基于數(shù)字通信技術(shù)的鐵路列車控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭 聰

（陜西陜煤銅川礦業(yè)有限公司 鐵路運銷分公司，陜西 銅川 727000）

0 引 言

隨著科技的迅猛發(fā)展和社會進步的推動，鐵路交通作為一種高效、安全的交通方式在現(xiàn)代社會中扮演著重要的角色。然而，傳統(tǒng)的鐵路列車控制系統(tǒng)在面對日益增長的運輸需求和復(fù)雜的運行環(huán)境時，存在一系列的挑戰(zhàn)和限制。模擬信號傳輸和人工操作的方式導(dǎo)致了系統(tǒng)復(fù)雜度高、故障率高以及安全隱患的存在。為了解決這些問題，基于數(shù)字通信技術(shù)的鐵路列車控制技術(shù)應(yīng)運而生，為鐵路運輸系統(tǒng)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。基于該背景，研究基于數(shù)字通信技術(shù)的鐵路列車控制設(shè)計及優(yōu)化方法，以提高鐵路交通的安全性和運行效率。推動數(shù)字通信技術(shù)在鐵路交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，有助于提高鐵路交通的安全性、運行效率以及服務(wù)質(zhì)量。

1 基于數(shù)字通信技術(shù)的鐵路列車控制系統(tǒng)研究概述

1.1 數(shù)字通信技術(shù)與鐵路列車控制系統(tǒng)

數(shù)字通信技術(shù)是一種基于數(shù)字信號傳輸和處理的通信技術(shù)，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字形式，通過使用數(shù)字編碼和調(diào)制技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)[1]。相對于傳統(tǒng)的模擬通信技術(shù)，數(shù)字通信技術(shù)具有以下特點和優(yōu)勢：（1）抗干擾能力強，數(shù)字信號可以通過差錯檢測和糾錯編碼等技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕行У钟肼暫透蓴_對信號質(zhì)量的影響；（2）數(shù)據(jù)壓縮和處理高效，數(shù)字通信技術(shù)能夠?qū)⒃夹盘栠M行高效的采樣和編碼，減小數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩唬?）靈活性和可擴展性強，數(shù)字通信技術(shù)的處理過程可以通過軟件和算法進行配置和調(diào)整，靈活適應(yīng)不同的需求，同時能夠支持多路復(fù)用和分組傳輸，實現(xiàn)在同一信道上同時傳輸多個信號，提高信道的利用率；（4）兼容性好，數(shù)字通信技術(shù)能夠與現(xiàn)有的通信設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)兼容，可以與模擬通信技術(shù)進行互聯(lián)互通[2]。

鐵路列車控制系統(tǒng)（Train Control System，TCS）以數(shù)字信號為基礎(chǔ)，用于管理和控制鐵路列車的運行[3]。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)列車位置檢測、速度控制、列車間距管理以及與信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)等功能，從而確保列車在鐵路網(wǎng)絡(luò)上的安全、高效運行。TCS 的關(guān)鍵組成部分包括列車位置檢測設(shè)備、通信系統(tǒng)、列車控制中心以及列車載荷設(shè)備，通過數(shù)字通信和自動化技術(shù)實現(xiàn)精確的列車位置控制與運行調(diào)度，提高鐵路交通的安全性和運行效率。

1.2 基于數(shù)字通信的鐵路列車控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

基于數(shù)字通信的鐵路列車控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀表明，數(shù)字通信技術(shù)的應(yīng)用為鐵路運輸領(lǐng)域帶來了許多創(chuàng)新和改進的機會，目前已經(jīng)取得了一些重要的進展，主要研究方向如下[4,5]。

（1）通信技術(shù)應(yīng)用。數(shù)字通信技術(shù)在鐵路列車控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬信號傳輸正在逐漸被數(shù)字信號取代，從而提高了通信的可靠性和穩(wěn)定性。同時，無線通信技術(shù)如Wi-Fi 等被用于實現(xiàn)列車與控制中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。

