CBTC系统中的车一地通信技术分析

随着世界经济的不断发展, 各国交通运输领域的建设得到了极大的发展, 但是交通需求的快速增长已经远胜于交通基础设施建设的增长速度。由此带来的环境污染、交通拥挤等一系列问题, 制约了经济的良性发展。因此就要求建立一个智能、安全、便捷、高速、舒适和环保的新型运输体系。实践证明“智能交通系统”是国际公认的全面解决交通运输领域的问题的根本途径。而用于保障行车安全的列车控制系统是其中最基本, 也是最重要的环节。但是我国铁路通信信号系统的发展比较缓慢, 技术水平也相对落后, 已经不适应高速铁路对运输高可靠性和高安全性的要求。为了实现铁路运输高效与安全, 铁路智能交通综合信息系统在信息利用方面, 必须采用基于通信的列车运行控制方式 (CBTC) 。

1 CBTC定义

首先, 当我们提到CBTC时, 从运营商到供货商的一致认知应当是移动闭塞。这在字面上是没有明确表达的。目前欧洲广泛采用的E T C S 2级系统, 虽然也是基于GSM—R无线通信的列车控制系统, 但它完全采用固定闭塞原理;其次, CBTC中通信的概念也随着技术的发展, 由早期的专用传输协议、多种传播方式, 统一到基于国际开放标准的无线通信上来。确切地说是基于W L A N的无线通信。

在说明了CBTC的含义之后, 本文将主要阐述目前CBTC系统中的车一地通信的技术和应用, 并着重分析各种无线传播方式的特点。

2 CBTC系统中主要的车一地信息交换

在固定闭塞技术中, 线路上有固定的区段划分, 这一区段只要有车占用, 就意味着整个区段是占用的。而移动闭塞在线路上没有区段的划分, 以前车的尾部或进路边界为追踪的目标, 这就是固定闭塞和移动闭塞的区别。所以, 在固定闭塞技术中一定要采用轨道空闲检查设备来检查列车的位置, 而移动闭塞则靠车载设备自主定位来描述轨道的占用情况。固定闭塞和移动闭塞从数学描述的角度来看对线路的划分是量的区别。原来的固定闭塞, 在城市轨道交通中可以达到200m~300m的区段划分;基于感应环线的移动闭塞, 根据环线的特性, 以6.25m的精度对线路进行划分;CBTC实现以后, 现在车载计算机可以实现以米为单位的列车定位。

3 CBTC系统的车一地通信方式

3.1 点式通信技术

在线路上的某些特定位置安装固定的应答器 (信标) , 当列车通过时, 经车载查询器 (天线) 的激励, 应答器会根据互感原理, 把数据发送给车载接收设备, 这就是点式通信。轨旁应答器在系统中的主要作用包括系统初始化、列车定位、精确停车和后备模式等。文中提到的位置报告的生成就需要依靠应答器的定位功能。列车测速测距误差会随着离开上次校准点的距离增加而增加, 所以需要在一定的距离内安装应答器以校准列车的位置, 使车载设备的控制精度总是保持在合理的范围之内。如果在一定的范围内失去应答器, 列车会因不能发送准确的位置报告而停车。从设备选型角度来看, 经过技术的发展与淘汰, 目前市场上主要存在Amtech公司的美国标准TAG产品和欧洲标准的Eurobalise产品两种应答器, 其技术特性不尽相同。目前业界在采用哪种应答器作为标准的问题上, 仍存在争议。但因为应答器是安全相关的部件, 是整个信号系统安全认证中不可或缺的一部分, 因此, 两种应答器在成熟的信号系统中是不可以互换的。

3.2 连续式通信技术

CBTC系统中的连续式通信方式是基于WLAN的无线通信方式。经过近十年的技术发展, 与世界上多个互联互通试验工程的经验, 虽然做到真正意义上的互联互通还有很长的路要走, 但是对于CBTC系统所采用的无线通信系统, 业内已经有了一定的共识。首先, 从技术发展角度来说, 采用商务现货供应 (COTS) 的产品;其次, 把ISO七层模型中的低层统一采用IEEE802.11 W L A N标准。在此基础上, 各个信号系统的供货商在解决信号系统传输的安全性、通信系统可用性以及开放频段的抗干扰性等方面都做了大量的研究和试验。特别是无线传播上体现了多样性。

4 CBTC系统的无线传播方式

4.1 空间自由传播

常见的一种传播方式。它利用电磁波在空气中从发射天线到接收天线传递数据, 而无需线缆介质。空间自由传播的方式节省轨旁设备, 在轨道交通狭窄的隧道安装上具有优势。理论上空间自由传播的无线小区最大距离在400m~500m之间。但众所周知, 电波在隧道中的传播特性和自由空间不同。一方面, 当隧道直线距离短、弯道多时, 直射波传播有困难;另一方面, 由于隧道内有吸收衰减和多径效应, 使极化紊乱, 传播衰减大大增加。因此, 空间自由传播的方式在工程实施时必须进行无线勘察, 设备布置的不确定性较大。另外, 在开放空问的区段 (如高架桥, 车辆段区域) , 因存在其他民用的WLAN, 环境比较复杂, 传输容易受到污染。

4.2 导行传播

(1) 漏缆横向电磁波通过同轴电缆从发射端传至电缆的另一端。当电缆外导体完全封闭时, 电缆传输的信号与外界完全屏蔽, 然而通过同轴电缆外导体上所开的槽孑L, 电缆内传输的一部分电磁能量发送至外界环境。同样, 外界能量也能传人电缆内部。外导体上的槽孔使电缆内部电磁场和外界电波之间产生耦合。无线通信信号的质量通常因为电缆外界电波电平波动不同而相差很大。电缆敷设方式和敷设环境对电缆辐射效果也有影响。大部分隧道内还有各种各样金属导体, 比如沿两侧墙面安装的电力电缆、铁轨和水管等, 这些导体会改变电磁场的特性。 (2) 漏泄波导管基于漏泄波导的无线系统, 在一定距离下, 无线调制解调器接收到的场强接近常数而没有强衰落。而接收电平的变化呈线性, 即在长距离中仅考虑漏泄波导自身的衰减。根据牵引供电方式的不同, 可以考虑将漏泄波导管安装在走行轨的一侧或隧道的顶部。沿线需要敷设漏泄波导管在一定程度上增加了工程的工作量。

5 结语

CBTC技术集成先进的卫星定位系统、计算机技术、数据通信、传感、自动控制等高新技术, 并将其有效地运用于铁路运输管理、列车控制管理等各个方面, 从而有利地促进了铁路运输向着信息化、智能化的方向迈进。我国高速铁路智能化运输系统的进一步发展, 必将带动铁路运输能力的提高, 并且将为中国铁路智能交通系统体系的最终形成提供前所未有的机遇和巨大的推动力。

摘要：本文针对基于通信的列车控制系统的特点, 分析了目前成熟CBTC系统中车一地通信的内容和方式;着重论述了其中无线传播方式的部分, 并对各种方式的优缺点进行了比较, 供大家参考。

关键词：CBTC,车地通信,自由传播导行传播