列车运行控制系统作为城市轨道交通控制系统的神经中枢,担当着保证行车安全、提高运行效率、缩短行车间隔的重任,同时还起到促进管理现代化、提高综合运输能力和服务质量的作用。随着通信技术的发展,尤其是无线通信技术的广泛应用,列车运行控制模式由传统的基于轨道电路的列车运行控制(Track-circuit Based Train Control, TBTC)演变成基于通信的列车运行控制(Communication Based Train Control, CBTC)。CBTC系统实现了列车与地面设备间的全双工大容量双向连续信息传输,能够对列车实施更为精确的运行控制,显著提高了行车效率,同时大大减少了轨旁设备,节省了成本和维护费用,提高了运能与安全性。近年来,CBTC系统成为许多地铁、轻轨项目中列车运行控制系统的解决方案。国外一些大城市开始对原有的地铁、轻轨系统进行CBTC改造,我国的城市轨道交通也已开始设计和采用CBTC系统。因此,根据城市轨道交通列车运行控制系统的发展以及我国的运用情况,研发具有自主知识产权的城市轨道交通CBTC系统已成为迫切的需要,对提高城市轨道交通运输能力、降低运营成本具有重要的现实意义。本文以城市轨道交通列车运行控制系统为研究对象,着重研究CBTC系统及其关键技术,旨在为我国CBTC的自主研发提供理论依据。主要研究内容为：(1)对CBTC系统进行了全面的分析,包括CBTC系统的定义、组成、结构及优点,CBTC系统的IEEE标准,CBTC系统工作原理,CBTC系统的通信方式。指出移动闭塞技术、列车定位技术和车地双向通信技术为CBTC系统的关键技术,说明了无线CBTC是未来城市轨道交通列车控制系统的发展方向。(2)以形式化建模语言Petri网及其仿真工具CPN Tools为基础,对CBTC系统进行建模和仿真。建立了CBTC数据传输系统(Data Communication System, DCS)的地面通信子系统模型、DCS车载子系统模型及车载列车自动防护(Automatic Train Protection,ATP)子系统的模型。给出了城市轨道交通CBTC系统地面有线网络的最大传输延时、平均延时标准差与信息帧长度之间的关系、ATP速度控制曲线等仿真结果。(3)研究了城市轨道交通中的移动闭塞技术及其建模和仿真。在比较固定闭塞、准移动闭塞和移动闭塞三种闭塞制式的基础上,着重对移动闭塞条件下列车追踪间隔控制问题进行了较深入的研究。建立了移动闭塞、准移动闭塞条件下的列车区间追踪模型和车站追踪间隔模型,给出了列车追踪间隔时间计算方法,并对最小列车折返间隔时间的确定进行了探讨。根据城市轨道交通中运行车辆的基本特性,应用MATLAB对列车追踪间隔时间进行了仿真,通过仿真进一步说明了移动闭塞的优越性。(4)研究了基于无线扩频技术的列车定位方法。分析对比了目前使用的各种列车定位方法,指出了无线扩频定位方法的优越性。阐述了无线扩频技术的基本理论和扩频定位原理,给出了无线扩频定位系统的构成,并对无线扩频定位接收机进行了较为详细的设计。(5)研究了无线局域网(WLAN)在CBTC系统中的可用性及安全性。根据无线局域网的组成、特点、传输方式及相关标准,提出了CBTC对无线局域网的安全需求,建立了CBTC无线传输系统的模型,分析了无线局域网在CBTC中的可用性。对WLAN的安全性及IPsec协议进行了分析,将IPSec应用于CBTC系统,给出了基于IPSec的CBTC数据传输系统的安全设计方案,并进行了测试和仿真。研究结果表明,基于空间自由波传输的无线局域网在CBTC中是完全可用的,使用IPSec协议作为城市轨道交通无线数据传输系统的安全加强措施是可行的。