（2）列車位置檢測。數(shù)字通信技術(shù)為精確的列車位置檢測提供了新的手段。利用全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）和地面設(shè)備等可以實時監(jiān)測列車的位置與運行狀態(tài)，為列車控制系統(tǒng)提供了準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于實現(xiàn)列車之間的安全運行間隔和運行計劃優(yōu)化。

（3）控制指令傳輸。數(shù)字通信技術(shù)實現(xiàn)了高速和可靠的控制指令傳輸。通過數(shù)字信號的處理和編碼，控制指令可以準確地傳輸?shù)搅熊嚕瑢崿F(xiàn)實時的速度調(diào)整、制動控制等操作，從而提高列車的響應(yīng)速度，增強列車控制的準確性和靈活性。

2 數(shù)字通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)

2.1 1FZL300 型CBTC 系統(tǒng)

1FZL300型基于通信的列車控制（Communication-Based Train Control，CBTC）系統(tǒng)由中國鐵路通信信號集團有限公司（China Railway Signal & Communication Corp，CRSC）開發(fā)。它采用數(shù)字通信技術(shù)，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)列車位置監(jiān)測、速度控制和列車間距管理等功能，特點如下。

（1）高度自動化。1FZL300 型CBTC 系統(tǒng)利用數(shù)字通信技術(shù)和自動控制算法，實現(xiàn)列車的自動運行和調(diào)度。它能夠根據(jù)列車位置和速度信息，自動控制列車的運行、停車和起動，提高了列車運行的效率與安全性。

（2）實時通信。系統(tǒng)采用可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)列車與控制中心之間的實時數(shù)據(jù)傳輸和通信。基于該背景，控制中心可以準確監(jiān)測列車位置和狀態(tài)，并下發(fā)實時的控制指令，確保列車的安全運行。

（3）靈活性和擴展性。1FZL300 型CBTC 系統(tǒng)包括FZL300 型CBTC 系統(tǒng)、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS）、聯(lián)鎖、列車自動防護（Automatic Train Protection，ATP）以及列車自動駕駛（Automatic Train Operation，ATO）等子系統(tǒng)。ATP 子系統(tǒng)提供行車間隔的安全防護功能，有中心控制模式和本地控制模式，如果ATS 發(fā)生故障，則可以切換到本地的聯(lián)鎖控制模式，大大增強了行車調(diào)度的靈活性和可靠性。

2.2 LCF-300 型CBTC 系統(tǒng)

LCF-300 型CBTC 系統(tǒng)是由Alstom 公司開發(fā)的一種基于通信的列車控制系統(tǒng)。它采用數(shù)字通信技術(shù)和自動化控制算法，實現(xiàn)列車的精確控制與安全運行，主要特點如下。

（1）高度可靠性。LCF-300 型CBTC 系統(tǒng)采用了雙重通信鏈路和冗余設(shè)計，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。這使得列車與控制中心之間的通信更加穩(wěn)定，并提供了高度可靠的列車控制功能。

（2）高精度位置檢測。系統(tǒng)利用多種技術(shù)，如全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）、軌道電路、慣性導(dǎo)航等，實現(xiàn)列車位置的高精度檢測，為列車控制和安全間隔管理提供了準確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（3）多功能性。LCF-300 型CBTC 系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)列車的自動控制和調(diào)度，還可以集成其他功能，如列車健康監(jiān)測、車輛故障診斷等，提供全面的列車管理和維護支持。

2.3 TRANAVI 系統(tǒng)

TRANAVI 系統(tǒng)是一種基于通信的列車控制和信號系統(tǒng)，由日本東芝公司開發(fā)。該系統(tǒng)采用數(shù)字通信技術(shù)和先進的列車控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)高度自動化和安全性的列車運行，其主要特點如下。

（1）高度安全性。TRANAVI 系統(tǒng)采用多層次的安全措施，包括車載設(shè)備和線路設(shè)備之間的多重監(jiān)測與驗證，確保列車運行的安全性。它還具有自動防撞和速度限制等功能，確保列車在任何情況下都能安全停車和運行。

