GSM-R在我國鐵路信號中的應(yīng)用發(fā)展

北京市中級專業(yè)技術(shù)資格評審申報(bào)論文 第-11-頁申報(bào)論文（中 級）題目： GSM-R技術(shù)在我國鐵路信號系統(tǒng)中的應(yīng)用單 位：安薩爾多姓 名：位永彩課題方向：電子技術(shù) 2011 年 06 月 20 日摘 要GSM-R是一種專門為鐵路設(shè)計(jì)的專業(yè)無線數(shù)字通信系統(tǒng)，基于GSM系統(tǒng)技術(shù)平臺，針對鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點(diǎn)，為鐵路運(yùn)營提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無線通信系統(tǒng)，并將鐵路移動通信所具有的特色（群呼、組呼、優(yōu)先級別、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等功能）加進(jìn)去，構(gòu)成GSM-R用于鐵路的全球移動通信系統(tǒng)的解決方案。目前已建成的青藏鐵路ITCS列車控制系統(tǒng)，大秦鐵路重載運(yùn)輸列車控制系統(tǒng)以及京滬、武廣、鄭西高速鐵路CTCS列車控制系統(tǒng)中均采用GSM-R網(wǎng)絡(luò)作為通信支撐，完成調(diào)度通信，列車控制，車地通信，旅客廣播，旅客信息服務(wù)等功能，其中基于車地安全無線通信的列車控制系統(tǒng)是為鐵路的安全高速運(yùn)營提供技術(shù)的保障。本文著重介紹GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在青藏鐵路，大秦鐵路和鄭西高速鐵路信號中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和典型應(yīng)用，針對工程應(yīng)用中的具體問題對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，提出切實(shí)可行的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)架構(gòu)，為更多的鐵路工程應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞： GSM-R，CTCSITCSETCS，高速鐵路，重載列車目 錄摘 要II目 錄III緒 論1一、鐵路通信信號技術(shù)的發(fā)展21、信號技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展階段22、GSM-R技術(shù)的發(fā)展歷史23、技術(shù)結(jié)合點(diǎn)3二、 GSM-R技術(shù)在信號應(yīng)用的典型方式31、GSM-R技術(shù)與青藏鐵路ITCS技術(shù)31.1 技術(shù)背景31.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理41.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足52、GSM-R技術(shù)與大秦鐵路LOCOTROL同步操控技術(shù)52.1 技術(shù)背景52.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理62.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足73、GSM-R技術(shù)與鄭西高鐵CTCS3列車控制技術(shù)73.1 技術(shù)背景73.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理83.3 技術(shù)優(yōu)勢及不足8三、 GSM-R技術(shù)的其他應(yīng)用9結(jié) 論10參考文獻(xiàn)11-11-緒 論當(dāng)前我國鐵路處于高速發(fā)展期，中國鐵路中長期規(guī)劃中明確了未來10年中國鐵路的發(fā)展方向，到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到10萬公里，主要繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線，復(fù)線率和電化率均達(dá)到50，運(yùn)輸能力滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，其中的通信信號信息技術(shù)是鐵路實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)營的重要保障，本文根據(jù)中國鐵路技術(shù)發(fā)展中的具體需求，分析三種不同類型的GSM-R技術(shù)在信號系統(tǒng)中應(yīng)用，為鐵路通信信號融合和創(chuàng)新提出建議。一、鐵路通信信號技術(shù)的發(fā)展1、信號技術(shù)的幾個(gè)發(fā)展階段以前的鐵路信號是鐵路運(yùn)輸?shù)摹把劬Α?，司機(jī)通過辨識地面信號機(jī)來確認(rèn)行車的依據(jù)，根據(jù)不同的燈光顯示來行車，對于低速簡單的行車還是可行的，但是遇到惡劣的天氣，速度過快等因素時(shí)，則是非常不安全的；隨著技術(shù)的發(fā)展，地面信號被引入到司機(jī)室內(nèi)，通過JT-CZ2000主體化的機(jī)車信號設(shè)備，來顯示地面信號的狀態(tài)，極大的改善司機(jī)的瞭望條件，使列車的駕駛更為容易；以2008年鐵路的第四次大提速為契機(jī)，基于應(yīng)答器定位和軌道電路通信的CTCS2級技術(shù)發(fā)展起來，通過車地一體化設(shè)計(jì)，ATP控車，極大地提高了安全性，減輕司機(jī)的負(fù)擔(dān)。