基于裂縫波導(dǎo)通信的列車自動控制系統(tǒng)

【摘要】介紹基于裂縫波導(dǎo)通信的列車自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及功能。
【關(guān)鍵詞】ATC(列車自動控制)，裂縫波導(dǎo)，波導(dǎo)信息網(wǎng)，波導(dǎo)信息網(wǎng)基站

1 概述
實(shí)現(xiàn)基于通信的列車自動控制系統(tǒng)，手段有多種。有在沿軌旁鋪設(shè)電纜環(huán)、泄漏電纜、裂縫波導(dǎo)和安裝無線擴(kuò)頻電臺等力祛。交叉電纜環(huán)方法是目前較為成熟的技術(shù)，因該方法需要在沿軌道全線鋪設(shè)交叉電纜環(huán)，安裝工作量大，維護(hù)麻煩，并且和裂縫波導(dǎo)相比，其線性損耗較大。基于電纜環(huán)或泄漏電纜等通信手段的ATC(列車自動控制系統(tǒng))是通過車站和軌旁的設(shè)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(huán)的交叉點(diǎn)同步)測量后經(jīng)車載通信天線發(fā)送給軌道上的電纜環(huán)，通過軌旁設(shè)備處理后送到車站控制設(shè)備，車站控制設(shè)備再將這—信息轉(zhuǎn)發(fā)給后續(xù)列車，后續(xù)列車知道了前行列車的位置，可根據(jù)事先定義的安全行車原則，保持剮、的行車間距，實(shí)現(xiàn)移動閉塞。無線擴(kuò)頻電臺方法，目前僅有少量成功應(yīng)用的例子，雖然該系統(tǒng)兼具設(shè)備量少、成本低、安裝方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是在地鐵隧道中(特別是拐彎處)需安裝信號中繼設(shè)備，而且其發(fā)射功率不能太大。而采用以無線擴(kuò)頻電臺和裂縫波導(dǎo)為通信媒介，裂縫波導(dǎo)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?shù)膯栴}，是一個(gè)安全、可靠、先進(jìn)的信號系統(tǒng)，最適合在地鐵環(huán)境中使用。本文重點(diǎn)介紹基于裂縫波導(dǎo)通信的列車自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及功能。
2 系統(tǒng)構(gòu)成及原理
基于裂縫波導(dǎo)通信的列車自動控制系統(tǒng)，是采用在沿軌道鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)(縫隙天線)的方式，以波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)、無線擴(kuò)頻電臺為基礎(chǔ)，采用TDMA(Time Division Multiple Access)多址通信方式，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)的集合，實(shí)現(xiàn)列車與軌旁設(shè)備的雙向連續(xù)通信及列車定位功能，最終實(shí)現(xiàn)移動閉塞信號控制系統(tǒng)。
2．1 波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)
波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)用于確保列車和本地ATS(Automatic Train Supervision)——列車自動監(jiān)控系統(tǒng)、控制中心之間的車地雙向連續(xù)傳輸信息。波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)波導(dǎo)信息網(wǎng)通信單元和車載的波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站組成，圖1為波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
波導(dǎo)信息網(wǎng)基站是由車站計(jì)算機(jī)、無線擴(kuò)頻電臺、數(shù)據(jù)采集卡、無源濾波器、窄縫檢測發(fā)射器、耦合器等組成。波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站是由車載計(jì)算機(jī)、車載無線電臺、數(shù)據(jù)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(jì)算機(jī)、車載計(jì)算機(jī)、車載電臺和列車上的定向天線發(fā)射和接收信號，軌旁單元通過同軸電纜與裂縫波導(dǎo)連接，以裂縫波導(dǎo)為載體雙向傳輸列車實(shí)時(shí)信息。

