（交通信息工程及控制专业论文）无线机车信号与GSM—R网络的通信接口研究——车载部分.pdf

y5 8 6 3 6 0 摘要 摘要 随着铁路运输向高速化，网络化的发展，基于通信的列车控制系 统( c o m m u n i c a t i o n b as e d t r a i n c o n t r o l-c b t c ) 正 在成为中 国 铁 路信 号 发展的 方向 。 中国 铁路己 经 制定了 中国 列车 控制系 统( c h i n e s e t r a i n c o n t r o l s y s t e m -c t c s ) 的发展战略， 它共分为5 个应用级别( 级别0 - - 级别4 ) ，在级别3 和级别4 中，将实现基于g s m - r的c b t c系统。 由 于基于无线通信的机车信号是c b t c的核心， 所以 对其进行研究显 得更有必要和更有意义。本论文以青藏线应用作为背景，对无线机车 信号与g s m- r的通信接口 及数据传输的安全性进行了深入研究。 论文分析了基于轨道电路的机车信号系统的缺点，指出了基于无 线通信的机车信号系统的优点，着重分析了基于 g s m - r的机车信号 系统的特点， 描述了 青藏线基于g s m- r的无线机车信号系统的结构。 论文研究了 无线机车信号车载设备与g s m- r网络的接口，说明 了接口的功能及工作流程，并对接口 协议进行了具体的定义。 由于与列车运行安全相关的数据在开放的 g s m- r网络中传输， 所以数据传输的安全性和可靠性是一个非常重要的问题，为此论文着 重研究了r e e d - s o l o m o n 纠错码和加解密技术，提出了适合于g s m- r 的无线机车信号系统数据传输的加密算法和密钥管理技术。 根据青藏线无线机车信号系统的结构，论文实现了车载主机中通 信板的 硬件和软件设计，并对纠错码和加解密算法程序进行了仿真， 结果表明应变时间和可靠性能够满足无线机车信号系统的要求。 关键词:c b t c ，无线机车信号，g s m- r ，纠错码，加密技术 全 抓终汗、 论岭叫惫 摘要 ab s t r a c t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f r a i l w a y t r a n s p o rt t o w a r d s h i g h - s p e e d , i n f o r m a t i o n a n d n e tw o r k i n g , c o m m u n i c a t i o n b a s e d t r a i n c o n t r o l ( c b t c ) i s b e c o m i n g t h e o r i e n t a t i o n o f t h e d e v e l o p m e n t o f c h i n e s e r a i l w a y s i g n a l i n g . a n d r a d i o b a s e d t r a i n c o n t r o l i s t h e b a s e o f c b t c , c h i n e s e r a i l w a y h a s m a d e t h e s t r a t e g y t o d e v e l o p c h i n e s e t r a i n c o n t r o l s y s t e m ( c t c s ) , w h i c h i s d iv i d e d i n t o 5 l e v e l s ( l e v e l 0 t o l e v e l 4 ) . i n l e v e l 3 a n d l e v e l 4 , c b t c b a s e d o n g s m- r w i l l b e r e a l i z e d . i t s h o w s t h a t c h i n e s e r a i l w a y i s n o w d e v e l o p in g t h e c a b s i gna l i n g s y s t e m b a s e d g s m- r n e t w o r k . s o i t i s m o r e n e c e s s a ry a n d s i g n i f i c a t i v e t o r e s e a r c h o n t h e c a b s i gna l i n g s y s t e m b a s e d g s m - r n e t w o r k . wi t h t h e b a c k g r o u n d o f q i n g h a i - t i b e t r a i l w a y , t h i s p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e i n t e r f a c e a n d t h e s a f e t y b e t w e e