（交通信息工程及控制专业论文）基于GSMR的机车信号车载设备研究.pdf

中文摘要 摘要：列车运行控制系统是铁路运输最重要的环节。随着对铁路运输要求的提高， 如何改进列车控制系统，实现列车安全、快速、高效的运行是目前的主要问题。 计算机技术、通信技术、微电子技术和控制结束的飞速发展使得无线通信传递车 地大容量信息成为可能，基于通信的列车控制系统( c b t c ) j e 在迅速的发展。对基 于无线通信的机车信号系统( 即无线机车信号) 的研究与试验，必将推动c b t c 在中 国的发展和应用。 论文叙述了国内外c b t c 的发展现状，分析了无线机车信号的结构和原理， 以及无线机车信号在青藏铁路的应用，提出了本文对车载设备和g s m r 系统研究 的意义。论文的主要工作如下： 本论文设计了新型无线机车信号车载设备的基本结构，重点分析与设计了主 机与外围设备的通信接口和通信协议。完成了采用p c i 0 4 为内核的车载显示终端设 计，实现了机车信号和站场信息的显示和语音提示。 本论文研究了基于数传电台的无线传输系统，设计了广播和自律轮询相结合 的信息传输方式。在使用无线电台作为无线信道基础上，采用g s m - r 方式实现无 线机车信号车地双向信息传输。研究了端对端和中心对端两种基本结构，设计了 g s m r 方式车地问通信协议。 本论文通过试验平台，验证了车载设备的功能，对系统的可靠性进行了分析。 最后对所做工作进行了总结，指出了进一步的研究方向。 关键词：机车信号；g s m r ；车载设备；列车控制 分类号：u 2 8 4 9 1 a bs t r a c t 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 sb e e nac r i t i c a lf a c t o ri nr a i l w a yt r a n s p o r t s y s t e m w h i l et h ed e m a n do nr a i l w a yb e c o m e si n c r e a s i n g l yh i g h e r , a ni m p o r t a n t p r o b l e mi s t oi m p r o v et r a i nc o n t r o ls y s t e ma n dt oa p p l i c a t i o no fas a f e ，r a p i da n d e f f i c i e n t o p e r a t i o n o ft r a i n t h ef a s t d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g ym a k e s i tp o s s i b l et ot r a n s m i tb i d i r e c t i o n a la n dh i g hc a p a o t yi n f o r m a t i o nb e t w e e nt r a i n sa n d s t a t i o n st h o u g hr a d i o 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 o ls y s t e m ( c b t c ) h a sb e e n r a p i d l yd e v e l o p e d t h er e s e a r c ha n de x p e r i m e n to nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb a s e d c a bs i g n a ls y s t e m ( r b c s ) w i l ld e f i n i t e l yd r i v et h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o ns t a t u s o fc b t ci nc h i n a t h ep a p e ro u t l i n e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fc b t c ，b o t hi nc h i n aa n di no t h e r c o u n t r i e s i ta n a l y z e dt h ec o n s t r u c t i o na n dp r i n c i p l e so fr b c sa n di t sa p p l i c a t i o no n t i b e tl i n e t h em e a n i n go ft h i sp a p e rr e s e a r c h i n go no n b o a r de q u i p m e n ta n dg s m ri s a d v a n c e d t h em a i nw