（交通信息工程及控制专业论文）虚拟闭塞机的研究.pdf

中文摘要 摘要；随着计算机技术、通信技术和控制技术的飞速发展，已有多个基于无线通 信的列车控制系统在国外铁路线上应用，极大地改善了铁路运输的面貌。论文研 究的虚拟闭塞技术是基于现有的无线机车信号的虚拟闭塞列车控制系统，能够和 既有的车站联锁系统相结合，以虚拟闭塞的方式控制列车在区间运行，虚拟闭塞 机是虚拟闭塞列车控制系统地面设备中的控制核心。论文研究了虚拟闭塞列车控 制系统的组成、功能和关键技术，设计了虚拟闭塞机的结构，研究虚拟闭塞机与 外部系统的关系，及相互间的信息流，论文主要研究了列车在站内和区间的运行 控制、虚拟闭塞机的控制范围、虚拟闭塞机之间的控制权切换、列车的注册和注 销、数据记录和临时限速等，最后从软硬件设计的角度对虚拟闭塞机进行了可靠 性和安全性分析。 关键词：虚拟闭塞；列车控制；无线通信；机车信号 分类号：u 2 8 4 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec 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 n t 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 y , m a n ya t r a i nc o n t r o ls y s t e m sb a s e do i lt h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nh a v eb e e nu s e di nt h ef o r e i g nr a i l w a y s ，w h i c hc h a n g e st h er a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o ng r e a t l y n 忙v i r t u a lb l o c kt e c h n o l o g yr e s e a r c h e db yt h i sp a p e r i sav i r t u a lb l o c kt r a i nc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lt h ee x i s t e n tw i r e l e s sc a b s i g n a l t h e s y s t e mc a nb ei n c o r p o r a t e dw i t l l t h ee x i s t e n tt r a i ns t a t i o ni n t e r l o c k i n gs y s t e m a n d c o n t r o lt h et r a i n sr u n n i n gi nt h es e c t i o na c c o r d i n gt ot h ev i r t u a lb l o c kw a y , t h ev i r t u a l b l o c km a c h i n ei st h ec o n t r o lc o r eo ft h es t a t i o ne q u i p m e n to ft h ev i r t u a lb l o c kt r a i n c o n t r o ls y s t e m n ep a p e rs t u d i e sa b o u tt h em a k e u p f u n c t i o na n dc r i t i c a lt e c h n o l o g y o ft h ev i r t u a lb l o c kt r a i nc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n st h es t r u c t u r eo ft h ev i r t u a lb l o c k m a c h i n e , a n dm a k eas t u d ya b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ev i r t u a lb l o c km a c h i n ea n d o t h e rs y s t e m s a sw e l la st h ed a t af l o w sa m o n gt h e s es y s t e m s ，w h a t sm o r e , t h ep a p e r m a i n l ym a k e sar e s e a r c ho i lt h et r a i nc o n t r o lo u t s i d ea n di n