n t h e o n b o a r d e q u i p m e n t a n d g s m- r n e t w o r k i n t h e r a d i o b a s e d c a b s ig n a l i n g . t h is p a p e r a n a l y s e s d i s a d v a n t a g e o f t r a c k c i r c u i t b a s e d c a b s i gna l i n g s y s t e m, a n d p o i n t s o u t t h e a d v a n t a g e o f r a d i o b a s e d c a b s i g n a l i n g s y s t e m . i t a l s o e m p h a s i z e s t h e a d v a n t a g e a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f g s m- r b a s e d c a b s i gna l in g s y s t e m. wi t h t h e b a c k g r o u n d o f q i n 沙al-tibet r a i l w a y , t h e s y s t e m s t r u c t u re o f g s m- r b a s e d c a b s ig n a l i n g s y s t e m i s p r e s e n t e d . t h i s p a p e r r e s e a r c h e s o n t h e i n t e r f a c e b e tw e e n t h e o n b o a r d e q u i p m e n t a n d g s m- r n e t w o r k i n t h e r a d i o b a s e d c a b s i gna l i n g s y s t e m a n d d e s c r i b e s t h e f u n c t i o n a n d w o r k i n g fl o w i n t h i s i n t e r f a c e . a n d t h i s p a p e r a l s o d e f i n e s t h i s i n te r f a ce c o n c r e t e l y . b e c a u s e t h e v i t a l d a t a r e l a t e d t o t r a i n o p e r a t i o n s a f e t y i s t r a n s m i t t e d i n t h e o p e n c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k , d a t a t r a n s m i s s i o n s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y i s a v i t a l f a c t o r t o b e c o n s i d e r e d i n g s m- r b a s e d c a b s i gna l i n g s y s t e m. s o t h e r e e d - s o l o m o n e r r o r - c o r r e c t i n g c o d e a n d c r y p t o g r a p h i c t e c h n i q u e s 摘要 w i l l b e a n a l y z e d . t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d t h e p r a c t i c a l p r o j e c t o f c i p h e r t e c h n i q u e s a n d k e y m a n a g e m e n t s y s t e m o f i n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n i n g s m- r b a s e d c a b s i g n a l i n g s y s t e m . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f g s m - r b a s e d c a b s i g n a l i n g s y s t e m i n q i n g h a i - t i b e t r a il w a y , t h i s p a p e r r e a l i z e s t h e d e s i g n o f h a r d w a r e a n d s o f tw a r e o f t h e c o m m u n i c a t i o n b o a r d i n t h e o n b o a r d m a i n c o m p u t e r . t h e s i m u l a t i o n f o r th e e r r o r - c o r r e c t i n g c o d e a n d c ry p t o g r a p h i c a l g o r i t h m s p r o g r a m h a s b e e n f i n i s h e d . t h e r e s u l t s h o w s t h a t r e s p o n s e t im e a n d r e l i a b i l i t y s a t i s f i e s t h e r e q u i r e m e n t o f r a d i o b a s e d c a b s i g n a l i n g s y s t e m . k e y w o r d s : c b t c , r a d i o b a s e d c a b s i g n a l i n g , g s m- r , e r r o r - c o r r e c t i n g c o d e , c ry p t o g r a p h i c t e c h n iq u e m 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1基于通信的列车控制系统c b t c 1 . 1 . 1基于轨道电路的列车控制系统 的缺点 铁路信号已经有一百多年的发展历史，而基于轨道电路的列车控 制系统是铁路信号的 基础。 基于轨道电路的列车控制系统主要利用轨 道电路传送地面至车上的信息。轨道电路为保证行车安全，提高行车 效率发挥了巨大的作用，它有不可磨灭的优点，如:能比较完善地检 查列车完整性。随着铁路运输向高速化、信息化、网络化的发展，基 于轨道电路的列车控制系统越来越不能满足现代铁路发展的需要，它 有一些明显的 缺点1 1 . ( 1 ) 只能使用较低的 频率发送信息， 如果传输频率过高， 由 钢轨集 肤效应导致信号的衰耗增大，因此，为保证有效的传输距离， 轨道电路只能以较低的频率发送信息。 ( 2 ) 列车速度的 提高需要对列车实施更为精确的 控制， 这就需要车 上、 地面之间传输大量的信息， 但为满足列车控制对信息传递 实时性的要求，轨道电路只能传输较少的信息量. ( 3 ) 轨道电 路受环境影响大， 如: 阻抗变化、 天气变化、 牵引回 流 千扰。 ( 4 ) 通过轨道电 路只能 判断闭 塞分区 是否 被占 用， 而 无法 判断 列车 在闭塞分区的具体位置，这就会造成线路通过能力的降低。 ( 5 ) 利用轨道电 路 难以 实现车上至地面的 传输， 也就 无法实 现 真正 意义上的列车闭环控制。 ( 6 ) 用轨道电 路 构成闭 塞分区时 的分割对 长钢 轨的 应用 造成障 碍， 如采用无绝缘轨道电路，需增设补偿电容抵消钢轨衰耗的影 响，此外，还需消耗死区段。 ( 轨道电路需要大量电 缆， 其投资费用几乎占 整个自 动闭 塞系统 第一章 绪论 的一半，同时维护费用也很大。 1 . l 2基于通信的列车控制系统的优点 基于通信的列车控制系统( c b t c ) 这一思想的萌芽出 现在2 0 世纪 6 0 年代，2 0 世纪8 0 年代初国外开始系统地展开研究并进行阶段性测 试，9 0 年代开始进入试验段测试阶段。1 9 9 9 年9月，i e e e将c b t c 定 义为: “ 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” 2 1 。 定义中 指出c b t c中的 通信必须是连续的， 这样才能实现连续自 动列车控制，利用轨间电缆、漏泄电缆和空间无 线都可以实现车、地双向信息的连续传输。 c b t c的基本原理如图1 - 1 所示i l l . s cc2 车站1bs2o be2二一 bs3 vo bei 车站2 - 1 c b t c的基本原理图 调度控制中 心d c c ( d i s p a t c h c o n t r o l c e n t e r ) 控制多 个车 站控 制中 心s c c ( s t a ti o n c o n t r o l c e n te r ) ， 实 现 相 邻s c c 之间 的 控 制交 接。 s c c 通 过管 辖范围内 的 多 个 基站b s ( b a s e s t a t io n ) 与 覆 盖范围 内 的 车 载设 备o b e ( o n b o a r d e q u i p m e n t ) 实时 双向 联系。 列车 在区 段内 运行时， 通 过 全 球定 位系 统 ( g p s ) 、 查 询 应答 器或 里程 计 装置实 现列 车 位置 和 速 度的测定，o b e利用无线通过基站b s 将列车位置、速度信息发送给 s c c . s c c通过 b s周期地将目 标位置、速度及线路参数等信息发送 给后 行列车。 