o r ki ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： t h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h en e wr b c si sd e s i g n e di n t h i sp a p e r t h i sp a p e r e m p h a s i z e d o na n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n dp r o t o c o l b e t w e e nt h eh o s tc o m p u t e ra n dt h ee x t e r n a le q u i p m e n t s t h ee m b e d d e dm o d u l ep c10 4 h a sb e e na p p l i e dw h e nt h ed i s p l a yt e r m i n a li sd e s i g n e d t h ed i s p l a yt e r m i n a lc a n d i s p l a yt h ec a bs i g n a la n dt h ei n f o r m a t i o no f s t a t i o na n dr e m i n dt h ed r i v e rb yv o i c e t h es y s t e mo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb a s e do nr a d i oi ss t u d i e di nt h ep a p e r i d e s i g n e dan e wt y p eo ft r a n s m i s s i o nc o m b i n i n gb r o a d c a s t i n ga n da u t o n o m o u sp o l l i n g t h eg s m ri su s e dt ot r a n s m i ti n f o r m a t i o nb e t w e e nt r a i n sa n ds t a t i o no nb a s eo fr a d i o f o rw i r e l e s sc h a n n e l t w ob a s es t r u c t u r e si n c l u d ep o i n t - t o - p o i n ta n dc e n t e r - t o 。p o i n ti s s t u d i e d ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt r a i n sa n ds t m i o ni sd e s i g n e di nt h i s p a p e l t h ef u n c t i o no fs y s t e mi sv a l i d a t e do nb a s eo ft h ee x p e r i m e n t s ，a n dt h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e mi sa n a l y z e di nt h i sp a p e r i ts u m m a r i z e st h ew o r k so ft h i sp a p e r , a n dp o i n t s o u tt h ed i r e c t i o no fm o r es t u d i e sf i n a l l y k e y w o r d s ：c a bs i g n a l ；g s m - r ；o n b o a r de q u i p m e n t ；t r a i nc o n t r o l c l a s s n o ：u 2 8 4 9 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲酬牟 签字日期：7 夕刃年6 月卜f t 导师签名： 月哆日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：越1 牟 签字日期：矽砖年6 月i o 1 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师王化深副教授的悉心指导下完成的，王化深副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两 年来王化深老师对我的关心和指导。 