基于裂縫波導(dǎo)通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)【摘要】介紹基于裂縫波導(dǎo)通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及功能。【關(guān)鍵詞】ATC(列車(chē)自動(dòng)限制)，裂縫波導(dǎo)，波導(dǎo)信息網(wǎng)，波導(dǎo)信息網(wǎng)基站1概述實(shí)現(xiàn)基于通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)，手段有多種。有在沿軌旁鋪設(shè)電纜環(huán)、泄漏電纜、裂縫波導(dǎo)和安裝無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)等力祛。交叉電纜環(huán)方法是目前較為成熟的技術(shù)，因該方法須要在沿軌道全線(xiàn)鋪設(shè)交叉電纜環(huán)，安裝工作量大，維護(hù)麻煩，并且和裂縫波導(dǎo)相比，其線(xiàn)性損耗較大?；陔娎|環(huán)或泄漏電纜等通信手段的ATC(列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng))是通過(guò)車(chē)站和軌旁的設(shè)備交換車(chē)的位置信息，列車(chē)在線(xiàn)路中的位置須要列車(chē)通過(guò)車(chē)載里程儀(借助電纜環(huán)的交叉點(diǎn)同步)測(cè)量后經(jīng)車(chē)載通信天線(xiàn)發(fā)送給軌道上的電纜環(huán)，通過(guò)軌旁設(shè)備處理后送到車(chē)站限制設(shè)備，車(chē)站限制設(shè)備再將這—信息轉(zhuǎn)發(fā)給后續(xù)列車(chē)，后續(xù)列車(chē)知道了前行列車(chē)的位置，可依據(jù)事先定義的平安行車(chē)原則，保持剮、的行車(chē)間距，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞。無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)方法，目前僅有少量勝利應(yīng)用的例子，雖然該系統(tǒng)兼具設(shè)備量少、成本低、安裝便利、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但是在地鐵隧道中(特殊是拐彎處)需安裝信號(hào)中繼設(shè)備，而且其放射功率不能太大。而采納以無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)和裂縫波導(dǎo)為通信媒介，裂縫波導(dǎo)作為無(wú)線(xiàn)電臺(tái)的天線(xiàn)運(yùn)用的方法，徹底解決了無(wú)線(xiàn)電臺(tái)在地鐵隧道中信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題，是一個(gè)平安、牢靠、先進(jìn)的信號(hào)系統(tǒng)，最適合在地鐵環(huán)境中運(yùn)用。本文重點(diǎn)介紹基于裂縫波導(dǎo)通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及功能。2系統(tǒng)構(gòu)成及原理基于裂縫波導(dǎo)通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)，是采納在沿軌道鋪設(shè)裂縫波導(dǎo)(縫隙天線(xiàn))的方式，以波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)為基礎(chǔ)，采納TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)多址通信方式，通過(guò)有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集合，實(shí)現(xiàn)列車(chē)與軌旁設(shè)備的雙向連續(xù)通信及列車(chē)定位功能，最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)閉塞信號(hào)限制系統(tǒng)。2．1波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)用于確保列車(chē)和本地ATS(AutomaticTrainSupervision)——列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)、限制中心之間的車(chē)地雙向連續(xù)傳輸信息。波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)波導(dǎo)信息網(wǎng)通信單元和車(chē)載的波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站組成，圖1為波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站是由車(chē)站計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、無(wú)源濾波器、窄縫檢測(cè)放射器、耦合器等組成。波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站是由車(chē)載計(jì)算機(jī)、車(chē)載無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、窄縫探測(cè)接收器等組成。信號(hào)傳輸是通過(guò)ATS中心限制室、車(chē)站計(jì)算機(jī)、車(chē)載計(jì)算機(jī)、車(chē)載電臺(tái)和列車(chē)上的定向天線(xiàn)放射和接收信號(hào)，軌旁單元通過(guò)同軸電纜與裂縫波導(dǎo)連接，以裂縫波導(dǎo)為載體雙向傳輸列車(chē)實(shí)時(shí)信息。圖1波導(dǎo)信息網(wǎng)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)信息網(wǎng)基站和軌旁ATP(AutomaticTrainProtection)／ATO(AutomaticTrainOperation)——列車(chē)自動(dòng)防護(hù)／列車(chē)自動(dòng)駕駛是有線(xiàn)連接，軌旁ATP／ATt之間通過(guò)光纖、尾纖、光配線(xiàn)架、光端機(jī)等形成區(qū)間鏈路。