圖1 波導(dǎo)信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)
波導(dǎo)信息網(wǎng)基站和軌旁ATP(AutomaticTrainProtection)／ATO(AutomaticTrainOperation)——列車自動防護(hù)／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(jī)等形成區(qū)間鏈路。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站和波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站之間的無線網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行IEEE802．11和IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)可選用WindowsNT4．0、Linux、Windows2000等。
波導(dǎo)信息網(wǎng)使用無線擴(kuò)頻電臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。跳頻時(shí)間與時(shí)分復(fù)用周期建立同步關(guān)系。各控制區(qū)間的通訊網(wǎng)有一定的重疊覆蓋區(qū)，保證列車運(yùn)行至控制區(qū)分界處時(shí)，可以平滑過渡，在車站主控計(jì)算機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)每個(gè)列車車的車載計(jì)算機(jī)的標(biāo)識不同及其無線網(wǎng)卡配置的不同來識別每列列車。使用大型數(shù)據(jù)庫軟件(如Oracle，Sybase等)，通過數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集軟件，獲取車載計(jì)算機(jī)發(fā)出的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、查詢、統(tǒng)計(jì)、更新、存儲等。車載、車站的控制軟件對所其需數(shù)據(jù)通過波導(dǎo)信息網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送、下載和更新。
波導(dǎo)信息網(wǎng)基站還負(fù)責(zé)：接收處理車載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)、發(fā)送主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)、接收列車定位數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)采集卡采集的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、提供HMI(Human Machine Interface)接口、接收HMl發(fā)送的列車控制信息并通過報(bào)文模塊發(fā)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(tǒng)中的通信單元由裂縫波導(dǎo)(用于輻射電磁波載波)、波導(dǎo)同軸變換器(用于向裂縫波導(dǎo)饋入射頻載波信號)、同軸電纜、終端負(fù)載(用于消除反躬被)、波導(dǎo)信息網(wǎng)基站、軌旁ATP／ATO、園司鏈路與沿線設(shè)備共同組成的—個(gè)無線和有線相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)，圖2為通信單元的基本組成圖。

系統(tǒng)中的通信單元是組成波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)每個(gè)車站的信息管理，列車控制等，信息通過區(qū)間鏈路等通信網(wǎng)絡(luò)和控制中，b進(jìn)行交換，以便控制中心對每列列車進(jìn)行調(diào)度管理。每個(gè)通信單元和本地ATS、軌旁ATP／ATO、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、軌道電路組成—個(gè)信號控制車站。站臺信號設(shè)備如信號機(jī)、屏蔽門、緊急停車按鈕由信號控制站的聯(lián)鎖設(shè)備控制。信號控制站主要負(fù)責(zé)：初始化網(wǎng)絡(luò)配置、無線網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、跟蹤歹0車、速度計(jì)算、提供操作員接口、列車控制系統(tǒng)接口、車載計(jì)算機(jī)信息交換等。
2．3 波導(dǎo)信息網(wǎng)基站
波導(dǎo)信息網(wǎng)基站一般位于離波導(dǎo)不遠(yuǎn)的地方，也可以安裝在信號設(shè)備室。主要是由下列設(shè)備構(gòu)成：無源濾波器、無線調(diào)制解調(diào)器、裂縫波導(dǎo)檢測載波發(fā)生器、多路復(fù)用器、耦合器電源等組成。它是組成波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)單元的最基本的部分，是和車載移動站進(jìn)行車地通信的工作站。
2．4 波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站
列車兩端的駕駛室各有一臺波導(dǎo)信息網(wǎng)移動站。包括車載無線電臺、車載ATP／ATO設(shè)備、接口電路以及信標(biāo)接收天線和解碼器。車載計(jì)算機(jī)，安裝專用的數(shù)據(jù)采集卡，將其作為移動工作站，安裝操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、專用數(shù)據(jù)采集軟件等。主要負(fù)責(zé)：數(shù)據(jù)初始化、無線網(wǎng)絡(luò)連接、獲得位置信息、速度計(jì)算、控制區(qū)交接通信、與車站計(jì)算機(jī)交換信息、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、列車控制系統(tǒng)(窄縫險(xiǎn)測接收器)接口等。
2．5 微波裂縫波導(dǎo)
采用微波裂縫波導(dǎo)系統(tǒng)作為車地雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋⒉芽p波導(dǎo)系統(tǒng)是波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，它是具有較寬的帶寬的可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、語音及視頻信號的傳輸系統(tǒng)，用于車地雙向連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及列車定位。
裂縫波導(dǎo)是個(gè)中空的鋁質(zhì)矩形管，在其頂部等間隔開有窄縫，使得在載頻范圍內(nèi)的微波沿裂縫波導(dǎo)均勻輻射，在波導(dǎo)上方的適當(dāng)位置接收器可以接收波導(dǎo)裂縫輻射的信號，接收器通過信號處理得到有用的數(shù)據(jù)，圖3為裂縫波導(dǎo)傳輸方式。軌旁ATP/ATO——語音、視頻、數(shù)據(jù)