王化深副教授和王俊峰副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向王化深老师和王俊峰老师表 示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，于涛、刘实秋、谭耿、张辉等同学对我论文 中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1c b t c 简介 1 1 1c b t c 的发展 在公共运输中，铁路系统在运送旅客和货物方面占有重要地位，而列车运行 控制系统是铁路运输系统中最重要的环节，因为如何控制列车的安全快速运行始 终是铁路系统最重要的问题。 从宏观上讲，列车运行控制系统包含以下几部分【1 】： 1 车站的列车运行控制系统。在车站内，将道岔、信号机和进路三大部分按 一定的联锁关系构成系统，进行接发车进路和调车进路，保证行车安全和效率。 2 区间的列车运行控制系统。指的是列车在车站与车站之间的区间运行的控 制系统，保证安全和效率，并向列车传输信息。 3 驼峰编组站列车运行控制系统。指列车在驼峰编组站进行解编过程，保证 安全和效率，并将同一方向的货车车辆编在一个列车里。 在1 9 世纪7 0 年代使用钢轨形成电路，把信号传送给运行的列车，即出现了“基 于轨道电路的列车控制系统( t r a c kc i r c u i tb a s ht r a i nc o n t r o l ，简称t b t c ) 。轨 道电路在铁路上的应用是列车控制系统的一次飞跃。 列车运行在轨道上，轨道电路就能自动地检测到列车的位置区间，进而给出 行车信号用以保证行车安全，同时也提高了行车效率。在轨道电路产生后的一百 多年里，人们对轨道电路在理论和技术上作了深入研究，在具体应用上也有了很 大进展。现在我国绝大部分铁路应用的微机联锁，车站控制系统和自动闭塞系统 都是基于轨道电路技术。 随着科技的发展和各种新型技术的出现，以及对铁路系统更加高速、效率、安 全可靠的要求，轨道电路逐渐表现出了在铁路信号系统中的局限性。比如轨道电 路传输信息频率有限、难以实现列车对地面的信息传输以及轨旁设备维护量大等 问题，t b t c 存在的问题使其难以满足现代铁路不断发展的要求，因此人们在改造、 完善现有t b t 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。 2 0 世纪6 0 年代初，国内著名的铁路信号专家汪希时教授提出“无线自动闭塞 系统”，后更名为“移动自动闭塞系统 ，创建性的指出利用无线传输车地间双 向、大容量信息的可能。进入8 0 年代，随着通信技术、计算机技术、控制技术、 可靠性理论、微电子技术的发展及信号工程技术人员对信息技术的认可，一种包 含先进技术的新型系统基于通信的列车运行控制系统( c o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i n c o n t r o ls y s t e m ，简称c b t c ) ，这种技术在提出以后得到了系统的研究和试验性测 试。在对c b t c 的普遍认同后，世界上一些发达国家纷纷加入了对c b t c 的研究行 列，自8 0 年代初以来有很多类似的系统问世并进行试验，目前较为成熟的有美国 先进列车控制系统a t c s ，日本的计算机和无线通信列车控制系统c a r a t ，欧洲 的欧洲列车运行控制系统e t c s 。 1 1 2c b t c 的基本原理 19 9 9 年9 月，i e e e 将c b t c 定义【2 】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，从定义中可知c b t c 具有的明显特征是： ( 1 ) 不依赖于轨道电路实现高精度的列车定位； ( 2 ) 通过连续覆盖的车一地双向数据通信网络，实现容量显著的控制、状态信 息的传递； ( 3 ) 通过道旁、车载安全处理器处理列车状态和控制数据。 c b t c 的典型结构是三层控制结构：调度层( 调度控制中心) ，车站层( 车站控 制中心) ，车载层( 车载设备) 。调度控制中心和车站控制中心通过光纤网连接，车 站控制中心和车载设备通过无线通信连接。 列车在运行过程中，车载设备通过定位技术和测速装置连续检测列车的位置 和速度，通过无线传输送给地面的车站控制中心。车站控制中心接收管辖内各个 列车的位置和速度信息，将前行列车的目标位置、速度和线路参数信息发送给后 续列车。后续列车收到信息后，车载设备根据前车运行状态、线路参数和本车运 行状态，计算列车追踪间隔并确定合理的列车运行方案，实现列车安全和高速的 运行。 1 2 国内外c b t c 的研究现状 1 2 1 国外c b t c 的研究现状 1 美国先进列车控制系统【3 1 1 9 8 2 年由美国铁道协会( 从r ) 和加拿大铁道铁道协会( r a c ) 共同提出了“先 进列车控制系统”a t c s ( a d v a n c e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，a t c s 的主要思想是在 2 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， 实现列车的高速运行，缩短行车间隔，对列车的闭环控制。 