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摘要：随着经济的发展，无线通信系统被广泛应用于机车中，任何列车控制系统，信号系统都是列车运行控制的关键。本文主要对无线通信系统的机车信号控制技术进行了探究和分析，主要是三个方面对机车信号控制技术进行分析，包括：机车信号信息对无线传输系统的要求、GSM- R 铁路指挥调度系统以及对现有自动闭塞改造方案。
关键词：无线通信系统、机车信号控制技术、GSM- R
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近几年来，国家人们发展交通和通信行业，无线通信系统是作为一种行车安全设施，被广泛应用与铁路机车中。目前，我国铁路信号系统应用的色灯信号和机车信号都是基于轨道电路实现的，传统机车信号的功能是复示地面信号机的显示，通过轨道电路实现地面向机车上传递信息，而基于无线通信的机车信号系统是通过无线数据通信取代轨道电路来实现地面与列车之间双向信息的传递。
二、机车信号信息对无线传输系统的要求
无线信道作为无线信号传输通道, 它的主要特征是由于多径传播引起的快衰落时延扩展和由于移动台运动引起的多谱勒频移, 以及由于阴影效应引起的慢衰落, 它属于一种复杂的时变信道, 具有高噪声、高误码率特点。而通过无线系统传输的机车信号控制命令是安全标准级的信息, 该信息正确与否,直接关系到行车安全. 因此, 无线系统传输应满足如下的技术要求:
1、数据传输可靠性高，采取各种容错、纠错和冗余等技术，使系统传输误码率达到10- 6~ 10- 5，平均无故障时间MTBF> 10 000 h。
2、能满足列车运行控制所需信息吞吐量和实时性要求. 对于运行速度为 300 km/ h 的高速列车,选择控制周期为 50~ 100 ms, 设所需传输的信息量为 1 024 bit, 为了在 50 ms 内传输这些信息, 信道无误码传输速率必须达到 20~ 48 kbps.
3、机车信号所用的信道应是专用信道; 未经授权, 禁止任何人通过拨号或其它接入方式使用该信道发送信息.
4、经过无线信道传递的机车信号在格式上是固定的, 有地址信息、控制命令、状态信息等, 这些信息应经过多层编码进行保护.
5、无线信道对所传递的机车信号信息来说应是完全透明的， 也就是说，机车信号经过无线信道传递后，其数据格式、时序不能出现任何修改。任何对数据的分组、储存、错误及丢失后的重传都是不允许的，在保证数据完整性和实时性的前提下，允许进行高阶层传输复用。
三、 GSM- R 铁路指挥调度系统
GSM- R 系统是欧洲铁路专用移动通信系统，它是在 GSM 蜂窝系统上增加调度通信功能构成的一个综合专用移动通信系统. 它所增加的功能有: 优先级和强插、话音组呼及广播, 以满足铁路专用调度通信的要求, 更重要的是利用它可作为传输高速列车运行控制信息的平台。因此，对于 GSM- R, 来自铁路网的特殊要求主要有：
1、列车时速高达 200~ 500 km/ h 的无缝通信；
2、有限频点数( 例如20个) 的有效利用；
3、载干比( C/ I ) 至少 12 dB；
4、在一个规定区域内, 95% 的时段以及 95% 的覆盖率, 信号强度大于- 90 dBm.；
5、即使在 GSM- R 网之间切换, 成功率也必须高于 99. 5%；
6、根据所使用的业务, 传输通道和网络设备必须有很高的可用性；
7、隧道内要求覆盖；
8、在车站和编组站场内覆盖要好；
9、95% 的通话建立时间要求较高, 其余 5% 不高于标准的1. 5倍，典型的GSM- R 网是在沿钢轨方向安装定向天线, 以形成沿轨道的椭圆形小区. 在车站内, 话务量较大( 热点) , 但对速度的要求较低, 因此, 一般采用扇形小区覆盖方式。在国外, 基于GSM- R 传输平台的无线列车控制系统已通过现场试验, 列车最高时速达160 km.。
四、对现有自动闭塞的改造方案
