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【摘要】主要介绍全自动驾驶（FAO）系统的发展和应用情况、系统的组成和特点。介绍了车-地通信方案，对国内外车-地通信方式进行了比较，对GSM-R网络进行了详细的分析，并指出作为无线传输的GSM-R网络具有适应我国铁路运输特点的功能优势。
【关键词】全自动驾驶;基于通信的列车运行控制系统全自动驾驶系统;双向传输;车-地通信;GSM-R
1.引言
全自动无人驾驶系统是一种将列车驾驶员执行的工作，完全由自动化的、高度集中的控制系统所替代的列车运行模式。
目前，国内许多城市都在建设城市轨道交通网络，那些人口在千万以上的特大城市，其发展往往是跨越式的，要求建设的城市轨道交通在互联互通、安全、快捷、舒适性方面具有很高的水平。许多大城市如上海、北京和广州均有计划采用先进的、高可靠的、高安全的基于CBTC（Communication Based Train Contro，基于通信的列车控制系统）控制的全自动驾驶系统（Fully Automatic Operation，FAO）来达到以上要求。
2.FAO的系统结构
FAO系统实现列车的自动启动及自动运行、车站定点停车、全自动驾驶自动折返、自动出入车辆段等功能，同时对列车上乘客状况、车厢状态、设备状态进行监视和检测，对列车各系统进行自动诊断，将列车设备状况及故障报警信息传送到控制中心，对各种故障和意外情况分门别类，做出处置预案。
2.1 信号系统主要包括以下部分
（1）控制中心设备：中央自动列车监督系统（Automatic Train Supervision，ATS）、电力SCADA系统和综合监控系统。（2）轨旁设备：轨旁列车自动防护/列车自动驾驶系统（Automatic Train Protection and Automatic TrainOperation，ATP/ATO）、车站ATS系统、联锁CI系统、定位系统和综合维护系统。（3）车载设备：车载地车无线接收/发送单元、车载ATP/ATO设备、牵引和制动、列车定位系统。（4）地车信息传输系统：一般采用基于通信的多服务的冗余数据传输系统（Data Tansm issionSystem，DCS），实现地车的双向信息传输。目前主要的CBTC系统实现地车信息传输的方式有：交叉环线、泻漏波导/漏缆、无线传输等。（5）列车定位系统：车载速度传感器和雷达传感器对于FAO系统，实现列车安全控制和间隔控制与传统列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）的基本组成、功能和安全性要求是一样的，特殊的是对这些相关系统的可靠性、可用性及应急预案处理的要求将大大提高
2.2 通信控制部分
在FAO系统中，在传统轨道交通通信系统配置的基础上，将主要增加列车上的电视监控系统、广播系统和应急电话系统，使控制中心能随时监控列车和旅客的情况，保证在紧急情况下能与旅客进行直接通信，并直接对列车下达控制命令，确保旅客的安全。
2.3 运营组织部分
对于FAO系统，在运营组织上将主要增加紧急情况下预案处理功能和措施。需要对整个轨道交通的系统进行综合整合，保证信号、通信、供电、防灾报警、站台安全车辆等系统的有机结合和协调工作。
3.CBTC的系统结构
CBTC系统的组成可以分为列车控制和信息传输两大部分，其中列车控制部分为ATC系统，包括ATP、ATO、ATS三个子系统，完成列车状态信息以及数据信息的处理，并控制列车运行。信息运输部分采用无线通信系统，进行连续双向的车-地通信，完成列车向地面控制设备传递列车的位置、速度以及其他状态。图1是CBTC系统的具体结构示意图。
图1 典型的CBTC系统结构图
以上是CBTC系统的典型结构，实际的系统可能由于不同的需要而有所差异。（1）区域控制器（ZC：ZoneControner）即区域的本地计算机，与连锁区一一对应，通过数据通信系统保持与控制区域内所有列车的安全信息通信。ZC根据来自列车的位置报告跟踪列车并对区域内列车发布移动授权、实施连锁。区域控制器采取三取二的检验冗余配置。冗余结构的列车自动监控可实现与所有列车运行控制子系统的通信，用于传输命令及监督子系统状况。（2）车载控制器（VOBC）与列车（指一个完整的编组）一一对应，实现列车自动防护ATP和列车自动运行ATO的功能。（3）车载控制器也采取三取二的冗余配置。（4）车载应答一查询器和天线与地面的应答器（信标）进行列车定位，测速发电机用于测速和对列车定位进行校正。（5）司机显示提供司机与车载控制器及列车自动监控AfS的接口，显示的信息包括最大允许速度、当前测得速度、到站距离、列车运行模式及系统出错信息等。
