摘要：基于通信的列车运行控制系统(CBTC)作为列车运行控制系统的发展方向,越来越受到人们的关注,它是通信、信号控制、计算机网络技术有机结合的产物,其职责是确保列车安全、高效的运行。如何展现列车安全、快速、高效的运行是目前铁路领域丞待解决的根本性问题,现有基于轨道电路的列车运行控制系统已经不能满足技术要求。基于通信的列车运行控制系统(CBTC)是将通信、信号控制、计算机网络技术有机结合来实现铁路运行控制系统的自动化、网络化、智能化,确保列车安全、高效的运行。
关键词：铁路安全；通信列车；运行控制系统；抗干扰性能分析
引言
由于CBTC和现在计算机技术的紧密结合,传统的安全设计及分析方法已难以满足其要求,迫切需要研究新的系统化安全设计和分析的方法。形式化方法(oFmralMeth闭s)是基于离散数学和形式逻辑的一种方法，它采用形式语义符号和工具表述所要设计的计算机系统,并根据系统规范对系统的性质和正确性进行严格证明。文章以列车防护软件的安全设计为例,把形式化方法应用于CBTC的设计开发中,对于提高CBTC的安全性能有着重要的意义。
1.研究背景
基于通信的列车运行控制（CommunicationBasedTrainControl，简称为CBTC）技术，是一种在列车运行控制系统中使用的技术。它定义为：利用（不依赖于轨道电路的）高精度列车定位、双向大容量车-地数据通信和车载、地面的安全功能处理器实现的一种连续自动列车控制系统，用以代替轨道电路作为媒体来实现列车运行控制，典型的CBTC系统如图1所示。
CBTC系统的突出优点是车地双向通信，而且传输信息量大，传输速度快，信号系统能够突破传统的固定闭塞运行模式，转为移动闭塞模式，同时可减少区间敷设电缆和日常维护工作，具有适度提高区间通过能力，灵活组织双向运行和单向连续发车，容易适应不同车速、运量和不同类型牵引的列车运行控制等优点[1]。基于通信的CBTC系统在国内外轨道交通项目上均已得到实际应用，目前在国内开始实施或即将实施的项目已经开始出现并逐步增多。随着无线通信技术的不断发展，代表着信号系统技术发展趋势的基于无线通信的CBTC系统已经开始走向成熟，并得以实施。主流的CBTC设备采用IEEE802.11系列或仅做细微调准后的IEEE802.11系列做为通信协议，配合天线、泄露电缆及泄露波导等多种传输形式，形成了多种类型的CBTC系统形式。
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图1Wi-Fi设备信道分配图
2.基于通信的列车运行控制系统
列车速度的提高需要对列车实施更为精确的控制,满足这一要求的前提是车上、地面可靠信息量的增大。现有列车控制系统主要利用轨道电路传送地面至车上信息。轨道电路有它独特的优点,如能比较完善的地检查列车完整性,但是轨道电路只能使用较低的频率发送信息、传输信息值较小、受环境影响大、实时性差,难以满足高速铁路发展对车地信息传输的要求。20世纪60年代,基于通信的列车控制系统CBTC(oCmmunieationBasedTraincontor一system)思想开始萌芽，50年代初,国外开始系统研究并进行阶段性测试,90年代开始进入试验线路测试阶段并开始商业运营。目前比较典型的基于通信的列车控制系统有:欧洲的ETCS,北美的ATCS,法国的ASTREE,日本的CARATC,美国BN的ARES,美国旧金山的AATC等。
CBTC利用无线信道实现车上、地面双向信息传输,列车在区间运行时通过无线通讯将测定的自身位置、速度信息发送给主控中心(Rialway()p-erationsCente一R()C),R()C根据该fIJ车与前行列车间的距离、线路参数、列车参数计算出列车到达下一个目标前的最大允许速度,并通过无线信道发送给列车。列车收到速度信息后,车载计算机判断列车实际运行速度是否大于最大允许速度,如大于允许速度则提醒司机注意,如果司机未及时做出响应,则车载计算机发出制动指令,将列车速度降低到最大允许速度以下。CBTC系统主要由移动设备(车载设备、轨道旁人员手持设备)、道旁设备、通信网络、控制中心组成。系统框图如图2所示。
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图2CBTC系统框图
