（通信与信息系统专业论文）ais、gis在移动自动闭塞系统中的应用.pdf

摘要 随着铁路即将进行的第六次大面积提速，我国已经融入了世界铁路提速的时代 潮流，提速推动了铁路基础设施的改善，受到广大群众与社会各界的肯定。但随 着铁路提速战略的实施，行车安全的问题凸现了出来。火车事故时有发生，有的 造成人员伤亡，有的造成了列车颠覆，中断行车，给国家和人民的生命财产带来 了巨大的损失。 铁路高速度、高密度运输的发展，必须依靠先进的铁路通信信号系统来进行控 制和管理。固定闭塞系统在铁路信号系统中一直占据统治地位，但渐渐不能满足 速度提升、运输密度加大的需求，对列车的类型以及环境的适应性也不强。移动 自动闭塞系统运用了现代化的通讯手段和计算机自动控制技术进行列车运行状态 的控制，从根本上改变了固定闭塞系统对列车运行的控制方法，有效地压缩了追 踪列车间隔时间，提高了区间通过能力，是一种先进的列车运行控制系统。 本文首先讨论了m a s 的研究背景、国内外发展的历史与现状，并对m a s 的 一个典型应用一基于通信的列车控制系统做了深入探讨。本文在前人对基于通信 的列车控制系统研究的基础上，分析了基于通信的列车控制系统的优缺点，提出 了基于a d s 、g i s 的移动自动闭塞系统的系统模型。本系统的技术特点：引入a d s 的组网方式、s o t d m a 通信方式、数据传输方式、数据封装形式等已在海上应用成 熟的技术及方法：引入了地理信息系统的思想管理电子地图、铁路地理数据；与 基于通信的列车控制系统相比，本系统的优点：在结构上采取分散式列车自动控 制，降低了集中式车站管理如果车站系统出故障，系统瘫痪的风险，在安全上得 到保障。 本文的软件仿真系统是利用北京超图公司的s u p e r m a po b j e c t s2 0 0 3 组件在 v c + + 6 0 集成环境下开发，软件系统可以实现电子地图的管理，属性数据库的查 询、修改，列车a i s 信息的编解码，并留有语音接口、列车制动接口。 最后，论文对所做的研究工作进行了总结，指出了进一步的研究方向。 关键词：地理信息系统：船舶自动识别系统：移动自动闭塞系统；基于通信的列 车控制系统；s u p e r m a p a b s t t - a c t w i t ht h es i x t hs p e e d - r a i s i n go ft h er a i l w a yt ob ec o m i n g ，o u rc o u n t r yh a sb e e ni n h a r m o n yw i t ht h et i m et i d e w a yo ft h ew o r l d w i d er a i l w a ys p e e d - r a i s i n g , w h i c hg i v e sa n i m p u l s et o t h ei m p r o v e m e n to ft h ef u n d a m e n t a le s t a b l i s h m e n ta n dr e c e i v e sw i d e a p p r o v a lf r o mt h ep u b l i c h o w e v e r , a st h es t r a t a g e mb r i n g si n t oe f f e c t ，t h es e c u r i t yp r o b l e m se m e r g e r a i l w a ya c c i d e n t st a k ep l a c ef r e q u e n t l y , w h i c hc a u s e sc a s u a l t yo fm e n ，t o p p l eo ft h e t r a i no rh a l to ft h ed r i v i n g ，a n db r i n g s g r e a tl o s s t ot h ec o u n t r ya n dp u b l i c t h e l l i g h - s p e e da n dh i g h - d e n s i t yd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nm u s tl i eo n a d v a n c e dr a i l w a ys i g n a ls y s t e m st ot a k et h ec h a r g e f b sh a sa l w a y sh e l dt h er e g n a n tp l a c eo ft h er a i l w a ys i g n a l ss y s t e m ，b u tc a n d e c r e a s i n g l ym e e tt h ed e m a n d so ft h es p e e dr a i s i n ga n dt h et r a n s p o r t a t i o nd e n s