭塞方式的 ATC 系统.31.3 基于移动闭塞方式的 ATC 系统.41.4 准移动闭塞和移动闭塞系统方式的特点.41.4.1 准移动闭塞的 ATC 系统的特点.41.4.2 移动闭塞式的 ATC 系统.62 无线 CBTC 移动闭塞系统在城市轨道交通信号系统中的优势 .82.1 传统信号系统.82.2 无线 CBTC 移动闭塞系统 .92.3 无线 CBTC 移动闭塞系统对于传统信号的优势 .102.3.1 运行间隔缩短.102.3.2 硬件数量相对减少，施工维修也更为简单.102.3.3 传输方式更为优越.102.3.4 系统的灵活性和安全性.113 WLAN 及其在城轨交通中的应用 .123.1 无线局域网（WLAN）概述 .123.2 WLAN 标准 .133.3 WLAN 基本结构 .143.4 WLAN 方式实现车地双向通信 .153.5 WLAN 方式的优点 .163.6 WLAN 在城轨交通中的应用分析 .17结 论.18致 谢.19参 考 文 献.20西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）引 言城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全 ,实现行车指挥和列车运行现代化 ,提高运输率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道交通自动化系统中的关键部分 ,是保证列车和乘客安全 ,实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统(ATC 系统) ,它由列车自动监控子系统(ATS) 、列车自动防护子系统(ATP) 、计算机联锁子系统(CI)和列车自动驾驶子系统(ATO)组成。其中列车自动防护子系统 ATP 除包括地面和车载设备外还包括车站正线联锁设备。3 个子系统通过信息交换网络构成闭环系统,实现地面控制与车上控制结合、现地控制与中央控制结合,构成一个以安全设备为基础,集行车指挥、运行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。ATC 系统自上世纪 70 年代投入运用至今 ,经历了三十年的发展,技术日趋成熟 ,为使列车控制技术经济指标更加合理 ,世界各国纷纷开发了先进的 ATC 系统 ,ATC 系统按闭塞方式分类有三种类型:固定闭塞方式的 ATC 系统、准移动闭塞式的 ATC 系统、移动闭塞式的 ATC 系统。在城市轨道交通系统中，信号控制系统可分为固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞几种模式。其中移动闭塞模式代表了信号控制系统的发展方向，其追踪列车间的安全间隔距离相比之下最小，能最大限度地提高线路运输能力，以及其自身诸多优势。许多国内城市轨道交通项目都相继采用了移动闭塞系统。城轨通信系统为城轨交通的正常运行起着至关重要的作用。它由传输系统、无线通信系统、调度及专用通信系统、闭路电视监控系统、乘客信息服务系统 (PIDS) 等子系统组成。其中 PIDS 是一个多媒体资讯发布、播控与管理的平台 , 能为乘客提供全方位的导乘和其他资讯服务 , 需要随时与控制中心进行大量的信息交换 , 要求全数字传输、高速率、安全保密性好及抗干扰能力强等 , 因此 PIDS 无线传输技术的选择成为关键点。城市轨道交通无线通信业务一般将其分为专网无线、公网无线（或民用无线）以及公安通信，随着无线通信技术的日益发展，传输带宽不断提高，通信终端的实时信息处理能力飞速增强，城市轨道交通的无线通信技术得到了更为广泛的应用。目前国内城市轨道交通无线通信技术系统主要包括信号系统 CBTC（基于无线通信的列车控制技术）、通信 PIDS（乘客信息）系统、车载 CCTV（闭路电视监控）、移动电视等。目前，国内城市轨道交通行业存在的信号和通信系统都是相对独立的，随后产生的新兴无线通信的应用都各自成系统、相对独立，基本都使用各自不同的无线通信网西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 格 式 规 范- 2 -络。而无线通信技术主要有：TETRA（数字集群）、GSM、CDMA、3G、WLAN、Wi-Fi、WiMAX、DVB-T 等。前 3 种制式均是使用广泛且十分成熟的无线技术，但均存在传输速率低、且接入公网存在安全、干扰等问题，不能满足城市轨道交通的使用需要。