o b e收到 信息后， 根 据前车运 行状态唯置、 速度、 工 第一章 绪论 况 ) 、 线 路 参 数 湾道、 坡 度 等 ) 、 本 车 运行 状 态、 列 车 参 数 ( 列 车 长 度、 牵引 重 量、 制 动 性能 等 ) ， 采 用 车 上 计 算、 地 面( s c c ) 计算 或 是 车 上、 地面同时计算，并根据铁路信号故障 一 安全原则，比较、选择的方 式，预期列车在一个信息周期末的状态能否满足列车追踪间隔的要 求，从而确定合理的驾驶策略，实现列车在区段内高速、平稳地以最 优间隔追踪运行。 与基于轨道电 路的 列车控制系统相比， c b t c具有如下特征 i2 j . ( 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、地双向数据通信网络，实现与传统列 控系统相比容量显著增加的控制、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，可 根据具体应用提供自 动列车防护、自 动列车驾驶、自 动列车监督。 借助先进的 列车定位技术、安全处理器技术和无线通信技术，使 得c b t c 与传统基于轨道电路的列车控制系统相比， 具有如下优点 1 1 . ( 1 )通过整个系统提供可靠的检查与平衡手段，通过车、地间 双向 信息传输，实现对列车的闭 环控制，从而大大降低人为错误的影 响，系统的可靠性更高。 ( 2 )各级调度都可以随时了解区段内任意运行列车的位置、速 度、机车工况及其它各种参数，利用上述信息，各级调度可以规范、 协调地直接指挥行车。 ( 3 )车站控制中心依据列车状态及前车状态，结合智能技术调 整列车运行，获得最佳的区间通过能力，减少列车在区段内 运行时不 必要的加速、制动，节省燃料，增加旅客乘坐舒适度。 ( 4 ) 区段内 所 有运行 列车的 各 种参数( 如: 列车号、 机车号、 位 置、 速 度、 工况、 始 发站、 终到 站、 车 辆数、 载重量 等 ) 自 动地发 送给 各种管理系统，如:t mi s . d mi s ，不需要人工键入，从而可以避免 对参数的 漏键、 错键、迟键和其它人为错误，将运输控制与管理紧密 结合，实现铁路信息化。 ( 5 ) 减少沿线设备，设备主要集中于车站和机车上，减轻设备 第一章 绪论 维护和管理的劳动强度， 受环境影响小( 如: 和损伤 ) ， 在 遭受自 然灾害 或战争 破坏 后， ( 6 )可以实现移动闭塞。 可减少雷击等现象的干扰 易恢复运行。 1 .2国内外c b t c的研究现状 1 . 2 . 1国外的研究现状 1 .2 . 1 . 1北美c b t c研究现状f3 -s t 1 9 8 2 年由美国铁道协会a a r 和加拿大铁道协会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 d t r a i n c o n tr o l s y s t e m ) . 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 系统构成，分别是:机车车载系统、现场设备、工务车车载系统、数 据通信系统和中央调度系统。 先进铁路电子系统a r e s ， 由 美国北方柏林顿公司b n和r o c k w e l l 公司于 1 9 8 3年共同推出，1 9 8 4 年在明尼阿波利斯的两台机车上测试 了数据无线和g p s 。系统分为控制部分、数据部分和车辆部分，由操 作控制、道旁接口 单元、数据传输、g p s 接收、机车分析与报告、能 源管理和车载显示 7个子系统组成。数传子系统为一个工作在 v h f 频段的通信网络，提供移动部分和控制部分的数据通道。 先进列车自 动控制系统a a t c , 1 9 9 3 年提出，由联邦技术再投资 项目 资助， h u g h e s a i r c r a ft和m o r r i s o n k n u d s e n 合作为美国旧 金11 j 海 湾高 速运输线b a r t ( b a y a r e a r a p i d t r a n s i t ) 开发。 系统采用h u g h e s a i r c r a f t 为军队开发的 e p l r s ( e n h a n c e d p o s i t i o n l o c a t i o n r e p o r t in g s y s t e m ) 实 现列 车定位， 利用 扩频无线 信号、 t d m a方式 传递车、 地信 息。 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最 新技术， a a r于 1 9 9 4年提出了可靠列车间隔 p t s ( p o s i t i v e t r a i n s e p a r a tio n ) 和可 靠 列 车 控 制p t c ( p o s it iv e t r a in c o n tr o l ) a p t s 由u p ( u n i o n p a c ifi c ) 和b n s f ( b u r l i n g t o n n o r t h e rn s a n ta f e ) 公 第一章 绪论 司 投资， g e h a r r is r a i l w a y e l e c t r o n i c s 公司 负责系 统的开发、 测 试。 