但是隨著鐵路運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜程度越來越高，速度越來越快，在高速鐵路、客運(yùn)專線等時(shí)速達(dá)到300公里以上的運(yùn)營環(huán)境時(shí)，通過軌道電路，應(yīng)答器等通信方式，滿足不了車地通信的需求，此時(shí)，基于GSM-R通信的CTCS3級列車控制技術(shù)為高速鐵路的發(fā)展提供了技術(shù)平臺。2、GSM-R技術(shù)的發(fā)展歷史GSM-R(GSM for Railway) 中文全稱為鐵路移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專門為鐵路設(shè)計(jì)的專業(yè)無線數(shù)字通信系統(tǒng)，基于GSM系統(tǒng)技術(shù)平臺，針對鐵路通信列車調(diào)度、列車控制、支持高速列車等特點(diǎn)，為鐵路運(yùn)營提供定制的附加功能的一種經(jīng)濟(jì)高效的綜合無線通信系統(tǒng)，并將鐵路移動通信所具有的特色（群呼、組呼、優(yōu)先級別、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等功能）加進(jìn)去，構(gòu)成GSM-R用于鐵路的全球移動通信系統(tǒng)的解決方案。2002年以來鐵道部經(jīng)過幾年的論證、研究，決定借鑒歐洲先進(jìn)國家鐵路通信在GSM-R系統(tǒng)上成功經(jīng)驗(yàn)，決定在國內(nèi)選擇GSM-R作為鐵路專用移動通信系統(tǒng)，替代原有的模擬通信系統(tǒng)，支持鐵路跨越式發(fā)展，首批試點(diǎn)線路為青藏線、大秦線和膠濟(jì)線，并在實(shí)驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上逐步在全國各條鐵路干線和新建城際客運(yùn)專線上推廣使用。3、技術(shù)結(jié)合點(diǎn) GSM-R技術(shù)中語音業(yè)務(wù)主要用于調(diào)度通信、組呼業(yè)務(wù)等，而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則是信號應(yīng)用的平臺，GSM-R的電路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，多數(shù)是在與其它網(wǎng)絡(luò)互連的情況下使用圖1 GSM-R與其它網(wǎng)絡(luò)互連方法從圖1 可以看出，端到端的傳輸路徑分為兩段： 第一段在GSM-R系統(tǒng)內(nèi)，從用戶終端到網(wǎng)絡(luò)邊界，即在BSS和NSS內(nèi)。在這一段中，所有的用戶信息都體現(xiàn)為V.110格式，或者是修改過的V.110格式。在TAF和IWF中，再轉(zhuǎn)換成終端或終端網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)格式；第二段從邊界點(diǎn)到另一個(gè)終端的傳輸。為了盡可能的減少數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，通信單元與應(yīng)用節(jié)點(diǎn)之間采用的是9.6 kbit/s、異步透明方式的連接。二、 GSM-R技術(shù)在信號應(yīng)用的典型方式1、GSM-R技術(shù)與青藏鐵路ITCS技術(shù)1.1 技術(shù)背景青藏鐵路是目前世界上海拔最高的高原鐵路，全長1142公里，其中900公里在海拔4500米以上的高原凍土地區(qū)。青藏鐵路引進(jìn)先進(jìn)的通信信號控制技術(shù)，率先在國內(nèi)開始GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)工作。 1.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理基于GSM-R無線通信和GPS定位技術(shù)的增強(qiáng)型列控系統(tǒng)ITCS集車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)間虛擬閉塞和列車控制于一體，實(shí)現(xiàn)了車載信號設(shè)備主體化，有效減少了現(xiàn)場設(shè)備，達(dá)到了青藏鐵路設(shè)備少維護(hù)、免維護(hù)的要求。圖2 GSM-R與ITCS系統(tǒng)架構(gòu)ITCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求地面RBC通過數(shù)據(jù)廣播方式（IP）與車載設(shè)備通訊，因此在設(shè)計(jì)基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的TWC通信系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)了消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備負(fù)責(zé)列車與無線閉塞中心RBC之間的消息分發(fā)，從而模擬了數(shù)據(jù)廣播功能，而無需通訊設(shè)備提供。