（交通信息工程及控制专业论文）无线机车信号地面控制系统的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 计算机技术、通信技术、微电子技术和控制技术的飞速发展使得 利用无线通信传递车、地大容量双向信息成为可能。随着铁路运输向 高速化、信息化和网络化发展，基于通信的列车控制系统( c b t c ) 成为列控系统发展的方向。而无线机车信号系统则是基于通信的列车 控制系统中最重要的组成部分。论文综述了国内外c b t c 的发展和研 究状况，为适应我国c b t c 发展的需要，进行了基于无线通信的机车 信号系统的研究。 论文分析和比较了基于轨道电路的机车信号系统和基于无线通 信的机车信号系统，指出了无线机车信号的特点：随着列车的运行， 列车要依次与各个地面控制系统建立通信联系，地面控制系统控制多 个列车运行。论文还分析了无线机车信号系统在c b t c 中与其他相关 系统的关系。 论文深入研究了根据闭塞分区产生机车信号的原理，在此基础上 提出了一个基于g s m r 无线通信平台的机车信号系统方案，并进行 了计算机仿真。 结合青藏线实际，论文提出了一个接近连续式无线机车信号系统 方案，研究了地面控制系统的功能。设计了地面控制机采用双枫热备 的冗余结构，分析了地面控制系统地可靠性、故障一安全性措施。 最后，论文对所做的研究工作进行了总结，指出了进一步研究的 方向。 关键词：c b t c ，无线机车信号，无线通信，地面控制系统，闭塞分 区 ! ! 塞銮望查堂堡主堂垡堡兰 a b s t r a c t t h ef a s t d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l d 鼢 c o 删删王1 i c a t i o n t e c h n o l o g y ，m i c r o e l e c 订o n i ct e c l l i l o l o g ya n dc o n 仃o lt e c i 啪l o g ym a k e s i t p o s s i b l et ot r 姐s m i tb i d j r e c t i o n a la n dh i 曲c a p a c i t y j n f o r n l a t i o nb e t 、v e c n t r a i n sa n ds t a t i o n st 1 1 r o u g l lm d i o a l o n gw i mm ed e v e l o p m e n to fm i l 、a y t r 跚s p l o r tt o w a f d sm g h s p e e d ，i n 南肋a t i o na n dn e t 、v o r k ，c o m m u n i c a t i o n b a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ( c b t c ) i sb e c o m 血g 恤o r i e m a t i o no fm c d e v e l o p m e n to ft r a j nc o n t f o ls y s t e m 劬dr a d i ob a s e dc a bs i 驴a 1 s y s t e m ( r b c s ) i st h em o s ti m p o 咖l tp a r to ft h ec b t c n i sp a p e r s u f 蛳a r i z e st h ed e v e l o p m e ma n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t eo fc b l a t h o m ea i l da b r o a d ，a l l ds t u d i e si m c sa c c o r d i n gt o 1 en e e dt od e v e l o p c b l i nc l l i n a 1 t a n a l y s e s a n dc o m p 甜e st h e c kc i r c u i tb a s e dc a bs i g i l a l s y s t e m ( t b c s ) a i l dt h er b c s np o i m so u tt h ei i n p o r t a n ts p e c i “t i e so f t h el a t t e r ：t r a i nm u s ts e tu pc o m m u n i c a t i o nl i n k sw i mm et r a c k s i d e c o n t r o ls y s t e mo n eb yo n e ，a si tt r a v e l s ，a n dt h et r a c k s i d ec o n ”o ls y s t e m c o n t r o l ss e v e r a lt r a i n s i ta l s oa n a l y s e sm er e l