i t y a u g m e n t i n g ，a n da d a p t sw e a k l yt ot h es t y l eo ft r a i n sa n dt h ee n v i r o n m e n t m a sc o n t r o l st h et r a i n s d r i v i n g s i t u a t i o nw i t hm o d e mc o m m u n i c a t i o n i n s t r u m e n t a l i t ya n dc o m p u t e ra u t o c o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hr e v e r s e st h em e t h o do f f b sr a d i c a l l y , r e d u c e st h ei n t e r v a l so ft r a i nt r a c i n ge f f e c t i v e l y , i m p r o v e st h ei n t e r z o n e p a s s i n gc a p a c i t yl a r g e l ya n d i sp r o v e dt ob ea na d v a n c e dt r a i nd r i v e - c o n t r o l l i n gs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yd i s c u s s e st h er e s e a r c h i n gb a c k g r o u n da n dt h ep h y l o g e n ya n d a c t u a l i t yi n l a n da n do v e r s e a so fm a s ，a n dp r o b e s i n t oa t y p i c a la p p l i c a t i o no f m a s c b t c t h r o v l g ht h ef o r m e rr e s e a r c ho fc b t c ，i ta n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fc b t ca n dp u t sf o r w a r dt o am a ss y s t e mm o d e lb a s e do na i sa n d g l s t h es y s t e mb r i n g si n t ot h ew a ya i su s et ob u i l dt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t h e m e t h o ds o t d m au s et oc o m m u n i c a t e ，t r a n s f e ra n de n c a p s u l a t ed a t aa n do t h e r t e c h n o l o g i e sa p p l i e dm a t u r e l yo nt h es e a ，a n dt h ei d e ag i su s et om a n a g ee l e c t r o n i c m a p a n dg e o g r a p h i c a ld a t ao ft h er a i l w a y c o m p a r e dw i t hc b t c ，t h i ss y s t e mh a ss o m es t r o n g p o i n t s i ta d o p t sd i s p e r s e d l y t r a i na u t o c o n t r o lo nt h es t m c t u r e ，w h i c hr e d u c e st h er i s ko fm a l f u n c t i o na n de v e n p a r a l y s i so ft h es t a t i o n ss y s t e mi na c e n t r a l i z e ds t a t i o n ，a n dg u a r a n t e e st h es e c u r i t y t h es o f l w a r ee m u l a t i o n a ls y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v e l o p e dw i t ht h e c o m p o n e n t so fs u p e r m a po b j e c t s2 0 0 3 u n d e rt h ec o m p o s i t i v ee n v i r o n m e n