基于数字通信技术的铁路列车控制系统设计

郑 聪

（陕西陕煤铜川矿业有限公司 铁路运销分公司，陕西 铜川 727000）

0 引 言

随着科技的迅猛发展和社会进步的推动，铁路交通作为一种高效、安全的交通方式在现代社会中扮演着重要的角色。然而，传统的铁路列车控制系统在面对日益增长的运输需求和复杂的运行环境时，存在一系列的挑战和限制。模拟信号传输和人工操作的方式导致了系统复杂度高、故障率高以及安全隐患的存在。为了解决这些问题，基于数字通信技术的铁路列车控制技术应运而生，为铁路运输系统带来了新的机遇和挑战。基于该背景，研究基于数字通信技术的铁路列车控制设计及优化方法，以提高铁路交通的安全性和运行效率。推动数字通信技术在铁路交通领域的广泛应用，有助于提高铁路交通的安全性、运行效率以及服务质量。

1 基于数字通信技术的铁路列车控制系统研究概述

1.1 数字通信技术与铁路列车控制系统

数字通信技术是一种基于数字信号传输和处理的通信技术，能够将模拟信号转换为离散的数字形式，通过使用数字编码和调制技术传输数据[1]。相对于传统的模拟通信技术，数字通信技术具有以下特点和优势：（1）抗干扰能力强，数字信号可以通过差错检测和纠错编码等技术提高数据传输的可靠性，有效抵御噪声和干扰对信号质量的影响；（2）数据压缩和处理高效，数字通信技术能够将原始信号进行高效的采样和编码，减小数据量，提高数据传输的效率；（3）灵活性和可扩展性强，数字通信技术的处理过程可以通过软件和算法进行配置和调整，灵活适应不同的需求，同时能够支持多路复用和分组传输，实现在同一信道上同时传输多个信号，提高信道的利用率；（4）兼容性好，数字通信技术能够与现有的通信设备和网络兼容，可以与模拟通信技术进行互联互通[2]。

铁路列车控制系统（Train Control System，TCS）以数字信号为基础，用于管理和控制铁路列车的运行[3]。该系统能够实现列车位置检测、速度控制、列车间距管理以及与信号系统协调等功能，从而确保列车在铁路网络上的安全、高效运行。TCS 的关键组成部分包括列车位置检测设备、通信系统、列车控制中心以及列车载荷设备，通过数字通信和自动化技术实现精确的列车位置控制与运行调度，提高铁路交通的安全性和运行效率。

1.2 基于数字通信的铁路列车控制系统研究现状

基于数字通信的铁路列车控制系统的研究现状表明，数字通信技术的应用为铁路运输领域带来了许多创新和改进的机会，目前已经取得了一些重要的进展，主要研究方向如下[4,5]。

（1）通信技术应用。数字通信技术在铁路列车控制系统中得到了广泛应用，传统的模拟信号传输正在逐渐被数字信号取代，从而提高了通信的可靠性和稳定性。同时，无线通信技术如Wi-Fi 等被用于实现列车与控制中心之间的数据传输和通信。

（2）列车位置检测。数字通信技术为精确的列车位置检测提供了新的手段。利用全球定位系统（Global Position System，GPS）和地面设备等可以实时监测列车的位置与运行状态，为列车控制系统提供了准确的数据基础，有助于实现列车之间的安全运行间隔和运行计划优化。

（3）控制指令传输。数字通信技术实现了高速和可靠的控制指令传输。通过数字信号的处理和编码，控制指令可以准确地传输到列车，实现实时的速度调整、制动控制等操作，从而提高列车的响应速度，增强列车控制的准确性和灵活性。

2 数字通信技术的列车控制系统

2.1 1FZL300 型CBTC 系统

1FZL300型基于通信的列车控制（Communication-Based Train Control，CBTC）系统由中国铁路通信信号集团有限公司（China Railway Signal & Communication Corp，CRSC）开发。它采用数字通信技术，通过无线通信网络实现列车位置监测、速度控制和列车间距管理等功能，特点如下。

（1）高度自动化。1FZL300 型CBTC 系统利用数字通信技术和自动控制算法，实现列车的自动运行和调度。它能够根据列车位置和速度信息，自动控制列车的运行、停车和起动，提高了列车运行的效率与安全性。

（2）实时通信。系统采用可靠的无线通信网络，实现列车与控制中心之间的实时数据传输和通信。基于该背景，控制中心可以准确监测列车位置和状态，并下发实时的控制指令，确保列车的安全运行。

（3）灵活性和扩展性。1FZL300 型CBTC 系统包括FZL300 型CBTC 系统、自动转换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）、联锁、列车自动防护（Automatic Train Protection，ATP）以及列车自动驾驶（Automatic Train Operation，ATO）等子系统。ATP 子系统提供行车间隔的安全防护功能，有中心控制模式和本地控制模式，如果ATS 发生故障，则可以切换到本地的联锁控制模式，大大增强了行车调度的灵活性和可靠性。