a t i o n s h j p sb e 铆e e nt h e s i g i l a ls y s t e ma 1 1 do m e rs y s t e m si nt h ec b t c i td o e sr e s e a r c ht h ep r i n c i p l eo fr b c sw i t hb i o c ks e c t i o n s ，a i l d p r e s e n t sap r o j e c to ng s m - r b a s e dc o n t i n u u mc a bs 谵n a ls y s t e m i ta l s o e m u l a t e st h es y s t e mi n 恤ec o m p u t e l a c c o r d i n gt om es t a t u sq u oo ft i b e tl i n e ，i tp r e s e n t sa i la p p r o a c h c o m i n u u mr a d i ob a s e dc a bs i g n a ls y s t e m ，s t i l d i e st h ef b c t i o l l so ft 1 1 e t r a c k s i d ec o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n ss t n l c t i l r ew i t hd u a lh o t s t a n d b y c o m p u t e r s ，a n da n a l y s e s t h e r e l i a b i l i t y a n df 甜l s a f em e a s l l r e s r c s p e c t i v e l y a tl a s t ，i ts 眦珊a r i z e s 也ew o r k so ft l l i sp a p e ra n dp o i n t s0 u tm e 北京交通大学硕士学位论文 d i r e c t j o no f n l o r es t u d j e s k e yw o r d s ：c b t c ，r b c s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m et r a c k s i d ec o m r o l s y s t e m ，b i o c ks e c t i o n i i i 北京交通大学硕士学位论文 1 1 c b t c 的提出 第一章综述 1 1 1t b t c 存在的不足 自1 8 7 0 年罗宾逊博士开始进行轨道电路工作后，很长时间以来 人们一直用轨道电路作为媒体来传输列车信息，形成列车运行控制系 统，也就是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 e dt r a i n c o n t r 0 1 t b t c ) 。 利用轨道电路传输从地面至车上的信息、检测固定闭塞分区的占 用情况，存在如下的问题： ( i ) 钢轨能传输信息的频率极为有限，传输的信息量少。 ( 2 ) 轨道电路的工作稳定性易受环境的影响。 ( 3 ) 轨道电路构成自动闭塞系统时，闭塞分区长度固定，对不 同类型的列车适应性差，影响铁路运输效率。 ( 4 ) 利用轨道电路难以实现车上至地面信息的传输，也就无法 实现真正意义上的列车闭环控制。 ( 5 ) 轨道电路需要大量电缆，其投资费用占整个自动闭塞系统 的4 0 6 0 ，同时也将导致维护费用的增加。 ( 6 ) 由于列车通过轨道电路无法送出大量的信息，所以在建立 各种运输管理信息系统时，所需的基础信息比如车种、速度、起始地、 目的地等都无法实时信息自动录入。 1 1 2c b t c 的提出 由于科学的发展，在t b t c 存在的上述问题难以满足现代铁路的 发展要求下，人们在改造、完善现有t b t c 系统的同时，一直在积极 努力地寻求新的办法和路途来弥补缺点和不足。新的列车运行控制系 北京交通大学硕士学位论文 统应利用轨道电路以外的方式实现高精度的列车定位，进行双向、高 速、大容量的车、地信息的传输。新的列车运行控制系统应解决t b t c 存在的问题，以满足下列要求【2 1 ： ( 1 ) 利用车、地问双向大容量的信息传递实现列车运行的闭环 控制。 ( 2 ) 提高区间的通过能力。 ( 3 ) 易于灵活实现不同的运输组织方式。 ( 4 ) 适应不同的列车运行速度、列车密度、机车牵引重量和列 车制动性能的自动闭塞系统。 ( 5 ) 实时提供客、货列车的各类运行信息。 ( 6 ) 系统参数受环境影响小。 ( 7 ) 减少投资、维护费用，减轻线路、设备维护人员的劳动强 度。 ( 8 ) 适应铁路发展的能力强，减少在铁路改、扩建时，自动闭 塞区段设备需大量变动的局面。 ( 9 ) 使用范围广，除用于铁路运输外，还可广泛应用于城市轨 道交通。 自2 0 世纪7 0 年代末到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，使得利用无线传递车、地问双向信息真正成为可能。 