簡述無線通信的軌道交通ATC系統(tǒng)
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論文導(dǎo)讀：基于通信的ATC系統(tǒng)(CBTC)是指利用不依賴于軌道電路的高精度的列車定位、雙向連續(xù)、大容量的車——地?cái)?shù)據(jù)通信以及車載、地面的安全功能處理器,實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)列車控制的一種系統(tǒng)。近年來隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)、安全處理技術(shù)的飛速發(fā)展，基于無線通信技術(shù)的ATC系統(tǒng)（RFCBTC）在我國軌道交通中已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，并成為ATC系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。對(duì)于裂縫波導(dǎo)還可以完成列車的輔助定位功能�；跓o線通信的ATC系統(tǒng)（RFCBTC）是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，以及設(shè)備國產(chǎn)化率逐步的提高，基于無線通信的ATC系統(tǒng)（RFCBTC）在我國軌道交通中將會(huì)得到更加廣泛的推廣與應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)列車控制，無線通信，定位，軌道交通
1、 概述
列車自動(dòng)控制（Automatic TrainControl,簡稱ATC）系統(tǒng)由列車自動(dòng)防護(hù)（AutomaticTrain Protection,簡稱ATP）、列車自動(dòng)運(yùn)行（AutomaticTrain Operation,簡稱ATO）、列車自動(dòng)監(jiān)督（AutomaticTrain Supervision,簡稱ATS）三個(gè)子系統(tǒng)組成。ATC系統(tǒng)早在20世紀(jì)60年代開始研制試用，世界上第一條使用ATC系統(tǒng)的線路——維多利亞線——于1968年在英國倫敦投入運(yùn)行。論文檢測。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)的快速發(fā)展, 20世紀(jì)80年代以來，出現(xiàn)了基于通信的ATC系統(tǒng)（Communication Based Train Control,簡稱CBTC）�；谕ㄐ诺腁TC系統(tǒng)(CBTC)是指利用不依賴于軌道電路的高精度的列車定位、雙向連續(xù)、大容量的車——地?cái)?shù)據(jù)通信以及車載、地面的安全功能處理器, 實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)列車控制的一種系統(tǒng)�；谕ㄐ诺腁TC系統(tǒng)（CBTC）又分為采用軌間電纜為傳輸通道的CBTC(稱為IL CBTC)和采用無線數(shù)據(jù)通信的CBTC（稱為RF CBTC）。近年來隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)、安全處理技術(shù)的飛速發(fā)展，基于無線通信技術(shù)的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）在我國軌道交通中已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段，并成為ATC系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。
2、 基于無線通信的ATC系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
基于無線通信的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）車——地間通過無線數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高速、雙向、大容量的信息交換，能夠滿足移動(dòng)閉塞車——地通信的要求，它代表著ATC發(fā)展的最新方向，一般采取移動(dòng)閉塞制式。從結(jié)構(gòu)上看，整個(gè)系統(tǒng)由聯(lián)鎖設(shè)備、RF CBTC地面設(shè)備、無線通信網(wǎng)絡(luò)和RF CBTC車載設(shè)備組成，如圖1 所示。但從功能上分為ATP子系統(tǒng)、ATO子系統(tǒng)、ATS子系統(tǒng)和聯(lián)鎖子系統(tǒng)。RF CBTC地面設(shè)備實(shí)現(xiàn)地面軌旁ATP功能，RF CBTC車載設(shè)備實(shí)現(xiàn)車載ATP、ATO功能，ATS在ATP、ATO子系統(tǒng)及聯(lián)鎖設(shè)備的支持下完成對(duì)全線列車運(yùn)行的自動(dòng)管理和監(jiān)控。
