采用无线机车信号系统实现机车信号主体化

　　关键词:无线机车信号　主体化　故障安全

　　论文摘要:提出采用无线机车信号系统实现机车信号主体化。该系统的主要优势在于利用无线信道方式传输机车信号、列车位置、速度等列控信息,构成信息传输闭环确认,保证信息传输的可靠性;无需进行车站电码化,不存在因轨道电路受干扰影响信息传输问题;最大限度利用既有地面信号设备和车载列控设备;系统结构简单,便于实现,成本低。阐述了系统的基本结构和工作原理。对系统中的无线机车信号、无线数据传输等关键技术进行了重点描述,并对系统的故障-安全进行了分析。

　　Key words:Radio cab signaling; Authorization; Fail-safety

　　Abstract:In this paper, it is proposed thatRadio Cab Signalbe adopted to realize theAuthorization ofCab-Signaling. Themajor advantages of this system lie in an easy construction of a closed-loop of infor-mation transmission of such train control data as cab signa,l the position and speed of a train, ensuringthe reliability of information transmission. There is no need for station coding and no data transmissionproblems due to track circuitbeing interfered. Existing ground signal equipmentand on-board equipmentcould be employed to the greatestexten.t The structure of the system is simple, easy to realize, andwithlow cos.t The basic structure and working principle of the system is introduced in this paper. The keytechniques of the system, such as the radio cab signa,l wireless data transmissionmethod and so on, arehighlighted and the fail-safety of the system is also analyzed.

　　随着列车速度的不断提高,靠地面信号行车已不能保证行车安全。因此,解决机车信号主体化已是当务之急。JT1-CZ2000型主体化机车信号车载系统,为车载设备达到主体化要求创造了条件。但地面轨道电路还没有配合的方案和标准,其原因主要在于我国铁路沿用多种不同制式的轨道电路,且车站、区间不统一,站内轨道电路存在邻线干扰、半边侵入、信息不能进行闭环检测、站内轨道电路长短相差很大等问题。因此,采用无线机车信号,在实现机车信号主体化和提高运行监控记录器控车质量方面,具有不可比拟的优势。

　　1　无线机车信号系统类型

　　无线机车信号系统是用无线信道方式代替轨道电路,传输行车信息的新型铁路信号系统。它实现了列车与地面之间的双向通信,列车可将其位置、速度等信息传给车站,同时车站也可将行车信号和命令传给列车,实现了对列车的闭环控制,不间断地跟踪、监控列车运行,提高了列车运行的安全性。无线机车信号系统可分为2种类型:①列车从一个车站到另一个车站的整个运行过程中都有机车信号显示,称为连续式无线机车信号,用GSM-R无线传输方式实现;②列车从一个车站到另一个车站运行时,只有在临近车站地区才有机车信号,称为接近连续式无线机车信号,用普通数传电台即可实现。青藏铁路就采用了接近连续式无线机车信号。

　　2　基本结构

　　无线机车信号系统中GSM-R数据传输通道构成见图1。它包括车载设备、地面设备、GSM-R数字移动通信网(简称GSM-R网)、固定用户接入交换机(简称FAS)和车载无线通信模块。无线机车信号系统中数传电台数据传输通道基本结构见图2。它由车站设备、车载设备和车-地间无线通信设备3部分组成。与查询应答器、联锁设备、计轴设备等,共同完成规定的功能。车站设备含车站控制主机及无线电台控制接口、部分信息采集接口电路板;车载设备含车载控制机、车载电台控制接口和机车信号机车载显示器以及与查询应答器、GPS、记录器、语音卡、运器等连接的接口电路;无线通道设备含车站数传电台、GSM-R数字移动通信网、天线及天线馈线等。

　　　　　　　　　
　　3　信息传输可靠性

　　无线机车信号传输的基本信息有:第1类信息(Ⅰ),列控信号基本信息;第2类信息(Ⅱ),含接/发车股道数、车次号、列车实际速度和最大允许速度、列车位置等。此外,在传输延迟允许的前提下,还可传输第3类非安全性质的信息(Ⅲ),包含工务、电务、机务等方面的内容。因此1个信息周期的标准格式如图3所示。另外,连续式无线机车信号还应加ATP系统服务的控制参数等。

　　　　　　　

　　无线机车信号的可靠性措施主要涉及到系统结构、信息源、时间戳、无线传输、列车控制和抗干扰性等几个方面。

　　1.任何传输的信息都有固定地址。在基于轨道电路的列车控制系统(TBTC)中,信息传输的目的地是固定的。而基于无线通信的列车控制系统(CBTC),虽然使用的是开放空间的无线信道,但各个车站及车载设备均有固定地址,使发送与接收信息严格按地址执行。对于地址错误的信息,“信箱”拒不接收,这就等同于原来的固定轨道电路,而且进一步专门化,更为安全。

　　2.信息传输的时间戳。在TBTC中,相同信息传输是连续不断的,不存在信息过时问题。但在CBTC中,由于采用时分复用的方法,随时可能受到有意或无意的干扰与攻击,所以专门设置了时间戳,即任何信息的传输都冠以起始时间,超过规定时间后,有效信息被中止。