to fv c + + n 6 0 i tc a nc a r r yo u tt h em a n a g e m e n to fe l e c t r o n i cm a p ，t h ei n q u i r ya n dm o d i f i c a t i o no f t h ep r o p e r t yd a t a b a s e ，t h ec o d i n ga n dd e c o d i n go ft h et r a i n sa i si n f o r m a t i o n ，a n dk e e p d o w np h o n e t i ci n t e r f a c e sa n dt r a i n sb r a k i n gi n t e r f a c e s l a s t l y ，t h ed i s s e r t a t i o nm a k e sas u m m a r i z a t i o no ft h er e s e a r c ha n dp o i n to u tt h e d i r e c t i o no ff u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g i s ；a i s ；m a s ；c b t c ；s u p e r m a p n i 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ! ! s ! g ! s 查整麴自弛闭塞丕统生鲤廑旦： 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：詹盔磊、磷多月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子舨，允许沦文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密d ( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：胜奄、导师签名：孝叼 同期：耐年；月。 鹕 第1 章绪论 1 1m a s 研究的背景 铁路是国家的交通命脉，对维系经济社会生活的正常运行、促进国民经济发 展、保障国家安全均发挥着重要的作用。铁路运输具有能力大、单耗低、污染小、 成本低等显著特点，特别是在我国目前的经济水平下，铁路客运成为人们最好的 选择，在节同期间，更是一票难求。随着高速铁路的兴起，铁路运输越来越受人 们的青睐。 从2 0 0 6 年1 月6 日召开的中国铁路工作会议上获悉，中国铁路第六次大面积 提速所有准备工作将于今年十月一日前全部到位，铁路第六次大面积提速，将首 次在既有提速干线同时开行时速二百公里动车组和时速一百二十公里、载重五千 吨货运重载列车”1 。 提速使中国开始融入了世界铁路提速的时代潮流，推动了铁路基础设施的改 善，受到广大群众与社会各界的肯定。但随着铁路人提速战略的实施，行车安全 的问题凸现了出来。火车事故时有发生，有的造成人员伤亡，有的造成了列车颠 覆，中断行车，给国家和人民的生命财产带来了巨大的损失。下面是近年来我国 铁路交通发生的事故。1 ； 1 9 9 8 年3 月2 4 曰，在上海市郊沪杭外环线匡巷站附近3 1 1 次列车与2 0 8 次列 车迎面相撞，致使只本旅客2 7 人死亡，1 0 1 人受伤。这是建国以来，中国铁路历 史上前所未有的涉外恶性事敌。 2 0 0 0 年9 月2 7 同晚2 1 时2 8 分，2 7 2 6 次货物列车运行至京广线瓦园至湖南 的哲桥间突然出轨，第5 至3 0 节车厢脱轨，其中油罐车及气罐车1 3 节，普货车 厢1 2 节，部分车厢颠覆，造成上下行线铁轨近5 0 0 米完全损毁，致使京广线南段 正线中断，2 0 多趟满载旅客的北上列车纷纷中途掉头返到始发站，。州，使得6 0 0 0 0 名乘客滞困广州站。 2 0 0 5 年7 月3 1 目1 9 时5 2 分，出西安开往长春的k 1 2 7 次旅客列车行至长大 线新城予一新台子间，因电缆盒被盗，造成信号机非正常显示，担任k 1 2 7 次旅客 列车牵引任务的机车乘务员未及时采耿停车措施，致使列车与前行的3 3 2 1 9 次货 物列车发生追尾，中断长大线行车。另据铁道部最新核实，事故造成6 名旅客死 亡，3 0 名旅客受伤。 铁路高速度、高密度运输的发展，必须依靠先进的铁路通信信号系统来进行 控制和管理。铁路信号系统是保证铁路行车安全、提高铁路运输效率和运营管理 水平的重要设施。铁路信息技术的发展及其在铁路各部门的广泛应用，极大地促 进了铁路技术装备和管理的现代化。现代信号技术己具备了向运输组织部门提供 实时信息、使列车实现有效的人机控制的功能。它既是解决当前行车事故较多、 铁路区间通过能力不足、编组能力低、点线不协调、安全丁f 点率不高等主要矛盾 的重要手段，也是铁路旅客列车提速与发展铁路所要解决的关键技术之一。概括 地说，铁路信号系统在铁路运输中的作用可以从以下几个方面来认识“1 ： 首先是保证行车安全。