s i d et h es t a t i o n ，c o n t r o la r e u o ft h ev i r t u a lb l o c km a c h i n e ，c o n t r o lp o w e rs w i t c hb e t w e e nt h ev i r t u a lb l o c km a c h i n e s ， r e g i s t r a t i o na n dw r i t i n go f f o f t h et r a i n , d a t an o t ea n dt e m p o r a r ys p e e dl i m i t 1 1 h ep a p e r a n a l y s e st h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r t yo ft h ev i r t u a lb l o c km a c h i n ef r o mt h ep o i n to f s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni nt h ee n d k e y w o r d s ：v m u a lb l o c k ；t r a i nc o n t r o l ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；c a b - s i g n a l c l a s s n o ：u 2 8 4 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) 学位论文作者签名：j d 、易 签字日期：扩7 年，2 月7 尹同 导师签名：乏多伽 签字闩期乏。乒，z 月耐日 z 椰。” 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：磊签字日期：7 年溯砷日 致谢 本论文的工作是在我的导师王俊峰副教授的悉心指导下完成的，王俊蜂副教 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 年多来王俊峰老师对我的关心和指导。 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，在此向王俊峰老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，张楠、齐元芹、马磊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。 韭塞交道去堂臻翌僮论 塞 i直 l 引言 1 1虚拟闭塞技术的研究背景 目前中国铁路总营业里程约为7 5 万公里，其中有半多还是单线铁 路，主要采用半自动闭塞行车方式。根据铁路“十一五”规划思路，2 0 1 0 年， 中国铁路营业里程将达到9 万公里，其中复线、电气化率均达到4 5 ，单线铁路 所占的比重将不会有太大变化。半自动闭塞制式单线铁路在过去中国经济发展中 发挥了重要作用，然丽在信息化的时代中，半自动闭塞的劣势越来越明显，半自 动闭塞技术落后，闭塞设备陈旧，维护费用高，效率低下，影响铁路运输效率的 进一步提高。 我国的单线铁路主要集中在边远、经济发展比较落后的地区，随着中国经济 持续快速稳定地发展及西部大开发战略的实施，铁路作为中国最重要的运输方式 之一，对经济发展的重要作用将更加明显，铁路运输的需求将进一步增加，而目 前半自动闭塞铁路线的运输能力将不能满足经济发展的需求。在必要时可以将单 线扩建成复线来解决运力不足的问题，但这种办法成本很高，而对于多数单线半 自动闭塞区段来说，扩建成复线更多的是一种资源浪费，运输需求的增长并不能 充分利用复线的运输潜能。那么适合我国国情的办法就是对既有的单线半自动闭 塞区段进行改造，在单线不改建复线的情况下，利用先进的列车控制技术，挖掘 半自动闭塞区段的潜能，提高运输效率及保证列车运行安全来解决这一新的问题。 1 9 9 7 年至今的l o 年中，中国铁路成功进行了6 次大提速，铁路运输经历了跨 越式的发展，列车速度大大提高，铁路运输的潜能得到进一步的挖掘，这是适应 经济快速发展的必然要求。目前开通的动车组时速可达到2 0 0 公里，根据铁路发 展规划，铁路运输将向着高速化的方向发展，中国计划修建多条时速3 0 0 公里以 上的客运专线，而且武汉至广州、北京至天律、郑州至西安、石家庄和武汉的客 运专线已经开始兴建，客运专线的建成将极大的改善人们的出行方式，很可能围 绕客运专线形成中国新的经济格局。目前我国的铁路运输形成了以落后的半自动 闭塞和先进的自动闭塞共存，低速铁路和高速铁路共存，落后的列车控制系统与 新技术武装起来的先进列车控制系统共存的格局。次外，中国的城市轨道交通发 展也非常迅速，目前已经规划、建设和开通城轨交通的城市就有2 0 多个，在。