p t s 通过d g p s 田i ff e r e n t g l o b a l p o s i t i o n i n g s y s t e m ) , i性 传感器 和里 程计实现列车定位。 数字无线通信网络工作在v h f , u h f 频段。 p t c是在p t s 的基础上， 改进a t c s 的等级标准后， 进一步实现 列车的闭环控制。实施的形式可以是固定闭塞或移动闭塞。 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，提高线路通过能 力;通过接收列车位置、速度等实时数据，使调度员有更充裕的时间 安排列车会让， 修订行车计划， 地面人员能够准确估计列车到达时间， 使枢纽和编组场更好地安排运营，提高通过能力和运营效率。 1 .2 . 1 .2 欧洲c b t c的研究现状 . 德国 无线 列 车 控制 系 统( f z b ) + s 1 德国铁路早在 6 0年代就开始研究用于最高行车速度 2 0 0 k m / h的 连续式列车运行控制系统l z b , 7 0 年代后期开始推广。 通过铺设轨间 感应电缆传递车、地信息，信息量大，抗干扰能力强，适用于混运型 区间，但由于需要全程铺设轨间电缆、造价高且易受工务作业干扰。 1 9 9 3 年， 西门子公司推出无线列车控制系统f z b , f z b通过e u r o - b a l i s e 实现列车定位，利用现有移动通讯系统 g s m实现车、地间双向 信息 的 传递， 取代l z b的轨间电缆。1 9 9 5年， 西门子公司开始在柏林一 莱比锡全长约 1 5 0公里的区段安装调试，预期 1 9 9 7年开通并投入使 用。该试验段仍然通过轨道电路反映区段占用情况，微机联锁设备 ( e s t w ) 根据进路状 况、 值班员命令 等形成 行车命令， 传 递给f z b设 备，由f z b形成数据码发送至无线基站， 由无线基站转发给机车。 这 些数据包括各种线路限速、临时限 速、目 标速度、目 标距离、线路参 数等。列车收到信息后，车载计算机计算出当前的最大允许速度，在 驾驶台上显示出来，并对列车运行速度进行监控。同时对列车重新定 位，如果列车位置与收到的电 码一致，则予以 确认， 否则进行修改。 回执信息以不同 频率，从机车向g s m传递。回执信息包括列车位置 确认及其它列车参数。地面控制中心收到应答信息后，重新确定整个 第一章 绪论 控制区段上所有运行列车的精确位置， 给出新的命令信息， 如此反复， 每秒钟完成1 4 次循环。 . 法国 实时 追踪自 控化系统( a s t r e e ) 9 1 法国 国 营 铁 路公 司 ( s n c f ) 于1 9 8 6 年开 始了 a s t r e e 的 研究 工 作， 目标是提高线路通过能力、提供统一的安全级别、降低运转费用。 a s t r e e通过车载多普勒雷达和查询应答器实现列车位置、速度的测 定，其系统概念与a t c s 类似。a s t r e e系统包括四个关键部分:列 车位置和速度的连续检测; 列车和控制中心的双向通信;分布式数 据库， 存储线路上每列运行列车的位置、 速度、 加速度、 长度、 重量、 牵引能力、制动性能、到达站、始发站、列车运行图等信息;基于计 算机的列车控制系统。 a s t r e e的车载设备包括多普勒雷达、 查询器、 里程计、列车完整性检测装置、无线收发装置、车载计算机。地面设 备包括道岔监控装置、无线收发站、应答器、列车组成读取装置。 . 欧洲铁路列车控制系统e t c s i 2 . 1 71 欧洲铁路的现状是各国铁路的标准、模式不统一，有各自的a t p 及a t c系统。 各国铁路的轨距、 信号设备和供电系统都不尽相同， 这 种制式上的差异对各国铁路之间的连续运输形成了 不容忽视的障碍， 欧洲铁路面临规范和统一各国铁路列车运行控制系统的紧迫问题。 1 9 9 1 年，欧共体国 家签署了 研制 “ 欧洲列车控制系统” e t c s的备忘 录，由欧共体资助e t c s 的研究和试制工作。 1 9 9 2 年1 月，国际铁盟 ( u i c ) 给出e t c s 的 项目 说明、 相 关的 功能 和系 统 的 技 术 规 范。 详 细的 规范 ( 包括e ms 的 功能条 件、 系统 技术条 件、 各相关子系统的 技术条 件以 及 有 关 系 统 安 全、 环 境、 可 靠性 等的 技 术条 件 ) 由 欧 洲 铁 路 研究 所 甲 i7) 的a 2 0 0 小 组 于1 9 %年6 月 完 成。 1 9 9 8 年夏 天 ， 为了 最 终 完 成 规范的 制订 ， 由 欧洲各大信号公司组建的u n i s i g形成。 1 9 9 9年 4 月2 3日 编制完成了 系统需求标准 ， 2 0 0 0 年 4 月2 5日 签署了e r t m s 第 1 级的技术规范。 到此为止 ， 这个系统终于诞生了 ， 它为提供较高 的运营控制和管理系统铺平了道路。