无线通信方式具有其他方式难以比拟的优点，表现在以下几个方面： ( 1 ) 传输和交换的是数字编码、高速率、大容量的数据包，信 息量大。 ( 2 ) 通过移动通信技术在可使用的频率资源内，可实现线路上 所有的运行列车与地面控制系统的实时双向通信。 ( 3 ) 可进一步取消地面信号，降低系统造价。 ( 4 ) 可采用通信领域的高新技术实现高可靠的信息发送、接收。 ( 5 ) 具有很高的灵活性，可采用卫星、光纤、数字微波、漏泄 电缆等多种现代化的通信手段，以确保通信的畅通、准确安全、迅速 可靠。 北京交通大学硕士学位论文 正是因为无线通信方式的上述优点，8 0 年代后出现的新型列车控 制系统绝大多数都是利用以通信技术为基础的列车控制系统，人们称 之为“基于通信的列车控制系统”( c o m m u l l i c a t i o nb a s e dt r a i n c o n t r o l ，c b t c ) 。1 9 9 9 年9 月，i e e e 为c b t c 制订了第一个标准， 将c b t c 定义为【3 】：利用不依赖于轨道电路的高精度的列车定位、双 向连续、大容量的车一地数据通信以及车载、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。 1 2 国外c b t c 的发展状况 自8 0 年代初北美推出a t c s 以来，受到些经济发达国家的普 遍重视，下箍对国外c b t c 系统的研究情况进行简要介绍【7 1 3 】。 1 2 1 北美c b t c 的发展状况 l 、先进列车控制系统( a t c s ) 1 9 8 2 年由美国铁道协会( a a 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 d v a n c e dt r a i nc o n 仃0 1s v s t e m ， a t c s ) f 7 。a t c s 的主要思想是在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。 2 、完善的列车控制( p t c ) 系统 继a t c s 之后，北美又出现了多种c b t c 系统，为制订统一标准， 提高北美各c b t c 系统间的互操作性和使用新技术，a a r 于1 9 9 4 年 提出完善列车控制( p o s 砒v et r a i n c o n 舡o l ，p t c ) 系统【1 4 】。 通过p t c 实现以下目标：准确安排对向列车的会让，避免由于 列车超速或者不必要的制动而造成能源的浪费，实现列车精确控制， 北京交通大学硕士学位论文 提高线路通过能力和运营效率。 1 2 2 欧洲c b t c 的发展状况 l 、欧洲列车控制系统( e t c s ) 1 9 8 9 年1 2 月，欧洲共同体设立了欧洲铁路运输管理系统项目 ( e u m p e a nr a i lt r a m cm a n a g e m e n ts y s t e m ，e r t m s ) 。e r r m s 包括 三个组成部分：欧洲铁路控制系统e t c s 、无线通信系统g s m r 和 欧洲运输管理系统e 1 m s 。与列车控制系统有关的就是e t c s 和 g s m r 。 e t c s 系统分为3 个主要模块：e u r 0 c a b ( e t c s 中的车载设备) 、 e t c s 地面设备( 含e 啪】0 0 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) 。 2 、e t c s 系统的应用等级 e t c s 中定义了3 个应用等级【6 j ，每个等级具有不同的特征和功 能，不同的应用等级允许各自的信号系统和列车控制系统与 e r l 、m s e t c s 进行接口： ( 1 ) 等级1 ： 等级l 仍以传统地面信号设备为主，仅仅增加了以“欧洲标准应 答器”( e u r o b a l i s e ) 为基础的点式数据传输设备和超速防护系统。 这一级别的主要特点为：区间仍按传统的原则划分固定闭塞分区，配 备有必要的轨道电路或电子计轴器，整个区间必须设置多显示色灯信 号机，在每台信号机旁边及在其他必要的场合设置地面应答器。地面 应答器将信号机的显示和区间的地理数据( 如坡度、限速情况等) 传 给机车。在机车上装备有接收天线、数据处理单元、显示与记录单元 以及与机车制动器相连的接口。通过完善沿线信号设备，实现a t p 。 也可以通过查询应答器、无线信道发送有关信号表示的数据信息。 ( 2 ) 等级2 ： 二级e t c s 系统中，地面和列车的数据通信是通过g s m - r 完成， 北京交通大学硕士学位论文 调度中心( r b c ) 控制所有信号系统和列车之间通信。调度中心接收列 车发出的位置信息，编制行车许可信息( 用于联锁系统的列车位置信 息由轨道电路、计轴器得到) ，并将行车许可信息、基础设施信息( 坡度， 允许速度等) 和列车标识信息综合起来，计算制动曲线发送给列车。 每一列车都有自己特定的标识，只响应发给它的信息。