無線通信技術(shù)在鐵路運(yùn)輸中的應(yīng)用

朱春甫

(中國鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司，山西太原030053)

0 引言

隨著高速鐵路快速的發(fā)展，為了讓旅客享受到更加高效、實(shí)時(shí)、可靠的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，移動(dòng)寬帶通信的研究與應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注?？瓦\(yùn)專線信息化建設(shè)至關(guān)重要，控制中心需要實(shí)時(shí)了解列車的安全、運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)等信息;在社會(huì)信息化高度發(fā)展的背景下，人們需要時(shí)刻保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，達(dá)到工作、商務(wù)、信息瀏覽、娛樂等目的?？墒悄壳罢谘芯颗c應(yīng)用的技術(shù)所能達(dá)到的無線接入速率都不夠理想。所以，為了在高速移動(dòng)環(huán)境中滿足人們對寬帶無線接入互聯(lián)網(wǎng)的速率需求，對基于高速鐵路的公眾寬帶通信接入進(jìn)行科學(xué)研究是極其必要的［1］。

1 鐵路中的無線通信技術(shù)

1.1 光纖射頻中繼器

光纖射頻中繼器的應(yīng)用可以令使用者達(dá)到一個(gè)基站管轄多個(gè)車站和線路的目的，可以解決在每個(gè)鐵路上都設(shè)無線基站，從而使得成本增加的問題。其基本原理是，基站設(shè)置在某車站，負(fù)責(zé)本站區(qū)域的場強(qiáng)覆蓋，而在管轄站設(shè)置光纖射頻中繼器，通過光纖射頻中繼器接收到射頻信號，與此同時(shí)基站也能夠通過光纖射頻中繼器接收到管轄站所接收的射頻信號。

1.2 泄露同軸電纜

波導(dǎo)效應(yīng)在隧道中尤為強(qiáng)烈(隧道中的直線距離短、彎曲多，無法進(jìn)行直射傳播，因?yàn)槲账p和多徑效應(yīng)的存在，隧道傳播衰減大)。應(yīng)用泄露同軸電纜可以使電波在隧道中的傳播問題得到解決［2］。

1.3 車次號的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

ATS(Automatic Train Supervision，自動(dòng)列車監(jiān)控系統(tǒng))集群系統(tǒng)需要車次號和機(jī)車號的確切信息進(jìn)行列車呼叫，自動(dòng)查找車次號與機(jī)車號的對照表，實(shí)現(xiàn)車機(jī)號與車次號的轉(zhuǎn)換，使得呼叫更加簡單有效。這就需要在ATS和交換控制設(shè)備之間設(shè)置一個(gè)接口。

1.4 通話組的自動(dòng)轉(zhuǎn)換

對于所有的信道，移動(dòng)臺(tái)之間的通話自動(dòng)轉(zhuǎn)換在集群方案中都是共用的，通過改變網(wǎng)管工作站的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)通話組的轉(zhuǎn)換。通常，便攜臺(tái)的分配比較固定，車輛段管轄位于車輛段范圍的列車臺(tái)，行車調(diào)度管轄位于線路范圍的列車臺(tái)，所以，列車行駛通話組的轉(zhuǎn)變應(yīng)當(dāng)與列車臺(tái)的轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行［3］。

2 鐵路運(yùn)輸中的無線通信系統(tǒng)

2.1 無線數(shù)字通信系統(tǒng)

無線數(shù)字通信系統(tǒng)主要有惡劣環(huán)境影響較小、通話質(zhì)量較高、容量擴(kuò)容方便、建立迅速、通信質(zhì)量可靠、改移方便等特征［4］。無線接入可以讓有線/無線互為備用，應(yīng)用在調(diào)度監(jiān)督通信、站間閉塞通信、行車調(diào)度通信中，不會(huì)對到行車調(diào)度通信產(chǎn)生影響。專用通信運(yùn)用可靠、聯(lián)絡(luò)迅速、音質(zhì)清晰。

2.2 無線平面調(diào)度通信系統(tǒng)

傳統(tǒng)鐵路調(diào)車指揮作業(yè)通常是以燈、旗信號為其主要的工作方式。工作效率低，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度太大，傷亡事故容易發(fā)生。在無線平面調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)車作業(yè)后，操作工具大范圍升級，工作效率顯著提高，安全性同樣得到了很大的提高。特點(diǎn)是:靈活性強(qiáng)、信息化程度高、可靠性好、安全性高等［5］。

