（控制理論與控制工程專業(yè)論文）基于單片機的無線閉塞中心原理樣機的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

中文摘要 摘要：中國高速鐵路發(fā)展迅速，迫切需要裝備先進、可靠及安全的鐵路信號系 統(tǒng)來保證列車的安全運行。列車速度的提高使得基于軌道電路的列車控制系統(tǒng)不 能滿足安全性要求，而基于無線傳輸?shù)牧熊嚳刂葡到y(tǒng)能滿足。無線閉塞中心( r b c ) 是高速鐵路信號系統(tǒng)的地面核心子系統(tǒng)。其通過與調(diào)度集中系統(tǒng)交互，實現(xiàn)列車 運行狀態(tài)信息及控制信息的傳遞；與車站聯(lián)鎖系統(tǒng)交互，實現(xiàn)列車運行狀態(tài)信息 及進路狀態(tài)信息的傳遞；與列車車載系統(tǒng)交互，實現(xiàn)列車運行狀態(tài)信息、行車許 可及列車運行間隔管理信息的傳遞；與相鄰r b c 系統(tǒng)交互，實現(xiàn)列車控制權(quán)的交 接。r b c 系統(tǒng)對實現(xiàn)高速鐵路信號系統(tǒng)“運行指揮、安全防護的功能起著關(guān)鍵 作用。 目前，國外r b c 系統(tǒng)研究比較成熟，而國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究正處于起步階段。 本文以國內(nèi)高速鐵路項目引進的信號系統(tǒng)為應(yīng)用背景，在分解其功能的基礎(chǔ)上提 出了r b c 系統(tǒng)功能需求及其實現(xiàn)方案，并基于單片機、c a n 總線研制r b c 原理 樣機，搭建了其仿真運行環(huán)境，完成了原理樣機的軟、硬件測試與功能實驗。 論文的主要工作包括： 第一，介紹了r b c 系統(tǒng)在不同結(jié)構(gòu)信號系統(tǒng)中的工作機理，在描述信號系統(tǒng) 功能分解方案的基礎(chǔ)上，提出了r b c 系統(tǒng)功能需求及其實現(xiàn)方案。分析了r b c 系統(tǒng)的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)設(shè)計了r b c 原理樣機的總體結(jié)構(gòu)。 第二，設(shè)計了原理樣機硬件總體結(jié)構(gòu)，基于m e g a l 2 8 單片機、c a n 總線研制 了由二取二乘二核心處理單元、表決單元、切換單元、信號調(diào)理單元及通信單元 構(gòu)成的r b c 原理樣機，并分析了其安全性可靠性。 第三，設(shè)計了原理樣機軟件總體結(jié)構(gòu)，并依據(jù)r b c 系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范編制了列車 啟動模塊軟件、注冊模塊軟件、行車控制模塊軟件、級間轉(zhuǎn)換和r b c 切換模塊軟 件及通信模塊軟件。其中行車控制模塊軟件由接車作業(yè)軟件、發(fā)車作業(yè)軟件、通 過作業(yè)軟件及區(qū)間運行作業(yè)軟件等組成。 第四，搭建了原理樣機仿真運行的外部環(huán)境，完成了軟件的測試，并以此為 基礎(chǔ)實現(xiàn)了硬件的調(diào)試。最后實現(xiàn)了其與調(diào)度集中系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)及列車車 載設(shè)備的功能實驗。 關(guān)鍵詞：無線閉塞中心( r b c ) ；原理樣機；單片機；c a n 總線 分類號：u 2 8 4 9 1 l 匕立交道態(tài)堂亟堂位j 盆塞旦s ! 基! a b s t r a c t a b s t r a c t ：c h i n e s eh i g h s p e e dr a i l w a yi s d e v e l o p i n gr a p i d l y , w h i c hd e m a n d s u r g e n t l yo fe q u i p p i n ga d v a n c e d ，s a f ea n dr e l i a b l er a i l w a ys i g n a l i n gs y s t e mf o rt r a i n o p e r a t i o ns a f e t y t h et r a c kc i r c u i tb a s e dt r a i nc o n t r o ls y s t e m ( t b t c ) c a n ts a t i s f yt h e s a f e t yr e q u i r e m e n ta st h et r a i ns p e e di n c r e a s e d ，w h i l et h ec o m m u n i c a t i o nb a s e dt r a i n c o n t r o ls y s t e m ( c b t c ) c a n r a d i ob l o c kc e n t e r ( r b c ) i st h ek e r n e ls u b s y s t e mo ft h e g r o u n ds y s t e mi nh i g h - s p e e dr a i l w a ys i g n a l i n gs y s t e m t h ei n f o r m a t i o no ft r a i n o p e r a t i o ns t a t ea n dt r a i nc o n t r o li st r a n s f e r r e db e t w e e nr b cs y s t e ma n dc e n t r a l i z e d t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ( c t c ) ；t h ei n f o r m a t i o no ft r a i no p e r a t i o ns t a t ea n dr o u t es t a t ei s t r a n s f e r r e db e t w e e nr b cs y s t e ma n dc o m p u t e ri n t e r l o c k i