无线通信技术在铁路运输中的应用

朱春甫

(中国铁建电气化局集团北方工程有限公司，山西太原030053)

0 引言

随着高速铁路快速的发展，为了让旅客享受到更加高效、实时、可靠的宽带无线网络接入服务，移动宽带通信的研究与应用得到了广泛的关注。客运专线信息化建设至关重要，控制中心需要实时了解列车的安全、运行和设备维护等信息;在社会信息化高度发展的背景下，人们需要时刻保持与网络的连接，达到工作、商务、信息浏览、娱乐等目的。可是目前正在研究与应用的技术所能达到的无线接入速率都不够理想。所以，为了在高速移动环境中满足人们对宽带无线接入互联网的速率需求，对基于高速铁路的公众宽带通信接入进行科学研究是极其必要的［1］。

1 铁路中的无线通信技术

1.1 光纤射频中继器

光纤射频中继器的应用可以令使用者达到一个基站管辖多个车站和线路的目的，可以解决在每个铁路上都设无线基站，从而使得成本增加的问题。其基本原理是，基站设置在某车站，负责本站区域的场强覆盖，而在管辖站设置光纤射频中继器，通过光纤射频中继器接收到射频信号，与此同时基站也能够通过光纤射频中继器接收到管辖站所接收的射频信号。

1.2 泄露同轴电缆

波导效应在隧道中尤为强烈(隧道中的直线距离短、弯曲多，无法进行直射传播，因为吸收衰减和多径效应的存在，隧道传播衰减大)。应用泄露同轴电缆可以使电波在隧道中的传播问题得到解决［2］。

1.3 车次号的自动转换

ATS(Automatic Train Supervision，自动列车监控系统)集群系统需要车次号和机车号的确切信息进行列车呼叫，自动查找车次号与机车号的对照表，实现车机号与车次号的转换，使得呼叫更加简单有效。这就需要在ATS和交换控制设备之间设置一个接口。

1.4 通话组的自动转换

对于所有的信道，移动台之间的通话自动转换在集群方案中都是共用的，通过改变网管工作站的设置来实现通话组的转换。通常，便携台的分配比较固定，车辆段管辖位于车辆段范围的列车台，行车调度管辖位于线路范围的列车台，所以，列车行驶通话组的转变应当与列车台的转换同时进行［3］。

2 铁路运输中的无线通信系统

2.1 无线数字通信系统

无线数字通信系统主要有恶劣环境影响较小、通话质量较高、容量扩容方便、建立迅速、通信质量可靠、改移方便等特征［4］。无线接入可以让有线/无线互为备用，应用在调度监督通信、站间闭塞通信、行车调度通信中，不会对到行车调度通信产生影响。专用通信运用可靠、联络迅速、音质清晰。

2.2 无线平面调度通信系统

传统铁路调车指挥作业通常是以灯、旗信号为其主要的工作方式。工作效率低，工作人员的劳动强度太大，伤亡事故容易发生。在无线平面调度通信系统应用于调车作业后，操作工具大范围升级，工作效率显著提高，安全性同样得到了很大的提高。特点是:灵活性强、信息化程度高、可靠性好、安全性高等［5］。

2.3 无线列车调度通信系统

铁路无线列车调度通信系统以铁路运输调度为目的，利用无线电波的传播，完成列车与调度中心之间或列车与列车之间通信的系统。简称无线列调。是铁路调度通信系统的重要组成部分，包括调度所设备、沿线地面设备、传输设备、移动电台设备［6］。这种系统显示直观、操作简单、音质清晰、联络迅速。

3 无线通信的列车控制系统

无线通信的列车控制系统(Communication Based Train Control System，CBTC)可以对列车速度、区间运行时间、停站时间精确控制，CBTC判定列车位置不依靠轨道电路，列车间隔进一步缩小，系统节能水平和运营服务质量得到提高。列车控制数据采用无线通信技术传输是城市轨道交通和现代铁路的主要发展方向［7］。

3.1 轨道电路技术存在的不足

列车运行控制(ATC)系统通常利用钢轨作为信道构成数字轨道电路来传递信息，轨道电路可以自行检测到运行在轨道上的列车保证行车安全。依靠地面向列车传输单向信息传输模式存在非常大的局限性，第一，列车对地面的信息传送在应用轨道电路的系统中难以实现;第二，地面对列车传输的信息量不足。为了保证安全，列车与地面管理者以及控制者之间的信息必须具有实时双向的传输的能力。

3.2 移动闭塞技术

铁道信号系统中所广泛应用的通信技术是准移动闭塞技术，是以轨道电路检测列车位置为基础的。假设某轨道电路被一列列车所占用，其它列车只能在其它轨道电路上停泊。同时，需要预先分配安全保护距离以防止碰撞。对于后续列车，在前方轨道电路被占用的情况下，不允许进入前方已经被占用的轨道电路，后续列车将被占用轨道电路划为隔离“点”，这个点不可逾越。然而准移动闭塞中的关键问题是，通过车载里程仪和地面距离，后续列车只知道它在轨道电路中的位置，可是不知道精确的前行列车位置。

依靠双向通信手段，移动闭塞技术使得每辆列车在了解自身位置的同时，也知道了前行列车在线路中的位置，这样行车间隔就可以缩短，行车效率和行车密度就可以提高，以提高服务质量和服务水平，增强客运能力。