2.3 無線列車調(diào)度通信系統(tǒng)

鐵路無線列車調(diào)度通信系統(tǒng)以鐵路運(yùn)輸調(diào)度為目的，利用無線電波的傳播，完成列車與調(diào)度中心之間或列車與列車之間通信的系統(tǒng)。簡稱無線列調(diào)。是鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的重要組成部分，包括調(diào)度所設(shè)備、沿線地面設(shè)備、傳輸設(shè)備、移動(dòng)電臺(tái)設(shè)備［6］。這種系統(tǒng)顯示直觀、操作簡單、音質(zhì)清晰、聯(lián)絡(luò)迅速。

3 無線通信的列車控制系統(tǒng)

無線通信的列車控制系統(tǒng)(Communication Based Train Control System，CBTC)可以對列車速度、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間精確控制，CBTC判定列車位置不依靠軌道電路，列車間隔進(jìn)一步縮小，系統(tǒng)節(jié)能水平和運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量得到提高。列車控制數(shù)據(jù)采用無線通信技術(shù)傳輸是城市軌道交通和現(xiàn)代鐵路的主要發(fā)展方向［7］。

3.1 軌道電路技術(shù)存在的不足

列車運(yùn)行控制(ATC)系統(tǒng)通常利用鋼軌作為信道構(gòu)成數(shù)字軌道電路來傳遞信息，軌道電路可以自行檢測到運(yùn)行在軌道上的列車保證行車安全。依靠地面向列車傳輸單向信息傳輸模式存在非常大的局限性，第一，列車對地面的信息傳送在應(yīng)用軌道電路的系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn);第二，地面對列車傳輸?shù)男畔⒘坎蛔恪榱吮ＷC安全，列車與地面管理者以及控制者之間的信息必須具有實(shí)時(shí)雙向的傳輸?shù)哪芰Α?/p>

3.2 移動(dòng)閉塞技術(shù)

鐵道信號系統(tǒng)中所廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)是準(zhǔn)移動(dòng)閉塞技術(shù)，是以軌道電路檢測列車位置為基礎(chǔ)的。假設(shè)某軌道電路被一列列車所占用，其它列車只能在其它軌道電路上停泊。同時(shí)，需要預(yù)先分配安全保護(hù)距離以防止碰撞。對于后續(xù)列車，在前方軌道電路被占用的情況下，不允許進(jìn)入前方已經(jīng)被占用的軌道電路，后續(xù)列車將被占用軌道電路劃為隔離“點(diǎn)”，這個(gè)點(diǎn)不可逾越。然而準(zhǔn)移動(dòng)閉塞中的關(guān)鍵問題是，通過車載里程儀和地面距離，后續(xù)列車只知道它在軌道電路中的位置，可是不知道精確的前行列車位置。

依靠雙向通信手段，移動(dòng)閉塞技術(shù)使得每輛列車在了解自身位置的同時(shí)，也知道了前行列車在線路中的位置，這樣行車間隔就可以縮短，行車效率和行車密度就可以提高，以提高服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)水平，增強(qiáng)客運(yùn)能力。

4 CBTC中的無線通信技術(shù)

CBTC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)是“車地通信”和“列車定位”［8，9］，如圖1所示。車地之間可以連續(xù)、高速、雙向的通信，發(fā)送給列車的指令和列車的狀態(tài)信息可以在車載設(shè)備與地面設(shè)備之間可靠交換。定位列車的準(zhǔn)確位置是計(jì)算列車間的相對距離的必要條件，使得列車得以在安全間隔外行駛，也是保證根據(jù)每段線路不同的條件，對列車進(jìn)行針對性的限速等管制的必要條件。

圖1 CBTC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

4.1 車地通信

CBTC系統(tǒng)主要有兩種形式的通信子系統(tǒng):感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。

在感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)中，鐵路沿線鋪設(shè)有外皮絕緣、銅質(zhì)芯線的無屏蔽電纜，也就是感應(yīng)環(huán)線電纜，通信發(fā)送設(shè)備與環(huán)線電纜發(fā)送端相連，這樣可以令一定強(qiáng)度的恒定電流始終在環(huán)線電纜中保持。在列車上，同時(shí)安裝有發(fā)送和接收天線，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)車地雙向通信。通信方式采用主從應(yīng)答方式，通信主站是地面車輛控制中心(VCC)，從站是各個(gè)車載控制器(VOBC)。VCC按照一定的順序向VOBC輪流發(fā)送指令，同時(shí)所對應(yīng)的VOBC會(huì)被要求應(yīng)答。通常的輪循周期為0.5 s，這樣就可以保證最多3 s列車與地面的信息就可以交換一次。通常每個(gè)VCC會(huì)連接多根感應(yīng)環(huán)線，列車可以在不同的感應(yīng)環(huán)線上運(yùn)行，VCC必須確定列車在哪根環(huán)線上。