n gs y s t e m ( c l s ) ；t h e i n f o r m a t i o no ft r a i no p e r a t i o ns t a t e ，m o v e m e n ta u t h o r i t i e sa n dt r a i ni n t e r v a lc o n t r o li s t r a n s f e r r e db e t w e e nr b cs y s t e ma n dt r a i no n - b o a r ds y s t e m ；t h eh a n d o v e ro ft r a i n c o n t r o li sr e a l i z e db e t w e e nr b cs y s t e ma n dn e i g h b o r h o o dr b cs y s t e m r b cs y s t e m m a k e sk e ye f f e c to fa c t u a l i z i n gt h ef u n c t i o no f o p e r a t i o nc o m m a n d i n g , s a f e t y p r o t e c t i o n ”i nt h eh i g h s p e e dr a i l w a ys i g n a l i n gs y s t e m a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h er b cs y s t e ma b r o a di sm a t u r e ，w h i l et h ed o m e s t i c c o u n t e r p a r ti ss t i l la tt h es t a r ts t a g e t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n di m p l e m e n t a t i o n s c h e m ew e r ep r e s e n t e db a s e do nt h ef u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o no ft h es i g n a l i n gs y s t e m i n t r o d u c e db yh i g h s p e e dr a i l w a yp r o j e c t a n dar b cp r i n c i p l ep r o t o t y p eb a s e do n m c ua n dc a nb u sw a sd e v e l o p e d ，t h er u n n i n ge n v i r o n m e n to fr b cp r i n c i p l e p r o t o t y p ef o rs i m u l a t i o nw a sc o n s t r u c t e d t h es o f t w a r e & h a r d w a r ed e b u g g i n ga n d f u n c t i o n a le x p e r i m e n tw e r ec o m p l e t e d r e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e ra r ef o c u s e do nt h ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y , t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fr b cs y s t e mi nt h es i g n a l i n gs y s t e mo fd i f f e r e n t a r c h i t e c t u r ew e r es t u d i e d ，t h es c h e m eo ff u n c t i o n a ld e c o m p o s i t i o no fs i g n a l i n gs y s t e m w a sd e s c r i b e d ，a n dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fr b c s y s t e mw e r ep r e s e n t e d t h ei n t e r i o ra n de x t e r i o ra r c h i t e c t u r eo fr b cs y s t e mw e r e a n a l y z e d ，a n dt h ea r c h i t e c t u r eo fr b cp r i n c i p l ep r o t o t y p ew a sd e s i g n e d s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l ep r o t o t y p eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r ew a sd e s i g n e d ，a n dt h e p r i n c i p l ep r o t o t y p ec o n s i s t i n go fk e r n e l2 0 0 2 m 2p r o c e s s i n gu n i t ，v o t i n gu n i t , s w i t c h u n i ta n dc o m m u n i c a t i o nu n i tb a s e do nm e g a l 2 8 ，c a nb u sw a sd e v e l o p e d t h es a f e t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r i n c i p l ep r o t o t y p ew e r ea n a l y z e d = | 匕立交道態(tài)堂亟堂位論塞 旦s 至b ! t h i r d l y , t h ep r i n c i p l ep r o t o t y p