a t c s 由5 个子系统组成，分别是车载系统、道旁设备、线路维护人员移动终 端、数据通信网络和中央调度系统。a t c s 是最早提出的基于无线通信的列车控制 系统，它的系统结构的设计，功能模块的划分，为以后c b t c 的发展奠定了基础， 其功能的某些部分正在北美铁路上大量应用。美国h a r m o n i 业公司开发i t c s 列车 增量控制系统，使用a t c s 现有的轨道电路与信号，通过路边服务器向车载计算机 提供状态信息准确掌握列车运行前方空闲轨道电路数量；旧金山b a r t 和休斯顿公 司共同开发的a a t c 自动列车控制系统，利用美国军用高精度定位系统实现列车追 踪，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，精确确定列车位置；由b n s f & u p 铁路联合开发的p t s 列车间隔 控制系统，主要用与消除撞车事故，其功能是用计算机连续检测每列列车的位置， 只有在两列车之间有一定间隔才允许列车行驶。 2 日本的计算机和无线通信列车控制系统c a r a t 4 1 日本铁道技术研究所于1 9 8 7 年开始了对c a r a t ( c o m p u t e ra n dr a d i oa i d e d c o n t r o ls y s t e m ) 方案进行研究。c a r a t 包括地面系统和车载系统两部分： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。在c a r a t 中列车在线路上运行时连续测定自身位置信息，通过无线信道发送给地面系统。 地面系统接收列车位置信息，跟踪列车，监视车站咽喉区道岔位置和沿线平交道 口的信息。根据各类列车的位置和列车前方道岔和道口的状态，系统能判断允许 列车进入的区段并将允许区段末端的位置信息通过无线信道发送给相应列车。 列车收到信息后，依据线路参数和列车制动性能，计算出最大允许速度，并监测 自身速度。若速度高于最大允许速度则实施减速，从而确保列车不会越过允许区 段的末端。 3 欧洲列车控制系统( e t c s ) 【5 j e t c s 系统分为3 个主要模块：e u r o c a b ( e t c s q b 的车载设备) 、e t c s 地面设备 ( 含e u r o l o o p ，查询应答器或环线装置) 和欧洲无线通信系统e u r o r a d i o ( 与g s m r 相关的设备) 。g s m r 是基于成熟的公共无线通信网络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。e r t m s 的无线通信技术表示为e r t m s g s m r 。 欧洲列车控制系统e t c s $ 1 j 定了5 个应用等级： 3 ( i ) e t c s 等级0 在e t c s 等级0 中，列车可以在没有装备e t c s 地面设备或者无本国信号系统的 线路上运行，或者在试运行中的e t c s 线路上运行。 ( 2 ) e t c s 等级s t m 在e t c s 等级s t m 中，列车在装备了本国信号系统的线路上运行。为了能够识 别本国地面信号，车载设备还需另增加s t m ( s p e c i f i ct r a n s m i s s i o nm o d u l e ，专用 传输模块) 接口设备。s t m 把接收到的本国信号译成标准的e t c s 报文格式，然后 传送给e t c s 。 ( 3 ) e t c s 等级l 在e t c s 等级1 中，列车在装备有点式传输设备欧洲应答器e u r o b a l i s e 的线路上 运行，地面向列车传输的信息完全依靠e u r o b a l i s e ，轨道电路只完成轨道区段的空 闲占用检查和列车的完整性检查。为了增加信息传输的覆盖范围，线路上可以安 装欧洲环线e u r o 1 0 0 p 或者无线注入单元。 ( 4 ) e t c s 等级2 在e t c s 等级2 中，列车在由无线闭塞中心控制的、并且装备了e u r o b a l i s e 和 e u r o r a d i o 的线路上运行。车地之间的双向信息通信由g s m r 提供传输通道，由 e u r o b a l i s e 提供列车定位信息，地面设备完成列车完整性检查。 ( 5 ) e t c s 等级3 在e t c s 等级3 中，列车在由无线闭塞中心控制的、并且装备了e u r o b a l i s e 和 e u r o r a d i o 的线路上运行。车地之问的双向信息通信由g s m r 提供传输通道，列车 定位和列车完整性检查由车载设备实现。e u r o b a l i s e 只提供e t c s 等级转换命令。 1 2 2 国内c b t c 的研究现状 1 9 6 3 年，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。 