铁路信号闭塞系统的作用在于它能按闭塞分区的空间 间隔把列车分隔开，使两列车之间保持一定的安全行车间隔，并按规定速度运行， 防“：同方向的列车发生尾追和反方向的列车发生正面冲撞，从而起到保证行车安 全的作用。 其次是提高运输能力。铁路信号技术对提高列车密度具有重要作用。双线铁 路采用自动闭塞，可以缩短列车追踪间隔时间，较大幅度地提高区间能力。例如， 研究证明”1 将双线铁路的追踪间隔时间从1 0 分钟改为8 分钟，可提高区间能力2 0 。 目前我国铁路繁忙干线采用的双线自动闭塞的列车追踪间隔时间为8 分钟，有的 为7 分钟。为了适应必要的运能需求，列车追踪间隔尽可能缩短到6 分钟，就能 够在旅客列车达到4 0 对左右的情况下，客、货列车平行运行图达到l l o 对左右4 。 铁路信号的特点是投资少、见效快、效益高。铁路信号作为一种重要的信息 技术已渗透到铁路运输的各个部门，它全程全网、无时无刻地为铁路运输服务、 满足铁路需要高度集中、统一指挥的实时性要求。从技术上讲，铁路信号又具有 技术密集度高、发展迅速、设备更新换代快等特点。近年来，铁路信号系统成功 地应用了微电子学、自动控制和计算机等先进技术，把数据采集、信息传输、数 据处理和过程控制联成一体，迈进了自动化、数字化、智能化的现代化控制领域， 极大的促进了铁路运营管理现代化的发展。 2 基于地面信号的固定闭塞系统( f i x e db l o c ks y s t e m ，简称f b s ) 是应用最广泛 的闭塞系统，随着列车运行速度和密度的不断提高，传统的三显示固定闭塞不能 适应新的发展，四显示固定闭塞已被采用以缩短列车间隔。在广深线上，准高速 列车采用四显示，丽普通客货列车采用三显示。我国在机车信号研究领域已有了 新的进展，特别是列车超速防护系统有了新的成果，列车运行监控记录装置已大 面积安装使用。在应用领域，我国在列车运行控制方面已成功地装备了列车自动 停车( a t s ) 和列车自动防护( a t p ) 系统，但列车自动运行( a t o ) 和移动闭塞等先进技 术还处于理论研究阶段，与国外还存在着一定的差距。 移动自动闭塞系统( m o v i n ga u t o m a t i c b l o c ks y s t e m ，简称m a s ) 是在确保行 车安全前提下，以使追踪列车间的间隔达到最小为目标，建立以车站控制装置和 机车控制装置为中心的列车闭塞控制系统。移动闭塞系统运用了现代化的通讯手 段和计算机自动控制技术进行列车运行状态的控制，从根本上改变了固定闭塞系 统对列车运行的控制方法，有效地压缩了追踪列车间隔时问，提高了区间通过能 力，是一种先进的列车运行控制系统。 1 2 国内外m a s 研究的历史与现状 1 2 1 国外m a s 研究的历史与现状 随着科学技术的进步，许多发达国家都认识到将微处理机和数字数据通信技 术用于列车的控制和通信系统，以改进现代铁路的运营与管理水平。进? v 8 0 年代 以来，基于m a s 的系统研究在各国大力展开，这时候，依据m a s 原理，出现了基于 通信的列车控制系统c b t c ( 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 l ，简称c b t c ) 。 下面就是c b t c 的几个典型应用。 美国与加拿大于1 9 8 2 年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 n c o n t r o ls y s t e m ) 和先进铁路电子系统a r e s ( a d v a n c e dr a i l w a ye l e c t r i cs y s t e m ) ， 其主要目的是通过有效地运用机车车辆和优化列车控制来降低生产成本，以控制 货物列车为主，提高通过能力不作为主要要求，伯林顿北方铁路大多数列车没有 行车时刻表。5 。嘲。 日本于1 9 8 5 年提出计算机及无线列车控制系统c a r a t ( c o m p u t e ra n dr a d i o a i d e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) ，其主要日的是提高线路的通过能力，满足列车高 速、高密度行驶需要，改善铁路运营的灵活性及适应性“。”1 ，目前正处于最终的性 能评价和实用化重新评估阶段，讨论选定具体的实用化线路，主要工作仍是集中 于列车一地面的控制。 法国国铁亍：1 9 8 6 年开始研制的实时追踪自动化系统a s t r e e ，是一种基于无线 的列车控制系统，连续检测列车的位置和速度，通过列车无线系统( 4 5 0 h z ) 在各列 车和地面设备之问传送”“。 欧洲于1 9 9 1 年开始研究的列车控制系统e t c s ( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o l s y s t e m ) ，目的是提高欧洲铁路的竞争力，它需要适应多种制式的运行条件、设备、 语言、信号制式，其不同级别的系统满足不同的列车速度、列车密度运行需要， 在较高级别中即采用移动自动闭塞”5 。 