　　3.列车注册制。调度管辖区内的列车,均有惟一的车次代码即车次号。车次号由具有最高权威的区段调度按照行车计划发布,并且车次号与注册号相对应,任何运行的列车只有在注册后,才能在无线信道中进行有效信息的传输。通过上述措施使双向通信受到严格的约束,即信息内容只有同时满足地址、时间和注册码要求才是有效的。在信号作用范围内,每一列车每一时刻占用一个固定的空间,并与惟一的注册信息相对应。

　　4　故障-安全措施

　　1.实现了列控数据的双向传输。信号传输采用闭环方式,即双方应答确认信息需进行信息校核,对比确认后方可输出,经数次比较不正确的,将报警并降级显示,符合铁路信号的故障-安全原则。

　　2.采用类似轨道电路的连续不间断发码方式,利用脉冲方式驱动输出,计时器判断执行,超时硬件复位,系统降级显示,实现故障-安全。

　　3.上、下行列车无线机车信号采用不同频率,且频率间相互锁闭和相互排斥,不会造成敌对进路,避免发生同频干扰,保证行车安全。

　　4.系统中设有查询应答器,进一步作固定控制。当列车通过应答器后,在规定时限内没有获得注册或没有接收到机车信号,无线机车信号将进行报警,同时列车的走行距离。若司机不进行干预,列车将自动执行停车。

　　5.信息结构内容中对发信者与接收者都事先注册在案,因此局外信息无效,避免局外有意干扰;信息内容有时限保障,超过规定信息的执行时间和有效时间,有效信息将被中止,保证信息的有序性,排除外来的干扰。

　　6.信息发送编码中均有CRC检错功能,提高了抗干扰性。无线机车信号内容的发送和译码采用三取二高可靠方式,从而也提高了可靠性。

　　7.系统的外界条件引入时,均采用光电隔离方法,防外界干扰,提高了安全性。

　　8.系统还设计了一些检测电路,如设有看门狗,程序转飞后可被立即拉回;瞬间停电后,上电可自动恢复等。

　　5　无线机车信号的优点

　　1.传输信息量大。无线机车信号除了提供机车信号信息外,还提供进路信息和列控信息,如:列车进几股道、股道长度、道岔型号、列车位置、速度、限速值等。数据信息取自于联锁,不存在车站电码化问题,同时还能够为机车监控装置或ATP装置提供大量的数据。

　　2.控制功能强。无线机车信号采用自律轮询控制方式,应变时间短,控制功能强。其地面设备对进入车站控制范围内的列车进行注册和注销管理,依据车站联锁的进路条件和调度命令,生成机车信号信息,并能够同时正确地、实时地控制车站范围内的多台机车,实现车-地间信号的传递。便于与CTC,GPS等系统连接,从而构成新型列控系统。

　　3.采用数字信号传输,传输可靠性高,抗干扰能力强。

　　4.信息闭环确认。无线机车信号实现了车-地之间双向信息传输,地面发出的信号,车载设备有回示信息,双方进行信息校核,保证信息传输的可靠性。

　　5.信息连续显示。列车无论在区间或在车站的任何区段,机车信号的显示都是连续的。

　　6.车载显示屏显示。机车上除了八灯位信号机外,还提供LCD平面显示屏。车载图形化显示,语音提示无需司机问路,司机通过车上的图形显示器可以看到车站为其办好的进路,及进站信号机和出站信号机的信号显示,方便驾驶。无线机车信号与既有机车信号的性能对照,如表1所示。

　　7.工程实施方便,可操作性强。无线机车信号不受车站站场大小及布置影响,不受车站股道变动影响。在既有线改造施工中不影响正常列车运行。

　　　　　　　　　　　

　　6　结论

　　无线机车信号系统是基于通信的列车控制系统(CBTC)的一种简单形式,符合铁路列车控制技术方向。它除了采用一般信号系统通常应用的多种措施外,还增加了很多新的措施和方法,其可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)指标得到进一步提高。摆脱了车站轨道电路电码化,采用直接从联锁和调度集中提取信息,通过无线信道传输信息,从而实现机车信号主体化。目前,青藏线采用了接近连续式无线机车信号,标志着我国进入CBTC的一种起步。上海城轨(低速)磁浮试验线ATP系统明确采用无线机车信号车载设备及其显示器,这将为无线机车信号的推广应用提供更多机遇和挑战。

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2　汪希时.论我国铁路机车信号主体化进程〔J〕.中国铁路, 2002 (10)·

3　王俊峰.青藏铁路无线机车信号系统研究〔J〕·铁道学报, 2002 (5)·

4　汪希时.铁路信号发展新纪元:基于通信的列车控制系统〔J〕·北方大学学报, 2000 (8)·

5　汪希时,程荫杭.青藏铁路列控系统推荐方案(草案)〔J〕·北方交通大学学报, 2000 (10)·

6　王俊峰.高速列车控制数据无线传输的实时性及可靠性分析〔J〕·北方交通大学学报, 2000 (24)