4 CBTC中的无线通信技术

CBTC 系统的基础是“车地通信”和“列车定位”［8，9］，如图1所示。车地之间可以连续、高速、双向的通信，发送给列车的指令和列车的状态信息可以在车载设备与地面设备之间可靠交换。定位列车的准确位置是计算列车间的相对距离的必要条件，使得列车得以在安全间隔外行驶，也是保证根据每段线路不同的条件，对列车进行针对性的限速等管制的必要条件。

图1 CBTC系统的基本结构

4.1 车地通信

CBTC系统主要有两种形式的通信子系统:感应环线通信系统和无线通信系统。

在感应环线通信系统中，铁路沿线铺设有外皮绝缘、铜质芯线的无屏蔽电缆，也就是感应环线电缆，通信发送设备与环线电缆发送端相连，这样可以令一定强度的恒定电流始终在环线电缆中保持。在列车上，同时安装有发送和接收天线，应用电磁感应原理实现车地双向通信。通信方式采用主从应答方式，通信主站是地面车辆控制中心(VCC)，从站是各个车载控制器(VOBC)。VCC按照一定的顺序向VOBC轮流发送指令，同时所对应的VOBC会被要求应答。通常的轮循周期为0.5 s，这样就可以保证最多3 s列车与地面的信息就可以交换一次。通常每个VCC会连接多根感应环线，列车可以在不同的感应环线上运行，VCC必须确定列车在哪根环线上。

无线通信技术已经令CBTC系统的发展进入一个崭新的阶段。现有的无线通信平台可以被CBTC系统直接采用，既提高了系统集成度，又减少了轨旁设备，增强了系统的可维护性。在车载CBTC设备的IP地址已知的情况下，地面需要传输的信息就可以由CBTC设备直接向通信子系统发送，再由通信子系统将地面信息路由传递到车辆的接收系统。由于不再需要像感应环线通信系统那样，由VCC选择哪一根环线将用来接收信息，从而使得地面CBTC设备的软、硬件结构得以简化。

4.2 列车定位

与传统轨道电路检测的方法不同，在CBTC系统中列车在轨道线路上的实际位置是由列车自身进行定位的，然后再由车地通信系统将列车的位置信息实时地通报给地面CBTC设备。这里有三个主要问题需要解决:列车的初始定位点如何确定;列车的方向和行驶距离如何测量;列车走行距离测量的误差如何消除。

在基于感应环线的CBTC系统中，两根感应环线的边界确定了列车的初始定位点。列车在每一段感应环线所接收到的通信报文中感应环线标识号是不同的，这样列车所经过的环线边界就可以确定，从而确定了其初始位置。而在基于无线通信的CBTC系统中，则需要在线路的固定位置配置一种可编码应答器。列车行驶经过应答器时，应答器向列车发送定位信息确定列车的初始定位点。列车的初始定位点确定后，列车的行驶距离和方向由安装在车轮上的转速计测量出，之后再与初始定位点相结合，列车在线路上的位置便可以被计算出。

列车的行驶距离和方向由车轮转速计确定，但应用车轮转速计测量时会存在一些测量误差，并且随着距离的递增不断累积，从而影响定位效果。因此，这个误差必须消除。在基于感应环线的CBTC系统中，通常每隔25 m感应环线交叉一次，当列车经过这个交叉点时，相位相反的信号会被接收天线收到，这样就可确定列车的位置正处在交叉点上。又因为相邻交叉点间的距离一定，所以列车在经过感应环线交叉点时，就可以对转速计测量的列车行驶距离值进行修正，从而避免误差累积。对于基于无线通信的CBTC系统，避免累计误差的原理相同。安装系统时，地面应答器按照预定的间隔沿地面线路设置，列车在经过应答器时，便可修正列车的行驶距离的测量值，从而消除误差累积。

5 结束语

CBTC技术高效地集成了数据通信技术、计算机技术、卫星定位系统、自动控制技术、传感技术等一系列高新技术，有效地将这些技术运用于列车控制管理、铁路运输管理等方面，极大地推动了铁路运输向智能化、信息化的方向发展与迈进。

［1］徐智群，周平.向无线CBTC城市轨道交通列车控制系统演进［J］.城市轨道交通研究，2005，28(1):56 －67.

［2］徐昕.浅析我国高速铁路的现状与发展［J］.新疆石油教育学院学报，2009(6):10－11.

［3］宗明.基于无线通信的列车控制系统应用研究［J］.城市轨道交通研究，2012(7):120－122.

［4］程纪平，傅勇.铁路中间站无线通信系统［J］.铁道通信信号，2010(10):59－61.

［5］杨秀.地铁专用无线通信系统方案比选［J］.都市快轨交通，2004(1):60－62.

［6］于修舜，孙广富.无线数字通信网络在交通管理中的应用［J］.电信技术，2003(11):78－80.

［7］Kuun E，Rickard W.Open Standards for CBTC and CCTV Radio － based Communication［J］.Alcatel Telecommunications Review，2004，5(2):243.

［8］何林娜.数字无线通信技术［M］.北京:机械工业出版社，2004:29－61.

［9］孙思南，朱宏.基于通信的列车控制无线网络构架与安全性研究［J］.城市轨道交通研究，2006，51(12):85－89.