es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ew a sd e s i g n e d t h es o f t w a r e m o d u l e sf o rt r a i nr e g i s t r a t i o n ，s t a r t - u p ，o p e r a t i o nc o n t r o l ，s w i t c hb e t w e e nr b c s y s t e m a n dn e i g h b o r h o o dr b cs y s t e mo rd i f f e r e n tl i n el e v e l sa n dc o m m u n i c a t i o nw e r e c o m p l i e da c c o r d i n gt ot h er b cs y s t e m st e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n a n dt h eo p e r a t i o n c o n t r o lm o d u l ew a sc o m p o s e do ft r a i nr e c e i v i n g ，d e p a r t u r e ，p a s s i n ga n db l o c kr u n n i n g e t c f i n a l l y , t h ee x t e r n a lr u n n i n ge n v i r o n m e n tf o rs i m u l a t i o nw a sc o n s t r u c t e d ，a n dt h e s o f t w a r et e s t i n gw a sc o m p l e t e d ，t h e nt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gw a sr e a l i z e d a tl a s tt h e f u n c t i o n a le x p e r i m e n to ft h ep r i n c i p l ep r o t o t y p ew i t hc t c ，c i sa n dt r a i no n - b o a r d s y s t e mw a sr e a l i z e d k e y w o r d s ：r a d i ob l o c kc e n t e r ( r b c ) ；p r i n c i p l ep r o t o t y p e ；m c u ；c a nb u s c i 。a s s n o ：i j 2 8 4 9 1 v 學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權(quán)北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國 家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學位論文作者簽名： 導師簽名： 孫耘 簽字日期：年 月日 簽字日期：沙亨年石月，口日 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京交通大學或其他教育機構(gòu)的學位或證書 而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學位論文作者簽名：蕩f 彳綴 簽字日期：矽p 年月。日 6 2 致謝 本論文的工作是在我的導師鄭偉副教授的悉心指導下完成的，鄭偉副教授嚴 謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝兩年來 鄭偉老師對我的關(guān)心和指導。 徐洪澤老師在學習上和生活上都給予了我很大的關(guān)心和幫助，在此表示衷心 的謝意。 中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司的張敏慧、黃蓉、陳寧及李乾社等高工對 于我信號系統(tǒng)的學習和研究給予了熱情幫助，岳強、仲維鋒老師對于我的科研工 作和論文提出了許多的寶貴意見，在此表示衷心的感謝。 在實驗室工作及撰寫論文期間，程梁、周鵬、楊昭軍、吳良坤等師兄及張陽、 吳夢媛、鄭長宗等同學對我論文中的系統(tǒng)軟件、硬件研究工作給予了熱情幫助， 在此向他們表達我的感激之情。 另外也感謝我的父母、姐姐，他們的理解和支持使我能夠在學校專心完成我 的學業(yè)。 1 引言 現(xiàn)在，人們的時間價值觀念越來越強，“時間就是生命，時間就是效益”。交 通運輸速度的提高能獲得時間的節(jié)省，因此，力求提高運輸速度已成為日益受到 重視的重點科技課題之一【l 】。歐洲各國及日本很早就開始了高速鐵路的研究與修 建，并取得了重大的成績。而我國現(xiàn)在運輸壓力越來越大，對高速鐵路的研究及 修建也勢在必行。 高速鐵路的發(fā)展，造成既有信號系統(tǒng)難以達到“運行指揮、安全防護的需 要，因此傳統(tǒng)的調(diào)度集中系統(tǒng)、繼電集中聯(lián)鎖及列車控制系統(tǒng)都需要得到進一步 的發(fā)展。而現(xiàn)代計算機技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展為傳統(tǒng)信號 系統(tǒng)的革新提供了新思路、新方法。新一代的分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)、計算機聯(lián) 鎖系統(tǒng)及基于g s m r ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n r a i l w a y ) 的列車 控制系統(tǒng)就是在這樣的背景下發(fā)展起來的，而r b c ( r a d i ob l o c kc e n t e r ) 作為信 號系統(tǒng)的地面核心子系統(tǒng)，要實現(xiàn)列車間隔的控制和行車許可的下達，無疑也是 研究的重點。 1 1 研究背景 1 ) 高速鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀 為了提高運輸能力、同航空和公路等運輸方式競爭，并減少污染，國外很早 就開始了高速鐵路的研究。