1、现有机车信号的不足现有自动闭塞区段的机车信号的不足之处在于：
（1）在自动闭塞区段, 站内轨道电路制式与区间不同，站内轨道电路只有检查列车占用功能, 不能向机车传送信息, 既有机车信号信息传递是靠叠加在轨道电路上的站内电码化来实现, 不能实现闭环检查; 侧线接发车不能做到全进路电码化; 站内联锁为了满足调车作业与提高效率的要求, 轨道区段划分过短, 因此当列车运行超过一定速度时, 这样的短区段保证不了信息完整接收, 容易出现掉码闪白灯现象；机车信号本身也未按照符合主体化的故障安全原则设计；
（2) 我国的自动闭塞、机车信号、监控装置是在不同的历史阶段, 根据不同的需求, 以搭积木的方式逐步拼装发展起来的, 不是车地一体化的系统设计;
（3) 机车信号工作区段必须敷设相应电缆等设备, 投资高, 维护工作量大, 特别是运输繁忙干线, 这一矛盾更加突出;
（4) 由于受其载体轨道区段的制约, 只有列车到达相应的区段后, 才能接受到新的信息, 对于一些突发信息无法及时与机车信号系统联系, 对行车安全保证存在一定隐患;
（5) 系统的智能化水平较低, 与联锁等其他信号安全系统接口条件复杂;
（6) 无法与其它有关行车安全的系统如列车轴温检测、列车完整性检查、列车定位等共享资源.
2、对现有自动闭塞改造方案
该方案基于 GSM- R 平台的无线机车信号系统及必要的地面点式应答器, 对现有自动闭塞进行改造设计.该系统由地面信号机、轨道电路、点式应答器等组成轨旁设备; 由车载无线系统、测速装置等组成车载系统。系统以车载系统作为控车主要手段，地面信号机起到了绝对停车作用；轨道电路在实现区段占用和列车完整性检查方面具有不可替代的优势; 点式应答器将必要的运行线路的各种参数( 包括点式应答器名称及线路坐标, 下一个点式应答器名称及坐标,前方信号机名称, 坡度, 曲线, 进路长度, 岔区长度,闭塞分区内限制速度, 无线闭塞信息交换触发等信息) 传给车载系统. 具有无线闭塞信息交换触发功能的点式应答器布置以信号机为参考点, 当列车通过时, 应将其线路坐标、闭塞分区长度等信息通过车载系统传给控制中心, 对列车起到定位作用. 控制中心将有关指挥列车的信息通过无线网络传给车载系统, 经车载计算机将其与点式信息、列车测速装置所传信息等有关行车安全信息统一进行处理后给出一个最佳命令指挥行车. 即控制中心将该列车的行进位置, 结合前方车的行进位置, 两车之间的轨道电路性能, 两车有关信号机的显示以及其它地面设备信息经综合运算后, 形成控制命令发向当前列车的车载系统. 车载系统收到该命令后, 综合线路坡度、線路曲线和闭塞分区内限制速度等信息做出合理的列车运行速度限制。
信号系统设备布置示意如图 1 所示,
当列车通过无源点式应答器 B1 处, B1 将自己的序列号及坐标、B3 的序列号及坐标( 注: 在三显示系统, 当3信号机为红灯，2 信号机则为其前方第一架可显示允许信号的信号机) 、2 信号机名称、1G 线路坡度及曲线、无线闭塞交换触发等信息, 传给车载系统. 车载系统及时将这些数据通过无线系统传向控制中心。控制中心在收到该信息后, 立即查询前方列车行进位置, 两车之间轨道电路性能, 信号机显示状态等信息, 做出判断, 并将结果时发向当前列车，一经确认 3 信号机为红灯, 控制中心及时控制车载系统,列车应该减速运行。
随着列车速度的提高和行车密度的加大, 机车信号系统作为实时控车设备, 技术要求越来越高,
五、结束语
综上所述，本文主要对无线通信系统的机车信号控制技术进行了分析，每个系统都是有缺点的，这样就要采取有效的措施和方案，本文主要提出采用无线通信技术彻底来解决机车信号技术的方案，并系统地提出对无线传输系统的技术要求，以此来实现技术、投资、效益的最佳结果，同时也为机车信号主体化运用打下基础。
参考文献：
[1]吴福平.浅谈铁路信号测试系统[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010，3.