十 五”期间，中国特大城市的地铁和轻轨通车里程将超过1 5 0 0 公型州，同样也需 要新的列车控制技术来满足城轨高密度安全运行的需求。这些为中国研制先进的 列车控制技术研究创造了难得的发展机遇。 随着信息化社会的到来，铁路在经历了电话闭塞，路签闭塞、路牌闭塞、半 自动闭塞、自动闭塞各个时期后，也开始搭乘信息化的快车，计算机、通信和控 制技术被用于新型列车运行控制系统的研制，铁路列车控制系统正向着基于通信 的列车控制方向发展。基于无线通信的先进列车控制系统已经出现，新的列车控 制技术的应用推动着铁路朝着高速化方向发展，高速化必然带来高的运输效率。 1 2基于无线通信的列控技术发展状况 2 0 世纪8 0 年代以来，许多国家开始研究基于通信的列车控制系统( c b t c ) ， 世界上出现了多种基于通信的列车控制系统，虚拟闭塞技术属于c b t c 的范畴， 近年来国内也开始了基于通信的列车控制系统的探索研究。 1 2 1国外基于无线通信的列控技术发展状况 国外c b t c 的发展以美国、欧洲和日本为代表，这些国家和地区很早就开始 涉足基于通信的列车控制技术的研究，并且都有各自成熟的列车控制系统在应用。 1 2 1 1 美国基于无线通信的列控技术发展状况 f f c s 是美国g e 公司于上世纪9 0 年代研发的基于无线通信技术的信号产品。 它将车站联锁控制、区间虚拟闭塞和超速防护3 项功能集于体，既可叠加在既 有信号系统上，也可以独立运用，同时不要求在轨旁设置地面信号机和轨道电路。 因此，这个系统既适用于既有线改造，也适用于新线建设。f f c s 由虚拟自动闭塞、 车载列控、车地信息无线传输、卫星定位等系统构成。系统设备主要由轨旁设备 ( r b c + v h l c ) 和机车的1 1 r c s 车载设备等构成【3 ”。无线闭塞中心( r b c ) 通过 无线方式和车载设备进行无线通信，根据列车发送的位置信息向车载设备传递行 车命令，v h l c 在无联锁设备的车站可实现联锁功能，在微机联锁车站，可从微 机联锁采集站场信息传给车站控制中心，车载设备具有超速防护功能，根据线路 参数，机车性能等生成一次连续速度模式曲线。 1 9 9 5 年3 月，g e 公司接下美国位于芝加哥和底特律之间的铁路密歇根线的提 速改造工程，对密歇根线的1 7 7 公里线路进行在既有信号基础上叠加i t c s 的改造。 1 9 9 5 年6 月开始研发并开展工程设计，系统设计最高时速为2 5 0 公里。这段线路 于1 9 9 8 年试运行，2 0 0 0 年投入商业运营。原有传统闭塞最高时速为1 2 7 公里，采 用f f c s 后，最高时速达1 4 5 公里，2 0 0 5 年列车最高时速提高到1 7 7 公里，运输效 率大大提高 ”。 2 a a t c 是由美国b a r t ( b a y a r e a r a p i d t r a n s i t ，旧金山港湾地区高速) 与休斯航 空公司自1 9 9 2 年共同开发的基于无线通信的列车控制系统，其功能类似于欧洲的 e t c s 和日本的a t a c s 系统。a a t c 利用了美国军用高精度定位系统，来实现列 车追踪，通过测量列车头部和尾部的无线装置与沿线设置的地面无线装置之间无 线电波的传输时间，确定出列车位置。系统的特点是地面( 即车站) 设有智能系 统，车站监视多个列车的运行状况，并灵活地利用这些信息实现列车的节能运行p l 。 美铁道协会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 t i o n ) 和可靠列车控制p t c ( p o s i t i v et r a i nc o n 舡0 0 。p t s 由u p ( u n i o np a d f i c ) 和 b n s f ( b u r l i n g t o nn o r t h e r ns a n t af e ) 公司投资，g eh a r r i sr a i l w a ye 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 ( d i f f e r e n tg i o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e , n ) 、 惯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 f u h f 频段。 p t c 是在p t s 的基础上，改进先进列车控制系统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 可实现准 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 。 