应答器可为列 车提供精确位置，但行车许可信息不通过它传递。 轨道特性数据预编程在车载计算机中。车载设备将位置信息以无 线方式传送到r b c ，收到此位置信息的r b c 为运行列车计算新的运 行权限，并以无线方式发送给列车。然后，车载计算机计算运行速度 曲线，确定运行权限和下一个制动点，并将这些信息显示给司机。列 车每经过一个应答器，就接收新的位置数据，车载计算机不停的据此 确定列车当前位置，并由速度曲线所得距离和实际运行距离是否吻 合，来判断速度的正确性，以确保行车安全。 ( 3 ) 等级3 等级3 采用g s m r 通信系统，实现连续式的列车速度监控，取 消了固定闭塞分区及地面信号机、区间轨道电路( 保留车站轨道电路 为联锁提供必要的条件) ，实现移动闭塞。列车具有自行定位的功能， 地面应答器用于列车定位校准。安装车载无线系统设备，车载设备实 现列车完整性检查。 列车经过应答器时，查询器接收新的位置数据，车载计算机据此 确定列车当前位置，并由速度曲线所确定的距离和实际运行距离是否 吻合判断列车速度的正确性。车载无线设备将位置数据发送给r b c ， r b c 计算运行列车新的运彳亍权限，并以无线方式发送到列车。然后车 载计算机计算速度曲线，确定运行权限和下一个制动点，同时向司机 显示这些信息。 1 2 3 日本c b t c 的发展状况 日本的c b t c 系统主要有计算机和无线通信辅助列车控制系统 ( c a ra t ) 、先进列车管理和通信系统( 触1 a c s ) ”。c a r a t 由 北京交通大学硕士学位论文 于介绍过多就不再此介绍了。 觚a c s 系统用数字无线电检测自身位置，从车上向地面传送位 置信息，地面根据前行列车的位置和路线制定出停车限界信息传送给 列车，以控制列车间隔。 a i a c s 包括3 部分：地面控制器与无线通信基站、车载设备、 铁路交通管理系统。铁路线被分成若干个控制区间，每个区间内有1 个地面控制器和1 个无线通信基站。地面控制器的功能包括列车跟踪、 列车间隔控制、平交道口控制和维护工作控制等。无线通信基站与车 载移动通信单元交换数据；地面控制器可以获得列车的数据，并根据 这些数据来控制列车运行。每个地面控制器都与铁路交通管理系统相 连按，将列车情况及时传递到控制中心，由调度人员统一指挥列车运 行。无线数字通信是a l c s 实现的基础。 1 3 国内c b t c 的发展状况 二十世纪六十年代初期，铁路运输自动化专家汪希时教授发表了 首篇有关c b t c 的文章，首先提出无线自动闭塞的概念，并与张林昌 教授一起在1 9 6 1 1 9 6 3 年进行了初期实验室和天津现场试验。从那以 后特别是在八十年代开始，中国铁路就相继有了基于无线方式传递信 息的研究和试验。 国外c b l 系统的发展，也为我国发展c b t c 系统提供了宝贵的 经验。我国借鉴欧洲e t c s 的成功经验，研究适合我国国情的中国列 车控制系统( c t c s ) 以及制定相关的技术规范。中国列车控制系统 ( c h i n e s e1 i r a i nc o m r o ls y s t e m ，c t c s ) 被分成5 个级别i 】3 j ： ( 1 ) c t c s o 级：既有线的控制模式。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。 ( 2 ) c t c s l 级：基于既有设备改造的a 1 系统。适用于既有线 1 6 0 1 【l t l ，l l 以下的区段。针对中国主要干线装备现状，对既有线实施强 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 北京交通大学硕士学位论文 造+ 故障安全型机车信号) + 点式设备+ 安全型监控系统。 ( 3 ) c t c s 2 级：基于轨道电路信息的a t p 系统。地面一车载一 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m 。 ( 4 ) 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， 又能解决超防信息高速率可靠传输，两者结合是强强互补。在辅以定 位校核的点式设备，系统具有与国际接轨的先进性。 ( 5 ) c 1 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 与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 4 基于无线通信的机车信号系统的提出 铁路线路旁地面信号机的显示是司机控制列车运行的凭证，但是 由于地形和气候条件的影响，司机往往不能在规定的距离上及时了望 到前方信号机的显示，因而有产生冒进信号机的危险。机车信号是在 司机室内给出列车前方运行条件的信号显示，司机根据机车信号的显 示控制列车的运行。因此，机车信号是保证列车运行安全、提高运输 效率的重要装备。 目前我国运用的机车信号系统中机车信号的信息是由地面控制 设备通过钢轨线路作为传输通道( 即轨道电路) ，由安装在机车导轮前 方的机车信号接收线圈接收机车信号信息，在司机室内给出显示。