尤其值得一提的是，1 9 9 9 年9 月，i e e e 为基于通信的列车控制系统( c b t c ) 制订 了第一份标准一i e e es t d1 4 7 4 卜1 9 9 9 。该标准将c b t c 描述为：是一个连续的自 动控制系统，装载了独立于轨道电路的高精度的列车定位装雹、连续高容量双向 车地数字通信系统以及车载与轨旁处理器。轨旁处理器能够装配列车自动防护 ( a t p ) 、列车自动运行( a t o ) 及列车自动监控( a t s ) 功能。该标准除对c b t c 的功能需 求作说明外，还定义了行车间隔标准、系统安全和系统可靠性等标准。2 0 0 3 年1 2 月，i e e e 为c b t c $ 0 订了第二份标准一i e e es t d1 4 7 4 2 - 2 0 0 3 ，建立t c b t c 对用户 接【 的要求。 1 2 2 国内m a s 研究的历史与现状 m a s 的基本原理是我国最早于6 0 年代提出来的。1 9 6 1 1 9 6 3 年在北京铁道学院 成立了一个专题科研组，由于当时的各种条件，工作没有继续下去。但在这方面 的学术探讨却一直没有停止。汪希时教授于1 9 6 3 年发表了首篇阐述这一思想的文 章“：1 9 8 0 年丁正庭教授发表了探讨m a s 系统结构的研究文章“；在1 9 8 5 年和1 9 8 9 年又有两篇硕士论文“1 分别研究t m a s 条件下的列车间隔最优控制：1 9 8 9 年汪希 时教授和丁证庭教授提出了较成熟的m a s 的总体结构“：1 9 8 9 年，北方交通大学获 得铁道部批准确立可行性研究课题，1 9 9 1 年初研究完毕，并将研究成果分六个分 报告申报铁道部科技司。 4 进人9 0 句：- 代，铁路进入了一个新的发展时期，依靠科技进步来提高运输能力、 提高铁路现代化水平为各界人士所共识。1 9 9 3 年7 月，由铁道部副部长和总工程师 二e 持，在北方交通大学举行了一次m a s 可行性论证报告审定会，与会者对 f a s 研究 作了肯定性的结论，但同时也指出其中存在一定的问题，需进一步进行论证。m a s 在国内又一次进人了活跃期。有关m a s 研究的各项工作又开始进行起来。 文献”7 3 发表于i 9 9 3 年i f a c 大会，再次向世人论证了m a s 的优越性。 文献m 1 讨论t m a s 列车追踪运行问隔时间和车站间隔时间，并通过计算机铺画 区段最大列车运行图来完成区间通过能力的计算。但是，关于m a s 通过能力的研究 完全沿用了f a s 借助扣除系数计算通过能力的做法。 文献“”用一整篇 尊士论文，研究了m a s 基本理论，分析了m a s 的系统结构，并 给出了利用扣除系数计算m a s 条件下区间通过能力的确定方法。 1 9 9 5 年底，北方交通大学与瑞典铁路b v 、瑞典a b b 信号公司( 即现今a d t r a n z 公 司) 以及d a a r n a 大学合作，进行m a s 可行性研究。1 9 9 7 年4 月，在北方交通大学召 丌了双边研讨会，国内外同步开展这一领域的研究，并取得了卓有成效的成果1 “。 1 9 9 9 年，北京交通大学电予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减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会项目，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 二f 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t g s m r 模拟实 验宝，并进行了机车信号系统的试验。 国夕b m a s 系统的研究为我国m a s 系统提供了宝贵的经验。于2 0 0 5 年1 0 月竣工的 青藏铁路，其g s m - r 无线通信网络是由加拿大的北电网络公司部署承建的。我国在 投资的同时，也引入了相关技术，这有利于我国m a s 系统的研究。 1 3 本文的主要研究内容和研究方法 本文首先对现有的铁路信号系统进行了分析。传统的固定闭塞信号系统已不 能满足当今列车提速、通行密度加大以及铁路安全的需要，接着对移动闭塞信号 系统做了分析，并对基于m a s 的c b t c 系统做了详细的探讨，c b t c 利用当今最为先进 的计算机、通信技术，将多年来讨论不休的移动闭塞系统变为现实。同时，c b t c 作为一门新兴的技术也存在它的缺点，尤其是地面中心对列车的控制有一个往返 回路，既增加了时延也增添了不稳定度。本文在此基础上，将a i s 技术引入进来， 探讨了a i s 、g i s 技术特点，并做了可行性分析，在c b t c 的系统结构基础上，提出 了本系统的结构，本系统不再仅仅依靠地面控制中心对列车实现控制，而是由列 车本身实现。最后，本文利用组件g i s ，开发一套仿真软件，对本系统的功能进行 了验证。 