1 2 1 2 欧洲的e t c s 欧洲铁路运输管理系统( e u r o p e a nr a i lt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称 e r t m s ) 是在整个欧洲铁路网内保证互通互营的一个新的控制管理系统，它主要 由欧洲列车控制系统e t c s ( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，欧洲运输管理系统 e t m s ( e u r o p e a n t r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 和无线通信系统g s m r 三部分组 成。其中e t c s 系统发展分为5 个应用层面，按照设备和功能只分三个等级，从 e t c s l 级到e 1 s 3 级，等级的划分也体现了欧洲列车控制系统向着基于无线通信 方向发展的趋势。 e t c s l 级分为只采用欧洲点式应答器，及采用欧洲应答器和欧洲环线两种方 式，相同的是通过应对其给出移动授权；有轨道电路检查完整性和列车定位，不 同的是欧洲环线可以连续接收信息，这两种方式也可组合运用。 e t c s 2 级采用欧洲点式应答器和欧洲无线g s m r 构成，不需要太多的柜旁设 备，通过g s m - r 向列车进行移动授权，通过点式应答器为列车定位，由轨旁的无 线闭塞中心检查列车的完整性，可以取消地面信号，列车按照车载信号运行 e t c s 3 级由点式应答器和欧洲无线g s m r 构成，在车上安装检测列车完整性 的故障一安全设备，取消轨道电路，通过查询应答器给车载设备提供位置信息， 列车通过无线将位置、速度信息发送给主控中心，可以实现移动闭塞运营州。 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 ( 含 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 9 6 年完成，对e u r o - r a d i o 的试验也正在德国、 法国和意大利等国进行。1 9 9 6 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。在西班牙马德里塞维利亚的e t c s 试验和维也纳布达佩斯的试 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l 】。e t c s 将把欧湘铁路带入一个高 速、信息化的时代。 1 2 1 3 德国基于无线通信的列控技术发展状况 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，适用于混运型区阉，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i i “。 此外，为了降低运营情况简单的支线铁路的信号设备投资和运营费，2 0 世纪 末，德国铁路和工业厂家开发了基于无线通信的列车运行控制系统( f f b ) 。采用 f f b 系统的线路可取消地面信号机、地面闭塞设备，由g s m - r 传输的机车信号为 单一主体信号，f f b 线路上运行装有车载计算机的智能列车，车站装备智能化道 岔转换设备，道口设备也实现智能化。该系统在最高速度为1 2 0 k m h 的地区线路 上应用，采用特殊技术后可适应1 6 0 k m h ，高级别的f f b 能够和e r t m s e t c s 兼 容。西门子公司和庞巴迪公司能够提供该系统的设备，庞巴迪公司在凯撒斯劳滕 一劳特埃肯的劳特塔尔铁路安装了f f b 系统，并于2 0 0 0 年进行了试验；德国的布 拉克韦德一迪森巴特罗滕费尔德线由西门子公司提供系统设备，于1 9 9 9 年1 0 月 开始试验，2 0 0 0 年6 月投入运营p j 。 1 2 1 4 法国基于无线通信的列控技术发展状况 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。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 4 韭 塞 銮道太堂亟堂位j 金塞i l 直 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 成读取装型“j 。 由于高速铁路车地问信息速率要求很高，所以欧洲的高速铁路大都采用列车 无线通信系统实现高速列车的车地之间的信息传输，在法国的t g v - a 商速铁路线 上就采用瑞士的a u t o n p h o n 型无线通信来实现车地信息传输。 1 2 ，1 5 西班牙的a t l a s m2 0 0 西班牙国家铁路公司r c n f e 在欧洲的高速铁路市场有着重要的地位，先进的列 车控制技术使其从欧洲的高速铁路中获得了巨大收益。