DVB-T 数字视频广播是为了数字电视信号在地面传播而开发的，具有容量大、接入方便等特点，其技术使用于下行高速数据的传输，可以工作在多个频点，减少无线频段干扰。场强覆盖可以采用小功率、大密度的方式，因此符合轨道交通的无线通信需求，但由于其上行速率较低，对车载 CCTV 不适用。在轨道交通中,为保证列车运行安全 ,必须在空间上保证列车之间以一定的安全间隔运行。ATP(列车自动防护)系统是列车自动控制系统的重要组成部分是保证城市轨道交通行车安全、缩短列车安全运行间隔的重要安全系统。目前用于城市轨道交通 ATP 系统的闭塞方式有固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞种。基于通信的移动闭塞技术是全球轨道交通信号界公认的最先进的信号技术。近年来国内新建的移动闭塞项目(例如上海地铁 8 号线、北京地铁 10 号线)及旧系统改造项目(例如北京地铁 2 号线) 绝大多数采用基于无线的通信方式。目前 ,已成功应用于城市轨道交通列车自动控制系统的车地双向通信的方式有感应电缆环方式、漏缆方式、波导方式、无线电台扩频方式等 ,而基于 IEE802.11 WLAN(无线局域网)通信的无线电台方式是最流行的一种方式。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）1 3 种城市轨道交通信号控制系统城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全 ,实现行车指挥和列车运行现代化 ,提高运输效率的关键系统设备。城市轨道交通信号系统是城市轨道交通自动化系统中的关键部分 ,是保证列车和乘客安全 ,实现列车运行高效、指挥管理有序的自动控制系统。其核心是列车自动控制系统(ATC 系统) ,它由列车自动监控子系统(ATS) 、列车自动防护子系统(ATP) 、计算机联锁子系统(CI) 和列车自动驾驶子系统(ATO)组成。ATC 系统自上世纪 70 年代投入运用至今 ,经历了三十年的发展,技术日趋成熟 ,为使列车控制技术经济指标更加合理 ,世界各国纷纷开发了先进的ATC 系统 ,ATC 系统按闭塞方式分类有三种类型:固定闭塞方式的 ATC 系统、准移动闭塞式的 ATC 系统、移动闭塞式的 ATC 系统。1.1 固定闭塞方式的 ATC 系统(固定闭塞式的 ATC 系统 ,采用传统的多信息音频轨道电路 ,按固定方式 ,根据线路情况、列车特性和固定的速度等级确定闭塞分区长度 ,列车以闭塞分区为最小行车间隔 ,且需设防护区段。其传输的信息量少 ,对应每个闭塞分区只能传送一个信息代码 ,即该区段所规定的最大速度码或入口/出口速度码。列车速度监控一般采用的是闭塞分区出口检查方式 ,当列车的出口速度大于本区段出口速度时 ,车载设备便对列车实施惩罚性制动 ,为保证列车运行的安全,这种滞后的速度检查方式必须要有一个完整的闭塞分区作为列车的安全保护距离 ,对于地铁的折返轨道来说 ,需要有较长的尾轨才能保证折返的能力和列车运行安全。系统的 ATP 采用阶梯式控制方式 ,对列车运行控制精度不高 ,降低列车运行舒适度、增加司机的劳动强度。限制了通过能力的进一步提高。固定闭塞分区的划分依赖于指定列车的性能 ,对线路上有不同性能的列车时 ,为保证安全,需按最严格条件设计 ,既影响运行效率也不适应今后列车类型变更。属二十世纪八十年代技术水平,西屋公司、GRS 公司分别用于北京地铁、上海地铁一号线的 ATC 系统均属此种类型。1.2 准移动闭塞方式的 ATC 系统准移动闭塞式的 ATC 系统一般采用数字式音频无绝缘轨道电路(也有采用音频无绝缘轨道电路 +感应电缆环线或计轴 +感应电缆环线方式) 作为列车占用检测和 ATP信息传输媒介,具有较大的信息传输量和较强的抗干扰能力。通过音频轨道电路的发送设备向车载设备提供目标速度、目标距离、线路状态(曲线半径、坡道等数据) 等信息 ,ATP 车载设备结合固定的车辆性能数据计算出适合本列车运行的速度/距离曲线, 保证西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 格 式 规 范- 4 -列车在速度/距离曲线下有序运行 ,提高了线路的利用率。系统的 ATP 采用速度/ 距离曲线的控制方式 ,提高了列车运行的平稳性,列车追踪运行最小安全间隔较固定闭塞短 ,对提高区间通过能力有利。