本文的研究借鉴了a i s 在海上遇险避碰的成功经验，参照了a i s 的组网方式、 通信方式、数据传输方式，借鉴了g 1 s 在各领域的应用成果，结合了先进的通信 技术、计算机技术、控制技术。因而，相信本文的研究发现会对相关领域的研究 人员提供帮助。 1 4 本文的创新点和主要研究成果 本文创造性的提出将船舶自动识别技术和地理信息系统技术用于列车移动自 动闭塞系统中，提出了个与现在广泛采用的c b t c 不同的系统结构，列车控制的 实现不再仅仅通过地面控制中心完成，更多的是列车自身调节。传统c b t c 系统中， 地面管理中心实时接收前行列车和后续列车的行车信息，通过计算，发送控制命 令回去，进行列车调度。这种控制方式的局限性在于列车处于盲运行状态，由于 列车之间缺乏通信，没有固定的闭塞区间，不但后续车不知前行车的位置，也不 清楚周围交通、环境状况。创新点可归纳如下： 1 ) 利用a i s 网络节点间的对等关系，用分散式系统结构代替目前广泛采用的集中 式系统结构，减小了因地面控制中心故障而导致系统瘫痪的可能性，增大了系 统的安全系数。 2 ) 系统不仅能够实现车地之间的数据通信，同时实现了车与车之间的信息传输。 列车区间行车的控制是通过列车自身进行，地面控制中心主要处理列车运行的 监管、异常情况的处理以及列车进站、出战的管理 3 ) 利用g i s 技术管理铁路电子地图，铁路线路属性包括线路的坡度、工况、桥梁、 隧道等都存于电子地图中，列车在行车过程中时时读取，进而确定本车的停车 制动距离。 4 ) 集a i s 、g i s 技术于一体，将列车运行控制跟列车行车事故救援结合在一起， 突出体现了安全在列车运行中的重要性。 本文的研究成果如下： 1 ) 本文在前人对m a s 研究的基础上，设计了基于a i s 、g i s 的m a s 系统结构，并 详细探讨了各个模块的具体实现。 2 ) 本文利用s u p e r m a p 组件在v c + + 6 0 环境下开发了一套地理信息软件，实现了 铁路地理数据的存储和管理、电子地图的操作、地物的属性编辑等功能。 3 ) 本文根据列车实际运行需求，参照船舶自动识别系统的通信数据包格式，制定 了列车a i s 静态信息、动态信息、安全信息、警报信息、控制命令信息、短信 息的通信标准，并通过串口通信实现了列车a i s 信息的编解码。 4 ) 本文根据雌s 系统的原理，在基于g i s 的电子地图上对列车运行、避碰、防追 尾等功能进行了仿真。 1 5 本文的结构特点 本文共分五个章节，详细安排如下： 第一章：绪论，首先出铁路运输的重要性、铁路提速对安全事故的影响引入 m a s 研究的必然性，并讨论了m a s 国内外研究概况，阐述了本文的研究内容、创新 点及成果。 第二章：基础知识研究，对m a s 进行了深入探讨和技术分析，总结出m a s 系 统相比固定闭塞系统的优点，并对c b t c 系统的总体结构、工作原理、定位和无线 通信方式进行了探讨，并指出该系统存在的缺点。 第三章：系统的总体结构设计，首先提出基于a i s 、g i s 的m a s 系统的设计目 标以及实现该目标应该具有的功能，接着对实现这些功能所需要的技术手段进行 了分析，进而提出本系统的系统结构，并对本系统的无线通信方式、工作原理做 了探讨，最后对本系统和c b t c 系统的特点进行了比较。 第四章：软件系统设计与仿真，利用北京超图公司的s u p e r m a po b j e c t s2 0 0 3 组件在v c h6 0 编程环境中二次开发、集成了本软件系统，给出了软件的整体结 构、模块划分，并编程实现了各个模块。最后对列车跟踪运行、避碰进行了仿真。 第五章：结论 第二章m a s 技术基础研究 2 1 m a s 及技术探讨 2 。1 1 信号系统的闭塞方式 “闭塞”一般是指与外界隔绝的意思。这里说的闭塞是铁路信号的专用名词，是 指列车进入区间后，使之与外界隔离起来，区问两端车站都不再向这一区间发车， 以防止列车相撞和追尾。闭塞设备即为实现一个区间( 闭塞分区) 内，同一时间 只允许一辆列车占用而设置的铁路区间信号设备。按照有无固定划分的闭塞分区 可以分为固定闭塞系统和移动闭塞系统。固定闭塞系统又可分为人工闭塞系统、 半自动闭塞系统和自动闭塞系统三类。下面分别做一下介绍： 1 ) 固定闭塞系统 固定闭塞系统是将轨道分成若干个闭塞分区。每个闭塞分区只能被- - n 车占 j 讨；而且闭塞分区的长度必须满足司机确认信号和列车停车制动距离的要求。在 所有的固定闭塞系统中列车位置是通过它所占用的闭塞分区来确定的。因此闭塞 分区的长度和数量就决定了线路的通过能力。 在早期铁路信号系统中使用人工闭塞系统，不过现在已经基本淘汰。半自动 闭塞系统的原理是区间两端车站各装设一台具有相互电气锁闭关系的半自动闭塞 机，并以出站信号机开放显示为行车凭证的闭塞方法。此时，在车站进站信号机 内侧设有一小段专用轨道电路，它和闭塞机、出站信号机问也具有电气锁闭关系。 其特点是：出站信号机不能任意开放，它受闭塞机控制，只有区间空闲时，双方 办理闭塞手续后( 双线半自动闭塞为前次列车的到达复原信号) 才能开放。