消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備設(shè)置在GSM-R網(wǎng)絡(luò)MSC設(shè)備室內(nèi)，圖3 GSM-R與ITCS系統(tǒng)示意圖在基于GSM-R的TWC通訊系統(tǒng)中，每個(gè)車站RBC通過站間數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)與消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備相連，消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過ISDN適配卡與GSM-R網(wǎng)絡(luò)移動業(yè)務(wù)交換中心（MSC）相連，每塊ISDN適配卡最多可以與車載設(shè)備建立30條無線通訊鏈路。根據(jù)系統(tǒng)要求，消息轉(zhuǎn)發(fā)處理工作站可以配置多塊ISDN適配卡。消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通過數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)與地面各RBC相連。當(dāng)列車啟動后，車載通信單元與MSC建立通信連接，MSC將數(shù)據(jù)鏈路中轉(zhuǎn)到消息轉(zhuǎn)發(fā)器上，消息轉(zhuǎn)發(fā)器為車載通信單元分配固定的地址，這樣就與地面的局域網(wǎng)絡(luò)連在一起，從而實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的信息傳送。ITCS相對于傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)來說，具有多種先進(jìn)功能，采用了雙向連續(xù)的車地?zé)o線通信，以車載信號作為列車運(yùn)行的主信號。它集自動閉塞車站、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制和列車運(yùn)行超速防護(hù)控制于一身，能夠監(jiān)測列車運(yùn)行。當(dāng)情況發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)向司機(jī)報(bào)警，并且在必要時(shí)對列車實(shí)施制動，從而更好地保證了行車安全，使行車速度及運(yùn)力有了大幅提高。 1.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足在此應(yīng)用中，將ISDN服務(wù)器和消息轉(zhuǎn)發(fā)器設(shè)置在GSM-R中心，RBC分散布置，有效地利用廣域網(wǎng)技術(shù)將中心和車站構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，對于線路長，條件復(fù)雜的青藏鐵路是最合理的應(yīng)用方案，其中存在的不足是中心服務(wù)器需要高性能的軟硬件平臺，否則系統(tǒng)的可靠性得不到保障。2、GSM-R技術(shù)與大秦鐵路LOCOTROL同步操控技術(shù)2.1 技術(shù)背景大秦鐵路全長653千米，是中國西煤東運(yùn)的主要通道之一，也是目前世界上年運(yùn)量最大的鐵路，在應(yīng)用重載列車前，大秦鐵路上主要運(yùn)行10000噸級的列車。2006年3月，大秦鐵路完成技術(shù)改造，全線鋪設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)，在中國率先開行基于無線通信控制的同步操控重載列車，單列最大載重達(dá)2萬噸以上，由4節(jié)機(jī)車共同牽引210節(jié)車廂，列車總長度達(dá)2600米。圖4 重載列車組成方式在大秦鐵路上的應(yīng)用方式為四臺機(jī)車提供同步信息，完成列車的同時(shí)起步、加速、減速和制動，防止車廂擠壓和列車脫鉤等重大安全事故，有效的提高運(yùn)能。2.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理從系統(tǒng)構(gòu)成框圖來看，主控機(jī)車和從控機(jī)車分別與地面服務(wù)器建立通信，通過地面服務(wù)器建立的會話組完成各機(jī)車之間的通信，從而達(dá)到機(jī)車同步的功能。圖5 GSM-R與Locotrol系統(tǒng)架構(gòu)機(jī)車通信連接和注冊登記分四個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：主控機(jī)車通信連接與注冊登記、從控機(jī)車1通信連接與注冊登記、從控機(jī)車2通信連接與注冊登記、從控機(jī)車3通信連接與注冊登記。如圖3-6所示，此四個(gè)步驟需要依次執(zhí)行。首先主控機(jī)車通信單元完成與地面服務(wù)器的通信連接。接下來司機(jī)在主控機(jī)車前進(jìn)端的Locotrol上將主控機(jī)車設(shè)置成為分布式動力模式，同時(shí)設(shè)置制動手柄和控制開關(guān)，并輸入主控機(jī)車識別碼（00）、 列車車次號和機(jī)車組成員數(shù)量（04）。Locotrol將主控機(jī)車識別碼、列車車次號和機(jī)車組成員數(shù)量傳送給通信單元，通信單元向地面服務(wù)器注冊登記，車次號將作為機(jī)車組的唯一標(biāo)識，在應(yīng)用節(jié)點(diǎn)中建立唯一的一個(gè)機(jī)車組。圖6 機(jī)車注冊順序圖地面服務(wù)器收到主控機(jī)車的注冊登記，如果查詢與該車次號對應(yīng)的機(jī)車組已經(jīng)建立，則給通信單元返回機(jī)車組已存在的否定應(yīng)答消息，通信單元轉(zhuǎn)發(fā)給Locotrol；如果查詢與該車次號對應(yīng)的機(jī)車組沒有建立，則依據(jù)車次號新建立一個(gè)機(jī)車組，并返回確認(rèn)應(yīng)答消息。只有主控機(jī)車進(jìn)行注冊時(shí)，才能建立機(jī)車組。