[2]陈江兵；；浅谈客运专线CTCS-2级列控中心报文试验方法[J]；铁道通信信号；2010年
[3]赵志娜. 通信及控制技术在高速铁路安全中的作用[J]. 中国新技术新产品，2011，(2).
关键词：无线通信系统、机车信号控制技术、GSM- R
中图分类号：C35文献标识码： A
一、前言
近几年来，国家人们发展交通和通信行业，无线通信系统是作为一种行车安全设施，被广泛应用与铁路机车中。目前，我国铁路信号系统应用的色灯信号和机车信号都是基于轨道电路实现的，传统机车信号的功能是复示地面信号机的显示，通过轨道电路实现地面向机车上传递信息，而基于无线通信的机车信号系统是通过无线数据通信取代轨道电路来实现地面与列车之间双向信息的传递。
二、机车信号信息对无线传输系统的要求
无线信道作为无线信号传输通道, 它的主要特征是由于多径传播引起的快衰落时延扩展和由于移动台运动引起的多谱勒频移, 以及由于阴影效应引起的慢衰落, 它属于一种复杂的时变信道, 具有高噪声、高误码率特点。而通过无线系统传输的机车信号控制命令是安全标准级的信息, 该信息正确与否,直接关系到行车安全. 因此, 无线系统传输应满足如下的技术要求:
1、数据传输可靠性高，采取各种容错、纠错和冗余等技术，使系统传输误码率达到10- 6~ 10- 5，平均无故障时间MTBF> 10 000 h。
2、能满足列车运行控制所需信息吞吐量和实时性要求. 对于运行速度为 300 km/ h 的高速列车,选择控制周期为 50~ 100 ms, 设所需传输的信息量为 1 024 bit, 为了在 50 ms 内传输这些信息, 信道无误码传输速率必须达到 20~ 48 kbps.
3、机车信号所用的信道应是专用信道; 未经授权, 禁止任何人通过拨号或其它接入方式使用该信道发送信息.
4、经过无线信道传递的机车信号在格式上是固定的, 有地址信息、控制命令、状态信息等, 这些信息应经过多层编码进行保护.
5、无线信道对所传递的机车信号信息来说应是完全透明的， 也就是说，机车信号经过无线信道传递后，其数据格式、时序不能出现任何修改。任何对数据的分组、储存、错误及丢失后的重传都是不允许的，在保证数据完整性和实时性的前提下，允许进行高阶层传输复用。
三、 GSM- R 铁路指挥调度系统
GSM- R 系统是欧洲铁路专用移动通信系统，它是在 GSM 蜂窝系统上增加调度通信功能构成的一个综合专用移动通信系统. 它所增加的功能有: 优先级和强插、话音组呼及广播, 以满足铁路专用调度通信的要求, 更重要的是利用它可作为传输高速列车运行控制信息的平台。因此，对于 GSM- R, 来自铁路网的特殊要求主要有：
1、列车时速高达 200~ 500 km/ h 的无缝通信；
2、有限频点数( 例如20个) 的有效利用；
3、载干比( C/ I ) 至少 12 dB；
4、在一个规定区域内, 95% 的时段以及 95% 的覆盖率, 信号强度大于- 90 dBm.；
5、即使在 GSM- R 网之间切换, 成功率也必须高于 99. 5%；
6、根据所使用的业务, 传输通道和网络设备必须有很高的可用性；
7、隧道内要求覆盖；
8、在车站和编组站场内覆盖要好；
9、95% 的通话建立时间要求较高, 其余 5% 不高于标准的1. 5倍，典型的GSM- R 网是在沿钢轨方向安装定向天线, 以形成沿轨道的椭圆形小区. 在车站内, 话务量较大( 热点) , 但对速度的要求较低, 因此, 一般采用扇形小区覆盖方式。在国外, 基于GSM- R 传输平台的无线列车控制系统已通过现场试验, 列车最高时速达160 km.。
四、对现有自动闭塞的改造方案
1、现有机车信号的不足现有自动闭塞区段的机车信号的不足之处在于：
（1）在自动闭塞区段, 站内轨道电路制式与区间不同，站内轨道电路只有检查列车占用功能, 不能向机车传送信息, 既有机车信号信息传递是靠叠加在轨道电路上的站内电码化来实现, 不能实现闭环检查; 侧线接发车不能做到全进路电码化; 站内联锁为了满足调车作业与提高效率的要求, 轨道区段划分过短, 因此当列车运行超过一定速度时, 这样的短区段保证不了信息完整接收, 容易出现掉码闪白灯现象；机车信号本身也未按照符合主体化的故障安全原则设计；
（2) 我国的自动闭塞、机车信号、监控装置是在不同的历史阶段, 根据不同的需求, 以搭积木的方式逐步拼装发展起来的, 不是车地一体化的系统设计;
（3) 机车信号工作区段必须敷设相应电缆等设备, 投资高, 维护工作量大, 特别是运输繁忙干线, 这一矛盾更加突出;
（4) 由于受其载体轨道区段的制约, 只有列车到达相应的区段后, 才能接受到新的信息, 对于一些突发信息无法及时与机车信号系统联系, 对行车安全保证存在一定隐患;
（5) 系统的智能化水平较低, 与联锁等其他信号安全系统接口条件复杂;
（6) 无法与其它有关行车安全的系统如列车轴温检测、列车完整性检查、列车定位等共享资源.