9 0 年代起，由于我国西部大开发的需要，青藏铁路的建设提上了议事日 程。青藏铁路位于藏北高原，具有海拔高、气压低、空气稀薄、常年 冻土地段多、地质结构复杂、气候条件恶劣、人烟稀少等特点，自然 条件及其恶劣。由于轨道电路参数易受环境影响，青藏铁路若沿用国 北京交通大学硕士学位论文 内现行的基于轨道电路的列车运行控制方式，恶劣的自然条件等不利 因素会影响或改变轨道电路的参数，使轨道电路不能稳定正常工作， 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，在 广泛调研的基础上提出了“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。青藏铁路目前正在进行通信 信号技术方案的研究和试验工作。 基于无线通信的机车信号是实现c b t c 的基础，是我国铁路控制 方式的一项重大变革。在我国新的铁路线的建设和高速铁路的迅速发 展的情况下，基于轨道电路的机车信号系统越来越不能满足铁路运输 的安全和高效率要求，研究基于无线通信的机车信号系统就有着重要 的意义，对于它的研究与试验，必将推动c b t 在我国的飞速发展。 1 5 论文的主要内容 第一章综述了国内外c b t c 的研究和发展状况，并由此提出基于 无线通信的机车信号系统的研究背景和意义。 第二章比较基于无线通信的机车信号系统与基于轨道电路的机 车信号系统的特点，分析基于无线通信的机车信号系统中的关键技 术，并指出基于无线通信的机车信号系统与其他相关系统的关系。 第三章提出一个基于g s m - r 的连续式机车信号系统方案，研究 系统的结构、系统的通信平台和列车控制方案，根据闭塞分区控制的 原理，提出按闭塞分区的列车控制方法。 第四章提出一个青藏线接近连续式无线机车信号系统方案，分析 地面控制系统控制主机的功能，系统的可靠性和故障一安全性措施。 第五章根据闭塞分区列车运行的原理进行了计算机仿真；针对地 面控制系统控制机的功能进行了软件设计。 第六章总结了论文所做的工作，指出进一步研究的方向。 北京交通大学硕士学位论文 第二章基于无线通信的机车信号系统的特点 基于无线通信的机车信号系统与目前基于轨道电路的机车信号 系统的根本区别是信息的通道由轨道电路变为无线信道，就是这一改 变使机车信号系统的特点发生了根本的变化。 2 1 基于轨道电路的机车信号系统的特点 目前我国运用的机车信号系统中机车信号的信息是由地面控制 设备通过钢轨线路作为传输通道( 即轨道电路) 【i ，由安装在机车导 轮前方的机车信号接收线圈接收机车信号信息，在司机室内给出显 示。地面发送设备根据地面信号机的显示，完成信息编码、信息形成 和信息发送的功能，机车信号的信息码和地面显示是一一对应的关 系。机车接收设备完成信息接收、信息鉴别和信息译码功能，控制机 车色灯信号机的显示。基于轨道电路的机车信号系统原理框图如图 2 ，1 所示。 钢轨 图2 1 ：基于轨道电路的机车信号系统原理框图 在区间通过自动闭塞设备实现进路与信号机的联锁，控制区间通 过色灯信号机的显示。由此可见，轨道电路发送设备既可以是自动闭 北京交通大学硕士学位论文 塞系统的发送设备，也可以是机车信号系统的发送设备。 在车站通过车站联锁系统实现进路、道岔、信号机之间的联锁， 控制信号机的显示。我国车站联锁系统轨道电路的功能是检查轨道电 路区段列车占用或空闲。列车在车站内运行时，为实现机车信号接收 设备连续不断地接收到由前方信号点发送来的机车信号信息，站内股 道和道岔区段都应实行电码化。所谓电码化就是站内轨道电路也能传 输根据列车运行前方信号机的显示而发送的机车信号信息。目前我国 是采用切换方式或叠加方式实现电码化的。无论是切换方式还是叠加 方式，列车信号的发送设备和站内轨道电路的发送设备都是分开的。 从以上分析可看出，基于轨道电路的列车信号系统有如下特点： ( 1 ) 每一信号点都设一个列车信号发送设备，即对应每一条进 路都有个列车信号地面发送设备。 ( 2 ) 地面发送设备的信息传递范围仅限于信号机前方的进路。 ( 3 ) 列车信号的地面发送设备和列车接收设备建立一一对应的 关系，即地面发送设备通过轨道电路，只将信息传输给进入该进路的 列车接收设备；反之，某一进路上的列车接收设备只会收到该进路前 方信号机对应的列车信号发送设备发送的列车信号信息。 ( 4 ) 地面发送设备发送的信息内容只与地面信号显示有关。即 地面发送设备发送的信息内容间接受自动闭塞或车站联锁系统控制。 ( 5 ) 信息的传输方向是由地面向列车单向传输，列车不能向地 面传输信息。 2 2 基于无线通信的机车信号系统的特点 无线机车信号系统用无线通信代替轨道电路传输信息，实现了地 面控制系统和车载控制系统之间的双向通信，地面控制系统可将行车 信号传给车载控制系统，车载控制系统可将其位置、速度等信息传给 地面控制系统，实现了列车与地面的闭环信息确认，不间断地跟踪、 监控列车运行，提高了列车运行的安全性。更易于实现机车信号主体 化、列车在车站和区间控制的一体化以及通信信号一体化。 ! ! 室奎堡查堂堡主堂皇丝苎 2 2 1 无线机车信号系统的构成 无线机车信号系统由地面控制系统、车载控制系统和车一地间无 线通信信道三部分组成f 1 7 】，如图2 2 所示。