其后8 0 年代至9 0 年代，国内学者对移动自动闭塞( 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。 1 9 9 7 年，铁道科学研究院通信信号研究所进行了高速铁路无线列调系统的前 期研究。研究新型无线列调信道配置与控制方案，新型无线列调系统中信息量数 据传输的信令格式、速率与编码方式，多信道综合技术、数据与话音业务的综合 技术、数据采集与接口等问题。同年，高速无线列控专题组提交“无线列控系统 发展动向调查报告 ，对国外c b t c 的发展动向进行追踪，对各系统的安全性、系 统的无线方式、列车运行控制方式进行比较与研讨，分析了与c b t c 有关的主要研 4 究课题。 1 9 9 4 - 1 9 9 8 年，北京交通大学与瑞典达那拉( d a l a m a ) 大学、瑞典主要高速列 车制造a d t r a n z 公司及瑞典国家铁路合作进行c b t c m a s 的可行性研究，在系统技 术条件的制定、理论研究、计算机仿真等方面取得了一定成果。 1 9 9 9 年，北京交通大学电子信息工程学院现代通信研究所提交研究报告“无 线数据传输在铁路安全中的应用研究 ，结合g s m r 、f z b 对无线数据传输的可 靠性、安全性、无线传输系统的安全保障措施和无线信道的安全性等问题进行了 论述。 由于青藏铁路建设的需要，我国铁路专家提出在青藏铁路应用基于无线通信 的机车信号系统( 即无线机车信号) 。2 0 0 2 年由北京交通大学设立无线机车信号基 金项目，进行了青藏线无线机车信号系统的研究，并在青藏线清水河和西宁分局 湟源站地区进行了基于数传电台的接近连续式无线机车信号系统的试验。 2 0 0 3 年，铁道部、北京交通大学、西门子公司三方合作建设成立g s m - r 实验室， 并进行了无线机车信号系统的试验。 2 0 0 7 年，北京交通大学钟章队教授主持研究的“铁路综合数字移动通信系统 ( g s m r ) 理论、关键技术及工程应用”项目，开创了g s m r 理论研究新方向。采用 电路数据会议技术开发出基于g s m r 平台的机车同步操作控制地面应用节点和车 载通信设备，为青藏铁路数字移动通信系统工程设计与建设提供了可靠依据。 我国在发展铁路列车控制系统借鉴了欧洲e t c s 的成功经验，结合国情研究 适合我国的中国列车运行控制系统c t c s ( c h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 。参照欧洲 发展e t c s 的技术规范，我国的c t c s 初步定为5 级【6 】： c t c s 0 级：既有线的控车模式。区间轨道电路+ 站内电码化+ 通用机车信号+ 列 车运行监控装置。 c t c s l 级：基于既有设备改造的a t p 系统。适用于既有线1 6 0i o n h 以下区段。 针对中国主要干线装备现状，对既有设备实行强化改造，在主体化机车信号的基 础上通过补点，实现具有中国特色的点连式a t p 。即主体化机车信号( 区间、站内 轨道电路进行强化改造+ 故障安全型机车信号) + 点式设备+ 安全型监控装置。 c t c s 2 级：基于轨道电路信息的a t p 系统。地面车载一体化系统设计，车载 设备有机结合；速度监督可采取大台阶，也可采取速度距离模式曲线；地面可采 用模拟多信息轨道电路，也可采用数字轨道电路，并辅以必要的点式设备，组成 点连式a t p 。 c t c s 3 级：基于轨道电路和无线通信( g s m r ) 的a t p 系统。轨道电路在实现区 段占用与列车完整性检查方面具有不可替代的优势；无线通信( g s m r ) 在满足我国 铁路移动信息网需求的同时，又能解决信息高速率可靠传输，再辅以定位校核的 5 点式设备，系统具有与国际接轨的先进性。 c t c s 4 级：完全基于无线通信( g s m r ) 的a t p 系统。该系统具有移动自动闭塞 的特征。区间占用靠g p s 和g s m r 实时数据传输解决，站内仍需轨道电路。列车 完整性检查、定位校核分别靠车载设备和点式设备实现，使得室外设备减少到最 低程度。 1 3 论文的选题依据和主要内容 1 3 1 选题依据 青藏铁路于2 0 0 1 年6 月2 9 日开工【7 1 ，修建青藏铁路具有地理条件复杂、气候条 件恶劣的特点。在这样的条件下若沿用国内t b t c 系统，这些不利因素会影响轨道 电路正常稳定工作，直接危及行车安全。而无线机车信号系统应对这些不利条件 却具有独特的优势，它的轨旁设备少易于维护，节省了能源消耗，而且技术上安 全可靠。采用以无线机车信号为主体进行列车运行控制方式是较适合的一种方案。 2 0 0 6 年7 月1 日青藏铁路全线通车，列车运行控制系统使用的无线通信设备是 无线数传电台。在移动通信平台条件成熟后，无线机车信号系统将使用g s m r 或 其它无线通信系统，对列车进行全线连续式速度控制，实现移动闭塞。 本文的主要内容来源于铁道部科研项目青藏线无线机车信号的研究与实验 导师承担项目的部分课题研究，以及学校重大科技基金项目新型列车运行控制 系统研究部分内容的研究。