3、 基于無線通信的ATC系統(tǒng)的基本原理
基于無線通信的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）的基本工作原理如圖2所示。調(diào)度控制中心(DCC) 位于整個(gè)架構(gòu)的最頂層, 它負(fù)責(zé)控制多個(gè)車站控制中心(SCC) , 以實(shí)現(xiàn)相鄰SCC 之間的控制通信。每個(gè)車站設(shè)一個(gè)車站控制中心。每一列車裝備有RF CBTC車載設(shè)備(OBE) , 車站控制中心控制其范圍內(nèi)所有列車的運(yùn)行。SCC 通過其管轄范圍之內(nèi)的多個(gè)基站(BS) 與覆蓋范圍內(nèi)的RF CBTC車載設(shè)備實(shí)時(shí)雙向通信。信息的發(fā)送范圍就是車站無線通信系統(tǒng)的覆蓋范圍, 因此列車在運(yùn)行過程中, RF CBTC 車載設(shè)備要依次與各個(gè)SCC 建立通信聯(lián)系, 接收SSC 發(fā)送的信息。每一SCC 要向其控制范圍內(nèi)的所有列車發(fā)送信息, 因此一個(gè)SCC 要同時(shí)與多個(gè)RF CBTC車載設(shè)備（OBE ）保持通信聯(lián)系。而一列車不能夠同時(shí)與多個(gè)SCC 通信, 在經(jīng)過不同的車站控制信號(hào)區(qū)域時(shí), RF CBTC車載設(shè)備（OBE）會(huì)自動(dòng)地采取信號(hào)區(qū)域的切換。
列車在區(qū)段內(nèi)運(yùn)行時(shí),OBE利用無線方式通過BS將列車位置、速度信息發(fā)送給SCC。BS通過無線信道向空間發(fā)送信息,所在區(qū)域的列車根據(jù)自身的編號(hào)地址,接收發(fā)送給自己的信息,不會(huì)發(fā)生信息竄碼事件。SCC通過BS周期地將前行列車的位置、速度及線路參數(shù)等信息發(fā)送給后行列車；后行列車的OBE收到信息后,根據(jù)前車運(yùn)行狀態(tài)(位置、速度)、線路參數(shù)(彎道、坡度等)、本車運(yùn)行狀態(tài)、列車參數(shù)(列車長度、牽引重量、制動(dòng)性能等) , 采用車上計(jì)算、地面(SCC) 計(jì)算或是車上、地面同時(shí)計(jì)算, 預(yù)期列車在一個(gè)信息周期末的狀態(tài)能否滿足列車追蹤間隔的要求,從而確定合理的駕駛策略,實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)段內(nèi)高速、平穩(wěn)地以最優(yōu)間隔追蹤運(yùn)行, 從而為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞分區(qū)提供可靠的技術(shù)支持。
4、 基于無線通信的ATC系統(tǒng)的車地通信方式及定位技術(shù)
�。�1）車地通信方式及特點(diǎn)
基于無線通信的ATC系統(tǒng)的車—地通信方式有三種。
1)無線電臺(tái)方式
采用自然空間作為車地信息傳輸?shù)闹饕浇�。無線信號(hào)在空氣中自然傳播，衰耗相對(duì)較大,并且要考慮不同電磁環(huán)境下的防干擾問題。但軌旁設(shè)備簡單，工程投資相對(duì)較少，設(shè)備可以采用高度通用化模塊，直接采用商業(yè)現(xiàn)貨，維修工作量小，長期運(yùn)營費(fèi)用低。
2)漏泄電纜方式
采用漏泄電纜作為車地信息傳輸?shù)闹饕浇�。論文檢測。漏泄電纜安裝于軌旁或頂部，沿線貫通敷設(shè)，無線信號(hào)沿漏泄電纜傳輸。其特點(diǎn)是場強(qiáng)覆蓋效果均勻，傳輸速率高，傳輸衰耗較小，但漏纜價(jià)格較貴，工程投資較大。漏泄電纜系統(tǒng)可提供較寬的帶寬，不僅可傳輸車地雙向連續(xù)的數(shù)據(jù)，還可傳輸音頻和視頻信號(hào)。
3)裂縫波導(dǎo)方式
采用裂縫波導(dǎo)作為車地信息傳輸?shù)闹饕浇�。波�?dǎo)管沿線貫通敷設(shè)，安裝于線路的一側(cè)，無線信號(hào)沿波導(dǎo)管傳輸。其特點(diǎn)是波導(dǎo)傳輸方式衰耗小，且衰耗均勻，無反射波、鄰頻干擾、傳輸死區(qū)等情況。微波波導(dǎo)系統(tǒng)具有較寬的帶寬，不僅可傳輸車地雙向連續(xù)的數(shù)據(jù)，還可傳輸語音和視頻信號(hào)，而且傳輸衰耗小。論文檢測。但波導(dǎo)價(jià)格貴，工程投資相對(duì)大。對(duì)于裂縫波導(dǎo)還可以完成列車的輔助定位功能。
