基于裂縫波導通信的列車自動控制系統

【摘要】介紹基于裂縫波導通信的列車自動控制系統的構成、原理及功能。
【關鍵詞】ATC(列車自動控制)，裂縫波導，波導信息網，波導信息網基站

1 概述
實現基于通信的列車自動控制系統，手段有多種。有在沿軌旁鋪設電纜環、泄漏電纜、裂縫波導和安裝無線擴頻電臺等力祛。交叉電纜環方法是目前較為成熟的技術，因該方法需要在沿軌道全線鋪設交叉電纜環，安裝工作量大，維護麻煩，并且和裂縫波導相比，其線性損耗較大。基于電纜環或泄漏電纜等通信手段的ATC(列車自動控制系統)是通過車站和軌旁的設備交換車的位置信息，列車在線路中的位置需要列車通過車載里程儀(借助電纜環的交叉點同步)測量后經車載通信天線發送給軌道上的電纜環，通過軌旁設備處理后送到車站控制設備，車站控制設備再將這—信息轉發給后續列車，后續列車知道了前行列車的位置，可根據事先定義的安全行車原則，保持剮、的行車間距，實現移動閉塞。無線擴頻電臺方法，目前僅有少量成功應用的例子，雖然該系統兼具設備量少、成本低、安裝方便、易于維護等優點，但是在地鐵隧道中(特別是拐彎處)需安裝信號中繼設備，而且其發射功率不能太大。而采用以無線擴頻電臺和裂縫波導為通信媒介，裂縫波導作為無線電臺的天線使用的方法，徹底解決了無線電臺在地鐵隧道中信號傳輸的問題，是一個安全、可靠、先進的信號系統，最適合在地鐵環境中使用。本文重點介紹基于裂縫波導通信的列車自動控制系統的構成、原理及功能。
2 系統構成及原理
基于裂縫波導通信的列車自動控制系統，是采用在沿軌道鋪設裂縫波導(縫隙天線)的方式，以波導信息網絡、無線擴頻電臺為基礎，采用TDMA(Time Division Multiple Access)多址通信方式，通過有線和無線網絡的集合，實現列車與軌旁設備的雙向連續通信及列車定位功能，最終實現移動閉塞信號控制系統。
2．1 波導信息網絡
波導信息網絡用于確保列車和本地ATS(Automatic Train Supervision)——列車自動監控系統、控制中心之間的車地雙向連續傳輸信息。波導信息網絡是由多個波導信息網通信單元和車載的波導信息網移動站組成，圖1為波導信息網絡結構圖。
波導信息網基站是由車站計算機、無線擴頻電臺、數據采集卡、無源濾波器、窄縫檢測發射器、耦合器等組成。波導信息網移動站是由車載計算機、車載無線電臺、數據采集卡、窄縫探測接收器等組成。信號傳輸是通過ATS中心控制室、車站計算機、車載計算機、車載電臺和列車上的定向天線發射和接收信號，軌旁單元通過同軸電纜與裂縫波導連接，以裂縫波導為載體雙向傳輸列車實時信息。

圖1 波導信息網結構
波導信息網基站和軌旁ATP(AutomaticTrainProtection)／ATO(AutomaticTrainOperation)——列車自動防護／列車自動駕駛是有線連接，軌旁ATP／ATt之間通過光纖、尾纖、光配線架、光端機等形成區間鏈路。波導信息網基站和波導信息網移動站之間的無線網絡執行IEEE802．11和IEEE802．3標準。操作系統可選用WindowsNT4．0、Linux、Windows2000等。
波導信息網使用無線擴頻電臺進行網絡通信。跳頻時間與時分復用周期建立同步關系。各控制區間的通訊網有一定的重疊覆蓋區，保證列車運行至控制區分界處時，可以平滑過渡，在車站主控計算機上安裝網絡操作系統，系統根據每個列車車的車載計算機的標識不同及其無線網卡配置的不同來識別每列列車。使用大型數據庫軟件(如Oracle，Sybase等)，通過數據采集卡的數據采集軟件，獲取車載計算機發出的列車運行數據，對數據進行分析、計算、查詢、統計、更新、存儲等。車載、車站的控制軟件對所其需數據通過波導信息網進行發送、下載和更新。
波導信息網基站還負責：接收處理車載計算機的數據、發送主控計算機的數據、接收列車定位數據、處理數據采集卡采集的列車運行數據、提供HMI(Human Machine Interface)接口、接收HMl發送的列車控制信息并通過報文模塊發送、提供TCP／IP通信接口、提供串口通信接口等。
2．2 通信單元
系統中的通信單元由裂縫波導(用于輻射電磁波載波)、波導同軸變換器(用于向裂縫波導饋入射頻載波信號)、同軸電纜、終端負載(用于消除反躬被)、波導信息網基站、軌旁ATP／ATO、園司鏈路與沿線設備共同組成的—個無線和有線相結合的通信網絡，圖2為通信單元的基本組成圖。

