列車運行控制系統(tǒng)中地-車信息傳輸方式的探討

馬小玲

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710014）

1 概述

列車運行控制系統(tǒng)的車載設(shè)備完全靠地面控制中心發(fā)送的行車信息控制命令進行行車，并實時監(jiān)督列車的實際速度和地面允許的速度指令，當(dāng)列車速度超過地面行車限速時，車載設(shè)備將實施制動，保證列車的運行安全，因此地－車信息傳輸直接影響著行車安全，是列車運行自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。世界各國長期以來一直都很重視地－車信息傳輸方式的改進。

2 地－車信息傳輸?shù)闹饕绞?/h2>

地面信息傳遞到車上的方式目前有兩大類，一類是點式傳遞方式，另一類是連續(xù)式傳遞信息方式。點式傳輸方式常用的有查詢應(yīng)答器和點式感應(yīng)環(huán)線；連續(xù)式傳輸方式常用的有軌道電路、軌道電纜以及無線傳輸?shù)确绞健?/p>

2.1 點式傳遞方式

點式傳遞方式是在地面某些固定點，如閉塞分區(qū)分界點處，從地面向車上傳遞信息。點式傳遞方式常采用查詢/應(yīng)答器來實現(xiàn)或點式環(huán)線兩種方法。其中查詢/應(yīng)答器應(yīng)用較為廣泛。

2.1.1 查詢應(yīng)答器

利用查詢應(yīng)答器進行信息傳輸?shù)姆绞揭呀?jīng)廣泛應(yīng)用。在歐洲ETCS 1級標(biāo)準中利用歐標(biāo)應(yīng)答器提供全部控車信息，在ETCS 2級標(biāo)準中主要提供列控系統(tǒng)的輔助信息，如里程標(biāo)、線路數(shù)據(jù)、切換點等。在中國的列車運行控制系統(tǒng)當(dāng)中歐標(biāo)應(yīng)答器在CTCS-1級、CTCS-2級中都發(fā)揮著重要作用。

應(yīng)答器系統(tǒng)主要有無源應(yīng)答器、有源應(yīng)答器、LEU、車載天線、應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）、報文編碼工具、應(yīng)答器無線讀寫工具等構(gòu)成。

應(yīng)答器安裝在軌道中間，分為無源應(yīng)答器和有源應(yīng)答器，無源應(yīng)答器與外界無聯(lián)系，用來傳送固定不變的信息，如線路速度信息、線路坡度、線路長度信息等；有源應(yīng)答器通過電纜與室內(nèi)的地面電子單元（LEU）與相連，用來傳送可變的信息，如臨時限速信息、進路信息等[1]。

無源應(yīng)答器的數(shù)據(jù)報文由無線讀寫工具寫入；有源應(yīng)答器的數(shù)據(jù)由列控中心、聯(lián)鎖設(shè)備通過接口傳送給LEU，再由LEU傳送給地面應(yīng)答器。當(dāng)LEU與有源應(yīng)答器間通信故障時，LEU可以向列控中心、車站聯(lián)鎖等發(fā)送故障信息，并給出報警信號。

當(dāng)列車經(jīng)過地面應(yīng)答器上方時，應(yīng)答器接收到車載天線發(fā)射的電磁能量后，電子電路工作，把存儲的數(shù)據(jù)報文循環(huán)發(fā)送出去，直至電能消失。車載天線將接收到的數(shù)據(jù)報文傳送給BTM，經(jīng)過濾波、放大、解調(diào)后，對接收到的數(shù)據(jù)報文進行解碼，還原得到用戶報文，然后發(fā)送給車載列控設(shè)備。

采用地面應(yīng)答器進行信息傳輸，結(jié)構(gòu)簡單，安裝靈活，可靠性高，價格明顯低于連續(xù)式列車運行自動控制系統(tǒng)，但是不能得到連續(xù)的信息。

2.2 連續(xù)式信息傳輸方式

2.2.1 軌道電路

軌道電路是信號的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)備之一，借助它可以監(jiān)督列車在線路上的運行情況，并利用它可以連續(xù)傳遞與行車有關(guān)的各種信息，是一種傳統(tǒng)的地－車信息傳輸方式。在列車運行控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛。法國、日本列車運行控制系統(tǒng)都采用軌道電路來傳遞行車信息[2]。

