浅析基于无线通信的轨道交通 ATC 系统(图文)
论文导读：基于通信的 ATC 系统(CBTC)是指利用不依赖于轨道电路的高精度的列车定位、双向连续、大容量的车——地数据通信以及车载、地面的安全功能处理器,实现连续自动列车控制的一种系统。近年来随着无线通信技术、计算机网路技术、安全处理技术的飞速发展，基于无线通信技术的 ATC 系统（RFCBTC）在我国轨道交通中已经进入了实用阶段，并成为 ATC 系统发展的主要方向。对于裂缝波导还可以完成列车的辅助定位功能。基于无线通信的 ATC 系统（RFCBTC）是轨道交通信号系统发展的主要方向，随着无线通信技术、计算机技术、安全处理技术的进一步发展和完善，以及设备国产化率逐步的提高，基于无线通信的 ATC 系统（RFCBTC）在我国轨道交通中将会得到更加广泛的推广与应用。关键词：自动列车控制，无线通信，定位，轨道交通
1、 概述 列车自动控制（Automatic TrainControl,简称 ATC）系统由列车自动防护 （ AutomaticTrain Protection, 简 称 ATP ）、 列 车 自 动 运 行（AutomaticTrain Operation,简称 ATO）、列车自动监督（AutomaticTrain Supervision,简称 ATS）三个子系统组成。ATC 系统早在 20 世纪 60 年代开始研制试用，世界上第一条使用 ATC 系统的线路——维多利亚线——于 1968 年在英国伦敦投入运行。论文检测。随着通信技术、计算机技术、控制技术的快速发展, 20 世纪 80 年代以来，出现了基于
通信的 ATC 系统（Communication Based Train Control,简称 CBTC）。基于通信的 ATC 系统(CBTC)是指利用不依赖于轨道电路的高精度的列车定位、双向连续、大容量的车——地数据通信以及车载、地面的安全功能处理器, 实现连续自动列车控制的一种系统。基于通信的 ATC 系统（CBTC）又分为采用轨间电缆为传输通道的 CBTC(称为 IL CBTC)和采用无线数据通信的 CBTC（称为 RF CBTC）。近年来随着无线通信技术、计算机网路技术、安全处理技术的飞速发展，基于无线通信技术的 ATC 系统（RF CBTC）在我国轨道交通中已经进入了实用阶段，并成为 ATC 系统发展的主要方向。
2、 基于无线通信的 ATC 系统的基本结构 基于无线通信的 ATC 系统（RF CBTC）车——地间通过无线数据通信方式实现连续、高速、双向、大容量的信息交换，能够满足移动闭塞车——地通信的要求，它代表着 ATC 发展的最新方向，一般采取移动闭塞制式。从结构上看，整个系统由联锁设备、RF CBTC 地面设备、无线通信网络和 RF CBTC 车载设备组成，如图 1 所示。但从功能上分为ATP 子系统、ATO 子系统、ATS 子系统和联锁子系统。RF CBTC 地面设备实现地面轨旁ATP功能，RF CBTC车载设备实现车载ATP、ATO功能，ATS 在 ATP、ATO 子系统及联锁设备的支持下完成对全线列车运行的自动管理和监控。
3、 基于无线通信的 ATC 系统的基本原理 基于无线通信的 ATC 系统（RF CBTC）的基本工作原理如图 2 所示。
调度控制中心(DCC) 位于整个架构的最顶层, 它负责控制多个车站控制中心(SCC) , 以实现相邻 SCC 之间的控制通信。每个车站设一个车站控制中心。每一列车装备有 RF CBTC 车载设备(OBE) , 车站控制中心控制其范围内所有列车的运行。SCC 通过其管辖范围之内的多个基站(BS) 与覆盖范围内的 RF CBTC 车载设备实时双向通信。信息的发送范围就是车站无线通信系统的覆盖范围, 因此列车在运行过程中, RF CBTC 车载设备要依次与各个SCC 建立通信联系, 接收SSC 发送的信息。每一 SCC 要向其控制范围内的所有列车发送信息, 因此一个 SCC 要同时与多个 RF CBTC 车载设备（OBE ）保持通信联系。而一列车不能够同时与多个 SCC 通信, 在经过不同的车站控制信号区域时, RF CBTC 车载设备（OBE）会自动地采取信号区域的切换。列车在区段内运行时,OBE利用无线方式通过BS将列车位置、速度信息发送给SCC。BS 通过无线信道向空间发送信息,所在区域的列车根据自身的编号地址,接收发送给自己的信息,不会发生信息窜码事件。SCC 通过 BS 周期地将前行列车的位置、速度及线路参数等信息发送给后行列车；后行列车的 OBE 收到信息后,根据前车运行状态(位置、速度)、线路参数(弯道、坡度等)、本车运行状态、列车参数(列车长度、牵引重量、制动性能等) , 采用车上计算、地面(SCC) 计算或是车上、地面同时计算, 预期列车在一个信息周期末的状态能否满足列车追踪间隔的要求,从而确定合理的驾驶策略,实现列车在区段内高速、平稳地以最优间隔追踪运行, 从而为实现移动闭塞分区提供可靠的技术支持。