以往的无线机车信号系统车载控制主机使用单片机 作为核心处理器，鉴于p c i 0 4 本身比单片机具有以下几点明显优势： ( 1 ) 支持操作系统，运算速度快。 ( 2 ) 应用高级语言编程，提高了运行效率。 ( 3 ) 支持多种功能接口，可直接外接键盘和显示，调试方便，功能强大。 这次在项目中对于新型列车运行控制系统的研制，使用了嵌入式模块p c i 0 4 作为车载设备的核心。 本文主要实现了嵌入式模块p c i 0 4 作为核心与外围设备的系统集成，作为无 线机车信号车载设备的硬件平台。在这个平台上设计软件进而实现系统的功能。 分别使用无线数传电台和g s m r 通信模块与车站控制中心进行通信连接，对无线 机车信号列车控制方法进行了研究，实现了车站控制中心对列车的运行控制，并 在显示终端上正确显示进路信息和机车信号等重要行车信息。 本文中对无线机车信号车载设备的研究，以及对基于g s m r 和基于无线数传 电台的信息传输系统的研究，对于整个项目的顺利进行起到了重要的作用。在车 6 载设备功能上有待于进一步的开发，并希望对今后研究无线机车信号系统车载设 备有所帮助。 1 3 2 论文的主要内容 本文对基于g s m r 的机车信号车载设备进行研究，设计了和实现了车载控制 主机的外围硬件设备集成，承担了车载控制主机应用程序设计的编写工作，实现 了车载显示器及语音系统的软硬件，并分析了基于数传电台和g s m r 的无线信息 传输方法，设计了新型列车控制方法。论文的主要内容安排如下： 第一部分简单介绍了c b t c 发展和基本原理，叙述了国内夕 c b t c 的发展状 况，提出了研究无线机车信号背景和意义；描述了无线机车信号的结构的原理。 第二部分分析嵌入式模块p c i 0 4 在无线机车信号车载设备中应用的优势，将 其作为核心集成了外围功能模块和接口，实现无线机车信号车载设备的功能。具 体包括主机及外围设备和车载显示终端的软硬件设计。 第三部分研究了无线传输系统方法，包括基于无线电台的车站对多列车的广 播和自律轮询结合方法，基于g s m r 的端对端和中心对端的列车控制方法，并分 析了系统数据传输的实时性。 第四部分总结了论文所做的工作，指出了进一步的研究方向。 7 2 无线机车信号系统 c b t c 系统最基本特征是通信技术的应用，而不再是基于轨道电路，因此c b t c 中如何构成双向数据通信是很重要的问题。目前c b t c 系统中可应用的双向通信技 术有【8 】：无线数传电台、漏泄电缆、g s m r 、t e t r a 、轨道电缆、扩频无线通信、 微波通信以及卫星通信等。 上世纪9 0 年代起，我国把青藏铁路的建设提上了议事日程。青藏铁路自然条 件极其恶劣，导致传统t b t c 方式不能稳定正常工作，直接危及行车安全。我国 铁路技术专家结合青藏铁路的技术条件，提出了“基于无线通信的机车信号的 概念，并指出其在青藏铁路应用的可行性与必要性。无线机车信号系统将通过无 线数据通信取代轨道电路来实现地面与列车之间双向信息的传递。 无线机车信号是实现c b t c 的基础。基于无线通信的机车信号系统，是我国 铁路控制方式的一项重大变革。随着我国新铁路线的建设和高速铁路的发展，研 究无线机车信号系统具有重要意义，在理论和实践上推动我国c b t c 的迅速发展。 2 1 无线机车信号系统概述 在列车控制系统中，信号系统是列车运行的关键，是司机安全行车的直接判 断依据。现行通用式机车信号是通过装在机车轮对前的接收线圈，感应轨道电路 中传输的低频模拟信息，将感应上来的信息进行译码和识别后，点亮机车上的信 号灯，复示出前方地面信号机的显示内容。 无线机车信号是一种通过无线信道方式传输列车行车信号及列车运行控制信 息的装置。无线机车信号采用无线信道取代轨道电路，车地两端主机直接处理数 字信号，并实现了车地之间双向数据传输，车站可将机车信号及调度命令传给列 车，列车可将其速度、位置等信息传给车站；无线机车信号传输速度快、传输信 息量大。无线机车信号跟车站计算机联锁及列车车载简易超速防护设备连接，有 利于从系统安全工程角度解决列车运行控制安全问题。无线机车信号与通用机车 信号性能对照如表2 1 所示p j 。 无线机车信号系统可分为两种类型【l o l ：第一类是列车从一个车站到另一个车 站的整个运行过程中，车站连续不问断的向管辖内的列车发送机车信号，列车上 始终有机车信号显示，称为连续式无线机车信号。这种类型在车站和区间都有无 线信号场强覆盖，可以用g s m r 连续无线传输方式来实现。连续式无线机车信号 用于自动闭塞或移动闭塞方式。 8 第二类是列车从一个车站到另一个车站运行时，它只有在临近车站才有机车 信号，称为接近连续式无线机车信号。这种类型仅在车站周围5 公里有无线信号 场强覆盖，除了使用g s m r 方式外，也可以用数传电台来实现。接近连续式无线 机车信号自动站间闭塞或半自动闭塞。 