e t c s在实施方面具有不同的功 第一章 绪论 能级别，各国可根据本国铁路信号设备的条件、要求达到的功能、投 资能力确定采用的功能级别。 等级1 : 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。 等级2 :在a t p 基础上提供带目 标速度显示的机车信号，通过轨道电 路或是里程计实现列车定位。该级别可以取消地面信号。 等级3 :提供a t c ，取消轨道电路，在车上安装检测列车完整性的故 障一安全设备，通过查询应答器或环线装置给车载设备提供位置信 息。在级别3 ，列车通过无线将位置、速度信息发送给主控中心。 e t c s系统 分为 三 个主 要模块: e u r o - c a b ( e t c s中的 车 载设备 ) 、 e u r o - b a l i s e ( -j e u r o - l o o p ， 查询应 答器或 环线装置 ) 和e u r o - r a d i o ( e t c s 中对g s m - r的 称谓) 。 对e u r o - b a l i s e 和e u r o - c a b 的 研究己 于1 9 %年 完成，对e u r o - r a d i 。 的试验也正在德国、法国和意大利等国 进行。 1 9 % 年的世界铁路研究大会提出 在己 经使用机车信号的三个国 家的铁路线上进行应用e t c s系统的实验。这三个国家分别是德国、 法国、意大利。在西班牙马德里一塞维利亚的 e t c s试验和维也纳一 布达佩斯的试验中 ， 互联互通运营的试验己经取得了巨大的成功。 2 0 0 1 年初系统在意大利试验线上试用， 另外还有一些不同等级的商业 项目。其它国家也陆续安装了一些试验区段。如表1 - 1 所示: 表 1 - 1 e t c s 试验段 国家名称 试验段 德国 曼 海姆 一 斯图加 特( 部分线路 ) 柏林 一 哈雷了 莱比锡 科隆 一 法兰克福 法国 巴 黎 一 图 尔安 里尔 一 里昂 意大利 罗马 一 佛罗伦萨 都灵 一 莫丹 米兰 一 基亚索 英国伦 敦 一格拉 斯 哥 ( 西 海 岸 千 线 ) 第一章 绪论 西班牙马德里 一 塞维利亚 瑞士 奥尔腾 一 卢泽恩 伯尔尼 一 奥尔腾 新线 苏黎士 一 卢加诺 新线 波兰库诺维茨 一华沙 奥地利/ 匈牙利维也纳 一 布达佩斯 德国/ 捷克布拉格 一 德雷斯顿 欧洲已 从e t c s 过渡到欧 洲铁路运输管理系统e r t m s ( e u r o p e a n r a i l t r a ffi c m a n a g e m e n t s y s t e m ) . 1 9 9 2 年e r r i 提出e r t m s , e t c s 是这个综合项目的一个组成部分。 e r t ms 覆盖了整个国有铁路系统， 包括车票的发售、旅客信息、欧洲各国铁路互操作性等，将列车控制 与管理融为一体。由 九个欧洲信号公司组成的联盟e u r o s i g选择了 西班牙的马德里一塞维利亚全长 4 0公里的区段作为 e r t ms的试验 段。试验工作于 1 9 9 8 年展开，试验速度2 5 0 公里/ 小时，如果试验成 功，会在法国、德国、意大利试安装。 1 . 2 . 1 .3 日 本c b t c的 研究现状1 8 - 1 9 . 日本的计算机和无线电辅助列车控制系统 日 本铁路信号系统经历了列车运行监控 a t s ( a u t o m a t i c t r a i n s u p e r v is io n s y s t e m ) 、 a t c 、 数 字 式a t c 、 计 算 机 和 无 线 通 信 辅 助列 车 控 制系 统c a r a t ( c o m p u te r a n d r a d io a id e d t r a i n c o n t r o l s y s te m ) 的 发展历程。 现行列车控制系统是一种列车超速防护系统 ， 存在以 下缺 点 : 在进行最强的自 动制动时 ， 虽然能保障安全， 但会造成旅客乘 坐不舒适。采用速度分级控制的多段制动方式，加大了 运行间隔。 闭塞区间长度必须根据制动性能最差的列车来确定，降低了混运型 区间运输效率。 地面向车上传送信息量小。鉴于此日 本铁道技术研 究所于 1 9 8 7年开始综合应用计算机和无线通信技术的新型的“ 计算 机和无 线电 辅助列车 控 制系 统”( c a r a t ) - c a r a t包括地面系统和车载系统两部分。地面系统分为地面监控 第一章 绪论 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。 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。 . 先进列车管理和通讯系统a t a c s j r 东日 本正在开发的 新一代列车控制系统a t a c s 协d v a n c e d t r a i n a d m i n i s t r a t i o n a n d c o m m u n i c a t i o n s s y s te m) 系统，相当于欧洲的 e r t ms 3 系统， 其主要特征是不再采用以前的轨道电路检测列车位置， 而是利用最新的数字通信和计算机技术等进行列车控制。