（交通信息工程及控制专业论文）基于无线通信的机车信号系统研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y 5 8 6 3 5 2 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。而基于无线通信的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 信的机车信号系统的 特点， 指出无线机车信号系统的特点是: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，分析了基于无线通信的机车信号系统的关键技术以及无线机 车信号系统与无线列车控制系统中其他相关系统的关系。 论文提出了一个基于g s m- r 通信系统的无线机车信号系统方案， 分析了系统的结构、系统的通信平台以 及列车控制的方案，深入研究 了电子路签闭塞的原理，提出了基于电子路签的列车控制方案，并进 行了 计算机仿真。此外，还分析和总结了系统的可靠性和故障一安 全 j性措施。 根据所提出的列车控制方案，结合车站控制中心与车载系统的无 线通信过程， 研究了车站控制中心控制主机和车站 g s m- r无线通信 接口的功能，并对车站控制主机和无线通信接口 进行了软件设计。 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 ， 机车信号，无线通信，g s m- r ，电子路签闭塞 i 未经作11、 36 !a 间忽 勿全文公布 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h e f a s t d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r t 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 y , m i c r o - e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y a n d c o n t r o l t e c h n o l o g y m a k e s i t p o s s ib l e t o t r a n s m i t b i - d i r e c t i o n a l a n d h i g h c a p a c i t y in f o r m a t i o n b e tw e e n t r a i n s a n d s t a t i o n s t h r o u g h r a d i o . a lo n g w i 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 r t t o w a r d s h 电 h - s p e e d , i n f o r m a t i o n a n d n e t w 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 s y s t e m ( 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 t r a i n c o n t r o l s y s t e m . a n d wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b a s e d c a b s i g n a l s y s t e m i s t h e m o s t i m p o rt a n t p a rt o f t h e 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 s y s t e m . t h i s p a p e r s u m m a r i z e s t h e d e v e l o p m e n t a n d t h e c u r r e n t r e s e a r c h s t a t e o f c b t c a t h o m e a n d a b ro a d , a n d s t u d i e s wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b a s e d c a b s i g n a l s y s t e m a c c o r d i n g t o t h e n e e d t o d e v e l o p c b t c i n c h i n a . i t a n a l y s e s a n d c o m p a r e s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t r a c k c i r c u i t b a s e d c a b s 咭 n a l s y s t e m a n d wi r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b a s e d c a b s i g n a l s y s t e m , p o i n t s o u t t h e im p o rt a n t s p e c i a l t ie s o f t h e l a tt e r : c a b s ig n a l b e c o m in g t h e p r i n c ip a l p a r t , c o n t r o l l i n g o f t r a i n s i n s t a t i o n s a n d i n s e c t i o n s b e c o m i n g t h e s a m e , a n d c o m m u n i c a t i o n a n d s i gna l t e c h n o l o g y b e c o m i n g o n e p a r t . i t a l s o a n a l y s e s t h e k e y t e c h n o l o g i e s i n w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n b a s e d c a b s igna l s y s t e m a n d t h e r e l a t i o n s h ip s b e t w e e n t h e s i gna l s y s te m a n d o t h e r s y s t e m