地面控制系统通过无线通 信信道向车载控制系统传输控制信息，控制列车运行；车载控制系统 也通过无线通信信道向地面控制系统传送列车信息。 图2 2 ：无线机车信号系统组成框图 2 2 2 无线机车信号系统的分类 无线机车信号系统按其通信网络设置和信息传输的特点，可以分 为接近连续式无线机车信号和连续式无线机车信号【1 7 l 。 接近连续式无线机车信号是在进站信号机外方的接近区段开始 不问断地从地面向机车传递信息，控制显示连续地复示前方地面信号 机的显示状态及显示有关的进路和位置信息的机车信号。接近连续式 无线机车信号的有效工作范围是进站信号机外方接近区段、所有接车 进路。接近连续式机车信号系统的网络覆盖如图2 3 所示。 图2 3 ：接近连续式机车信号系统的网络覆盖 连续式无线机车信号是在整个线路上，在歹q 车从一个车站到另一 个车站的整个运行过程中都不间断地从地面向机车传递信息，控制机 北京交通大学硕士学位论文 车信号的显示。连续式机车信号系统中，无线通信网络应该覆盖全部 铁路线路，如图2 4 所示。 图2 4 ：连续式机车信号系统的网络覆盖 2 2 3 无线机车信号系统的特点 基于无线通信的机车信号，与基于轨道电路的机车信号的根本区 别是信息通道由轨道电路变为无线信道，这一变化使机车信号系统的 结构发生了很大的变化。主要体现在： ( 1 ) 列车控制方式的变化，即列车在车站和区间控制的一体化。 基于轨道电路的机车信号系统中，列车在车站通过联锁设备控制，在 区间由闭塞系统控制；在基于无线通信的机车信号系统中，运行在线 路上的所有列车均由车站地面控制系统通过机车信号统一控制，联锁 系统向地面控制系统主机提供各种联锁信息，区间可实现移动闭塞。 ( 2 ) 通信和信号关系的变化，即通信信号相互融合。在基于无 线通信的机车信号系统中，信号系统的功能基于通信系统来实现，通 信系统传输信号系统的信息，通信的控制方式根据信号系统的要求而 定。 基于无线通信的机车信号系统有如下特点： ( 1 ) 每个车站设一个车站地面控制系统，每一列车设车载设备， 车站地面控制系统控制其范围内的所有列车的运行。 ( 2 ) 车站地面控制系统控制信息的发送范围就是车站无线通信 系统的覆盖范围。 ( 3 ) 车站地面控制系统通过无线信道向空间发送信息，列车根 据自身的编号地址，接收发送给自己的信息。 ( 4 ) 车站地面控制系统采集联锁信息，并接收列车信息，据此 生成相应的机车信号信息，发送到列车。 北京交通大学硕士学位论文 ( 5 ) 信息的传输是双向传输，车站地面控制系统向列车发送控 制信息，列车向车站地面控制系统报告列车信息和接收到的控制信 息，形成闭环的信息传输系统。 ( 6 ) 每个车站地面控制系统都有一定的控制范围，因此列车在 运行过程中，机车信号车载设备要依次与各个车站地面控制系统建立 通信联系，接收车站地面控制系统发送的机车信号信息。每一车站地 面控制系统要向其控制范围内的所有列车发送机车信号信息，因此一 个车站地面控制系统要同时与多个车载设备保持通信联系。 无线机车信号系统用无线方式进行双向信息传输，信息来回校 核，实现闭环信息传输，进一步提高了列车运行的可靠性。同时，无 线传输的信息量大，可以实现移动自动闭塞，大大提高铁路运输效率。 2 3c b t c 中的无线机车信号系统 无线机车信号系统是基于无线通信的列车控制系统的中最重要 的组成部分。基于无线通信的列车控制系统除了包括无线机车信号系 统外，还包括车站联锁系统、车载定位系统、列车超速防护装置以及 调度中心，无线机车信号系统需要同这些设备一起工作，共同完成规 定的功能。 无线机车信号系统与无线列控系统中其他相关系统的结构如图 2 4 所示，其中虚线部分是无线机车信号系统的范围。 一一 g p s 定位l - 一 一车载控制系统i + 一 矗弋i l，。一 (磊通信系统) l 调度中心l - 一呻- 地面控制系统 卜一f i 忑i l 一- - j 图2 5 ：无线机车信号与列控中其它系统的关系 北京交通大学硕士学位论文 无线机车信号系统与各系统的关系如下： 1 无线机车信号系统与车站联锁系统的关系 车站联锁系统的任务是协调信号、进路和道岔三者之间的关系， 以保证列车运行的有序和安全，系统和器材的设计要遵循故障一安全 原则。无线机车信号系统中以无线机车信号作为行车凭证，车站保留 轨道电路，检查轨道空闲，作为联锁系统的条件。无线机车信号系统 提供联锁系统的接口，从联锁系统采集车站联锁信息，作为生成机车 信号信息的依据。 2 无线机车信号系统与g p s 卫星定位系统的关系 机车上安装车载g p s 卫星定位系统，可以接收高精度、连续、定 时的定位信息和时间信息，实现列车定位。 无线机车信号车载g p s 卫星定位接口模块负责接收列车的位置 信息和时间信息，经车载控制主机处理后再通过车载无线通信接口模 块传送至车站地面控制系统，实现列车定位。另外，可以在列车的尾 部装设无线通信模块和g p s 接收模块，车尾设备将尾部位置信息发 送给列车头部的机车，可计算出目前车头和车尾的直线距离，作为列 车完整性检查的参考信息。 3无线机车信号系统与制动装置的关系 当列车运行速度超过限制速度时，将通过列车制动装置实施自动 制动，使列车减速，以保证列车在停车点前停车或在限速点前将速度 降至限速值以下。 