國外高速鐵路的發(fā)展是以日本、法國及德國為代表： 1 9 6 4 年1 0 月1 日，日本建成了世界上的第一條高速鐵路東海道新干線，時速 達到2 1 0 k m h ，隨后陸續(xù)修建了山陽、東北、上越等新干線，現(xiàn)在日本的高速鐵路 營業(yè)里程達1 8 3 1 5 k m 。日本的新干線全部是新建的，僅運行旅客列車；法國在1 9 8 1 年修建了第一條高速鐵路，部分新建，部分在既有線路基礎(chǔ)上改造，也是旅客列 車專用，速度達到2 7 0 k m h 。后來又建成t g v ( t r a i n ag r a n d ev i t e s e ) 大西洋線， 時速達3 0 0 k m h ；原聯(lián)邦德國是繼日本、法國后最先在世界上實現(xiàn)最高時速達 2 5 0 k m h 的鐵路高速化國家，從1 9 8 1 年開始高速鐵路的新線建設(shè)及舊線改造，至 1 9 9 1 年，共修建新線4 2 6 k r n ，改造舊線1 0 0 0 k m ，實行的是客貨混跑的客運專線模 式，速度達到2 5 0 k m h 。隨后為實現(xiàn)與歐洲其它國家的高速鐵路相連接，構(gòu)成高速 鐵路網(wǎng)，德國開始對一系列舊線改造，并研制新一代的i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ) 高速列車。除了上述國家外，英國、意大利、瑞典、西班牙及美國等都進行了高 速鐵路的研究及修建?！? 】【2 】 1 9 9 4 年，廣州一深圳準高速鐵路建成，這是國內(nèi)第一條準高速鐵路，列車運 行速度達到1 6 0 - - 2 0 0 k r n h ，這條線的建成通車為我國高速鐵路的建設(shè)打下了基礎(chǔ)。 2 0 0 3 年，我國第一條客運專線秦皇島一沈陽建成并投入運營，通過此條線的 建設(shè)，更是為建設(shè)符合中國國情的高速客運專線積攢了大量經(jīng)驗【2 】。根據(jù)中國中 長期鐵路路網(wǎng)規(guī)劃，到2 0 2 0 年，我國客運專線將形成“四縱四橫 的客運專線 格局，營運里程達1 2 萬k m 。目前，武廣、鄭西、甬臺溫等客運專線已進入施工 建設(shè)階段。 2 ) 列車控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 列車速度的提高，對通信信號設(shè)備的安全性、可靠性提出了更高的要求，作 為地面控制系統(tǒng)核心的列車控制系統(tǒng)也不例外。當今世界各國已投入使用的高速 列車運行控制系統(tǒng)主要有法國的u 廠r 系統(tǒng)、德國l z b 8 0 系統(tǒng)、日本新干線a t c ( a u t o m a t i ct r a i nc o n t r 0 1 ) 系統(tǒng)及歐洲的e t c s ( e u r o p e a nt r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 系統(tǒng)，這些系統(tǒng)最根本的差別在于列車控制方式和車一地間信息傳輸方式不同。 ( 1 ) 法國u 廠r 系統(tǒng) 法國高速鐵路t g v 區(qū)段均采用t v m 3 0 0 型或t v m 4 3 0 型機車信號，地面信 息傳輸采用u m 7 1 或u m 2 0 0 0 軌道電路，簡稱u 廠r 系統(tǒng)。 機車信號帶有列車速度監(jiān)督是法國系統(tǒng)的一個特點，它是保證行車安全、 防止列車超速運行的有效手段。u 廠r 系統(tǒng)對速度的控制是采用分段制動的列車控制 模式，司機按照每一段軌道電路地面信息給出的速度值運行時，速度監(jiān)督設(shè)備不 干預(yù)司機正常操作，當司機違章操作或列車速度超過規(guī)定的允許速度時，速度監(jiān) 督設(shè)備就將自動實施制動。 3 1 5 廠階檄談?wù)踩欢津锟p、 、 l 圳佛愚段越茸凹鋼 2 8 5 1k 廠、 卜m 髝詟觻縺謤莯蟺 i 、 t v 3 0 0 速度監(jiān)控曲線 u r e1 -s p e ds u e r v i s i o nc u n co f v m 3 0 0 由速鐵路列車速度不斷提高，特別是1 9 9 3 年開通法國第三條北方線高速2 鐵路后，列車運行速度已達3 2 0 k m h ，為此法國有關(guān)公司對原由模擬電路構(gòu)成的 u t 系統(tǒng)進行了數(shù)字化改造，現(xiàn)已投入使用的有t v m 4 0 0 系列產(chǎn)品。新的數(shù)字化 u 廠r 系統(tǒng)除保留了舊系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和功能外，其最大特點就是采用了數(shù)字電路技 術(shù)使設(shè)備結(jié)構(gòu)小型化、模塊化，采用數(shù)字通信技術(shù)使車一地間的信息傳輸數(shù)字編 碼化，從而使車一地間的信息傳輸量有較大增加，傳輸?shù)男畔⒏煽?、更安全?這些信息除滿足列車間隔控制外，還可滿足傳輸線路坡道、距離等不同線路數(shù)據(jù) 的要求，因此其速度監(jiān)督由過去的階梯控制方式改為分段曲線控制方式，原 t v m 3 0 0 系統(tǒng)的保護區(qū)段可以取消，其線路通過能力有所提高，同時，其控制曲 線己接近現(xiàn)代列車的連續(xù)控制模式。 一一、? ”，、 、：，；l 分段速度監(jiān)督曲線 、一 1 7 0 ) 之j ( 司； 幾運用控制曲線、 孓辱、，辱、 r1r 1， 、r、 的的的 圖1 - 2t v m 4 3 0 速度監(jiān)控曲線 f i g u r e1 - 2s p e e as u p e r v i s i o nc u eo f t v m 4 3 0 法國的岍系統(tǒng)大多采用u m 7 1 無絕緣軌道電路，該軌道電路是法國1 9 7 1 年 為防止交流電氣化牽引電流諧波干擾而研制的一種移頻軌道電路，它分為1 7 0 0 h z 、 2 0 0 0 h z 、2 3 0 0 h z 及2 6 0 0 h z 四種類型。兩個相鄰的軌道電路間采用電氣分隔接頭， 實現(xiàn)了無機械軌縫的電氣隔離。