CBTC系统的关键技术有两个，一个是“车地通信”，它是CBTC的基础;另一个是“列车定位”，只有确定了列车的准确位置，才能计算出列车间的相对距离，才能保证根据线路条件，对列车进行限速或者与地面设备发生联锁。车地通信和列车定位共同构成了CBTC系统的两大支柱。
4.车-地通信
在城市轨道交通领域，列车自动控制系统的车-地通信信道主要采用点式和连续式两种通信方式来实现列车与轨旁设备间的信息传输。地到车的信息主要是列车自动防护（ATP）信息，车到地的信息主要是列车动态信息（包括列车位置、速度、驾驶模式、停车保证等）和车载信号设备及列车车辆相关状态信息等。
车-地信息传输系统一般采用基于通信的多服务冗余数据传输系统（Data Transmission SystemCS），实现地车的双向信息传输。目前，主要的CBTC系统实现车-地信息传输的方式有：感应环线、漏泄波导/漏缆、无线传输等。
（1）采用感应环线通信系统，沿线路铺设铜质芯线、外皮绝缘的无屏蔽电缆，即感应环线电缆。环线电缆发送端连接通信发送设备，使环线电缆中保持一定强度的恒定电流。在列车上，安装有接受天线和发送天线。接收天线通过电磁感应，接收地面感应环线发送的信息。反之，当车载发送天线发送信息时，地面感应环线又变成为接收天线，接收车载设备发送的信息，从而实现车—地双向通信。
（2）泄漏同轴电缆是在同轴电缆外导体上开有一定形状和间距的糟，使电磁场的能量集中在同轴电缆的内外导线之间，部分能量可以从同轴电缆中的槽孔泄漏到空间中，并和附近的移动电台天线耦合构成无线通道。
（3）无线移动通信：直接利用UHF电波传播、直接利用VHF电波传播、利用扩频通信方式、利用卫星通信方式、利用GSM-R方式、利用TE-TRA方式、利用其他多信道方式等。
5.列车定位
目前在国内外城市轨道交通中有多种列车定位方法。依据轨道电路定位的方法主要有基于轨道电路的列车定位技术、测速列车定位方法、基于查询-应答器的列车定位法技术、感应回线车载传感器定位技术及信标定位;基于CBTC的列车定位方法有无线扩频通信定位技术和全球卫星定位系统（Global Positioning System，简为GPS）等。
（1）无线扩频通信定位技术，采用先进的无线扩频通信、伪码测距和计算机信息处理技术，实现了对复杂环境中列车的实时准确定位及跟踪。其基本原理为：地面设置测距基站和中心控制站，在列车两端安装无线扩频通信发射机;发射机向地面测距基站发射定位信息;测距基站（采用全数字解扩方式）收到定位信息后，使用数字信号处理技术计算出伪距，并通过无线或有线链路送至中心控制站进行信息处理。其定位结果显示在电子地图上，并以无线方式传递到列车上。这种定位方法比较精确，而且是一套完全独立的定位系统。
（2）GPS是一种无线电导航系统，不仅具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力，而且还能实时对运载体的速度、姿态进行测定以及精密授时。目前，GPS提供的定位精度小于10m。为了得到更高的定位精度，通常采用差分GPS（即DifferentialGlobal Position System，简为DGPS）技术。DGPS引入一个已知位置的误差信息后，定位精确度带来数量级的提高，能实时地给出cm级的定位结果。在此模式下，连续通信使得DGPS不受物理区段的约束，只在逻辑分区之间发生步进（计算机内部模拟的列车从一个区段运动到相邻的区段叫做“步进”），并根据原始的列车位置报文修正列车实际的位置，车次号跟随列车当前的位置步进。
6.结束语
目前国内轨道交通使用的传统固定闭塞技术都是依靠轨道本身来传导控制信号，以轨道电路来划分控制区间，从而决定列车间的安全制动距离。与固定闭塞技术相比，基于无线通信的列车控制系统靠沿轨道铺设的简单线路与移动列车间的通信来实现控制，这样就缩短了控制区间单位长度，从而缩短了列车间的安全制动距离。如此，就可以精简列车编组，提高发车频率，从而提升轨道交通系统的运客能力。通过使用基于无线通信的列车控制系统，可以大幅度地提高线路的运力，由此可以降低运营成本。对于现有系统的升级或者改进，只需要相对简单的软件变革，与利用传统技术的硬件变革相比将大幅降低所需成本。因此，从长远看，基于无线通信的列车控制系统无疑将成为发展方向。
参考文献
[1]步兵.CBTC系统中无线通信的可用性分析[D].北方交通大学电信学院，2001.
[2]宗明，郜春海，何燕.基于CBTC控制的全自动驾驶系统[J].都市快轨交通，2006（6）：34.
[3]洪翔.全自动无人驾驶系统中的综合监控系统[J].城市轨道交通研究，2006（12）：77. |
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发表于 2022-2-27 19:48:15