�。�2）定位技術(shù)
基于無線通信的ATC系統(tǒng)的列車定位主要通過車載定位設(shè)備和地面定位設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)。車載定位設(shè)備主要有：編碼里程計(jì)、測速雷達(dá)、測速電機(jī)（OPG）、車載測速傳感器、加速計(jì)、接近傳感器、車載擴(kuò)頻電臺(tái)等；地面定位設(shè)備主要有：應(yīng)答器、信標(biāo)、裂縫波導(dǎo)、地面擴(kuò)頻電臺(tái)等。應(yīng)答器（或信標(biāo)）主要用于確定列車在線路中的絕對(duì)位置，對(duì)于兩個(gè)應(yīng)答器（或信標(biāo)）之間的位置車載設(shè)備通過測速設(shè)備計(jì)算其走行距離加上上一應(yīng)答器(或信標(biāo))的絕對(duì)位置計(jì)算而得。系統(tǒng)的定位精度取決于應(yīng)答器（或信標(biāo)）在線路上安裝密度和車載設(shè)備測速誤差。目前開通或?qū)⒁_通的絕大多數(shù)RF CBTC系統(tǒng)主要采用這種定位方式，通過應(yīng)答器（或信標(biāo)）加車載測速設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)列車定位。
另外一種定位方式就是利用擴(kuò)頻電臺(tái)實(shí)現(xiàn)列車定位。擴(kuò)頻無線電臺(tái)定位的原理是：在地面沿線設(shè)置無線基站，無線基站不斷發(fā)射帶有其位置信息的擴(kuò)頻信號(hào)，車載擴(kuò)頻電臺(tái)同時(shí)接收到3個(gè)以上的無線基站信息，并分別計(jì)算出列車與基站的距離，即可以確定列車的即時(shí)位置。擴(kuò)頻定位的精度取決于偽隨機(jī)編碼的頻率，編碼頻率越高，定位精度越高。150MHZ頻率的編碼可以實(shí)現(xiàn)1m以下的測距誤差。
5、 小結(jié)
基于無線通信的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）應(yīng)用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車與地面之間的雙向、實(shí)時(shí)、可靠、大容量的信息傳輸。車地間通過無線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、雙向、安全、可靠的控車信息和列車運(yùn)行狀態(tài)信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)列車的實(shí)時(shí)、連續(xù)、閉環(huán)控制，不僅能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的移動(dòng)閉塞，縮短列車的行車間隔，大幅度提高列車的運(yùn)行效率，而且還可以實(shí)現(xiàn)語音、視頻信息的傳輸，為旅客實(shí)現(xiàn)各種增值業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足旅客多元化的旅行要求�；跓o線通信的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）是軌道交通信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，隨著無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、安全處理技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，以及設(shè)備國產(chǎn)化率逐步的提高，基于無線通信的ATC系統(tǒng)（RF CBTC）在我國軌道交通中將會(huì)得到更加廣泛的推廣與應(yīng)用。
參 考 文 獻(xiàn)
1 IEEE Standard forCommunications-Based Train Control (CBTC)
Performanceand Functional Requirements. 1999.
2 曾小清,王長林，張樹京.《基于通信的軌道交通運(yùn)行控制》同濟(jì)大學(xué)出版社,2007.5.
3 傅世善. 《閉塞與列控概論》中國鐵道出版社,2006.3.