2、对现有自动闭塞改造方案
该方案基于 GSM- R 平台的无线机车信号系统及必要的地面点式应答器, 对现有自动闭塞进行改造设计.该系统由地面信号机、轨道电路、点式应答器等组成轨旁设备; 由车载无线系统、测速装置等组成车载系统。系统以车载系统作为控车主要手段，地面信号机起到了绝对停车作用；轨道电路在实现区段占用和列车完整性检查方面具有不可替代的优势; 点式应答器将必要的运行线路的各种参数( 包括点式应答器名称及线路坐标, 下一个点式应答器名称及坐标,前方信号机名称, 坡度, 曲线, 进路长度, 岔区长度,闭塞分区内限制速度, 无线闭塞信息交换触发等信息) 传给车载系统. 具有无线闭塞信息交换触发功能的点式应答器布置以信号机为参考点, 当列车通过时, 应将其线路坐标、闭塞分区长度等信息通过车载系统传给控制中心, 对列车起到定位作用. 控制中心将有关指挥列车的信息通过无线网络传给车载系统, 经车载计算机将其与点式信息、列车测速装置所传信息等有关行车安全信息统一进行处理后给出一个最佳命令指挥行车. 即控制中心将该列车的行进位置, 结合前方车的行进位置, 两车之间的轨道电路性能, 两车有关信号机的显示以及其它地面设备信息经综合运算后, 形成控制命令发向当前列车的车载系统. 车载系统收到该命令后, 综合线路坡度、線路曲线和闭塞分区内限制速度等信息做出合理的列车运行速度限制。
信号系统设备布置示意如图 1 所示,
当列车通过无源点式应答器 B1 处, B1 将自己的序列号及坐标、B3 的序列号及坐标( 注: 在三显示系统, 当3信号机为红灯，2 信号机则为其前方第一架可显示允许信号的信号机) 、2 信号机名称、1G 线路坡度及曲线、无线闭塞交换触发等信息, 传给车载系统. 车载系统及时将这些数据通过无线系统传向控制中心。控制中心在收到该信息后, 立即查询前方列车行进位置, 两车之间轨道电路性能, 信号机显示状态等信息, 做出判断, 并将结果时发向当前列车，一经确认 3 信号机为红灯, 控制中心及时控制车载系统,列车应该减速运行。
随着列车速度的提高和行车密度的加大, 机车信号系统作为实时控车设备, 技术要求越来越高,
五、结束语
综上所述，本文主要对无线通信系统的机车信号控制技术进行了分析，每个系统都是有缺点的，这样就要采取有效的措施和方案，本文主要提出采用无线通信技术彻底来解决机车信号技术的方案，并系统地提出对无线传输系统的技术要求，以此来实现技术、投资、效益的最佳结果，同时也为机车信号主体化运用打下基础。
参考文献：
[1]吴福平.浅谈铁路信号测试系统[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2010，3.
[2]陈江兵；；浅谈客运专线CTCS-2级列控中心报文试验方法[J]；铁道通信信号；2010年
[3]赵志娜. 通信及控制技术在高速铁路安全中的作用[J]. 中国新技术新产品，2011，(2).