列车 出发离开车站时，出站信号机自动关闭，并使双方闭塞机处于”区间闭塞”状态，直 到列车到达接车站办理到达复原时止。自动闭塞系统利用通过信号机把区间划分 为若干个装设轨道电路的闭塞分区，通过轨道电路将列车和通过信号机的显示联 系起来，使信号机的显示随着列车运行位置而自动变换的一种闭塞方式。自动闭 塞的优点：由于划分成闭塞分区，可用最小运行间隔时间开行追踪列车，从而大 大提高区间通过能力；整个区怕j 装设了连续的轨道电路，可以自动检查轨道的完 9 整性，提高了行车安全的程度。自动闭塞是目前比较先进的一种行车闭塞法，但 它仍以固定的空问间隔( 闭塞分区) 来保障列车行车安全。今后的发展方向是在 无绝缘轨道电路的基础上，研制可根据列车相互位置与运行速度，而自动完成更 为合理的行车间隔控制方法。 兽站黪 磐棼 豫j , 匝y h 一， i 、 一a ow ，q “7 ” 二彳磊薅譬i 虿一丽矗轰矗纛薯； 卜汹褒论博叶醐囊分叶埘囊镑i j ! ( 卞锄鬻z 蜓1 图2 ，1 双线单方向白动刚塞示意图 f i g 2 1t h ef i g u r eo f d o u b l e l i n ea n ds i n g l e d i r e c t i o nm o v i n gb l o c k 2 ) 移动自动闭塞系统 移动自动闭塞是一种区间不分割，根据连续检测先行列车位置和速度，进行 列车间隔控制，确保后续列车不会与先行列车发生冲突，能够安全停车的列车安 全系统。该系统实际上是把先行列车的后部看作出假想的闭塞区间，由于这个假 想的闭塞区间随着列车而移动，所以叫做移动闭塞。采用移动闭塞的目的是，在 确保列车运行安全的前提下，最大限度地缩短列车运行间隔，提高线路通过能力。 在移动闭塞信号系统中，列车之问的安全间隔是根据列车当前的运行速度、 制动曲线以及列车在线路上的位最动惫计算得出的。由于列车位最定位精度高， 因此后续列车可以按该线路区段最大允许速度安全地接近最后一次确认的前行列 车尾部位置，并与之保持安全距离。同时，列车不需要在被占用的轨道电路分区 入口处的前方停车，运行间隔显著缩短。 3 ) 移动自动闭塞系统的优点 固定闭塞系统是世界各国轨道交通所广泛采用的闭塞系统。它的特点是在线 路区间设置固定的闭塞分区和相应的防护信号，闭塞分区的长度取决于列车的最 大运行速度以及列车最差的制动性能。在任意时刻，一个分区只能被一列车占用， 列车间隔为若干个闭塞分区，而与列车在分区内的实际位置无关。如果列车从最 大速度开始制动到停下来需要三个闭塞分区的长度，则分区的长度为： b l = 豫。2 1 9 1 3 ( 2 3 ) 其中。为最大运行速度，b 为制动率。 移动闭塞没有固定的闭塞区间，其闭塞区间的长度随条件变化而改变，并随 着列车的运行而移动，即随后续列车和前方列车的实际行车速度、位置、载重量、 制动能力、区间的坡度、弯道等列车参数的具体情况而变化。因此移动闭塞系统 是一种智能化的、基于现代通信技术、计算机技术和控制技术的列车运行间隔控 制系统。 移动闭塞与固定闭塞相比有着明显的优势。 1 固定闭塞是根据性能最差的列车制动距离来确定闭塞分区的长度，因此只 适应于制动性能较为一致的车辆，而不适应高、中速列车混跑。随着列车速度的 提高和载重量的增加，列车的制动距离也会增加这样就需对原有的设备进行改造。 而移动闭塞在列车提高速度以后。不需要改变地而设备，并且能适应任何类型的 列车混和作业。 2 由于固定闭塞采用分区段制动，这样每段制动都有空走时间和冗余距离， 经过几段积累，使得空走时间和冗余距离增加，限制了行车密度和区间通过能力 的提高。移动闭塞由于是随机形成闭塞分区，便于提高列车的行车密度和区间通 过能力。 3 固定闭塞采用分区段制动模式，减速度太大，制动不稳，降低了乘坐的舒 适度。移动闭塞采用一级速度控制模式，能改善上述情况。 4 移动闭塞作为实现铁路综合运营自动化的一个予系统，它能及时提供列车 实时信息，便于实现运输管理的自动化。 综上，与固定闭塞系统相比，移动闭塞有很多优越性，其中最重要的一点是， 在移动闭塞条件下，不仅可以大大缩短前后两车的追踪间隔距离，提高区间通过 能力，而且对各种车型、各种速度的列车都有很强的适应性，给调度指挥带来很 大的灵活性。 2 1 2 移动自动闭塞的数学原理探讨 在移动闭塞系统下，后续列车与前行列车间的距离值是随着前行列车的位置、 速度而变化的，是“移动”的，同时它必须满足后续列车的制动距离和必要的安 全距离，确保相邻列车不会追尾，因此有具有安全保障性，能提高列车的运行指 标。 移动闭塞方式可分为以下三种策略，设前行列车与后续列车的最小问隔为l ， 两者的速度、减速度及空走时间分别为k ，k ，鼠，芦：，r 。，r ：，停车的安全距 离为址，则有： 卜心嗟m ( 去蝎 刚) 1 ) 考虑先行列车速度的移动闭塞系统( m b v 方式) 这种方式是根据先行列车的位置和速度进行间隔控制，简称为m b v 方式， 列车间隔如图所示，( 图中假定两车速度相等) 。这时( 2 ) 式中的卢。为先行列车非 常制动减速度，卢：为后续列车常用制动减速度。因此，这种系统又称作后续列车 在先行列车非常制动停车位置前，以常用制动停车的系统。 