為解決地面向機車傳遞多種信息，在t v m 3 0 0 系 統(tǒng)中，采用u m 7 1 軌道電路向機車發(fā)送1 8 種低頻調(diào)制信息，以實現(xiàn)速差式機車信 號及帶階梯型速度控制曲線的速度監(jiān)督。在t v m 4 3 0 系統(tǒng)使用中，在繼承原u m 7 1 軌道電路基本特性基礎(chǔ)上，通過對設(shè)備器材的數(shù)字改造，低頻數(shù)量增加到2 7 種， 并且進行編碼處理，使其信息傳輸量由t v m 3 0 0 的1 8 種變?yōu)? 2 1 種，這為提高列 車控制系統(tǒng)的性能創(chuàng)造了非常好的前提條件?！? 】【4 】【5 】 ( 2 ) 日本a t c 系統(tǒng) 日本于1 9 6 4 年即交付使用了世界上第一條高速鐵路東海道新干線。它每 天開行2 0 0 多次列車，至今已有3 0 多年的歷史。 日本新干線列車控制模式與法國t v m 3 0 0 系統(tǒng)相似，也為階梯方式，所不同 的是t v m 3 0 0 是速度監(jiān)督滯后控制，速度的控制一般由司機完成，只有在司機沒 有按規(guī)定將列車速度降下時設(shè)備才起作用，而日本新干線采用的制動是設(shè)備優(yōu)先 的模式，即列車控制設(shè)備根據(jù)軌道區(qū)段的速度指示，對列車速度進行減速或緩解 控制，使列車出口速度達到本區(qū)段的要求，因此它沒有滯后控制所需的保護區(qū)段， 在線路通過能力上較t v m 3 0 0 系統(tǒng)有所提高。 2 7 5 圖1 - 3 日本a t c 速度監(jiān)控曲線 f i g u r e1 - 3s p e e as u p e r v i s i o nc u r v eo f j a p a n sa t c 隨著電子數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，日本鐵路公司新開發(fā)了多種數(shù)字式a t c 系統(tǒng)，它 不僅僅是對裝置實施微電子化，還使通過軌道電路向列車傳送的信息數(shù)字化。數(shù) 字a t c 分地面設(shè)備和車載設(shè)備兩部分，地面軌道電路檢查列車出清或占用，并將 線路狀況信息傳輸給列車，車載設(shè)備根據(jù)該數(shù)據(jù)確定能保證列車安全運行的速度， 從而控制列車運行。【4 j 【5 】 ( 3 ) 德國l z b 系統(tǒng) 德國l z b 連續(xù)式列車運行控制系統(tǒng)是德國兩家在信號方面最具實力的公司： 阿爾卡特s e l 公司和西門子公司聯(lián)合開發(fā)的。首次將列車連續(xù)速度控制模式用于 對高速列車的實際控制是l z b 系統(tǒng)的一大特點，這種列車控制模式打破了傳統(tǒng)閉 塞區(qū)段分段控制的概念，列車的制動由傳統(tǒng)的分段多次制動變?yōu)橐淮沃苿?，其?動過程是由列車自身參數(shù)、列車至變速點線路參數(shù)以及變速點的速度決定的，它 與傳統(tǒng)軌道閉塞分區(qū)速度參數(shù)無關(guān)。其列車追蹤間隔主要是根據(jù)每一列車的制動 性能和實際速度確定的，而且其安全制動距離是自動調(diào)節(jié)的，因此在各種列車性 能不一樣的情況下，它可以最大限度地提高線路的通過能力，同時其所具有的一 次制動的性能也與列車實際制動方式相吻合。 l z b 連續(xù)式列車運行控制系統(tǒng)主要由地面列車控制中心、車一地雙向信息傳 輸設(shè)備及列車車載控制設(shè)備三大部分組成。l z b 地面控制中心是l z b 系統(tǒng)的核心， 4 它負責實時確定所管轄范圍內(nèi)各列車的安全運行速度，并通過車一地雙向信息傳 輸系統(tǒng)將速度控制命令傳送給相應(yīng)的列車車載控制設(shè)備，控制列車安全運行。 的的 圖1 - 4l z b 速度監(jiān)控曲線 f i g u r e1 - 4s p e e ds u p e r v i s i o ng u t v co f l z b l z b 連續(xù)式列車運行控制系統(tǒng)在移動列車與地面控制中心之間的信息傳輸媒 介有兩種：一是軌道電纜按一定方式鋪設(shè)在軌道內(nèi)的l z b 專用電纜；二是無 線設(shè)備一s m r 數(shù)字移動鐵路專用無線通信網(wǎng)。 通過l z b 車一地雙向信息傳輸系統(tǒng)，l z b 車載控制設(shè)備將列車的精確位置、 實際速度、機車及列車工作狀況等信息送到l z b 地面列車控制中心，l z b 地面列 車控制中心的計算機對列車運行線路狀況信息、相鄰聯(lián)鎖中心傳送來的列車進路 信息及采集的列車實時運行信息等經(jīng)計算、比較后，確定在保證列車行車安全的 前提下使列車運行間隔最小的列車運行速度，并立即通過l z b 地一車雙向信息傳 輸系統(tǒng)將這一速度命令傳給機車上的l z b 車載控制設(shè)備，由此實現(xiàn)對列車運行速 度的控制?！? 】【4 】【5 】 ( 4 ) 歐洲列車控制系統(tǒng) 隨著歐洲鐵路的發(fā)展，歐盟各國為解決跨國運行時列車控制系統(tǒng)的兼容性， 于2 0 世紀9 0 年代聯(lián)合制定了歐洲列車控制系統(tǒng)( e r t m s e t c s ，e u r o p e a nr a i l w a y t r a 伍cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 技術(shù)規(guī)范，并確定了e r t m s e t c s 應(yīng)用等級： e r t m s e t c s 0 ：裝備了e r t m s e t c s 的列車可以在沒有裝備e r t m s e t c s 地面設(shè)備或者無本國信號系統(tǒng)的線路上運行，或者在試運行中的e r t m s e t c s 線 路上運行。在列車控制等級轉(zhuǎn)換處設(shè)置歐洲應(yīng)答器e u r o b a l i s e ，車載裝設(shè)具有 e u r o b a l i s e 傳輸功能的b t m ( b a l i s et r a n s m i s s i o nm o d u l e ) 模塊。 e r t m s e t c s s t m ：裝備了e r t m s e t c s 的列車，在裝備了本國信號系統(tǒng)的 5 線路上運行。