基于裂缝波导通信的列车自动控制系统
【摘要】介绍基于裂缝波导通信的列车自动控制系统的构成、原理及功能。
【关键词】ATC(列车自动控制)，裂缝波导，波导信息网，波导信息网基站
1 概述
实现基于通信的列车自动控制系统，手段有多种。有在沿轨旁铺设电缆环、泄漏电缆、裂缝波导和安装无线扩频电台等力祛。交叉电缆环方法是目前较为成熟的技术，因该方法需要在沿轨道全线铺设交叉电缆环，安装工作量大，维护麻烦，并且和裂缝波导相比，其线性损耗较大。基于电缆环或泄漏电缆等通信手段的ATC(列车自动控制系统)是通过车站和轨旁的设备交换车的位置信息，列车在线路中的位置需要列车通过车载里程仪(借助电缆环的交叉点同步)测量后经车载通信天线发送给轨道上的电缆环，通过轨旁设备处理后送到车站控制设备，车站控制设备再将这—信息转发给后续列车，后续列车知道了前行列车的位置，可根据事先定义的安全行车原则，保持剐、的行车间距，实现移动闭塞。无线扩频电台方法，目前仅有少量成功应用的例子，虽然该系统兼具设备量少、成本低、安装方便、易于维护等优点，但是在地铁隧道中(特别是拐弯处)需安装信号中继设备，而且其发射功率不能太大。而采用以无线扩频电台和裂缝波导为通信媒介，裂缝波导作为无线电台的天线使用的方法，彻底解决了无线电台在地铁隧道中信号传输的问题，是一个安全、可靠、先进的信号系统，最适合在地铁环境中使用。本文重点介绍基于裂缝波导通信的列车自动控制系统的构成、原理及功能。
2 系统构成及原理
基于裂缝波导通信的列车自动控制系统，是采用在沿轨道铺设裂缝波导(缝隙天线)的方式，以波导信息网络、无线扩频电台为基础，采用TDMA(Time Division Multiple Access)多址通信方式，通过有线和无线网络的集合，实现列车与轨旁设备的双向连续通信及列车定位功能，最终实现移动闭塞信号控制系统。
2．1 波导信息网络
波导信息网络用于确保列车和本地ATS(Automatic Train Supervision)——列车自动监控系统、控制中心之间的车地双向连续传输信息。波导信息网络是由多个波导信息网通信单元和车载的波导信息网移动站组成，图1为波导信息网络结构图。
波导信息网基站是由车站计算机、无线扩频电台、数据采集卡、无源滤波器、窄缝检测发射器、耦合器等组成。波导信息网移动站是由车载计算机、车载无线电台、数据采集卡、窄缝探测接收器等组成。信号传输是通过ATS中心控制室、车站计算机、车载计算机、车载电台和列车上的定向天线发射和接收信号，轨旁单元通过同轴电缆与裂缝波导连接，以裂缝波导为载体双向传输列车实时信息。
图1 波导信息网结构
波导信息网基站和轨旁ATP(AutomaticTrainProtection)／ATO(AutomaticTrainOperation)——列车自动防护／列车自动驾驶是有线连接，轨旁ATP／ATt之间通过光纤、尾纤、光配线架、光端机等形成区间链路。波导信息网基站和波导信息网移动站之间的无线网络执行IEEE802．11和IEEE802．3标准。操作系统可选用WindowsNT4．0、Linux、Windows2000等。
波导信息网使用无线扩频电台进行网络通信。跳频时间与时分复用周期建立同步关系。各控制区间的通讯网有一定的重叠覆盖区，保证列车运行至控制区分界处时，可以平滑过渡，在车站主控计算机上安装网络操作系统，系统根据每个列车车的车载计算机的标识不同及其无线网卡配置的不同来识别每列列车。使用大型数据库软件(如Oracle，Sybase等)，通过数据采集卡的数据采集软件，获取车载计算机发出的列车运行数据，对数据进行分析、计算、查询、统计、更新、存储等。车载、车站的控制软件对所其需数据通过波导信息网进行发送、下载和更新。
波导信息网基站还负责：接收处理车载计算机的数据、发送主控计算机的数据、接收列车定位数据、处理数据采集卡采集的列车运行数据、提供HMI(Human Machine Interface)接口、接收HMl发送的列车控制信息并通过报文模块发送、提供TCP／IP通信接口、提供串口通信接口等。
2．2 通信单元
系统中的通信单元由裂缝波导(用于辐射电磁波载波)、波导同轴变换器(用于向裂缝波导馈入射频载波信号)、同轴电缆、终端负载(用于消除反躬被)、波导信息网基站、轨旁ATP／ATO、园司链路与沿线设备共同组成的—个无线和有线相结合的通信网络，图2为通信单元的基本组成图。