4、 基于无线通信的 ATC 系统的车地通信方式及定位技术
（1）车地通信方式及特点 基于无线通信的 ATC 系统的车—地通信方式有三种。
1)无线电台方式 采用自然空间作为车地信息传输的主要媒介。无线信号在空气中自然传播，衰耗相对较大,并且要考虑不同电磁环境下的防干扰问题。但轨旁设备简单，工程投资相对较少，设备可以采用高度通用化模块，直接采用商业现货，维修工作量小，长期运营费用低。
2)漏泄电缆方式 采用漏泄电缆作为车地信息传输的主要媒介。论文检测。漏泄电缆安装于轨旁或顶部，沿线贯通敷设，无线信号沿漏泄电缆传输。其特点是场强覆盖效果均匀，传输速率高，传输衰耗较小，但漏缆价格较贵，工程投资较大。漏泄电缆系统可提供较宽的带宽，不仅可传输车地双向连续的数据，还可传输音频和视频信号。
3)裂缝波导方式 采用裂缝波导作为车地信息传输的主要媒介。波导管沿线贯通敷设，安装于线路的一侧，无线信号沿波导管传输。其特点是波导传输方式衰耗小，且衰耗均匀，无反射波、邻频干扰、传输死区等情况。微波波导系统具有较宽的带宽，不仅可传输车地双向连续的数据，还可传输语音和视频信号，而且传输衰耗小。论文检测。但波导价格贵，工程投资相对大。对于裂缝波导还可以完成列车的辅助定位功能。
（2）定位技术 基于无线通信的 ATC 系统的列车定位主要通过车载定位设备和地面
定位设备共同实现。车载定位设备主要有：编码里程计、测速雷达、测速电机（OPG）、车载测速传感器、加速计、接近传感器、车载扩频电台等；地面定位设备主要有：应答器、信标、裂缝波导、地面扩频电台等。应答器（或信标）主要用于确定列车在线路中的绝对位置，对于两个应答器（或信标）之间的位置车载设备通过测速设备计算其走行距离加上上一应答器(或信标)的绝对位置计算而得。系统的定位精度取决于应答器（或信标）在线路上安装密度和车载设备测速误差。目前开通或将要开通的绝大多数RF CBTC系统主要采用这种定位方式，通过应答器（或信标）加车载测速设备共同实现列车定位。
另外一种定位方式就是利用扩频电台实现列车定位。扩频无线电台定位的原理是：在地面沿线设置无线基站，无线基站不断发射带有其位置信息的扩频信号，车载扩频电台同时接收到 3 个以上的无线基站信息，并分别计算出列车与基站的距离，即可以确定列车的即时位置。扩频定位的精度取决于伪随机编码的频率，编码频率越高，定位精度越高。150MHZ 频率的编码可以实现 1m 以下的测距误差。
5、 小结 基于无线通信的 ATC 系统（RF CBTC）应用无线通信技术，实现列车与地面之间的双向、实时、可靠、大容量的信息传输。车地间通过无线网络可以实现实时、双向、安全、可靠的控车信息和列车运行状态信息的传输，实现列车的实时、连续、闭环控制，不仅能实现先进的移动闭塞，缩短列车的行车间隔，大幅度提高列车的运行效率，而且还可以实现语音、视频信息的传输，为旅客实现各种增值业务服务，
满足旅客多元化的旅行要求。基于无线通信的 ATC 系统（RF CBTC）是轨道交通信号系统发展的主要方向，随着无线通信技术、计算机技术、安全处理技术的进一步发展和完善，以及设备国产化率逐步的提高，基于无线通信的 ATC 系统（RF CBTC）在我国轨道交通中将会得到更加广泛的推广与应用。
参 考 文 献 1 IEEE Standard forCommunications-Based Train Control (CBTC)Performanceand Functional Requirements. 1999.2 曾小清,王长林，张树京. 《基于通信的轨道交通运行控制》同济大学出版社,2007.5.3 傅世善. 《闭塞与列控概论》中国铁道出版社,2006.3.