s i n t h e t r a i n c o n t ro l s y s t e m . i t p r e s e n t s a p r o j e c t o n g s m - r b a s e d c a b s i g n a l s y s t e m a n d a n a l y s e s t h e s t r u c t u r e , t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m a n d t h e t r a i n c o n t r o l m e t h o d o f t h e s y s t e m . i t p re s e n t s a k i n d o f e l e c t r o n i c t o k e n b l o c k s y s t e m a n d s tu d i e s i t s p r i n c i p l e . a n d i t a n a l y s e s a n d s u m m a r i z e s t h e r e l i a b i l i t y a n d f a i l - s a f e m e t h o d s o f t h e s y s t e m. a c c o r d i n g t o t h e t r a i n c o n t r o l p r o j e c t s p r e s e n t e d a n d t h e 一 一一一 2 北京交通大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o n p r o c e s s b e t w e e n t h e s t a t i o n c o n t r o l c e n t e r a n d t h e t r a i n , i t s t u d i e s t h e f u n c t i o n s o f t h e c o n t r o l c o m p u t e r a n d th e g s m- r i n t e r f a c e o f t h e s t a t i o n c o n t r o l c e n t e r a n d d e s i g n s t h e s o f tw a r e r e s p e c t i v e l y a t l a s t , i t s u m m a r i z e s t h e w o r k s o f t h i s p a p e r a n d p o i n t s o u t t h e d i r e c t i o n o f mo r e s t u d i e s . k e y w o r d s : c b t c , c a b s i g n a l , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , g s m- r , e l e c t r o n i c t o k e n b l o c k 一 -一一一. 一 3 北京交通大学硕士学位论文 第一章 综述 1 . 1 c b t c的提出 1 . 1 . 1 t b t c存在的不足 自 铁路信号出现后，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 b t c. 轨道电路有它不可忽视的优点，如:它能比较完善地检查列车完 整性， 从而为有效地保证行车安全、 提高行车效率发挥了巨大的作用。 可以说基于轨道电路的列车控制系统是铁路信号的基础和特征。然而 随着铁路运输向高速化、信息化、网络化的发展，t b t c越来越不能 满足现代铁路发展的需要。 t b t c利用轨道电路传输地面至车上的信息、检测固定闭塞分区 的占 用情况， 存在如下的问 题 1 1 . ( 1 )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 )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， 例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，还需消除死区段。 ( 6 ) 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。 一一一一-. -一一一一一份， 1 北京交通大学硕士学位论文 1 . 1 .2 c b t c的提出 t b t c存在的上述问题使其难以满足现代铁路的发展要求，因 此 人们在改造、完善现有t b t c系统的同时，一直在积极努力地寻求新 的列车运行控制系统。 新的列车运行控制系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 1 1 . ( 1 )利用车、地间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6 0 年代起， 世界各国相继涌现出了大批的 新型列车运 行控制系统及相关理论。 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” ) ，其 中创建性的指出利用无线传递车、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，使 得利用无线传递车、地间双向信息真正成为可能。无线通信方式具有 -一一一一一一一一 沙z 北京交通大学硕士学位论文 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 所有的运行列车与控制中心的实时双向通信。 ( 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。 由于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无线通信作为车、地间双向 信息通道，即以通信 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 b t c. c o mmu 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 ) . 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 f v l : 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。 定义中指出c b t c中的 通信必须是连续的， 这 样才能实现列车自 动控制。 