CBTC的子单元分为涉安单元和非涉安单元,涉安单元涉及控制命令的生成、执行及重要信息的采集,如车载设备的命令执行单元、WIU的接口单一、(R)C计算机中的控制命令的计算单元等。有些CBTC系统对涉安单元采用双机比较的方法提高系统的安全性,利用完全相同的两个器件执行相同的工作,对输出结果进行比较,如两机输出比较不一致,系统降级工作或机人故障一安全模式。与传统信号系统相比,CBTC具有如下优点:
（1）可利用无线信道进行车一地之间数据地双向传输,列车可将其位置、速度等信息传给车站,同时车站也可将控制命令传给列车;
（2）不间断地跟踪、监控列车运行,实现对列车地闭环控制;
（3）取消固定闭塞分区,实现移动自动闭塞(MA)S,可进行灵活地运输组织,方便行车调度,适合客货车混跑,提高运输效率;
（4）集列车运行控制及列车运行管理于一体,优化运行方案,可实时调整运行图;
（5）减少沿线地面设备和维护工作量,节省维修费用,降低劳动强度。目前人们较为认同CBTC的优点,只是对CBTC的安全性抱有疑虑。基于通信的列车运行控。
3.影响CBTC系统抗干扰性能的因素
3.1传输方式影响
CBTC系统主要有无线天线、泄露电缆和泄露波导三种形式，图3给出了三种传输形式均位于车顶位置时的信号干扰比，可以看出采用泄露电缆与泄露波导的抗干扰性能相近，干扰源距离车头越远各种传输形式的抗干扰能力均会增强，泄露电缆与泄露波导的抗干扰能力整体较强且相对稳定。
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图3三种传输方式均布置车顶时的抗干扰能力
3.2调制方式影响
主流CBTC系统一般采用FHSS，OFDM及DSSS调制方式，在相同的干扰源配置下，采用不同调制方式的CBTC系统的时延如图4～图6所示：
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图4采用FHSS调制方式，CBTC系统时延
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图5采用OFDM调制方式时，CBTC系统时延
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图6采用DSSS调制方式时，CBTC系统时延
由上述仿真结果可以看出，在系统信道占用较多的条件下，采用FHSS调制方式的CBTC系统可以保证较小的时延，而采用OFDM和DSSS调制方式会产生较大时延甚至通信中断的情况。
3.3协议机制影响
部分CBTC系统直接采用了未经修改的IEEE802.11系列协议，该协议采用载波侦听多路接入（CSMA）的信道接入机制，该机制决定设备确定无线信道的占用状态并非一件非常容易的事情，设备需借助物理载波侦听及虚拟载波侦听两种方法。任何一个设备要发送数据帧时都必须等待一个DIFS的间隔，且要进入争用窗口[2]。各设备都要执行退避算法，以减少发生碰撞的概率。这种“碰撞避让”的载波侦听机制，决定了采用IEEE802.11系列协议的CBTC系统在无需很多干扰源存在的情况下即可发生较大时延甚至链接中断的情况。在上述实验环境下，CBTC系统与干扰源均遵循IEEE802.11协议的退避机制，随着干扰源数量的增加，频谱占用率反而降低。此外，CBTC系统的数据吞吐率虽干扰源数量不同的变化趋势也证实了上述结果。
结束语
综上所述，计算机技术在铁路领域的广泛应用给铁路的安全运营带来了巨大的挑战,列车运行控制系统作为铁路运营的指挥棒更是需要充分的安全保障。形式化方法采用形式语义符号和工具描述述所要设计的计算机系统,并且可以采用数学算法和计算机辅助工具证明系统是否具有某些安全属性,有助于提高系统的安全性。
参考文献：
[1]张明远,付靖,宫剑.基于通信的列车运行控制(CBTC)系统的抗干扰性能分析[J].数字通信世界,2019(6):8-9.
[2]孙晓光,侯磊.基于通信的列车控制系统(CBTC)测试方法研究与设计[J].铁路通信信号工程技术,2013,10(S1):331-334.
论文作者:纪雅静
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/18
标签：列车论文; 系统论文; 控制系统论文; 通信论文; 信道论文; 抗干扰论文; 设备论文; 《基层建设》2019年第28期论文;