圖3 裂縫波導(dǎo)傳輸方式
使用TDMA作為系統(tǒng)的通信組織管理方式。TDMA(Time Division Multiple Access)——時(shí)分多址就是所有用戶使用同—射頻帶寬，按某種秩序分時(shí)發(fā)射的多址通信技術(shù)。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站向每列列車給出同步信號，給每竹rJ車預(yù)先分配好一個(gè)固定時(shí)隙，每列列車在各自的時(shí)隙內(nèi)和波導(dǎo)信息網(wǎng)基站交換信息(具體的時(shí)元、時(shí)隙劃分，需要根據(jù)擴(kuò)頻電臺的技術(shù)指標(biāo)確定，一般—個(gè)時(shí)隙大約10ms)，采用直接序列擴(kuò)頻和跳頻來防止干擾。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站使用同軸電纜與裂縫波導(dǎo)連接，通過裂縫波導(dǎo)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(shí)隙內(nèi)完成。系統(tǒng)每秒多次對每輛列車的位置進(jìn)行檢測，利用時(shí)分多址(TDMA)方法，最多可同時(shí)控制30輛列車。交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括列車的車次號、當(dāng)前相對位置、當(dāng)前運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行距離、到達(dá)時(shí)間、出清時(shí)間等，列車通過車載ATP／ATO控制列車的運(yùn)行并精確定位，圖4為TDMA勵(lì)哩圖。

圖4 TDMA口時(shí)分多址原理
2．7 列車運(yùn)行距離計(jì)算
列車的運(yùn)行距離二波導(dǎo)裂縫間距x相對起始點(diǎn)開始檢測到的裂縫數(shù)
根據(jù)位置信息及相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出列車當(dāng)前的速度，列車將速度信息和相對位置放人報(bào)文發(fā)給軌旁基站，再通過遠(yuǎn)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(biāo)的信息進(jìn)行初始化、更新數(shù)據(jù)或精確停車。當(dāng)列車通過時(shí)，使用安裝在線路內(nèi)的信標(biāo)確定列車的絕對位置和運(yùn)行方向，列車通過波導(dǎo)信息網(wǎng)向軌旁ATP發(fā)送其位置信息。由于采用的裂縫波導(dǎo)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(dǎo)縫隙的計(jì)數(shù)和信標(biāo)對比得到。
2．9 移動閉塞區(qū)的防護(hù)
軌旁設(shè)備收集所有列車的位置信息，對每列列車進(jìn)行管理，根據(jù)列車實(shí)時(shí)位置、速度和列車信息確定安全保護(hù)區(qū)段。軌旁設(shè)備為每個(gè)車載ATP提供—個(gè)后續(xù)列車不能進(jìn)人當(dāng)前列車“保護(hù)范圍”的涉及故障——安全的限制位置。
3 小結(jié)
由于基于裂縫波導(dǎo)通信的列車自動控制系統(tǒng)，將軌道分割成不同的控制區(qū)，每個(gè)控制區(qū)由車站計(jì)
算機(jī)、無線擴(kuò)頻電臺和波導(dǎo)信息網(wǎng)構(gòu)成無線通信網(wǎng)，波導(dǎo)布置在物理上使得各控制區(qū)彼此重疊，以波導(dǎo)信息網(wǎng)作為傳輸媒介，站間可以被無線電可靠地覆蓋，不會出現(xiàn)盲區(qū)，利用波導(dǎo)裂縫對列車進(jìn)行定位，可以大幅度提高列車定位精度，通過連續(xù)的車—地雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的移動閉塞，從而縮短列車的行車間隔，提高運(yùn)行的效率和效益。

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