法國TVM系列車運行控制系統(tǒng)主要采用UM移頻系列軌道電路，TVM300系統(tǒng)于1981年在巴黎—里昂首先投入使用，系統(tǒng)構(gòu)成較簡單，造價較低。采用了無絕緣移頻軌道電路UM71，地對車的信息傳輸容量達18個。

在1993年用于法國第三條北方線高速鐵路的TVM430列車運行控制系統(tǒng)中采用了對UM71進行數(shù)字化改造后的數(shù)字軌道電路——UM2000實現(xiàn)地對車的信息傳輸。低頻信號增加到28種，其中一種低頻信號為軌道占用信息，將其余27種低頻信號進行編碼處理，使信息傳輸量由18個增加為227個，其中傳輸防護碼6位，有效信息量為221個。

基于軌道電路的信息傳輸方式在我國應(yīng)用也非常廣泛。我國CTCS-0級使用國產(chǎn)18信息移頻軌道電路，CTCS-1級采用UM71或ZPW-2000型軌道電路；CTCS-2級使用UM71或者ZPW-2000A型軌道電路[3]。

2.2.2 軌道電纜

德國LZB系統(tǒng)采用軌道電纜實現(xiàn)列車地面信息的雙向傳輸。LZB系統(tǒng)由地面控制中心、軌道傳輸電纜、車載設(shè)備3部分組成。地面控制中心根據(jù)地面存儲的各種信息，結(jié)合聯(lián)鎖設(shè)備的信息實時計算列車的最大允許速度，通過軌道電纜傳輸給車載設(shè)備，實現(xiàn)列車速度的控制。

這種傳輸方式的優(yōu)點：由于控制中心“全局管”，統(tǒng)一指揮在其管轄范圍內(nèi)的列車，對于一些交通繁忙的樞紐是非常有利的，一旦發(fā)生行車誤點或其他行車障礙，可以迅速地將行車命令傳送到列車，但是也存在一定隱患，一旦控制中心出現(xiàn)設(shè)備故障即會引起全線交通癱瘓，另外這種傳輸方式軌旁設(shè)備比較多，設(shè)備維護和維修較復(fù)雜。

2.2.3 無線移動通信

基于GSM phase2+標(biāo)準的GSM-R技術(shù)，是國際鐵路聯(lián)盟（UIC）和歐洲電信標(biāo)準化協(xié)會（ETSI）為歐洲新一代鐵路通信設(shè)計的無線移動通信系統(tǒng)。UIC通過歐洲綜合鐵路無線增強網(wǎng)絡(luò)（EIRENE）對各種數(shù)字移動通信系統(tǒng)進行了比較，最后決定GSM-R為新一代歐洲鐵路無線移動通信基本制式[4]。歐洲列車運行控系統(tǒng)ETCS 2級及ETCS 3級技術(shù)標(biāo)準明確確定利用GSM-R無線系統(tǒng)進行列控信息車-地雙向傳輸。

1999年，歐洲一些國家開始GSM－R網(wǎng)絡(luò)的試運行和商用建設(shè)。截至2006年底，德國全國鐵路線路總長46 142 km，GSM-R覆蓋達到了36 000 km；意大利全國鐵路線路總長20 000余公里，GSM-R覆蓋網(wǎng)絡(luò)到達了7 500 km；法國鐵路線路總長31 724 km，GSM-R覆蓋14 000 km[5]。

中國列車運行控制系統(tǒng)（CTCS）也把無線傳輸方式作為發(fā)展方向。CTCS-2級和CTCS-3級都明確規(guī)定采用GSM-R來實現(xiàn)車-地間的雙向通信。

我國GSM-R建設(shè)和發(fā)展主要經(jīng)過3個階段，第一階段主要是可行性論證和技術(shù)試驗階段，通過在大秦線（重載鐵路）、青藏線（環(huán)境條件嚴酷）和膠濟線（高速線路）的建設(shè)與試驗；第二個階段為客運專線建設(shè)，著重構(gòu)建中國鐵路GSM-R核心網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。搭建網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，并以客運專線為主干線，建設(shè)相關(guān)的無線接入網(wǎng)絡(luò)，為客運專線列車控制系統(tǒng)提供相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；第三個階段為全國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的行車與完善。