a t l a s t m2 0 0 是西班牙新 型的基于无线通信的列车控制系统，符合e t c s 2 级的标准，系统工作在固定闭塞 方式，由轨旁设备产生移动授权，并经g s m - r 网路发送给车载设备，点式应答器 主要被用于提供位置参考，该系统可叠加在基础信号系统之上，能够满足高速铁 路对信号控制系统的要求1 4 j 。 1 2 1 6 日本基于无线通信的列控技术发展状况p 】 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 ar 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。 1 9 9 5 年起日本铁路东日本公司着手开发利用移动通信和计算机的新一代列车 控制系统a t a c s ( a d v a n c e dt r a i n a d m i n i s t r a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) ，相 当于欧洲的e r t m s 3 系统，a t a c s 系统用数字无线电监测列车自身位置，从车上 向地面传送位置信息。地面将根据现行列车位置和路线确定出停车衔接信息，并 传送给列车，从而控制列车间隔，a t a c s 系统于2 0 0 0 年在日本仙石线进行了现场 试验，目前正在进行实用化开发。 1 2 1 7 国外城市轨道交通中c b t c 的发展状况 虚拟闭塞技术在城市轨道交通中得到广泛应用，世界上有多家厂商研制生产 了应用于城市轨道交通的c b t c 系统，以阿尔卡特、阿尔斯通，西门子、庞巴迪 等为代表的外国公司都有自己独立的产品。在城市轨道交通中，所谓c b t c 系统 是基于通信和计算机的系统，线路的固定闭塞控制完全由计算机实现，采用车载 定位描述轨道占用，而以计算机软件形式实现闭塞的逻辑。线路的分区划分仍同 传统的固定闭塞一样是固定的。所不同的是，分区划分不再是沿线路明显指示， 而是固定存储于固定的轨旁设备及车载设备。运行的列车实时确定列车位置，并 将所占用的分区实时地通知地面轨旁设备。轨旁设备将此信息送给后续追踪列车， 后续列车确定距前方占用分区的距离，监控列车运行。这样一种方式，现在国外 又称为虚拟闭塞”z j 。 目前国外有多条城市轨道交通线路采用了c b t c 技术，巴黎1 4 号线的列车运 行控制系统( m e t e o rs y s t e m ) 是当今世界上最先进的城市轨道交通列车运行控制系 统之一，采用了基于虚拟闭塞( v - m e a lb l o c ks y s t e m ) 的准移动闭塞系统。该系统 在综合运用多项先进技术的基础上，实现了城市轨道交通列车驾驶、运行控制、 调度指挥的高度自动化，大大提高了系统效率，节省了人力。此外，旧金山机场 捷运采用庞巴迪f l e x i b t o c k 自动列车控制技术( 现以改名为c i t y f l o6 5 0 自动列 车控制技术) ，新加坡东北地铁线采用阿尔斯通的u r b a l i s3 0 0 ( 现在称为 m a s t r i a ) ，阿尔卡特公司的c b t c 在同行业中处于领先地位，采用阿尔卡特 c b t c 系统部署的无人驾驶线路包括：全球第一条无人驾驶线路温哥华天车世博线 ( 1 9 8 6 ) 、美国底特律市中心捷运线( 1 9 8 7 ) 、美国坦帕机场捷运线( 1 9 9 2 ) 、马来 西亚吉隆坡轻轨二期( 1 9 9 8 ) 、全球第一条利用无线c b t c 的美国拉斯维加斯单轨 线( 2 0 0 4 ) 、同样利用无线c b t c 的香港地铁迪斯尼乐园专线( 2 0 0 5 ) 、以及正在 实施中的美国华盛顿杜勒斯机场捷运线( 2 0 0 9 ) 和阿联酋迪拜机场轻轨线( 2 0 0 9 ) 等等 3 0 l 。 国外的基于通信的列车控制技术的研究起步比较早，其中基于无线通信的列 车控制技术也取得了很多成果，有不少的基于无线通信的列车控制系统在速度级 别不同的铁路线上应用，大大提高了铁路运输的效率。使人们的出行更加便捷、 舒适，同时也为中国研究基于通信的列车控制技术提供了参考。 1 2 2国内基于无线通信的列控技术发展状况 中国较早提出了先进的列控思想，但相关研究发展比较慢，中国的列车控制 技术相对于世界先进技术还存在一定差距。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”，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l l ”。 6 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 i t , 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。