利用查询应答器和环线装置只能实现车、 地信息的点式不连续传送，因此按照定义，该类应用系统不能称为严 格意义上的c b t c 。这并不意味着查询应答器和环线装置不能用或不 重要， 在利用空间无线的c b t c中仍然需要查询应答器或环线装置提 供点式信息，以校正列车定位信息、列车进、出站标识等. 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， 满足c b t c定义的要求。 基于无线通信的列车控制系统是铁路运输管理系统信息基础设施 的重要组成部分。是无线通信和列车控制两大学科高度融合发展的结 果，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。它以数据通信为纽带，以网络发展为基 础，以安全、高效益、高服务质量为根本目 标。 c b t c是未来铁路控 3 北京交通大学硕十学位论文 制系统发展的方向。 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， 受到一些经济发达国家的普遍 重视，欧洲、日 本等国相继探索和研制类似的系统。 下面对国外c b t c系统的研究情况进行简要介绍 2 - 1 0 ) 1 .2 . 1北美c b t c的发展状况 1 、先进列车控制系统 ( a t c s ) 2 1 北美铁路部门希望首先消除信号盲区，并从节省成本的角度考 虑，希望在上述地区内不再安装地面信号设备，而是通过无线手段实 现列车控制。 1 4 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 t c s ( a d v a n c e d t r a i n c o n t r 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。 2 、 可靠列车间 隔 ( p t s ) 系统 和可 靠列车控制 ( p t c ) 系统1 1 继a t c s 之后， 北美又出现了多种c b t c系统， 其中比 较著名的 有先 进铁路电 子系统a r e s ( a d v a n c e d r a il r o a d e l e c t r o n i c s y s te m ) 和 先进列车自 动控制系统a a t c ( a d v a n c e d a u t o m a t i c t r a i n c o n t ro l ) . 需要强调的是a r e s 的基本思想是希望通过整个系统提供可靠的检查 与平衡手段，降低人为错误的影响，实现安全行车的目的。这一点在 4 北京交通大学硕十学位论文 发展我国c b t c时值得借鉴。 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 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 e t r a i n c o n t r o l ) 系统。1 9 9 4 年a a r 提 交国会的报告“ 铁路通信和列车控制”中详细阐述了p t c的特点， 此 后 a a r放弃了a t c s这一术语，不再作为工业确认而存在，只保留 一部分规范说明。其后各公司推出的c b t c项目 统称为p t c . p t s由u p ( u n i o n p a c i f i c ) 和b n s f ( b u r l i n g t o n n o rt h e rn s a n t a f e ) 公司 投资， g e h a r r i s 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 ( d i f f 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) 、 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v h f 和u h f 频段。 该项目 于1 9 9 8 年8 月完成。 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的安排运营，提高通过能力和运营效率。 1 .2 .2欧洲c b t c的发展状况 1 、欧洲列车控制系统 ( e t c s ) 为建立欧洲统一的铁路信号标准、保证列车在欧洲铁路网内的互 通运营， 提高铁路运输管理水平，欧洲共同 体于1 9 8 9 年1 2 月设立了 欧洲铁路运输管理系统项目 ( e u r o p e a n r a il t r a ff i c m a n a g e m e n t s y s t e m . 简称e r t m s ) . e r t 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 t 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 涉及列车控制和信号方面， 包含了 所有的 5 北京交通大学硕士学位论文 信号技术， 也就是欧洲信号一体化技术。 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可以为地面设备和 车载设备提供连续的、双向的信息 ( 包括数据和语音)传输通道。 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 中的车载设备) 、 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) 。 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 的研究和研制工作。 1 9 9 2 年1 月，国际 铁路联盟 ( 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 t c s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 ( e r r i )的a 2 0 0 小组于1 9 9 8 年8月完成。 2 , e t c s 系统的应用等级 e r t m s / e t c s 技术规范中 定义了的不同 应用等级， 允许各铁路管 理部门根据各自的实际需要来选择合适的 e r t ms / e t c s应用设备。 而且，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 t ms / e t c s 进行接口。 