然后，依次完成從控機(jī)車1、2、3與應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的通信連接，它們的注冊操作基本相同。2.3 技術(shù)優(yōu)勢與不足利用網(wǎng)絡(luò)平臺的優(yōu)勢，可以彌補(bǔ)之前技術(shù)中的主控機(jī)車和從控機(jī)車之間用擴(kuò)頻電臺通信易受干擾的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮GSM-R網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性優(yōu)勢，為操控信息的同步提供了保障。劣勢是需要各個(gè)機(jī)車上的電臺可靠性要求比較高，而且大秦鐵路電磁環(huán)境復(fù)雜，線路在山區(qū)中蜿蜒，容易造成網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)和干擾，后期的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和維護(hù)十分重要。3、GSM-R技術(shù)與鄭西高鐵CTCS3列車控制技術(shù)3.1 技術(shù)背景在成功的進(jìn)行了青藏鐵路、大秦鐵路、膠濟(jì)線等線路的通信信號試驗(yàn)以后，結(jié)合中國高速鐵路發(fā)展的需要，在新建的武廣高鐵、鄭西高鐵等四縱四橫高速客運(yùn)專線網(wǎng)絡(luò)上，開始部署基于GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)的級列車控制技術(shù)，通過先進(jìn)的通信信號技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車的安全高速運(yùn)營，目前在鄭西、武廣、滬寧等多條高速客運(yùn)專線上成功運(yùn)營。3.2 系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理鄭西高鐵的RBC采用集中式管理，在鄭州控制中心集中安放設(shè)備，套RBC分別配置ISDN服務(wù)器，各自接入位于西安GSM-R管理中心MSC，從而實(shí)現(xiàn)列車的集中管理。列車出發(fā)時(shí)先與端站的RBC建立連接，通過安全的通信協(xié)議認(rèn)證和模式轉(zhuǎn)換之后，進(jìn)入到完全監(jiān)控模式，依靠ATP進(jìn)行行車；當(dāng)列車接近兩個(gè)RBC邊界時(shí)，列車收到地面信息的提示后，主動與下一個(gè)RBC進(jìn)行通信連接，通過車與地，RBC與RBC的協(xié)同工作，完成不同的RBC之間的交權(quán)，使得列車進(jìn)行無縫的切換。圖7 GSM-R與CTCS3系統(tǒng)架構(gòu)3.3 技術(shù)優(yōu)勢及不足ISDN服務(wù)器與RBC一體設(shè)計(jì)，減少了消息轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t，對于系統(tǒng)的時(shí)延是最大的優(yōu)化，缺點(diǎn)是由于管理權(quán)限的限制，RBC中心與GSM-R中心分別設(shè)置在鄭州和西安，為系統(tǒng)維護(hù)和故障定位設(shè)置了障礙，在后來的設(shè)計(jì)中建議采用更高程度的集中化設(shè)置。三、 GSM-R技術(shù)的其他應(yīng)用根據(jù)鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，在新修鐵路中均要設(shè)置GSM-R網(wǎng)絡(luò)作為通信支撐，目前GSM-R網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為鐵路調(diào)度員、車站值班員、鐵路施工維護(hù)人員等提供語音電話支持；為調(diào)度集中、無線車次號管理等提供GPRS分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；在不遠(yuǎn)的將來，隨著技術(shù)的演進(jìn)和升級，基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)平臺的移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也會向乘客開放，為移動辦公和旅客信息服務(wù)提供舒適和便利，在那時(shí)，列車就真的是有了“千里眼”和“順風(fēng)耳”，詳細(xì)應(yīng)用本文不做闡述。結(jié) 論 隨著高速鐵路的陸續(xù)開通，GSM-R技術(shù)應(yīng)用也得到驗(yàn)證與實(shí)踐，在中國鐵路部署GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)成為中國鐵路信息化，現(xiàn)代化的重要保障。本文中介紹的幾種應(yīng)用方式僅僅是GSM-R網(wǎng)絡(luò)功能中的一部分，通過對三種不同應(yīng)用的比較，為鐵路列控技術(shù)的發(fā)展提供了工程實(shí)施的依據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，更先進(jìn)的3G，4G技術(shù)不斷更新?lián)Q代，鐵路運(yùn)輸要求更便捷，更高效，更安全，這些都對鐵路通信信號技術(shù)提出更高的要求。 2011年7月1號，標(biāo)志著中國高速鐵路技術(shù)系統(tǒng)集成的自主知識產(chǎn)權(quán)的京滬鐵路即將開通，表明我國的鐵路發(fā)展技術(shù)已經(jīng)步入世界發(fā)