無線通信技術(shù)已經(jīng)令CBTC系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段?，F(xiàn)有的無線通信平臺(tái)可以被CBTC系統(tǒng)直接采用，既提高了系統(tǒng)集成度，又減少了軌旁設(shè)備，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。在車載CBTC設(shè)備的IP地址已知的情況下，地面需要傳輸?shù)男畔⒕涂梢杂蒀BTC設(shè)備直接向通信子系統(tǒng)發(fā)送，再由通信子系統(tǒng)將地面信息路由傳遞到車輛的接收系統(tǒng)。由于不再需要像感應(yīng)環(huán)線通信系統(tǒng)那樣，由VCC選擇哪一根環(huán)線將用來接收信息，從而使得地面CBTC設(shè)備的軟、硬件結(jié)構(gòu)得以簡化。

4.2 列車定位

與傳統(tǒng)軌道電路檢測的方法不同，在CBTC系統(tǒng)中列車在軌道線路上的實(shí)際位置是由列車自身進(jìn)行定位的，然后再由車地通信系統(tǒng)將列車的位置信息實(shí)時(shí)地通報(bào)給地面CBTC設(shè)備。這里有三個(gè)主要問題需要解決:列車的初始定位點(diǎn)如何確定;列車的方向和行駛距離如何測量;列車走行距離測量的誤差如何消除。

在基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，兩根感應(yīng)環(huán)線的邊界確定了列車的初始定位點(diǎn)。列車在每一段感應(yīng)環(huán)線所接收到的通信報(bào)文中感應(yīng)環(huán)線標(biāo)識號是不同的，這樣列車所經(jīng)過的環(huán)線邊界就可以確定，從而確定了其初始位置。而在基于無線通信的CBTC系統(tǒng)中，則需要在線路的固定位置配置一種可編碼應(yīng)答器。列車行駛經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)，應(yīng)答器向列車發(fā)送定位信息確定列車的初始定位點(diǎn)。列車的初始定位點(diǎn)確定后，列車的行駛距離和方向由安裝在車輪上的轉(zhuǎn)速計(jì)測量出，之后再與初始定位點(diǎn)相結(jié)合，列車在線路上的位置便可以被計(jì)算出。

列車的行駛距離和方向由車輪轉(zhuǎn)速計(jì)確定，但應(yīng)用車輪轉(zhuǎn)速計(jì)測量時(shí)會(huì)存在一些測量誤差，并且隨著距離的遞增不斷累積，從而影響定位效果。因此，這個(gè)誤差必須消除。在基于感應(yīng)環(huán)線的CBTC系統(tǒng)中，通常每隔25 m感應(yīng)環(huán)線交叉一次，當(dāng)列車經(jīng)過這個(gè)交叉點(diǎn)時(shí)，相位相反的信號會(huì)被接收天線收到，這樣就可確定列車的位置正處在交叉點(diǎn)上。又因?yàn)橄噜徑徊纥c(diǎn)間的距離一定，所以列車在經(jīng)過感應(yīng)環(huán)線交叉點(diǎn)時(shí)，就可以對轉(zhuǎn)速計(jì)測量的列車行駛距離值進(jìn)行修正，從而避免誤差累積。對于基于無線通信的CBTC系統(tǒng)，避免累計(jì)誤差的原理相同。安裝系統(tǒng)時(shí)，地面應(yīng)答器按照預(yù)定的間隔沿地面線路設(shè)置，列車在經(jīng)過應(yīng)答器時(shí)，便可修正列車的行駛距離的測量值，從而消除誤差累積。

5 結(jié)束語

CBTC技術(shù)高效地集成了數(shù)據(jù)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)等一系列高新技術(shù)，有效地將這些技術(shù)運(yùn)用于列車控制管理、鐵路運(yùn)輸管理等方面，極大地推動(dòng)了鐵路運(yùn)輸向智能化、信息化的方向發(fā)展與邁進(jìn)。

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