2.2 LCF-300 型CBTC 系统

LCF-300 型CBTC 系统是由Alstom 公司开发的一种基于通信的列车控制系统。它采用数字通信技术和自动化控制算法，实现列车的精确控制与安全运行，主要特点如下。

（1）高度可靠性。LCF-300 型CBTC 系统采用了双重通信链路和冗余设计，确保了数据传输的可靠性和稳定性。这使得列车与控制中心之间的通信更加稳定，并提供了高度可靠的列车控制功能。

（2）高精度位置检测。系统利用多种技术，如全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）、轨道电路、惯性导航等，实现列车位置的高精度检测，为列车控制和安全间隔管理提供了准确的数据基础。

（3）多功能性。LCF-300 型CBTC 系统不仅可以实现列车的自动控制和调度，还可以集成其他功能，如列车健康监测、车辆故障诊断等，提供全面的列车管理和维护支持。

2.3 TRANAVI 系统

TRANAVI 系统是一种基于通信的列车控制和信号系统，由日本东芝公司开发。该系统采用数字通信技术和先进的列车控制算法，能够实现高度自动化和安全性的列车运行，其主要特点如下。

（1）高度安全性。TRANAVI 系统采用多层次的安全措施，包括车载设备和线路设备之间的多重监测与验证，确保列车运行的安全性。它还具有自动防撞和速度限制等功能，确保列车在任何情况下都能安全停车和运行。

（2）高容量运输。系统利用先进的列车控制和优化算法，实现列车之间的紧密运行与高容量运输。这提高了铁路线路的运输能力和效率，减少了列车之间的间隔时间，提高了线路的吞吐量。

（3）系统可靠性和稳定性。TRANAVI 系统具有强大的冗余设计和自动故障检测功能，能够快速识别和纠正系统故障。这确保了系统的可靠性和稳定性，并提供了连续运行的保障。

3 基于数字通信的列车控制系统构建

3.1 基于CBTC 的制动模型

基于数字通信技术的列车控制系统利用列车-地间的双向实时通信，后续列车可以实时从轨旁控制器中接收前方列车的实际运行状态及前方轨道的状态等信息。由于车地间可以传输较大的信息量，车载设备可以实时从地面接收到车辆运行前方线路限速或者障碍物的情况，从而实时计算与调整列车的运行曲线，大大提高了列车运行的安全性[5]。CBTC 系统原理如图1 所示。

图1 CBTC 系统原理

列车定位的检测判定是CBTC 系统的基础，列车位置的确定由车载设备中的列车定位模块单独完成，列车追踪功能由地面设备中的列车定位模块和ATS共同完成。安装在列车上的速度传感器和其他的传感器检测列车的运行状态，车载计算机根据这些信息计算出列车的行走距离[5]。

3.2 基于CBTC 的的牵引/制动模型分析

列车的运动通过安装在轮轴上的编码里程计（速度传感器）监测。通过编码里程计测量列车的运动，车载控制器计算列车速度和加速度。系统中ATP 采用安全速度，ATO 采用非安全速度。当采用安全速度时，ATO 在安全速度下考虑部分速度余量驾驶列车。控制速度是非安全速度和ATO 速度中的最小值。ATP 子系统包括列车能量检测。当ATP 估计司机或ATO“接触”或“超过”紧急曲线时触发紧急制动。

如果列车的速度超过列车最大的限制速度，ATP子系统将会触发紧急制动。该速度限制一般为线路土建的永久限速，也可以是调度员设置的临时限速。为防止列车在正常行驶过程中紧急制动被触发，ATO与ATP 速度（紧急制动触发速度）区间之间应当有一定的驾驶余量。当前方有一个速度限制点时，ATO驾驶列车时将会贴近紧急自动触发曲线运行，使得列车能运行在最大的允许速度。

3.3 系统设计

本案例中，铁路列车控制系统通过无线通信实现车地的双向通信。采用的是移动闭塞设计理念，不需要定义虚拟区段，能满足小编组、高密度的行车要求。核心系统结构如图2 所示。

图2 核心系统结构

4 结 论

传统的铁路列车控制系统使用模拟信号和人工操作，存在复杂性高、故障率高以及难以避免的安全隐患等问题。然而，随着数字通信技术的快速发展，为铁路列车控制带来了全新的解决方案和优化潜力。基于数字通信技术，构建与研究了智能铁路列车控制系统，首先介绍了数字通信技术在铁路列车控制领域的研究概述，其次详细探讨了数字通信技术的列车控制系统框架，最后设计了一种基于数字通信的列车控制系统，为自动化铁路列车控制系统的搭建与应用提供了新思路。