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站和波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站之間的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行IEEE802．11和IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)。操作系統(tǒng)可選用WindowsNT4．0、Linux、Windows2000等。波導(dǎo)信息網(wǎng)運(yùn)用無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。跳頻時(shí)間與時(shí)分復(fù)用周期建立同步關(guān)系。各限制區(qū)間的通訊網(wǎng)有肯定的重疊覆蓋區(qū)，保證列車(chē)運(yùn)行至限制區(qū)分界處時(shí)，可以平滑過(guò)渡，在車(chē)站主控計(jì)算機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)依據(jù)每個(gè)列車(chē)車(chē)的車(chē)載計(jì)算機(jī)的標(biāo)識(shí)不同及其無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡配置的不同來(lái)識(shí)別每列列車(chē)。運(yùn)用大型數(shù)據(jù)庫(kù)軟件(如Oracle，Sybase等)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集軟件，獲得車(chē)載計(jì)算機(jī)發(fā)出的列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、更新、存儲(chǔ)等。車(chē)載、車(chē)站的限制軟件對(duì)所其需數(shù)據(jù)通過(guò)波導(dǎo)信息網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送、下載和更新。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站還負(fù)責(zé)：接收處理車(chē)載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)、發(fā)送主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)、接收列車(chē)定位數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)采集卡采集的列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)、供應(yīng)HMI(HumanMachineInterface)接口、接收HMl發(fā)送的列車(chē)限制信息并通過(guò)報(bào)文模塊發(fā)送、供應(yīng)TCP／IP通信接口、供應(yīng)串口通信接口等。2．2通信單元系統(tǒng)中的通信單元由裂縫波導(dǎo)(用于輻射電磁波載波)、波導(dǎo)同軸變換器(用于向裂縫波導(dǎo)饋入射頻載波信號(hào))、同軸電纜、終端負(fù)載(用于消退反躬被)、波導(dǎo)信息網(wǎng)基站、軌旁ATP／ATO、園司鏈路與沿線(xiàn)設(shè)備共同組成的—個(gè)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)相結(jié)合的通信網(wǎng)絡(luò)，圖2為通信單元的基本組成圖。系統(tǒng)中的通信單元是組成波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)每個(gè)車(chē)站的信息管理，列車(chē)限制等，信息通過(guò)區(qū)間鏈路等通信網(wǎng)絡(luò)和限制中，b進(jìn)行交換，以便限制中心對(duì)每列列車(chē)進(jìn)行調(diào)度管理。每個(gè)通信單元和本地ATS、軌旁ATP／ATO、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、軌道電路組成—個(gè)信號(hào)限制車(chē)站。站臺(tái)信號(hào)設(shè)備如信號(hào)機(jī)、屏蔽門(mén)、緊急停車(chē)按鈕由信號(hào)限制站的聯(lián)鎖設(shè)備限制。信號(hào)限制站主要負(fù)責(zé)：初始化網(wǎng)絡(luò)配置、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、跟蹤歹0車(chē)、速度計(jì)算、供應(yīng)操作員接口、列車(chē)限制系統(tǒng)接口、車(chē)載計(jì)算機(jī)信息交換等。2．3波導(dǎo)信息網(wǎng)基站波導(dǎo)信息網(wǎng)基站一般位于離波導(dǎo)不遠(yuǎn)的地方，也可以安裝在信號(hào)設(shè)備室。主要是由下列設(shè)備構(gòu)成：無(wú)源濾波器、無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器、裂縫波導(dǎo)檢測(cè)載波發(fā)生器、多路復(fù)用器、耦合器電源等組成。它是組成波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)單元的最基本的部分，是和車(chē)載移動(dòng)站進(jìn)行車(chē)地通信的工作站。2．4波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站列車(chē)兩端的駕駛室各有一臺(tái)波導(dǎo)信息網(wǎng)移動(dòng)站。包括車(chē)載無(wú)線(xiàn)電臺(tái)、車(chē)載ATP／ATO設(shè)備、接口電路以及信標(biāo)接收天線(xiàn)和解碼器。