系统中的通信单元是组成波导信息网络的基础，负责每个车站的信息管理，列车控制等，信息通过区间链路等通信网络和控制中，b进行交换，以便控制中心对每列列车进行调度管理。每个通信单元和本地ATS、轨旁ATP／ATO、计算机联锁、轨道电路组成—个信号控制车站。站台信号设备如信号机、屏蔽门、紧急停车按钮由信号控制站的联锁设备控制。信号控制站主要负责：初始化网络配置、无线网络管理、数据记录、数据处理、跟踪歹0车、速度计算、提供操作员接口、列车控制系统接口、车载计算机信息交换等。
2．3 波导信息网基站
波导信息网基站一般位于离波导不远的地方，也可以安装在信号设备室。主要是由下列设备构成：无源滤波器、无线调制解调器、裂缝波导检测载波发生器、多路复用器、耦合器电源等组成。它是组成波导信息网络单元的最基本的部分，是和车载移动站进行车地通信的工作站。
2．4 波导信息网移动站
列车两端的驾驶室各有一台波导信息网移动站。包括车载无线电台、车载ATP／ATO设备、接口电路以及信标接收天线和解码器。车载计算机，安装专用的数据采集卡，将其作为移动工作站，安装操作系统、数据库、专用数据采集软件等。主要负责：数据初始化、无线网络连接、获得位置信息、速度计算、控制区交接通信、与车站计算机交换信息、数据记录、数据处理、列车控制系统(窄缝险测接收器)接口等。
2．5 微波裂缝波导
采用微波裂缝波导系统作为车地双向数据传输的媒介，微波裂缝波导系统是波导信息网络的关键部分，它是具有较宽的带宽的可以同时传输数据、语音及视频信号的传输系统，用于车地双向连续数据传输及列车定位。
裂缝波导是个中空的铝质矩形管，在其顶部等间隔开有窄缝，使得在载频范围内的微波沿裂缝波导均匀辐射，在波导上方的适当位置接收器可以接收波导裂缝辐射的信号，接收器通过信号处理得到有用的数据，图3为裂缝波导传输方式。轨旁ATP/ATO——语音、视频、数据
图3 裂缝波导传输方式
使用TDMA作为系统的通信组织管理方式。TDMA(Time Division Multiple Access)——时分多址就是所有用户使用同—射频带宽，按某种秩序分时发射的多址通信技术。波导信息网基站向每列列车给出同步信号，给每竹rJ车预先分配好一个固定时隙，每列列车在各自的时隙内和波导信息网基站交换信息(具体的时元、时隙划分，需要根据扩频电台的技术指标确定，一般—个时隙大约10ms)，采用直接序列扩频和跳频来防止干扰。波导信息网基站使用同轴电缆与裂缝波导连接，通过裂缝波导与车载电台交换信息，列车与轨旁单元的信息交换在固定的时隙内完成。系统每秒多次对每辆列车的位置进行检测，利用时分多址(TDMA)方法，最多可同时控制30辆列车。交换的数据内容包括列车的车次号、当前相对位置、当前运行速度、运行时间、运行距离、到达时间、出清时间等，列车通过车载ATP／ATO控制列车的运行并精确定位，图4为TDMA励哩图。
图4 TDMA口时分多址原理
2．7 列车运行距离计算
列车的运行距离二波导裂缝间距x相对起始点开始检测到的裂缝数
根据位置信息及相应的运行时间计算出列车当前的速度，列车将速度信息和相对位置放人报文发给轨旁基站，再通过远程控制单元传输给控制中心。
2．8 列车定位
每列列车自身具有定位功能，确定自身的速度—距离曲线。列车通过车载传感器和读取轨旁信标的信息进行初始化、更新数据或精确停车。当列车通过时，使用安装在线路内的信标确定列车的绝对位置和运行方向，列车通过波导信息网向轨旁ATP发送其位置信息。由于采用的裂缝波导是在其顶部等间隔开有窄缝，因此，列车的绝对位置可以通过对裂缝波导缝隙的计数和信标对比得到。
2．9 移动闭塞区的防护
轨旁设备收集所有列车的位置信息，对每列列车进行管理，根据列车实时位置、速度和列车信息确定安全保护区段。轨旁设备为每个车载ATP提供—个后续列车不能进人当前列车“保护范围”的涉及故障——安全的限制位置。
3 小结
由于基于裂缝波导通信的列车自动控制系统，将轨道分割成不同的控制区，每个控制区由车站计
算机、无线扩频电台和波导信息网构成无线通信网，波导布置在物理上使得各控制区彼此重叠，以波导信息网作为传输媒介，站间可以被无线电可靠地覆盖，不会出现盲区，利用波导裂缝对列车进行定位，可以大幅度提高列车定位精度，通过连续的车—地双向通信，可以实现先进的移动闭塞，从而缩短列车的行车间隔，提高运行的效率和效益。
参考文献
【1】冯锡生，赵晓琳GPS及其通信组网．北京：中国铁道出版社，1996