以 列车间隔 控制为例，列车通过传感器进行自我定位，然后将位置信息传送到地 面站，地面站根据前车的位置返回其停车位置。列车的车载控制装置 根据停车位置、本车的位置速度、车辆性能、线路状态等生成速度控 制曲线，当 超速时启动制动器进行自 律控制。a t 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。 1 .2 .2国内c b t c的 研究现状1 1 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。随后，北京铁道学院成立专题科研组，分信号控制与 无线通信两部分进行试验研究。张林昌教授负责无线通信部分，并在 天津现场进行试验。 1 9 8 9 -1 9 9 1年， 铁道部成立科研项目 “ 京沪线开发应用移动自 动 闭塞制度可行性研究，o 1 9 9 3 年， 针对当时的 计算机技术及通信技术的发展情况， 有必要 进行c b t c -m a s 的现场试验研究， 提出了三份可行性论证报告， 并 于9 3 年7月举行了一次c b t c -m a s的可行性论证报告审定会，就 信号控制、无线传输、行车组织三个核心专题进行了 广泛的研讨。 1 9 9 4 -1 9 9 8 年， 北京交通大学与瑞典d a l a r n a 大学、 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 第一章 绪论 件的制订、理论研究、计算机仿真等方面取得了一定成果。 1 9 9 9年，北京交通大学电信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、无线信 道的安全性等问题进行了论述。 8 0 年代至9 0 年代， 国内学者对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，在国内、国际发表了大量的论文。 在第一勘察设计院主承担2 0 0 1 年铁道部科技司“ 青藏线通信信号 系统技术方案的研究” 项目， 北京交通大学承担无线机车信号和列车控 制系统方案、无线移动通信系统方案等四个子课题的研究和编写工 作。 2 0 0 2 年由 北京交通大学校、院两级投资7 0 万元设立无线机车信 号基金项目，资助完成青藏线无线机车信号的研究及两套样机的生 产，其中每套样机包括一台地面设备和两台车载设备。并完成在青藏 线清水河和西宁分局涅源站地区无线机车信号在现场的性能试验。 进一步开展了 青藏线无线机车信号系统主体化问 题和基于 g s m- r通信平台相关问题的前期研究。 1 .3基于g s m- r的无线机车信号系统的提出 近年来随着无线通信技术的飞速发展，无线通信的可靠性、可用 性大大提高，同时无线通信可以实现大信息量的双向 通信，除了满足 列控系统需要外， 还可用于调度指挥信息， 可以满足铁路信息化对固 定设备与移动体大容量信息交换的要求。中国 铁路已 经制定了发展中 国 列 车 控 制 系 统c t c s ( c h in e s e t r a i n c o n tr o l s y s t e m ) 的 策 略， c t c s 被 分成5 个级别2 0 1 c t c s o 级: 有线的控车模式 c t c s 1 级:基于既有设备改造的a t p 系统 c t c s 2 级:基于轨道电路信息的a t p 系统 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 第一章 绪论 c t c s 4 级: 完 全 基 于 无 线通 信 ( g s m - r ) 的a t p 系 统 在级别3 和级别4 中，实现了 基于g s m - r的c b t c网络。中国 铁路发展 g s m- r的基本战略:既有线提速，客运专用，青藏线建设 和高速铁路研究，对通信信号技术的发展提供了新的发展机遇。列车 提速后，铁道部提出了机车信号要尽快实现主体化的明确要求，加快 推进铁路通信信号技术一体化，实现对列车移动体的控制己提到重要 议事日 程。 欧洲g s m- r的成功运用， 为我国提供了良好的技术借鉴， 发展中国铁路 g s m- r的时机已经成熟，并将成为中国铁路通信信号 技术发展的重要领域。 g s m- r适应中国铁路移动通信发展的需要， 具有适应铁路运输特 点的功能优势，具有成熟的技术优势，可支持铁路移动通信的可持续 发展， 符合通信信号一体化技术发展的需要。 g s m- r是基于成熟的公 共网 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。g s m- r移动通信网作为承载平台有以下2 项主要优点: ( 1 ) 选用g s m- r技术可以延用在世界上广泛使用的g s m技术， 解决各国铁路通信的互联互通问题。 ( 2 )为信号体制提供一个可以互联互通的运行平台. 中国铁路正在大力发展基于 g s m- r的列车控制系统。