車(chē)載計(jì)算機(jī)，安裝專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集卡，將其作為移動(dòng)工作站，安裝操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)用數(shù)據(jù)采集軟件等。主要負(fù)責(zé)：數(shù)據(jù)初始化、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接、獲得位置信息、速度計(jì)算、限制區(qū)交接通信、與車(chē)站計(jì)算機(jī)交換信息、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理、列車(chē)限制系統(tǒng)(窄縫險(xiǎn)測(cè)接收器)接口等。2．5微波裂縫波導(dǎo)采納微波裂縫波導(dǎo)系統(tǒng)作為車(chē)地雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，微波裂縫波導(dǎo)系統(tǒng)是波導(dǎo)信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，它是具有較寬的帶寬的可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、語(yǔ)音及視頻信號(hào)的傳輸系統(tǒng)，用于車(chē)地雙向連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸及列車(chē)定位。裂縫波導(dǎo)是個(gè)中空的鋁質(zhì)矩形管，在其頂部等間隔開(kāi)有窄縫，使得在載頻范圍內(nèi)的微波沿裂縫波導(dǎo)勻稱(chēng)輻射，在波導(dǎo)上方的適當(dāng)位置接收器可以接收波導(dǎo)裂縫輻射的信號(hào)，接收器通過(guò)信號(hào)處理得到有用的數(shù)據(jù)，圖3為裂縫波導(dǎo)傳輸方式。軌旁ATP/ATO——語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)圖3裂縫波導(dǎo)傳輸方式運(yùn)用TDMA作為系統(tǒng)的通信組織管理方式。TDMA(TimeDivisionMultipleAccess)——時(shí)分多址就是全部用戶(hù)運(yùn)用同—射頻帶寬，按某種秩序分時(shí)放射的多址通信技術(shù)。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站向每列列車(chē)給出同步信號(hào)，給每竹rJ車(chē)預(yù)先安排好一個(gè)固定時(shí)隙，每列列車(chē)在各自的時(shí)隙內(nèi)和波導(dǎo)信息網(wǎng)基站交換信息(詳細(xì)的時(shí)元、時(shí)隙劃分，須要依據(jù)擴(kuò)頻電臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)確定，一般—個(gè)時(shí)隙大約10ms)，采納干脆序列擴(kuò)頻和跳頻來(lái)防止干擾。波導(dǎo)信息網(wǎng)基站運(yùn)用同軸電纜與裂縫波導(dǎo)連接，通過(guò)裂縫波導(dǎo)與車(chē)載電臺(tái)交換信息，列車(chē)與軌旁單元的信息交換在固定的時(shí)隙內(nèi)完成。系統(tǒng)每秒多次對(duì)每輛列車(chē)的位置進(jìn)行檢測(cè)，利用時(shí)分多址(TDMA)方法，最多可同時(shí)限制30輛列車(chē)。交換的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括列車(chē)的車(chē)次號(hào)、當(dāng)前相對(duì)位置、當(dāng)前運(yùn)行速度、運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行距離、到達(dá)時(shí)間、出清時(shí)間等，列車(chē)通過(guò)車(chē)載ATP／ATO限制列車(chē)的運(yùn)行并精確定位，圖4為T(mén)DMA勵(lì)哩圖。圖4TDMA口時(shí)分多址原理2．7列車(chē)運(yùn)行距離計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行距離二波導(dǎo)裂縫間距x相對(duì)起始點(diǎn)起先檢測(cè)到的裂縫數(shù)依據(jù)位置信息及相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出列車(chē)當(dāng)前的速度，列車(chē)將速度信息和相對(duì)位置放人報(bào)文發(fā)給軌旁基站，再通過(guò)遠(yuǎn)程限制單元傳輸給限制中心。2．8列車(chē)定位每列列車(chē)自身具有定位功能，確定自身的速度—距離曲線(xiàn)。列車(chē)通過(guò)車(chē)載傳感器和讀取軌旁信標(biāo)的信息進(jìn)行初始化、更新數(shù)據(jù)或精確停車(chē)。當(dāng)列車(chē)通過(guò)時(shí)，運(yùn)用安裝在線(xiàn)路內(nèi)的信標(biāo)確定列車(chē)的肯定位置和運(yùn)行方向，列車(chē)通過(guò)波導(dǎo)信息網(wǎng)向軌旁ATP發(fā)送其位置信息。由于采納的裂縫波導(dǎo)是在其頂部等間隔開(kāi)有窄縫，因此，列車(chē)的肯定位置可以通過(guò)對(duì)裂縫波導(dǎo)縫隙的計(jì)數(shù)和信標(biāo)對(duì)比得到。2．9移動(dòng)閉塞區(qū)的防護(hù)軌旁設(shè)備收集全部列車(chē)的位置信息，對(duì)每列列車(chē)進(jìn)行管理，依據(jù)列車(chē)實(shí)時(shí)位置、速度和列車(chē)信息確定平安愛(ài)護(hù)區(qū)段。軌旁設(shè)備為每個(gè)車(chē)載ATP供應(yīng)—個(gè)后續(xù)列車(chē)不能進(jìn)人當(dāng)前列車(chē)“愛(ài)護(hù)范圍”的涉及故障——平安的限制位置。3小結(jié)由于基于裂縫波導(dǎo)通信的列車(chē)自動(dòng)限制系統(tǒng)，將軌道分割成不同的限制區(qū)，每個(gè)限制區(qū)由車(chē)站計(jì)算機(jī)、無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻電臺(tái)和