赫 蛔 ( ：! ! ：；：! ；：! 兰、l j j ：i ：i ：j ：j ：； 。 簿用疆功 ! 母孝颤动 减速厦芦2 i 挂蘸度 ； ! | j ? 矗l 捧车謇持聚囊 融 嘲2 2m b v 方式的列下间| 辐图 f i g 2 2t h es p a c eo f t r a i n sf o rm b - v 2 ) 不考虑先行列车速度的移动闭塞系统( m b - v 0 方式) 这种方式不考虑先行列车速度，只考虑先行列车的位置，即( 2 ) 式中的卢。为 无穷大t r ，为。，k ( 去+ f t ) ；o 即先行列车停车。这种方式简称m b - v ”列车 间隔如图所示，这时的l 为 甚 嘲 “k ( 豢m 鼯 图2 3m b v o 方式的列车间隔图 f i g 2 3t h es p a c eo f t r a i n sf o rm b - v o ( 2 5 ) 3 ) 考虑先行列车速度的准移动闭塞系统 这种方式不仅适用于移动闭塞，而且适用于固定闭塞，即在既有固定闭塞功 能上增加考虑先行列车速度的列车问隔控制功能。但是，这时的闭塞区间必须划 分的足够细。这种方式与既有的固定闭塞不同，不应划分在固定闭塞范畴内，在 一定条件下，其缩短列车运行间隔的效果接近移动闭塞系统，故称作准移动闭塞 系统( s e m im o v i n g b l o c k ) ，简称s m b v 方式。其列车间隔如图所示 蔚睡列车；i先行剃车 i11：；：；：；：；：；：；：；：；：蕊i：i霹4。_ 麓鬻i 非常捌聃 雌魁! 誓臻箬 t i ； 捧苹童搭距离 糖商 图2 4 准移动闭塞系统的列车间隔图 f i g 2 4 t h es p a c eo f t r a i n sf o rs m b - v 2 2m a s 的典型应用基于通信的列车控制系统( c b t c ) 2 ，2 1c b t c 的系统结构 由于具有实现方式的不同，基于通信的列车控制系统的实际结构有多种，但 从基本组成上来说，e 盯c 由车站控制中心、梳车车载设备和无线通信网络构成。 每一个车站设控制中心，每一个机车上安装机车信号车载设备，在两个车站控制 中，l l , 控制范围的分界点处，应设应答器。无线机车信号系统的结构如图2 5 所示。 生 载 设 各 信号显示机构ji 语音提示 通信接口j 下载主机 车载 天线 通信 设各垂 j 萎蓍1l 耋 幽2 5 无线信号系统结构幽 f i g 2 , 5t h es t r u c t u r eo fw i r e l e s ss i g n a la n ds y s t e m 器 1 、地面设备 地面设备主要由车站控制主机、入机界面、联锁接口、无线通信接口、固定 网络接口等构成，各部分的功能如下： ( 1 ) 车站控制主机：是车站控制中心的中枢，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 据这些信息形成列车控制信息，通过无线通信接口发送给列车。 ( 2 ) 人机界面：显示车站及区间进路状态、车站控制中心控制范围内的列车信 息、列车追踪运行情况等。 ( 3 ) 联锁接i ：3 ：车站控制中心设有与联锁设备的接口，通过此接口，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车站发向各列车的机车信号 信息。 ( 4 ) 无线通信接口：与机车信号车载设备进行无线通信，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。地面无线通信接口应该能实现一对多、不间断的通信，也就是说，地 面无线通信接口应该与车站控制范围内的所有列车的无线通信接口始终保持双向 无线联系，实现车站与列车问的双向数据通信。 ( 5 ) 固定网络接口模块：负责车站控制主机与其他车站控制主机以及调度中心 的通信。 2 、机车车载设备 c b t c 系统车载设备主要由车载控制主机、车载无线通信接口、查询器、定位 装曼、超速防护接口、机车信号显示设备等部分组成。 ( 1 ) 车载控制主机：是整个车载子系统的核心，负责与相应的车站控制中心建 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，并传送到车站控制中心：接收控制中心发送的机车信号信息并处理， 驱动机车信号显示。 ( 2 ) 无线通信接口：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。 f 3 1 查询器：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 ) 定位装置：确定列车的位置，并传送到车载控制主机。定位装置可与车载 测速测距设备综合应用。 ( 5 ) 制动装置接口：需要列车制动时，通过制动装置接口发制动信息给列车。 ( 6 ) 机车信号显示设备：显示机车信号，用于指挥列车运行。 2 2 2c b t c 系统的工作原理 基于通信的列车控制系统工作原理可描述如下：首先地面设备主机采集联锁 系统