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，并完成在青藏线清水河和西宁分局湟源站 地区无线机车信号在现场的性能试验【1 1 】。2 0 0 5 年北京交通大学轨道交通安全与控 制国家重点实验室承担了铁道部科研项目：“中国列车控制系统c t c s 3 级列控关 键技术方案及关键技术的研究”，按照中国列车控制系统划分的5 个等级，c t c s 3 级和欧洲的e t c s 2 级相似，也是通过无线通信技术传递车地列控信息，2 0 0 7 年又 开始承担铁道部科研项目：“中国铁路c t c s 3 列车控制系统的研究与开发”的研 究工作。 我国第一个国产城市轨道交通a t p 系统由中国铁路通信信号集团公司研制成 功，是城市轨道交通试验型准移动闭塞a t p 系统，具有国际先进技术水平，a t p 系统主要由区域控制中心、数字化无绝缘轨道电路和a t p 车载设备构成。列车按 照机车信号显示人工驾驶运行，取消区间地面信号机，列控系统采用连续速度控 制模式，列车控制模式的生成以车载设备为主，地面信息为辅。并于2 0 0 6 年1 月 在长春轻轨正式开通了试验段，系统运行稳定。尽管该系统仍是通过轨道电路来 进行车地通信，但它采用准移动闭塞的控制方式，是国内虚拟闭塞技术在城轨交 通中的首次运用。 目前国内还没有成熟的虚拟闭塞技术投入大铁路的运营，青藏铁路引迸了美 国g e 公司的i t c s 系统，是国内唯一一条采用了虚拟闭塞技术的线路。青藏铁路 2 0 0 1 年开始修建，历经五年2 0 0 6 年开通运营。采用了虚拟闭塞技术的青藏铁路区 间不设轨道电路和信号机，通过无线通信网路g s m - r 传输车地列控信息。系统设 备少，易于维护，车站实现无人值守，对于高寒、高海拔、缺氧、人烟稀少的青 藏线来说，虚拟闭塞技术无疑是非常适合的选择。 1 3虚拟闭塞技术的发展前景 论文研究的虚拟闭塞技术基于既有的无线机车信号的虚拟闭塞列车控制系 统，类似于c t c s 3 级，和国外其它基于无线通信实现自动闭塞或移动闭塞的列车 控制系统不同，该虚拟闭塞列车控制系统可实现准移动闭塞，按照虚拟闭塞分区 防护列车在区间运行，区间不再划分闭塞分区、设置轨道电路和信号机，其功能 与美国的i t c s 系统相似。其研究目的和德国的基于无线通信的列车运行控制系统 7 j e塞銮遵太堂 亟 堂鱼j 金 塞 j i畜 ( f f b ) 相似，主要针对中国支线铁路和单线半自动闭塞制式铁路的改造和提速， 不同于应用于城市轨道交通的虚拟闭塞技术。 尽管虚拟闭塞列车控制系统与美国的i t c s 系统功能相似，但实现方式存在很 大差别，和i t c s 系统相比，它设备少，最大限度地利用了现有的铁路信号设备来 实现虚拟闭塞的功能。在地面，虚拟闭塞系统将i t c s 系统的无线闭塞中心r b c 的功能完全集中到车站的核心控制单元虚拟闭塞机中，每个车站只需设置一 台虚拟闭塞机，相邻站虚拟闭塞机通过光缆相连接；它能够与车站联锁接口，利 用原有的车站联锁进行站内列车安全控制，不需要i t c s 当中的逻辑计算单元 v h l c 来实现车站联锁功能；同时虚拟闭塞列车控制系统能够和既有的微机监测、 c t c 或t d c s 分机接口。虚拟闭塞列控系统的所有地面设备都集中在车站。车载 设备可以利用既有的列车运行监控记录装罱和列尾装置e o t ，分别实现列车的超 速防护和完整性检查的功能，车载无线机车信号是车载的主要控制设备，向列车 提供车载信号，通过人机界面和声光报警，指导司机驾驶，通过g p s 卫星定位接 收装胃实现列车的定位功能。 基于无线机车信号的虚拟闭塞列车控制系统和既有的基于轨道电路的列车控 制系统相比，设备少，结构简单，易于维护，成本低廉，采用无线通信网络进行 车地数据传输，是列控技术发展的大趋势。作为发展速度最快的发展中国家，中 国经济的快速发展对铁路运输的需求越来越高，而在当前铁路高速化、信息化发 展的时期，中国铁路技术的发展显得有些滞后。中国有着漫长铁路线，如何对既 有的半自动闭塞区段进行技术改造，以较低的成本最大限度地发掘半自动闭塞区 段的运输能力，是解决经济发展对铁路运力需求增长这一矛盾的有效途径。作为 世界大国，中国需要拥有自己的先进的列车控制技术，而基于无线机车信号的虚 拟闭塞列车控制系统顺应列车控制技术发展潮流，非常适合于中国国情，对于改 造和提高支线铁路和单线半自动闭塞区段铁路的运输能力有很大优势，在我国将 有着广阔的发展空间，加快这一技术的研究应用，对于提高中国的列车控制技术， 促进国民经济的协调发展都有着深远的意义。 1 4论文主要的工作和内容安排 1 4 1论文的主要工作 虚拟闭塞列车控制系统建立在既有的无线机车信号系统基础上，是基于无线 通信的列车控制系统，论文结合无线机车信号系统的特点，研究了虚拟闭塞列车 控制系统的结构、组成、功能和关键技术，经过分析构建一个完整的系统概念。 