（2）高容量運輸。系統(tǒng)利用先進的列車控制和優(yōu)化算法，實現(xiàn)列車之間的緊密運行與高容量運輸。這提高了鐵路線路的運輸能力和效率，減少了列車之間的間隔時間，提高了線路的吞吐量。

（3）系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。TRANAVI 系統(tǒng)具有強大的冗余設(shè)計和自動故障檢測功能，能夠快速識別和糾正系統(tǒng)故障。這確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，并提供了連續(xù)運行的保障。

3 基于數(shù)字通信的列車控制系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 基于CBTC 的制動模型

基于數(shù)字通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)利用列車-地間的雙向?qū)崟r通信，后續(xù)列車可以實時從軌旁控制器中接收前方列車的實際運行狀態(tài)及前方軌道的狀態(tài)等信息。由于車地間可以傳輸較大的信息量，車載設(shè)備可以實時從地面接收到車輛運行前方線路限速或者障礙物的情況，從而實時計算與調(diào)整列車的運行曲線，大大提高了列車運行的安全性[5]。CBTC 系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 CBTC 系統(tǒng)原理

列車定位的檢測判定是CBTC 系統(tǒng)的基礎(chǔ)，列車位置的確定由車載設(shè)備中的列車定位模塊單獨完成，列車追蹤功能由地面設(shè)備中的列車定位模塊和ATS共同完成。安裝在列車上的速度傳感器和其他的傳感器檢測列車的運行狀態(tài)，車載計算機根據(jù)這些信息計算出列車的行走距離[5]。

3.2 基于CBTC 的的牽引/制動模型分析

列車的運動通過安裝在輪軸上的編碼里程計（速度傳感器）監(jiān)測。通過編碼里程計測量列車的運動，車載控制器計算列車速度和加速度。系統(tǒng)中ATP 采用安全速度，ATO 采用非安全速度。當采用安全速度時，ATO 在安全速度下考慮部分速度余量駕駛列車。控制速度是非安全速度和ATO 速度中的最小值。ATP 子系統(tǒng)包括列車能量檢測。當ATP 估計司機或ATO“接觸”或“超過”緊急曲線時觸發(fā)緊急制動。

如果列車的速度超過列車最大的限制速度，ATP子系統(tǒng)將會觸發(fā)緊急制動。該速度限制一般為線路土建的永久限速，也可以是調(diào)度員設(shè)置的臨時限速。為防止列車在正常行駛過程中緊急制動被觸發(fā)，ATO與ATP 速度（緊急制動觸發(fā)速度）區(qū)間之間應(yīng)當有一定的駕駛余量。當前方有一個速度限制點時，ATO駕駛列車時將會貼近緊急自動觸發(fā)曲線運行，使得列車能運行在最大的允許速度。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計

本案例中，鐵路列車控制系統(tǒng)通過無線通信實現(xiàn)車地的雙向通信。采用的是移動閉塞設(shè)計理念，不需要定義虛擬區(qū)段，能滿足小編組、高密度的行車要求。核心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 核心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)的鐵路列車控制系統(tǒng)使用模擬信號和人工操作，存在復(fù)雜性高、故障率高以及難以避免的安全隱患等問題。然而，隨著數(shù)字通信技術(shù)的快速發(fā)展，為鐵路列車控制帶來了全新的解決方案和優(yōu)化潛力。基于數(shù)字通信技術(shù)，構(gòu)建與研究了智能鐵路列車控制系統(tǒng)，首先介紹了數(shù)字通信技術(shù)在鐵路列車控制領(lǐng)域的研究概述，其次詳細探討了數(shù)字通信技術(shù)的列車控制系統(tǒng)框架，最后設(shè)計了一種基于數(shù)字通信的列車控制系統(tǒng)，為自動化鐵路列車控制系統(tǒng)的搭建與應(yīng)用提供了新思路。