為了能夠識別本國地面信號，車載設(shè)備還需另增加s t m ( s p e c i f i c t r a n s m i s s i o nm o d u l e ，專用傳輸模塊) 接口設(shè)備。s t m 把接收到的本國信號譯成 標準的e t c s 報文格式，然后傳送給e t c s 。 e r t m s e t c s 1 ：裝備了e r t m s e t c s 的列車，在裝備有點式傳輸設(shè)備歐洲 應(yīng)答器的線路上運行，地面向列車傳輸?shù)男畔⑼耆揽縠 u r o b a l i s e ，軌道電路只完 成軌道區(qū)段的空閑占用檢查和列車的完整性檢查。為了增加信息傳輸?shù)母采w范圍， 線路上可以安裝歐洲環(huán)線e u r o l o o p 或者無線注入單元，因此e r t m s e t c s 等級1 分成帶注入信息和不帶注入信息兩種類型。 e i 玎m s e t c s 2 ：裝備了e r t m s e t c s 的列車，在由無線閉塞中心控制的、 并且裝備了e u r o b a l i s e 和e u r o r a d i o 的線路上運行。車地之間的雙向信息通信通道 由g s m r 提供，由e u r o b a l i s e 提供定位信息，地面設(shè)備完成列車完整性檢查。 e r t m s e t c s 3 ：裝備了e r t m s e t c s 的列車，在由無線閉塞中心控制的、 并且裝備了e u r o b a l i s e 和e u r o r a d i o 的線路上運行。車地之間的雙向信息通信由 g s m r 提供傳輸通道，列車定位和列車完整性檢查由車載設(shè)備實現(xiàn)，e u r o b a l i s e 只提供e t c s 等級轉(zhuǎn)換命令?！? 】【5 】 ( 5 ) 中國列車控制系統(tǒng) 中國即將建設(shè)的高速鐵路列車運行速度高達3 5 0 k m h ，在高速運行的條件下列 車制動距離長達數(shù)公里，由司機根據(jù)機車信號顯示、了望地面線路情況并根據(jù)其 經(jīng)驗駕駛列車，從而保證列車安全運行是不可能的。其列車控制方式與目前普通 鐵路使用的系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別，在這方面我國還是空白。為此鐵道部于2 0 0 2 年 提出了c t c s ( c h i n e s et r a i nc o n t r o ls y s t e m ) 方案： c t c s 0 ：為既有線的現(xiàn)狀，由通用機車信號和運行監(jiān)控記錄裝置構(gòu)成。 c t c s 1 ：由主體機車信號+ 安全型運行監(jiān)控記錄裝置組成。面向1 6 0 k m h 以下的區(qū)段，實現(xiàn)列車運行安全監(jiān)控功能。 c t c s 2 ：基于軌道傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)。面向提速干線和高速新線， 采用車一地一體化設(shè)計，適用于各種限速區(qū)段，地面可不設(shè)通過信號機。 c t c s 3 - 基于無線( g s m r ) 傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用 的列車運行控制系統(tǒng)。面向提速干線、高速新線或特殊線路，基于無線通信的固 定閉塞或虛擬自動閉塞，適用于各種限速區(qū)段，地面可不設(shè)通過信號機。 c t c s 4 - 基于無線傳輸信息的列車運行控制系統(tǒng)。面向高速新線或特殊線路， 基于無線通信的虛擬閉塞或移動閉塞，由r b c 和車載驗證系統(tǒng)共同完成列車定位 和列車完整性檢查，地面不設(shè)通過信號機?！? 】【5 】 1 2i 氌c 系統(tǒng)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 6 根據(jù)歐洲列車控制系統(tǒng)規(guī)范，當達到e r t m s e t c s2 級或e i 玎m s e t c s3 級， 需要在地面設(shè)置r b c ，通過g s m r 進行列車控制。r b c 是e r t m s e t c s2 級或 e r t m s e t c s3 級信號系統(tǒng)地面設(shè)備的核心，因此對r b c 的研究，國外很早就開 始并取得了很大的進展。如在【6 】中作者以r b c 為核心建立了其與c t c ( c e n t r a l i z e d t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 系統(tǒng)、列車車載系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)及相鄰r b c 系統(tǒng)的交互模型， 并分析了它們交互的信息類型及交互流程，且在此基礎(chǔ)上分析了r b c 功能實現(xiàn)的 原理，還列舉了r b c 判斷出某一應(yīng)答器不屬于本轄區(qū)、接收列車數(shù)據(jù)不正確及發(fā) 現(xiàn)前方軌道區(qū)段不能確認空閑時的處理方案；在【7 】中作者提出了基于衛(wèi)星的列車定 位及安全防護方案，并給出了基于此技術(shù)的r b c 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能軟件實現(xiàn)流程； 在【8 】中作者研究了r b c 利用無線通信失敗前提下的系統(tǒng)處理策略，并建立了移動 閉塞模型進行分析；在【9 】中作者基于c s p o z d c 語言研究了r b c 對緊急信息 的處理。在國外研究不斷深入，并走向應(yīng)用的同時，國內(nèi)對r b c 的研究還處于起 步階段。 r b c 在e r t m s e t c s2 級和e r t m s e t c s3 級中存在的最大差別是閉塞方式 的不同，在e r t m s e t c s2 級中r b c 采取的是固定自動閉塞，而在e r t m s 甩t c s 3 級中采取的是移動閉塞，對應(yīng)中國的列車控制等級，要到c t c s3 級或c t c s4 級才需要在地面設(shè)置r b c ?