系統中的通信單元是組成波導信息網絡的基礎，負責每個車站的信息管理，列車控制等，信息通過區間鏈路等通信網絡和控制中，b進行交換，以便控制中心對每列列車進行調度管理。每個通信單元和本地ATS、軌旁ATP／ATO、計算機聯鎖、軌道電路組成—個信號控制車站。站臺信號設備如信號機、屏蔽門、緊急停車按鈕由信號控制站的聯鎖設備控制。信號控制站主要負責：初始化網絡配置、無線網絡管理、數據記錄、數據處理、跟蹤歹0車、速度計算、提供操作員接口、列車控制系統接口、車載計算機信息交換等。
2．3 波導信息網基站
波導信息網基站一般位于離波導不遠的地方，也可以安裝在信號設備室。主要是由下列設備構成：無源濾波器、無線調制解調器、裂縫波導檢測載波發生器、多路復用器、耦合器電源等組成。它是組成波導信息網絡單元的最基本的部分，是和車載移動站進行車地通信的工作站。
2．4 波導信息網移動站
列車兩端的駕駛室各有一臺波導信息網移動站。包括車載無線電臺、車載ATP／ATO設備、接口電路以及信標接收天線和解碼器。車載計算機，安裝專用的數據采集卡，將其作為移動工作站，安裝操作系統、數據庫、專用數據采集軟件等。主要負責：數據初始化、無線網絡連接、獲得位置信息、速度計算、控制區交接通信、與車站計算機交換信息、數據記錄、數據處理、列車控制系統(窄縫險測接收器)接口等。
2．5 微波裂縫波導
采用微波裂縫波導系統作為車地雙向數據傳輸的媒介，微波裂縫波導系統是波導信息網絡的關鍵部分，它是具有較寬的帶寬的可以同時傳輸數據、語音及視頻信號的傳輸系統，用于車地雙向連續數據傳輸及列車定位。
裂縫波導是個中空的鋁質矩形管，在其頂部等間隔開有窄縫，使得在載頻范圍內的微波沿裂縫波導均勻輻射，在波導上方的適當位置接收器可以接收波導裂縫輻射的信號，接收器通過信號處理得到有用的數據，圖3為裂縫波導傳輸方式。軌旁ATP/ATO——語音、視頻、數據

圖3 裂縫波導傳輸方式
使用TDMA作為系統的通信組織管理方式。TDMA(Time Division Multiple Access)——時分多址就是所有用戶使用同—射頻帶寬，按某種秩序分時發射的多址通信技術。波導信息網基站向每列列車給出同步信號，給每竹rJ車預先分配好一個固定時隙，每列列車在各自的時隙內和波導信息網基站交換信息(具體的時元、時隙劃分，需要根據擴頻電臺的技術指標確定，一般—個時隙大約10ms)，采用直接序列擴頻和跳頻來防止干擾。波導信息網基站使用同軸電纜與裂縫波導連接，通過裂縫波導與車載電臺交換信息，列車與軌旁單元的信息交換在固定的時隙內完成。系統每秒多次對每輛列車的位置進行檢測，利用時分多址(TDMA)方法，最多可同時控制30輛列車。交換的數據內容包括列車的車次號、當前相對位置、當前運行速度、運行時間、運行距離、到達時間、出清時間等，列車通過車載ATP／ATO控制列車的運行并精確定位，圖4為TDMA勵哩圖。

圖4 TDMA口時分多址原理
2．7 列車運行距離計算
列車的運行距離二波導裂縫間距x相對起始點開始檢測到的裂縫數
根據位置信息及相應的運行時間計算出列車當前的速度，列車將速度信息和相對位置放人報文發給軌旁基站，再通過遠程控制單元傳輸給控制中心。
2．8 列車定位
每列列車自身具有定位功能，確定自身的速度—距離曲線。列車通過車載傳感器和讀取軌旁信標的信息進行初始化、更新數據或精確停車。當列車通過時，使用安裝在線路內的信標確定列車的絕對位置和運行方向，列車通過波導信息網向軌旁ATP發送其位置信息。由于采用的裂縫波導是在其頂部等間隔開有窄縫，因此，列車的絕對位置可以通過對裂縫波導縫隙的計數和信標對比得到。
2．9 移動閉塞區的防護
軌旁設備收集所有列車的位置信息，對每列列車進行管理，根據列車實時位置、速度和列車信息確定安全保護區段。軌旁設備為每個車載ATP提供—個后續列車不能進人當前列車“保護范圍”的涉及故障——安全的限制位置。
3 小結
由于基于裂縫波導通信的列車自動控制系統，將軌道分割成不同的控制區，每個控制區由車站計
算機、無線擴頻電臺和波導信息網構成無線通信網，波導布置在物理上使得各控制區彼此重疊，以波導信息網作為傳輸媒介，站間可以被無線電可靠地覆蓋，不會出現盲區，利用波導裂縫對列車進行定位，可以大幅度提高列車定位精度，通過連續的車—地雙向通信，可以實現先進的移動閉塞，從而縮短列車的行車間隔，提高運行的效率和效益。

參考文獻
【1】馮錫生，趙曉琳GPS及其通信組網．北京：中國鐵道出版社，1996