e t c s 中 定义了3 个应用等级， ( 1 )等级 1 : 每个等级具有不同的特征和功能: 等级1 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，由轨道电路检查列车的位置和完 整性。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，设在信号机旁边的应答器通过标准 轨旁电子单元l e u与信号机相连。 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。 ( 2 )等级2 : 6 北京交通大学硕士学位论文 等级2 引入了 铁路专用移动通信网g s m- r ， 实施移动授权。 机车 上装有车载设备，可通过 g s m- r实现与无线闭 塞中心 ( r b c )的连 续不断的数据传输。区间仍划分为固定的闭塞分区，配备有必要的轨 道电路或电子计轴器。 系统利用查询/ 应答器进行列车定位。 机车驾驶 室内 有完善的显示和记录设备，即实现机车信号主体化。是否保留 地 面信号机可作为选择项。 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。 此外系统还具有完善的机车信号( 通常为数字式) 及运行记录装置。 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行权限， 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。 等级3 中，列车运行权限能够通过无线传输进行频繁 的更新，从而能够缩短列车行车间隔， 提高运输效率， 适合在高速与 高行车密度干线上使用。 一 -一-一一一一-一一一 一-一 7 北京交通大学硕士学位论文 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 r a t )和先进列车管理和通信系统 ( a t a c s ) a 1 . 1 、日 本计算机和无线通信辅助列车控制系统 ( c a r a t ) 日本铁道技术研究所于1 9 8 7 年开始了由列车自 行进行位置检测、 用无线传送车、地间双向信息的列车控制方式的研究，这就是计算机 和无 线通信辅助列车控制系统 c a r a t ( c o m p u t e r a n d r a d i o a i d e d t r a i n c o n t r o l s y s t e m )的前身。 在c a r a t ， 中， 运行列车连续测定自 身的位置、速度，并通过无 线发送给地面系统。地面系统接收信息后，跟踪列车运行、监视车站 咽喉区道岔位置和沿线平交道口的状态。根据列车位置、前方道岔和 道口的状态，判断允许列车进入的区段，并将允许区段末端的位置信 息通过无线发送给相应的列车。列车收到信息后，依据线路参数、列 车制动性能计算最大允许速度，并监测自 身速度，如速度高于最大允 许速度则实施制动，从而确保列车不会越过允许区段的末端。接近列 车可以向道口 值班员或线路上的维护人员发送接近报警信息。 2 、 先进列车管理和通信系统 ( a t a c s ) 5 7 在日 本铁道技术研究所发展 c a r a t的基础上，日 本铁路东日本 公司从 1 9 9 5 年开始研究先进列车管理和通信系统a t a c s ( a 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 y s t e m) . a t a c s 系统是应用信息技术的无线列车控制系统， 其主要目 标是 通过简化轨道旁信号设备降低系统的成本、增强安全性、增强列车控 制系统与需求相结合的灵活性。 a t 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。 一一 . 8 北京交通大学硕士学位论文 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。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 连接，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 t a c s 实现的基础。 a t a c s 系统于2 0 0 。 年1 0 月到2 0 0 1 年2 月在仙石线进行了 现场 试验，试验表明，该系统的车上位置检测、无线传输质量和列车间隔 控制符合设计性能。 1 . 3国内c b t c的发展状况 为了 提高铁路运输效率， 保障运输安全，我国一直在进行新的列 车控制系统的探索和研究。 下面以时间顺序介绍一下国内c b t c的研 究 发 展 情 况 i ll 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 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。 1 9 8 9 -1 9 9 1 年， 北京交通大学 ( 当时的 北方交通大学) 负责铁道 部科研项目“ 京沪线开发应用移动自 动闭塞制度可行性研究” 。该科 研项目 分为总体工程部分、铁道信号学部分和几个子课题部分:行车 组织方式与区间通过能力、移动闭塞中的无线数据传输系统、计算机 网及数据库。其中无线数据传输系统子课题分析了通信系统的构成、 无线链路性能、多址接入方式、设备性能与要求等基本问题。 1 9 9 3 年， 北京交通大学针对当时的计算机技术及通信技术的发展 情况， 认为有必要进行c b t c -ma s的现场试验研究， 提出了三份可 9 北京交通大学硕士学位论文 行性论证报告，并于 9 3年 7月在北京交通大学举行了一次 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 车组织三个核心的专题进行了 广泛的研讨。经过广泛、热烈的研讨和 论证， 对m a s 研究得出了肯定性的结论， 认为m a s 对于发展铁路信 号技术、开发列车运行控制系统、推进铁路运行综合技术发展，是一 个非常有潜力的方案，并决定以北京交通大学为主，组织专业力量， 进一步搞好系统设计，加强软件研究，对各关键技术的可行性、可靠 性进行计算机技术仿真。 1 9 9 5 年， 铁道部通信信号公司 研究设计院 程序所与中 船总公司 在 广安门车站联合试验利用d g p s 监视列车位置， 试验用无线电台和轨 道电路两种方式将定位信息传送至车站实验室。 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。 1 9 9 7 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、列控方式进行比较与研讨， 分析了与列控方式有关的 主要研究课题， 如:处理周期、系统故障恢复、断轨检测、与既有系 统共用等。 