GSM-R與基于軌道電路的傳輸系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點。

（1）在各種列車混跑的區(qū)間，由于軌道電路信息量的局限，無法向列車傳遞軌道電路長度信息，因此，由軌道電路限定的閉塞分區(qū)通常設(shè)計成固定長度，從而根據(jù)兩列車相隔幾個閉塞分區(qū)獲得列車間的距離。而GSM-R的信息量大，足以傳送前方列車的距離信息，可以構(gòu)成隨列車速度、線路參數(shù)改變的優(yōu)化列車間隔。

（2）在使用軌道電路時，閉塞分區(qū)的長度與該區(qū)段列車的最大運行速度有關(guān)。隨著列車運行速度的提高或制動性能的改善，固定長度的閉塞分區(qū)限制了運輸能力的進一步提高。對于無線控制系統(tǒng)來說，列車速度提高或制動性能的改善，對應(yīng)的僅是程序參數(shù)的改變，系統(tǒng)發(fā)展、完善十分簡單。

（3）無線列車運行自動控制系統(tǒng)由于無固定的閉塞分區(qū)長度，所以對于任何類型的列車都可以提高運行速度。

（4）GSM-R的應(yīng)用可以進一步取消固定信號機及軌道電路，又可以節(jié)省大量的安裝、維護費用。

3 各種方式優(yōu)缺點

查詢應(yīng)答器、軌道電路、軌道電纜、無線傳輸方式各有其優(yōu)缺點，對這幾種信息傳輸方式的特點進行比較，其優(yōu)缺點如表1所示。

表1 各種傳輸方式優(yōu)缺點

以上信息傳輸方式各有優(yōu)缺點，通常列車運行控制系統(tǒng)以一種方式為主，輔以其他方式。如歐洲列車運行控制系統(tǒng)中的ETCS 1級采用“查詢應(yīng)答器+軌道電路”，ETCS 2級采用“軌道電路+查詢應(yīng)答器+GSM-R”的方式；ETCS 3級采用“查詢應(yīng)答器+GSM-R”。在我國列車運行控制系統(tǒng)中CTCS-0級采用國產(chǎn)4信息、8信息、18信息移頻軌道電路來傳遞行車信息，CTCS-1級中采用從法國引進的UM71軌道電路或者是國產(chǎn)化的ZPW-2000型軌道電路，并增加了點式設(shè)備；CTCS-2級采用“軌道電路+查詢/應(yīng)答器”的點式設(shè)備來實現(xiàn)地－車直接的信息傳輸。CTCS-3級是基于GSM-R的列車運行控制系統(tǒng)，輔以軌道電路和點式設(shè)備。CTCS-4級是完全基于無線通信的列車運行控制系統(tǒng)，輔以點式傳輸設(shè)備。

4 結(jié)論

隨著列車運行速度、運行密度的不斷提高，要求地面各種行車信息能夠更加準確、及時、豐富地傳送到機車上。GSM-R以其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，信息傳輸速率高、傳輸量大，可以實現(xiàn)雙向傳輸，維修量少等特點，在國內(nèi)外列車運行控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，實現(xiàn)了地－車信息傳輸從信息少到信息多，點式到連續(xù)，有線到無線，單向到雙向，維修量減少的發(fā)展要求，逐漸開始取代其他傳輸方式。

[1]王磊．應(yīng)答器報文在CTCS中的定義與應(yīng)用[J].交通科技與經(jīng)濟，2007，9(1)：53-54.

[2]傅世善．閉塞與列控概論第四講—典型的列控系統(tǒng)[J].鐵路通信信號工程技術(shù)，2005(2):39-40.

[3]傅世善．閉塞與列控概論第三講—列控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成與分級[J]．鐵路通信信號工程技術(shù)，2005(1):43-45.

[4]李國斌．對我國列車控制系統(tǒng)發(fā)展的幾點建議[J]．中國鐵路，2007(2)：49-53.

[5]朱學(xué)偉．GSM-R系統(tǒng)在我國鐵路應(yīng)用狀態(tài)分析[J]．鐵路工程，2006(3):27-28.