这种 ATC 系统 ,列车仍以闭塞分区为最小行车安全间隔 ,但根据目标速度和目标距离随时调整列车的可行车距离 ,该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离 ,不是距前车的实际距离 ,因此,该种 ATC 系统相对于移动闭塞系统而言也称为准移动闭塞式的 ATC 系统。1.3 基于移动闭塞方式的 ATC 系统移动闭塞式的 ATC 系统不依靠轨道电路 ,而是采用交叉感应电缆、漏缆、裂缝波导管或扩频电台等通信方式实现车地、地车间双向实时的数据传输来检测列车位置 ,使地面信号设备可以得到每一列车连续的位置信息和列车运行其它信息 ,并据此计算出每一列车的运行限制速度 ,并动态更新 ,发送给列车 ,列车根据接收到的运行限制速度和自身的运行状态计算出列车运行的速度/距离曲线 ,车载设备保证列车在该曲线下运行。因此 ,在保证安全的前提下 ,能最大程度的提高通过能力。采用通信技术的移动闭塞系统已处于实用阶段 ,其中利用交叉感应电缆方式的移动闭塞系统已有较成熟的使用经验采用无线扩频电台、裂缝波导管等方式的移动闭塞也有工程实例。1.4 准移动闭塞和移动闭塞系统方式的特点1.4.1 准移动闭塞的 ATC 系统的特点基于准移动闭塞的 ATC 系统是随着计算机技术尤其是单片机技术和数字信号处理技术的快速发展而发展起来的 ,是目前广泛应用、成熟且先进的 ATC 系统。目前广州地铁一号线和二号线、上海地铁二号线均采用该种系统 ,南京地铁一号线、深圳地铁也已确定采用该种系统。该系统是以数字信号技术为基础 ,仍利用钢轨为车地信息的传送载体。在信号传输、信号处理过程中实现数字化 ,不但信息量大 ,而且抗干扰能力强 ,车载设备还可以实现列车的连续曲线速度控制。采用这种方式构成的 ATC 系统 ,地面轨道电路可以向列车传递足够用于列车连续曲线速度控制的信息(包括目标速度、目标距离、线路状态、线路允许速度、轨道电路标号及长度等) 。这种方式可以减少阶梯式控制的安全保护距离对列车运行间隔时间的影响 ,提高了列车控制的精度 ,并提高了行车效率。连续曲线速度控制的运用使得司机在驾驶中也比较轻松 ,不需要进行频繁的制动、牵引 ,可以达到较好的节能效果 ,乘客的乘坐舒适度也可得到相应提高。西 安 铁 路 职 业 技 术 学 院 毕 业 设 计 （ 论 文 ）这种 ATC 系统 ,列车追踪运行的最小安全间隔的最大值为安全保护距离加一个闭塞分区长度;列车的最小正常追踪运行间隔为安全保护距离加一个闭塞分区长度再加最高允许速度下使用常用制动直至停车的制动距离。该种方式后续列车所知道的目标距离是距前车或目标地点所处轨道电路区段边界的距离 ,不是距前车尾部的实际距离 ,因此,根据目标速度和目标距离随时调整的列车可行车距离是“跳跃式”的 ,即在列车尾部依次出清各电气绝缘节时“跳跃式”跟随。因此 ,列车的追踪间隔和列车控制精度除取决于线路特性、停站时分、车辆参数外还与 ATP/ ATO 系统及轨道电路的特性密切相关 ,如轨道电路的最大和最小长度、传输信息量的内容及大小、轨道电路分界点的位置等。由于上述原因 ,该种方式的 ATC 系统相对于移动闭塞系统而言主要存在以下缺陷:列车的基本定位精度由轨道区段的长度决定 ,列车只占用部分轨道电路就认为全部占用,导致列车追踪间隔相对较大;由轨道电路向列车传输信息 ,传输的信息量受钢轨传输介质频带限制及电化牵引回流的干扰 ,难以实现大信息量的实时数据传输 ;不易实现实时车地双向信息传输。根据移动闭塞及准移动闭塞的 ATC 系统构成 ,准移动闭塞方式地面硬件设备较多、软件较简单;基于准移动闭塞方式的 ATC 系统 ,在国内已有多个城市的地铁公司采用或已经选用 ,取得了较为丰富的运用和运营经验 ,为国内推广应用准移动闭塞系统创造了良好条件 ,国内工程技术人员和运营人员对其有了较为深刻的认知。由于准移动闭塞方式 ,全线设置轨道电路等地面设备 ,其系统故障转向备用模式或系统复原处理较为容易 ,但其通过能力略低于移动闭塞系统 ,系统设备繁多 ,其可靠性、可用性应低于移动闭塞系统。基于准移动闭塞式的 ATC 系统在国际上也已经发展得比较成熟 ,目前具代表性的有:美国 USSI 公司的 ATC 系统、德国 SIEMENS 公司的 ATC 系统、法国 ALSTOM 公司的 ATC 系统、英国 WEST2INGHOUSE 公司的 ATC 系统以及日本 HITACHI 公司的 ATC 系统。西 安 铁 路 职 业 技