，F(xiàn)在能提供r b c 設(shè)備的主要是歐洲的幾個廠家，即 a l c a t e l 公司、a l s t o m 公司、b o m b a r d i e r 公司及s i e m e n s 公司。如 b o m b a r d i e r 公司和s i e m e n s 公司研制成功的基于無線通信的列車控制系統(tǒng) f f b ，此系統(tǒng)在2 0 0 0 年就分別在德國的勞特塔爾鐵路和漢諾威出口國際博覽會線 路上投入了試運行【5 】。由這些廠家提供的r b c 系統(tǒng)采用安全計算機，具有極高的 安全性和可用性，在同其它設(shè)備的冗余接口上使用標準的安全通訊協(xié)議，通過通 訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)接口，如g s m r 網(wǎng)或并行接口。具體工程實踐中b o m b a r d i e r 公司 的r b c 設(shè)備被放置在一個標準的電氣機柜中，每個機柜可放5 塊r b c 的板子， 每塊板子可控6 列車，一個r b c 機柜可監(jiān)控3 0 列車。 中國鐵路經(jīng)過第六次大提速后，旅客列車運行水平達到2 0 0 k r n h 。提速不僅加 大了中國鐵路的運輸能力，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，也使相關(guān)的通信信 號技術(shù)水平、裝備得到極大的提高，為了進一步緩解中國鐵路的運輸壓力，我們 需要加快建設(shè)高速鐵路，從高速鐵路線發(fā)展到高速鐵路網(wǎng)，所以現(xiàn)在一大批的客 運專線項目上馬，如鄭西、甬臺溫、武廣等。如武廣客運專線就是一條純旅客列 車運行線，設(shè)計時速3 0 0 k m h ，其信號系統(tǒng)擬建成一個以車站設(shè)備為基礎(chǔ)、通信網(wǎng) 絡(luò)為骨架、綜合調(diào)度中心為龍頭，集調(diào)度指揮、行車控制、設(shè)備監(jiān)測和信息管理 等功能于一體的自動化系統(tǒng)，主要包括列車運行調(diào)度子系統(tǒng)、列車運行控制子系 統(tǒng)、聯(lián)鎖子系統(tǒng)和信號設(shè)備集中監(jiān)測維護子系統(tǒng)四個部分。由于速度高，傳統(tǒng)的 7 基于軌道電路的列車控制模式已不能保證行車安全，需要使用達到c t c s3 級的列 車控制設(shè)備，所以武廣客運專線采購了b o m b a r d i e r 公司的列車控制設(shè)備，在 武漢調(diào)度中心設(shè)置r b c 。研究r b c 系統(tǒng)對使用引進的信號設(shè)備、吸收其先進技術(shù) 具有重要的意義。 1 3 主要研究內(nèi)容 目前國外r b c 系統(tǒng)的研究己經(jīng)成熟，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究也進入仿真實驗階 段。為了更好的了解和熟悉r b c 工作原理及工作流程，本文將以國內(nèi)引進的r b c 系統(tǒng)為研究對象，詳細分析r b c 系統(tǒng)功能需求，在此基礎(chǔ)上描述r b c 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、 通信平臺和控制功能的實現(xiàn)原理，并結(jié)合實驗室條件，研制r b c 原理樣機，搭建 其仿真運行環(huán)境，最終實現(xiàn)系統(tǒng)仿真。 各章內(nèi)容安排如下： 第一章介紹高速鐵路、列車控制技術(shù)及r b c 的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀。 第二章研究r b c 在信號系統(tǒng)中的工作機理，提出信號系統(tǒng)功能分解方案， 在此基礎(chǔ)上描述r b c 系統(tǒng)功能需求及其實現(xiàn)方案，分析r b c 系統(tǒng) 外部結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)計r b c 原理樣機的總體結(jié)構(gòu)。 第三章設(shè)計原理樣機硬件總體結(jié)構(gòu)，研制核心安全處理單元，該單元基于 多個m e g a l 2 8 ，采取二取二乘二技術(shù)，滿足了高安全性、高可靠性 的功能要求；研制基于c a n 總線的通信模塊；最后分析研制模塊的 安全性、可靠性。 第四章設(shè)計原理樣機軟件的總體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)r b c 功能軟件設(shè)計，并編寫部 分模塊的程序代碼。 第五章根據(jù)r b c 仿真運行環(huán)境，實現(xiàn)原理樣機的測試及功能實驗。 第六章總結(jié)論文完成的工作內(nèi)容并提出下一步的研究內(nèi)容。 8 2r b c 樣機的總體方案設(shè)計 2 1r b c 工作機理 r b c 系統(tǒng)作為地面信號系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，其功能主要是實現(xiàn)列車間隔管理 及行車許可下達。此功能是通過與調(diào)度集中系統(tǒng)、車站列控聯(lián)鎖系統(tǒng)及列車車載 系統(tǒng)交互實現(xiàn)的，因此要了解r b c 的工作機理，有必要分析整個鐵路信號系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)。根據(jù)r b c 系統(tǒng)設(shè)置方式的不同，信號系統(tǒng)的構(gòu)成有兩種結(jié)構(gòu)：一是r b c 分開設(shè)置的信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，二是r b c 集中設(shè)置的信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。分開設(shè)置就是把 r b c 系統(tǒng)設(shè)置到車站里面，集中設(shè)置就是把r b c 設(shè)置在調(diào)度中心，兩者互有優(yōu)缺 點。 