8 j e塞銮煎去堂亟 堂鱼j 盒 塞 i i直 论文设计了虚拟闭塞机的冗余结构，并研究了其与外部系统的关系，主要研究虚 拟闭塞机对列车在站内和区间的运行控制、虚拟闭塞机的控制范围、虚拟闭塞机 之间的控制权切换、列车的注册和注销、数据记录和临时限速等实现方法，将故 障安全性纳入到虚拟闭塞机的软硬件设计和实现方法研究中。 1 4 2 论文内容安排 第一章是引言，讲述虚拟闭塞技术研究的背景和意义，介绍了基于无线通信 的列车控制技术的国内外发展状况，及虚拟闭塞技术的发展前景。 第二章开始研究基于无线机车信号的虚拟闭塞列车控制系统，研究了系统各 部分的组成和功能，以及关于系统实现其功能的关键技术，最后通过对虚拟闭塞 列车控制系统特点的描述形成一个完整的系统概念。 第三章研究虚拟闭塞机的组成，设计虚拟闭塞机的安全冗余结构，通过研究 虚拟闭塞机和外部系统接口和信息流，来说明虚拟闭塞机如何与外部系统结合以 实现其控制功能。 第四章研究虚拟闭塞机的控制方法，本章从多个方面研究虚拟闭塞机控制功 能的实现，包括虚拟闭塞机的控制范围，虚拟闭塞分区的控制权切换，虚拟闭塞 机对列车在站内和区白j 的控制等等。 、 第五章从硬件和软件设计的角度分析了虚拟闭塞机的可靠性和安全性，并进 行了可靠性框图分析和安全性分析。 第六章对论文的研究进行了总结，并对虚拟闭塞技术进行了展望。 9 j e 塞銮通太堂亟堂僮论塞虐越团塞到奎撞劁丕统 2 虚拟闭塞列车控制系统 虚拟闭塞列车控制系统是一种先进的列车控制系统，它建立在现有的无线机 车信号系统的基础上，充分利用既有的列车控制信号设备，采用g s m - r 无线通信 网络作为车地列控信息传输的通道，将区闯划分成若干虚拟闭塞分区，并设置虚 拟信号机，按照虚拟闭塞分区防护列车在区间运行。系统根据前行列车的位置、 安全追踪间隔等向后续列车提供行车许可、目标速度值等信息。从地面监控设备 上可看到区间虚拟闭塞分区和虚拟通过信号机，这些只是逻辑上的存在，实际当 中不设轨道电路和通过信号机，车载设备接收差分g p s 坐标信息，按照存储车载 设备中的线路电子地图确定列车位置；根据列车尾部装置信息进行列车完整性检 测，并将列车定位信息和列车完整性信息传回到地面虚拟闭塞机。车载设备可接 收无线机车信号、进路信息、临时限速、d g p s 信息及调度命令，列车监控装置根 据这些信息，以及由列车位置检索出的线路静态信息，生成控制速度和目标，距离 模式曲线，对列车进行超速防护。虚拟闭塞机可以根据调度中心c t c 或t d c s 下 发的调度命令和i 庙时限速命令，对列车实施作业和限速控制，列车以机车信号为 主体信号行车，可以进行列车追踪运行，极大提高线路的运输效率。调度中心通 过c t c 或t d c s 网络接收各站虚拟闭塞机闭塞信息和列车运行信息，实现列车运 行监控。 虚拟闭塞列车控制系统的研究主要针对现有的半自动闭塞铁路线的改造，车 站内保留既有的车站联锁系统，由联锁系统完成进路的联锁检查、办理和取消， 虚拟闭塞列车控制系统可与车站的c t c t d c s 分机、微机监测等既有系统连接， 极大的降低成本和系统维护费用，可实现调度中心、车站和列车的统一和分散自 律控制。既有的半自动闭塞线路可以保留原有的系统设备，在特殊情况下，可以 作为虚拟闭塞列车控制系统的备用系统继续使用，确保铁路运输的顺利进行。 2 1虚拟闭塞列车控制系统的结构 虚拟闭塞列车控制系统是基于无线机车信号的列车运行控制系统，应用无线 方式传输车地信息，系统的结构如图2 1 所示，虚拟闭塞列车控制系统在区间不设 轨道电路和信号机，列车按照机车信号行使，设备较少，可分为地面子系统、车 载子系统和g s m r 无线通信子系统三大部分。地面子系统主要完成列车的实时监 控和向列车进行移动授权，车载子系统的功能是控制列车按照行车命令安全运行， g s m - r 无线通信网络用于车载子系统和地面子系统进行双向信息传输，该技术己 1 0 韭塞銮通盔堂亟堂焦论塞虐越团塞到王撞制丕统 经比较成熟，可选用既有的技术实现。 图2 i 虚拟闭塞列车控制系统结构图 f i 9 2 1v m u s lb l o c kw a i nc o n t r o ls y s t e ms t a t u r e 2 2虚拟闭塞列车控制系统的设备构成 2 2 1虚拟闭塞列车控制系统的地面设备 虚拟闭塞列车控制系统的地面设备主要集中在车站，包括虚拟闭塞机、无线 机车信号地面设备、d g p s 差分基站，无源应答器、无线机车信号人机界面，以及 既有的c t c t d c s 车站分机、车站联锁和微机监测等设备，共同完成系统的地面 控制功能。 虚拟闭塞机是虚拟闭塞列车控制系统的控制核心，采用安全计算机结构设计， 主要完成对本控制区内列车的控制功能，虚拟闭塞机设有静态数据库，存放着虚 拟闭塞机管辖区段的线路电子地图和参数表，电子地图上设定虚拟闭塞分区、虚 拟通过信号机，线路参数表记录着线路的固定特征，用作车载设备计算速度模式 曲线的参考，虚拟闭塞机为每一列注册的列车上传线路电子地图和参数表。