4 无线机车信号系统和调度中心的关系 调度中心连接多个地面控制系统，它的设立可以将车站股道和区 间统一纳入为区段，而给每一区段设置唯一的行车凭证，列车的车次 号与行车凭证一一对应。行车凭证由车载控制系统向地面控制系统请 求授予，地面控制系统通过发送无线行车凭证信息到车载控制系统指 北京交通大学硕士学位论文 示列车运行，同时行车凭证也可以通过车载控制系统和地面控制系统 确认。由此通过行车凭证实现车站和区间能够进行统一的联锁，这样 就可以保证了行车安全，简化了操作，提高效率。 2 4 小结 本章分析和比较了基于轨道电路的机车信号系统和基于无线通 信的机车信号系统的特点，指出无线机车信号系统最重要的特点是： 车载控制系统随着列车的运行要依次与各地面控制系统建立联系；每 个地面控制系统要同时与多个列车的车载控制系统建立联系；地面控 制系统发送的机车信号信息不但受联锁条件控制，而且受列车运行位 置的控制。分析了无线机车信号系统的特点、结构以及无线机车信号 系统与无线列车控制系统中其他相关系统的关系。 北京交通大学硕士学位论文 第三章连续式无线机车信号地面控制系统 上一章分析了基于无线通信的机车信号系统的特点，在此基础上 本章提出一个基于g s m r 的连续式机车信号系统方案。在无线机车 信号中，移动通信应该完成的功能是：完成车一地信息的可靠、实时 传输。鉴于目前国内轨道电路依然在使用的情况下，我们研究的无线 机车信号是有轨道电路的情况。 3 1连续式无线机车信号系统结构 基于g s m - r 的连续式机车信号系统有地面控制系统、车载控制 系统和无线通信网络g s m r 构成。每一个车站设一个地面控制系统， 每一台机车上安装机车信号车载控制系统，在两个地面控制系统控制 范围的分界点处，应设应答器。如图3 1 所示： 1 、地面控制系统 地面控制系统主要由车站控制主机、人机界面、联锁接口、车站 g s m r 无线通信接口、固定网络接口等构成，各部分的功能如下： ( 1 ) 地面控制主机：地面控制系统的中枢，管理和控制管辖范 围内所有列车，及时进行列车的注册和注销操作。它接收列车定位等 信息，采集联锁信息，并根据这些信息形成机车信号信息，通过无线 通信接口发送给列车的车载控制系统。 ( 2 ) 人机界面：显示车站及区间进路状态、地面控制系统控制 范围内的列车信息、列车追踪运行情况等。 ( 3 ) 联锁接口：地面控制系统设有与联锁设备的接口，通过此 接口，得出列车粗略位置信息，以及采集列车所对应的进路信息等， 由这些信息和注册表共同生成地面控制系统发向各列车的机车信号 信息。 北京交通大学硕士学位论文 图3 1 ：连续式无线机车信号系统框图 ( 4 ) g s m - r 无线通信接口：与机车信号车载控制系统进行无线 通信，负责发送和接收无线机车信号及其相关信息，同时负责信息传 输通道的管理、加密并检查所接收信息的完整性。地面控制系统g s m - r 无线通信接口应该能实现一对多、不问断的通信，也就是说，地面控 制系统的g s m - r 无线通信接口应该与地面控制系统控制范围内的所有 列车的g s m r 通信接口始终保持双向无线联系，实现地面控制系统与 车载控制系统车间的双向数据通信。 ( 5 ) 固定网络接口模块：负责地面控制系统的控制主机与其他 地面控制系统的控制主机以及调度中心的通信。 2 、车载控制系统 无线机车信号系统车载控制系统主要由车载控制主机、车载 北京交通大学硕士学位论文 g s m r 通信接口、查询器、车载定位接口、制动装置、机车信号显 示设备等部分组成。 ( 1 ) 车载控制主机：是整个车载予系统的核心，负责与相应的 地面控制系统建立联系，与车载系统其他功能模块进行信息互传，并 进行控制。它采集列车速度和定位信息，并传送到地面控制系统；接 收地面控制系统发送的机车信号信息并处理，驱动机车信号显示。 ( 2 ) g s m - r 通信接口：负责发送和接收无线机车信号信息及相 关信息，同时负责信息传输通道的管理、加密并检查所接收信息的完 整性。 ( 3 ) 查询嚣：从应答器读取固定的里程标信息和其他相关的信 息，经过处理后传输到车载控制主机：而查询器模块的开启关闭， 则由车载主机控制，即由控制主机决定读取查询器信息的时机。应答 器模块向车载查询器传送精确的列车位置信息和其他相关的信息。 ( 4 ) 定位接口：从车载测速测距设备获取里程信息，得出定位 信息。 ( 5 ) 列车制动装置：处理车载主机对列车的指示信息，可以进 行列车制动。 ( 6 ) 机车信号显示设备：显示机车信号，用于指挥列车运行。 3 2 系统的通信平台 无线机车信号系统最基本的特征是通信技术的应用，而不再是基 于轨道电路，因此如何构成双向数据通信是很重要的问题。铁道部已 经决定采用g s m r 作为我国铁路移动通信系统，2 0 0 3 年国家相关部 门已经批准铁路g s m - r 的专用频段。因此在给定的连续式无线机车 信号系统方案中，无线机车信号系统的无线通信使用g s m r 。 