表2 - 1 信号比较 名称 无线机车信号通用机车信号 内容 信号传输方式与车站无线通信感应轨道电路信息 信息传输形式数字信号模拟信号 信号传输方向双向单向 传输信息量大小 传输速度快慢 信号显示连续性连续不问断侧线岔区无信号( 亮白灯) 信号作用主体信号辅助信号进一步主体化 信息通道具有信号回示闭环传输地对车单向开环传输 车站设备与车载设备单独设计车载设备 设计优势 统筹考虑统一设计被动接收信号 站场股道、允许速度显示，删i ，向列车监控记录装置 附加功能 语音提示，为a t p 提供信息提供信号信息 车站通过地址区分列车股道信号与列车一一对应信 主要区别 信息来自联锁设备 号来自轨道电路 2 2 无线机车信号系统基本结构 无线机车信号系统主要由三部分组成：车站控制设备、车载设备及车一地间无 线通信设备，其结构关系如图2 1 所示f 1 1 】。 9 无线机车信号 列车 车载设备 无线通 信接口 f i s 、弋! 叁 无线信道冬 众 氏 訇 屡 1 模 i 一 无线机车信号 车站设备 无线通 无线通 地面 信接口 信模块 2 2 1车站设备 图2 - 1 无线机车信号系统结构 f i 9 2 一lc o n s t r u c t i o no f r b c ss y s t e m 无线机车信号车站设备由车站控制主机、上位机、与车站联锁的接口、与微 机监测接口、无线通信模块接口、数据记录、远程网络和诊断接口等构成。车站 设备结构如图2 2 所示。 车站控制主机是车站设备的核心部分，主要负责与管辖范围内的列车建立联 系。当接近车站的列车压过接近应答器后，建立通信链接后车站控制主机对列车 进行注册；当将要驶出车站的列车压过出站应答器后，车站控制主机对列车进行 注销并拆除通信链路。车站控制主机具有和车站联锁设备的接口，可以接收联锁 设备发送的进路条件和信号。能够根据进路条件和列车位置，生成列车控制信号， 实时对站内每一列车进行控制。车站控制主机具有以下特点： ( 1 ) 具有车站系统数据库，包含车站编号、车站进路信息、信号机编号和应答 器编号，具有地面设备的静态及特征，当接收到联锁数据时，能够正确形成站场 图。具有所有列车的参数，一旦有列车驶入站内，能够正确区分。 1 0 图2 2 车站设备结构 f i 9 2 2c o n s t r u c t i o no fs t a t i o ne q u i p m e n t ( 2 ) 采用双机热备结构，当主机设备出现故障时，能够自动切换到备用设备并 报警提示。并通过软件防护，保证车站设备故障时能够导向安全侧。 ( 3 ) 车站控制主机与微机联锁具有设备接口，可以直接接收联锁设备送出的站 场及联锁信息。系统采用三取二方式采集计算机联锁信息，并根据数据库信息比 对，保证联锁信息的正确性，以供传输给列车使用。 ( 4 ) 具有数据记录功能和远程网络功能，记录联锁、列车和车站的重要动态参 数和时间，为故障分析处理和系统的日常维护提供重要数据。通过远程网络接口， 能够将记录的数据传输出来以方便分析和研究。 2 2 2 车载设备 无线机车信号车载设备主要包含车载控制主机、无线模块接口、列车安全运 行监控记录装置接口、查询应答器、记录与诊断、语音卡、g p s 接口、双机热备 检测切换装置、机车信号灯以及其它接口电路。车载设备结构如图2 - 3 所示。 车载控制主机是车载设备的核心部分，主要负责与车站控制中心的通信和对 其它设备的连接和控制。当列车接近车站压过接近应答器后，主动向车站设备发 送建立通信请求。通信链路建立后与车站进行信息交换，将接收到的信息进行处 理和记录，并给出语音提示。当列车即将离开车站压过出站应答器时，向车站发 送信息请求注销并拆除通信链路。列车每次经过点式应答器的地面点时，车载设 图2 3 车载设备结构 f i 9 2 3c o n s t r u c t i o no f ( h - b o a r de q u i p m e n t 备接收地面送出的列车位置信息。控制主机根据机车信息、点式应答器信息和g p s 定位信息多重比较核对，实现列车的准确定位，并将位置和速度发送给车站设备。 车载主机工作时具有以下特点： ( 1 ) 列车安全运行监控记录装置记录列车行驶沿途车站编号、站场信息以及路 况等主要静态参数，车载控制主机接收到车站送出的信息后与记录装置记录的内 容进行比对以保证安全。 ( 2 ) 采用双机热备结构，当主机设备出现故障时，能够自动切换到备用设备并 报警提示。并通过软件防护，保证车站设备故障时能够导向安全侧。 ( 3 ) 接收车站信息后发送回示信息，实现整个系统的闭环控制。列车在无线通 信故障中断或者接收不到应答器信息时，实现机车信号的降级显示，保证故障安 全。 ( 4 ) 记录列车和车站的重要动态参数和时间，为故障分析处理和系统的日常维 护提供重要数据。 2 2 3 无线通信网络 无线通信设备含车站无线模块、车载无线模块及相应电源、天线和天线馈线 等。接近连续式无线机车信号系统传输网络的有以下几个特点1 2 】： ( 1 ) 以车站数传电台为中心，车站管辖内列车车载电台为节点，形成星状网络 结构，如图2 - 4 所示。 ( 2 ) 为了避免上下行列车因接收信息混淆，造成站内列车控制混乱，车站设备 1 2 采用频率不同的两个电台，分别控制上下行列车。 ( 3 ) 两个相临车站之间电台频率交替设置，保证各车站对列车的控制不混淆。 ( 4 ) 数传电台半双工通信，每一帧传输信息量相对较少，车一地之间频繁进行 快速通信。 、擎站 ，。 。一竺竺一一一。 。- 一_ 一一一一一一一一一- _ ，。 图2 4 无线网络结构 f i 9 2 - - 4c o n s t r u c t i o no f w i r e l e s sn e t 2 3 无线机车信号系统基本原理 在接近连续式无线机车信号中用无线信道代替轨道电路传输列车运行控制信 息l l3 1 。无线机车信号无线传输的基本信息有：列车控制信号基本信息，接发车股 道数、车次号、列车实际速度和最大允许速度、列车位置等，此外，在传输延迟 允许的前提下还可传输非安全性质的信息，包含工务、电务、机务等方面的不同 内容信息。若采用连续式无线机车信号，还应加为a t p 系统服务的控制参数等。 车站控制中心负责控制站内及上下行驶向本站的所有列车，车站数传电台与 车载数传电台一并构成无线传输网络。该网络为车站控制中心和车载设备提供独 立的无线信道，保证它们之问进行双向、连续的数据通信。当列车接近车站时， 通过无线模块向车站发送注册请求，车站控制中心收到请求注册信息后，经过有 效性和身份确认完成注册，并给车载设备发出应答信息。注册后的列车便成为车 站控制中心网络中的一个节点，车站控制中心周期性地对每个列车发出控制信息， 如色灯信号、股道信息等；同时车站控制中心也可以接收来自列车的信息，如列 车速度、位置、信号回示、应答器编号和设备状态等，从而形成闭环控制。 车站控制中心实时地根据联锁条件和调度命令生成控制信息，以满足车站能 够同时控制多个列车和满足机车信号应变时间的需要。车站控制中心实时更改控 制命令包括： 1 3 ( 1 ) 根据列车运行位置，实时更新本站控制中心控制范围内列车车载电台的通 信地址，并根据调度命令与列车迸路建立对应关系。 ( 2 ) 根据车站联锁设备的状态，实时改变进路状态。 ( 3 ) 根据列车的运行位置，实时地改变发给列车的控制信息 列车出站越过出站应答器后，车载设备修改车载电台通信地址，为进入下一 车站注册做好准备。列车向车站控制中心发送注销请求，车站注销该列车后无线 通信连接断开。 1 4 3 无线机车信号车载设备设计 3 1 车载设备硬件设计 车载设备控制主机选用s c m s t a 1 0 4 0p c i 0 4 模块，在主机外围设计了由主 机的i o 控制的串口扩展电路和点灯电路。p c i 0 4 通过自身的4 个串口以及扩展的 4 个串口与外围设备连接，外部设备包括显示终端、g s m r 通信模块、g p s 定位 模块、数传电台。因为对控制主机使用了双机热备的冗余可靠性技术，主机与备 机进行串行通信。另外，控制主机可通过串口分别与机车上查询应答器和列车安 全运行监控记录装置通信。p c i 0 4 本身还具有e t h e r n e t 接口、i d e 接口和u s b 接 口进行数据的转移和存储。车载设备结构如图3 1 所示： 图3 一l 车载设备硬件结构 f i 9 3 - 1c o n s t r u c t i o no f h a r d w a r e 1 5 3 1 1 车载控制主机 车载控制主机是车载设备的核心，负责控制无线模块与车站控制中心建立联 系，采集列车速度和定位信息，并传送到车站控制中心；接收车站控制中心发送 机车信号信息并处理，给出机车信号显示。为了保证车载设备可靠地工作，还需 要设备具有故障检测与故障处理能力。 我们选用了p c i 0 4 模块s c m s t a 1 0 4 0 作为主机，可以方便与其它周边设备及 模块构成完整系统的核心部件。其在板不仅包含了一般p c a t 机的母板、一至二块 扩展板的功能，更为嵌入式控制扩展了特有功能。其作为嵌入式应用的方案结构 如图3 - 2 所示【1 4 j ： 3 1 2 外围设备 图3 - 2 嵌入式平台结构 f i 9 3 - 2c o n s t r u c t i o no fe m b e d d e ds y s t e m 车载控制主机p c i 0 4 模块具有四个串口和一个并口，加上四个扩展串口，可 以集成具有强大功能的外围设备，下面分别介绍其外围设备。 1 g p s 定位装置 g p s 定位系统6 - - 部分组成，即g p s 卫星组成的空间部分、若干地面站组成 1 6 的控制部分和以接收机为主体的用户部分。g p s 模块能够捕获按一定卫星高度截 止角所选择的待测卫星信号，测量g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解 析g p s 卫星送出的导航信息，实时计算位置、时间和速度。 本系统中的g p s 定位装置选用s r 8 7 型号模块，内置s i r fs t a ri i i 高灵敏度 g p s 接收芯片，内建a r m 7 t d m ic p u ，可以快速定位和追踪2 0 颗卫星。模块外 围可连接一根天线，其外部接口为6 根针。此6 根针的含义如下表3 1 所示： 表3 - 1g p