因为基于 无线通信的机车信号系统是实现c b t c的基础， 所以对于它的研究与 试验， 必将推动c b t c在中国迅速发展与应用。 列车控制信息通过无 线的g s m - r网络传输，控制信息的安全性及控制信息在通信接口 如 何传输都成为重要的问题。对于基于 g s m- r的机车信号系统的研究 国内尚 无可以参考的资料， 所以对无线机车信号和 g s m- r网络的接 口和数据传输的安全性研究有着非常重要的现实意义。 1 .4论文的 主要内 容 第一章综述了基于轨道电路的列车控制系统的缺点以及基于通信的 列车控制系统的优点，着重分析了基于 g s m- r的机车信号系统的特 点。 第一章 绪论 第二章描述了基于g s m- r的机车信号系统的结构和工作原理。 第三章分析了无线机车信号车载设备与 g s m- r网络的接口，介绍了 接口的功能及工作流程，并对接口协议进行了具体的定义。 第四章研究了基于 g s m- r网络的无线机车信号系统数据传输的可靠 性和安全性，为此着重分析了 r e e d - s o l o m o n纠错码和加解密技术， 提出了适用于基于 g s m- r的无线机车信号系统数据传输的加密算法 和密钥管理技术。 第五章对无线机车信号车载设备与 g s m- r网络的通信接口 板进行了 硬件和软件设计，并对纠错码和加解密算法程序进行了仿真，结果表 明应变时间和可靠性能够满足无线机车信号系统的要求。 第六章对论文工作进行总结，并提出了进一步研究的思路。 第二章 基于g s m- r的无线机车信号系统 第二章 基于g s m- r的无线机车信号 系统 基于g s m- r的无线机车信号系统是利用g s m- r系统提供的专用 数据通道传输机车信号信息， g s m- r数字移动通信系统提供了一个综 合移动通信系统平台，可服务于多种用户，满足话音、数据等多种业 务的传输， 经过二次开发后， 无线列调通信也可纳入其中。 g s m- r系 统在欧洲铁路有广泛的应用，但在国内尚无应用的先例， 所以对基于 g s m- r的无线机车信号系统的 研究是很有意义的。 2 . 1应用背景 举世瞩目的青藏铁路于 2 0 0 1年已经正式动工修建。青藏铁路新 建段东起青海格尔木，西至西藏拉萨，全长 1 1 4 0 km ，其中海拔高于 4 0 0 0 m地段有9 6 5 1a n ，占全长的8 4 %，多年冻土地段有5 4 7 1a n ，占全 长4 8 %。 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。 众多不利因素给青藏铁路站前和站后工程勘察、设计、施工、后勤、 设备和物资保障，以及今后铁路运营和管理都造成很大困难，这在世 界上也绝无仅有。对于列车运行控制方式也是一次极大的挑战，若沿 用国内现行基于轨道电路的列车运行控制方式，这些不利因素会影响 或改变轨道电 路的参数，使轨道电路难以正常稳定工作， 直接危及行 车安全。鉴于在青藏高原 修建 铁路的 特殊性，因 此采用g s m - r无线 机车信号方式进行列车运行控制是可能的最佳方法之一，它可以 做到 信号设备数量少，工作可靠， 维护作业量小，能耗低， 节省人员2 1 1 无线机车信号系统分为连续式无线机车信号和接近连续式无线 机车信号。 连续式无线机车信号是在整个区间线路上不间断地从地面向机 车传递信息，控制显示部分连续地复示前方地面信号机的显示状态及 第二章 基于g s m - r的无线机车信号系统 显示有关的 进路和位置信息的 机车信号。 一般使用于自 动闭塞区段。 在青藏线设计连续式无线机车信号需要建造1 0 0 多个无线基站系统， 达到无线通信场强在青藏线全线覆盖。这将使得无线通信的工程造价 和维护工作量大幅增加，超出了青藏线低密度的运输需求，是没有必 要的。 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 不间断地从地面向机车传递信息，控制显示部分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 接车进路及股道。这就能够满足青藏线单线自 动站间闭塞条件下的技 术要求。本论文主要研究适用于青藏线的接近连续式无线机车信号。 2 .2基于g s m一的接近连续式无线机车信号系统结 构 基于 g s m- r的接近连续式无线机车信号系统如图2 - 1 所示，主 要由车载设备、车站设备及车一 地间无线通信传输设备三部分组成。 ( 1 ) 地面设备 地面设备主要包括地面主机、 无线数据传输设备接口、 联锁接口、 信号微机监测接口 等。地面设备主要负责采集有关行车信息，并将信 息经过安全编码处理后，发送给机车，指挥列车安全运行，同时，对 送出信息和收到的回执信息进行记录。地面主机是地面设备的 核心部 分，主要负责信息的收集、处理、转送和记录等. 第二章 基于g s m - r的无线机车信号系统 信号显示机构 图2 - 1基于g s m - r 的 接近连续式无线机车信号系统图 地面设备的主要功能是: 1 )对进入车站控制范围内 列车进行注册管理， 对驶出车站控制范围 的列车进行注销管理; 2 )依据车站联锁的 进路条件和调度命令，生成机