3 2 1g s m r 系统 1 g s m r 系统介绍 北京交通大学硕士学位论文 g s m r 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，针 对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，在基于g s m 的基础设旌及其提供的高级语音呼叫业务( a s c i ) ，其中包含增强多 优先级与强拆( e m l p p ) 、语音组呼( v g c s ) 和语音广播( v b s ) ，并提 供铁路特有的调度业务，包括：功能寻址、功能号表示、接入矩阵和 基于位置的寻址，并以此作为信息化平台，使铁路部门用户可以在此 信息平台上开发各种铁路应用。 g s m r 有三级结构，首先是移动台( m s ) ，包括移动终端( m s ) 和 客户识别卡( s i m ) ： 第二级是基站系统( b s s ) ，它连接无线移动通信网内固定部分和 无线部分。系统是在定的无线覆盖区中由m s c 控制、与m s 进行通 信的系统设备，主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。 它包括基站控制器( b s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。b s c 对个或多个 b t s 进行控制。b t s 为无线接口设备，完全由b s c 控制； 第三级是移动交换系统( m s s ) ，其中m s s 系统主要完成交换功能 和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能，它由移动 交换中心( m s c ) 及与之相连的归属位置寄存器( h l r ) 、拜访位置寄 存器( v l r ) 、移动设备识别寄存器( e i r ) 和鉴权中心( u c ) 等一系 列功能实体构成。其中移动交换中心( m s c ) 是无线通信网的核心部 分，它的作用是对移动台( m s ) 用户为一方及在固定网络公用数据交 换网( p s d n ) 等为另一方的用户的呼叫进行交换。 g s m 系统还有一个操作维护子系统( 0 m c ) ，用来实现对基站分系 统设备的操作和维护，包括对b s s 的人机接口管理、保密管理、配簧 管理、运行管理和出错管理。因此所有网络部件都与此中心相连。 典型的g s m r 移动通信网是由铁路沿线或铁路车站范围内若干个 蜂窝小区组成的。根据通信容量、用户密度，每一个小区是由个或 多个基本通信站( 简称基站) 构成的。一个通信基站控制器负责控制 与其相连的若干个蜂窝小区。 g s m r 的网络组成如图3 2 所示。 北京交通大学硕士学位论文 车载终端 l 基卷i 交案嚣统l 外部网络( b s s ) ( s s s ) ，i 、砰一埔 图3 2 ：g s 肿r 的网络组成图 2 g s m 矗r 与g s f 的区别 铁路移动通信系统所使用的g s m - r ( g s mf o rr a il w a y ) 与g s m 具有以下方面区别： ( 1 ) g s m r 与g s m 频段不同 ( 2 ) g s m r 应用中可以实现优先呼叫制，g s m 尚未应用。 ( 3 ) g s m r 在紧急情况下呼叫最大建立时间为l s ，g s m 尚不行； ( 4 ) g s 卅r 在使用紧急呼叫下，若专用网和公用网使用同一资源 时，专用g s 肛r 用户将使用公用资源过载。 ( 5 ) 针对5 0 0 k m h 高速下，g s m 和g s m _ r 都各有自己特殊算法， 因此这两种软件在实际应用中无法共存。 3 2 2 系统的通信平台 l ，g s m r 网络的无线覆盖及系统构成 g s m r 网络的无线覆盖及系统构成如图3 3 所示。g s m r 网络划 分为若干个无线小区，每个无线小区由一个基站实现无线覆盖( 可冗 余配置) 。在沿路轨方向安装定向天线，以形成沿轨的椭圆形小区； 在话务量较大但对速度的要求较低的编组站内采用扇形小区覆盖；人 口密度不高的低速路段和轨道交织处一般是无c t c s 系统的农村地区， 采用全向小区覆盖。 瞩 i争； 匪一一 震 剖_ 晤 s 一9 tll， l 曲 一，一 由碱 l 引一一 ；| 鳙豆 北京交通大学硕士学位论文 图3 3 ：无线覆盖及系统构成示意图 g s m - r 系统移动交换中心( m s c ) 与基站系统控制器( b s c ) 之 间采用星型光缆连接，基站系统控制器与管辖范围内全部基站( b s ) 通过环形光缆连接起来，每个基站均可通过两个方向与b s c 通信，保 证系统的可靠性。一个基站控制器一般负责一个或多个小区。基站控 制器与移动交换机访问位置寄存器( m s c v l r ) 通过a 接口相连。m s c 提供与其它网络的接口，它的主要功能是完成呼叫交换、控制移动台 的位置更新和越区切换过程。归属位置寄存器( h l r ) 通过n o 7 信令 连接到m s c 和v l r 进行国内及国际寻址，其数据库与a u c ( 鉴权中心) 相连。在空中接口方面，g s m _ r 在g s m 的基础上增加了通知信道( n c h ) ， 用来传送包含组呼信息和组呼信道信息。n c h 的位置在b c c h 的系统消 息中广播。 地面控制系统的控制主机通过g s