虚拟 闭塞机与c t c 或t d c s 车站分机、车站联锁、微机监测、邻站的虚拟闭塞机等外 部系统接口，综合外部系统的数据信息和收到的列车位置、完整性等信息，产生 列车行车许可命令，并通过g s m - r 网络传输给车载子系统，保证虚拟闭塞机管辖 区段内列车的运行安全。 无线机车信号作为地面设备之一扮演着地面设备无线传输的角色，无线机车 信号设置有g s m - r 无限模块，负责接收列车反馈的运行状态信息，和发送虚拟闭 塞机产生的行车控制命令，此外将这两类通信数据进行保存，可以在无线机车信 号人机界面( m m i ) 上调用察看。考虑到虚拟闭塞机实现控制工作非常繁忙，因 此在无线机车信号地面设备中也存储线路电子地图和参数表，由无线机车信号根 据虚拟闭塞机下达的发送线路电子地图和参数表的命令，选取相应的线路电子地 图和参数表发送给车载设备。无线机车信号可与联锁设备相连，从车地通信中获 取信息，通过人机界面显示出来，在人机界面上能够监视线路的占用情况和列车 的运行状态。 虚拟闭塞列车控制系统采用g p s 卫星定位技术确定列车位置，在每个车站设 置d g p s 差分基站，将产生的差分信息引入虚拟闭塞机，虚拟闭塞机在处理后将 差分信息发送给车载设备，作为g p s 卫星定位位置的修正依据，以提高列车的定 位精度。 系统中采用无源应答器用于列车在站内的定位和道岔侧向限速，其布置情况 如图2 2 所示，只在预告信号机、进站信号机和站内的列车信号机处设置。其中预 x 3 卜。 图2 2 应答器分布图 f i 9 2 2b a l i s ed i s t r i b u t i o n 告信号机和进站信号机处的应答器还分别起到注册失败提示和里程计开始计数提 1 2 示的作用。 2 2 2虚拟闭塞列车控制系统的车载设备 虚拟闭塞列车控制系统的车载设备包括车载无线机车信号、列车运行监控装 置l k j 2 0 0 0 、人机界面、记录单元、应答器采集单元、里程计、g p s 模块、列尾 装置e o t ，h o t 等。 无线机车信号是虚拟闭塞列车控制系统车载设备的主要控制单元，采用双机 热备安全结构设计，负责与车站内的虚拟闭塞机进行列控信息交换，接收来自虚 拟闭塞机的移动授权。无线机车信号设备本身设计有与g s m - r 的接口，可以直接 与g s m r 模块相连接；无线机车信号对g p s 卫星定位位置、里程计获得的里程 值和列车长度进行综合计算，确定列车的有效位置；无线机车信号与列车运行监 控记录装置通过串口进行数据通信，向列车运行监控记录装置传送线路参数表、 机车信号、列车的有效位置，及与运行监督记录有关的信息；通过应答器采集单 元获取站内位置信息。 车载设备可充分利用既有的列车运行监控记录装置l k j 2 0 0 0 ，发挥其超速防 护功能，监控列车运行，强制执行各种速度限制，根据线路参数、前方目标限速 和机车性能计算一次连续制动曲线，必要时实施强制制动。列车运行监控记录装 置能够有效地防止调车作业中冒进调车信号、冲撞存留车辆、撞土挡和车列超速 造成的事故，而且还可以通过系统记录的历史数据，分析事故原因，为安全管理 提供依据f s j 。由于虚拟闭塞列车控制系统的车地信息是以无线方式传递，所以列车 运行监控记录装置的信息大都是从无线机车信号获得，并向无线机车信号传递司 机号、车次号和最大允许速度等信息。 应答器采集单元可采用既有的应答器信息接收模块( b 1 m ) ，通过车载b t m 天线向地面发送信号，地面的无源应答器被激活后，向其发送存储的报文信息， b t m 主机对收到的报文解码【lo 】，然后送给无线机车信号。 里程计采用测速测距传感器实现定位和测速功能，它可作为g p s 卫星定位的 备用装置，通过对列车的车轮转速的测量计算出列车的走行距离，当其与g p s 系 统确定的位置差值过大时，要根据g p s 位置信息进行修正。 记录器和车载无线机车信号相连接，用于记录车载设备的状态和和无线机车 信号的各种输入输出信息，可采用记录卡保存数据，存储空间可按照实际需求设 计，由维护人员定期下载记录卡中的数据，分析列车的运行信息。 g p s 模块包含两个g p s 接收器，用于接收g p s 卫星定位数据，提供列车位置 的经纬度信息，其中一个g p s 接收器给列车提供标准时钟。 列尾装置e o t 用于列车完整性检查，通过专用数传电台将列尾信息传递给机 车里的接收装置h o t ，h o t 将列尾信息实时传给无线机车信号。 车载无线机车信号和列车运行监控纪录装置共用一个人机界面，人机界面设 置扬声器和键盘，能够显示车载设备和机车信号的状态、时间、列车控制方式、 实际运行速度及限制速度等信息，可接收司机输入列车信息、司机信息、车次号 信息等有效信息以及操作命令和行为并转化为系统可以接收的有效信息，人机界 面能够直观的反映列车的工作状况，便于