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 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、 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线应用基于 无线通信的机车信号系统， 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 l o 北京交通人学硕士学位论文 河和西宁分局惶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， 北京交通大学电 子信息工程学院现代通信研究所建成了 g s m - r模拟实验室，并进行了机车信号系统的试验。 国外c b t c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。我国铁路控制系统的现状，与欧洲发展 e t c s 之前的铁路状况 有很多相似之处。目 前，我国正在借鉴欧洲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 ) ，制定c t c s 技术规范。 参照欧洲发展g s m- r / e t c s的成功经验， 我国c t c s 共划分为5 个 应 用 等 级 110 1 . ( 1 ) c t c s 。 级: 既有线的控制模式。 区间 轨道电 路+ 站内电 码化 + 通用机车信号十 列车运行监控装置。 ( 2 ) c t c s 1 级:基于既有设备改造的a t p 系统。适用于既有线 1 b 0 k m / h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 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a t p . ( 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 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 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。 11 北京交通大学硕士学位论文 1 .4基于无线通信的 机车信号系统的 提出 在任何列车控制系统中，信号系统都是列车运行控制的关键。 铁路信号是作为一种行车安全设施产生和发展起来的。铁路信号 设备的发展，经历了手信号、臂板信号、色灯信号几种形式。在拐弯 地段和大雾天气，司机不能准确及时地辨认信号显示的内容，易发生 行车事故，为了提高行车安全性，又出现了复示地面信号显示内容的 机车信号。目 前我国铁路信号系统应用的色灯信号和机车信号都是基 于轨道电路实现的。 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。 传统机车信号的功能是复示地面信号机的显示， 机车信号的显示 应与线路上列车接近的 地面信号机的含义相符。目 前我国机车信号系 统是通过轨道电 路实现地面向 车上传递信息，而基于无线通信的机车 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。 基于无线通信的 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 新的 铁路线的建设和高速铁路的发展，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 信号的系统构成及其方案有就着重要的意义，对于它的研究与试验， - 一一一一一一一 1 2 北京交通大学硕士学位论文 必将推动c b t c在我国的迅速发展。 1 . 5论文的主要内容 本文对基于无线通信的机车信号系统进行研究， 提出基于g s m - r 的连续式机车信号系统方案。各章的主要内容安排如下: 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， 根据电子路签的原理， 提出基于电子路签的列车控制方法，并进行了计算机仿真。此外，还 分析了系统的可靠性和故障一安全性措施。 第四章根据所提出的机车信号系统方案，结合系统的无线通信过 程，分析车站控制主机和车站 g s m- r无线通信接口的功能，并对车 站控制中心主机和车站无线通信接口 进行软件设计。 第五章总结了论文所做的工作，指出进一步研究的方向。 一一， . . -一一叫，. ，目 一， 一.-，. 目- 1 3 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基于轨道电路的机车信号系统 的根本区别是信息通道由轨道电路变为无线信道，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 基于轨道电路的机车信号的功能是复示列车运行前方地面信号 机的显示，以使司机控制列车运行。系统由地面发送设备、信息通道 和机车接收设备组成。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。信息通道为轨道电 路。 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。我国自 动闭塞系统的轨道电路发送设备既是自 动闭塞系统的发送设备，也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， 机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，基于轨道电路的机车信号系统有如下特点: ( 1 ) 每一信号点都设一个机车信号发送设备，即对应每一条进 路都有一个机车信号地面发送设备。 -一一一一一一一一一 1 4 北京交通大学硕士学位论文 ( 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 )机车信号的地面发送设备和机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 机车接收设备;反之，某一进路上的机车接收设备只会收到该进路前 方信号机对应的机车信号发送设备发送的机车信号信息。 ( 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机车单向传输，机车不能向地 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 车、地之间的双向通信，车站可将行车信号和命令传给列车，列车