分開設(shè)置的優(yōu)點：可以使用不同的系統(tǒng)連接技術(shù)，以及不同的廠家提供的調(diào) 度集中系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌道電路和r b c 等設(shè)備；c t c s 2 和c t c s 3 功能之間具 有一定的獨立性，這樣就可以在不觸及軌道平面和接口的情況下，對它們分別認 證和升級；如果g s m r 網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或某個r b c 失效，列車可以一直在c t c s 2 的模式下行駛。 分開設(shè)置的缺點：由于設(shè)備更多，必然導致成本更高；分步實施時，預(yù)先必 須要考慮安裝r b c 的場地。 集中設(shè)置的優(yōu)點：該結(jié)構(gòu)預(yù)期的主要優(yōu)勢就是節(jié)約成本；可以只用一個廠家 的設(shè)備：設(shè)備間的連接被簡化；維修可能會更簡單，但由于接收設(shè)備分布在軌道 沿線，且這些設(shè)備對故障又非常敏感，所以感覺不會那么明顯。 集中設(shè)置的缺點：對這種設(shè)備的開發(fā)會更復(fù)雜，因為設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)必須同時 掌握c t c s 2 和c t c s 3 的功能技術(shù)；技術(shù)認證的程序也更加復(fù)雜，因為一種功能 的調(diào)整可能會對其它功能產(chǎn)生影響，所以要進行非退化性的測試；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 使用起來效果不太好。 目前，在歐洲幾條高速鐵路的建設(shè)中，信號系統(tǒng)基本上都是采用分開設(shè)置方 式，通過安全接口連接。其信號系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下： 9 圖2 - 1r b c 分設(shè)信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 f i g u r e2 - 1r b c d e c e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r eo f s i g n a l i n gs y s t e m 在這種結(jié)構(gòu)下，r b c 與聯(lián)鎖系統(tǒng)、c t c 分機都是通過冗余的r s 4 2 2 串口進行 通信，與g s m r 網(wǎng)絡(luò)通過i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g j l t a ln e t w o r k ) 服務(wù)器實現(xiàn) 連接，而r b c 與相鄰r b c 之間通過專用的數(shù)字通道實現(xiàn)連接。r b c 通過與聯(lián)鎖 系統(tǒng)的交互獲得進路狀態(tài)信息、軌道占用信息，與c t c 分機的交互獲得調(diào)度命令、 臨時限速等信息，與g s m r 網(wǎng)絡(luò)連接后同列車車載系統(tǒng)交互獲得列車運行狀態(tài)、 定位等信息，結(jié)合自身存儲的線路參數(shù)等信息，進行比較、計算，得出新的行車 許可控制列車運行。 在國內(nèi)客運專線的建設(shè)中，為防止基于g s m r 網(wǎng)絡(luò)的列車控制系統(tǒng)發(fā)生故障 帶來重大的行車事故，在建設(shè)c t c s3 模式的列車控制系統(tǒng)時，采取c t c s2 級列 車控制系統(tǒng)作為備用。這樣，車站列車控制系統(tǒng)( t c c ，t r a i nc o n t r o lc e n t e r ) 得 以保留，如果r b c 系統(tǒng)采取分開設(shè)置方式，必然會凸顯其分開設(shè)置的缺點，而集中 設(shè)置方式的缺點現(xiàn)在能克服，所以經(jīng)過權(quán)衡比較，決定采用集中設(shè)置的方式，即 把所有的r b c 都集中放置的一個調(diào)度中心，其結(jié)構(gòu)如圖： 1 0 圖2 2r b c 集中設(shè)置信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 f i g u r e2 - 2r b cc e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r eo f s i g n a l i n gs y s t g x n 在這種結(jié)構(gòu)下，t c c 與聯(lián)鎖系統(tǒng)、c t c 分機采用冗余的r s 4 2 2 進行連接，與 l e u 采用冗余的r s 4 8 5 進行連接，t c c 與相鄰t c c 采用專用的數(shù)字通道連接， 而調(diào)度中心的r b c 與c t c 調(diào)度中心通過c t c 系統(tǒng)通信網(wǎng)連接，r b c 經(jīng)交換機后 與管轄車站的t c c 相連，r b c 通過i s d n 服務(wù)器與g s m r 連接，而r b c 與相鄰 r b c 就可以通過串口進行連接。在c t c s3 模式下，通過r b c 來進行列車控制， 當r b c 故障或g s m r 網(wǎng)絡(luò)故障，列車不能運行在c t c s3 模式下時，通過t c c 控制列車在c t c s2 模式下運行。 不管是集中設(shè)置還是分開設(shè)置，r b c 都要通過車載設(shè)備的身份識別確定受控 的列車數(shù)據(jù)、根據(jù)軌道電路及聯(lián)鎖情況確定每列列車各自的移動授權(quán)、向每列列 車單獨發(fā)送列車移動授權(quán)和軌道情況數(shù)據(jù)、進行不同r b c 在邊界點的切換等功能。 2 2r b c 功能需求分析 2 2 1 信號系統(tǒng)功能分解 r b c 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與外部系統(tǒng)息息相關(guān)，r b c 與外部系統(tǒng)構(gòu)成一個整體， 他們之間的有機交互，實現(xiàn)了信息的正確傳輸，從而實現(xiàn)所需的功能。信號系