程劍鋒，趙顯瓊，劉 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

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CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

程劍鋒，趙顯瓊，劉 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 通信信號(hào)研究所，北京 100081)

為了更安全高效地實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域列車高速運(yùn)行，并降低運(yùn)維成本，提出了CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)將移除軌道電路等設(shè)備，移動(dòng)閉塞列車追蹤間隔數(shù)學(xué)模型，基于GPS差分技術(shù)的列車完整性檢查，基于GNSS/INS的列車組合定位和LTE-R車地?zé)o線通信等關(guān)鍵技術(shù).仿真結(jié)果表明：運(yùn)用這些技術(shù)后，相比于既有的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)在安全性、性能和成本等方面均有提升,運(yùn)行更穩(wěn)定和高效.

CTCS-4；移動(dòng)閉塞；完整性檢查；列車定位；LTE-R

我國(guó)高速鐵路目前使用的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)是動(dòng)車組安全高效運(yùn)行的重要保障.但是，隨著高速鐵路客流的大幅增加，客觀上還需要提升高速鐵路的運(yùn)輸效率；此外，列控系統(tǒng)地面設(shè)備的維護(hù)工作也日趨復(fù)雜.因此，研發(fā)下一代列控系統(tǒng)——CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)，縮短列車追蹤運(yùn)行間隔時(shí)間，提高高速鐵路的運(yùn)輸效率；簡(jiǎn)化列控系統(tǒng)的地面設(shè)備和軌旁設(shè)備，減少列控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作；成為迫切需要開展的研究課題.

本文作者通過分析發(fā)達(dá)國(guó)家鐵路列控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)鐵路下一代列控系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)進(jìn)行研究.在CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出實(shí)現(xiàn)CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行初步分析研究.

1 列控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

1.1 國(guó)外列控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

2003年3月，國(guó)際鐵路聯(lián)盟(UIC)提出了ERTMS-Regional系統(tǒng)的概念[1]，并于2009年10月在瑞典Vasterdal線路上商用.該系統(tǒng)對(duì)地面信號(hào)

設(shè)備集中控制，通過GSM-R實(shí)現(xiàn)了對(duì)平交道口和聯(lián)鎖設(shè)備等的狀態(tài)監(jiān)控[2].美國(guó)聯(lián)邦鐵路管理局(FRA) 于2005年3月發(fā)布了關(guān)于信號(hào)和列控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)列控系統(tǒng)(Positive Train Control，PTC)的推廣應(yīng)用.PTC 列控系統(tǒng)將行車指揮、列車駕駛和車地通信等子系統(tǒng)有機(jī)地集成于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的精確控制，從而保證列車安全有效的運(yùn)行，適用于貨運(yùn)鐵路和高速鐵路[3].

東日本鐵路公司于2010年推出并投入運(yùn)行的先進(jìn)的列車管理和通信系統(tǒng)(Advanced Train Administration and Communication System，ATACS)[4]，采用列車定位和追蹤間隔控制技術(shù)保證行車安全，通過測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)列車的運(yùn)行速度；列車根據(jù)這一速度實(shí)時(shí)計(jì)算運(yùn)行距離，完成列車的定位功能.3種列控系統(tǒng)特點(diǎn)見表1.

表1 3種列控系統(tǒng)特點(diǎn)Tab.1 Three kinds of train control system features

1.2 我國(guó)下一代列控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

為滿足我國(guó)鐵路更高運(yùn)行速度、更高行車密度及降低鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的要求，結(jié)合對(duì)世界先進(jìn)列控系統(tǒng)共同特點(diǎn)的分析，關(guān)于我國(guó)下一代列控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)如下.

1)移動(dòng)閉塞技術(shù).為進(jìn)一步提高運(yùn)輸效率，傳統(tǒng)列控系統(tǒng)所使用的固定閉塞技術(shù)和準(zhǔn)移動(dòng)閉塞技術(shù)已經(jīng)不能滿足需求，而移動(dòng)閉塞技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更小的列車追蹤運(yùn)行間隔和更高的運(yùn)輸效率，從性能上更能滿足下一代列車控制系統(tǒng)需求.

2)集中地面設(shè)備.簡(jiǎn)化地面設(shè)備的配置，將包括無線閉塞中心、聯(lián)鎖和調(diào)度集中(CTC)等地面設(shè)備的功能集中成單一設(shè)備，以消除多地面設(shè)備之間頻繁通信產(chǎn)生的故障，并降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本.

3)移除軌旁設(shè)備.移除或簡(jiǎn)化軌道電路和應(yīng)答器等軌旁設(shè)備，以降低建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本；

4)升級(jí)車地?zé)o線通信.車地信息的傳輸需要依靠無線通信方式完成，但隨著地面設(shè)備的集中和軌旁設(shè)備的減少，對(duì)無線通信系統(tǒng)提出了安全、可靠和更高容量的要求.

5)基于衛(wèi)星的列車定位.改變基于軌旁設(shè)備的定位系統(tǒng)，研究以衛(wèi)星定位與軌旁數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)定位.

2 CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)對(duì)我國(guó)列控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析，本文作者研究下一代列控系統(tǒng)——CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示.

2.1 移動(dòng)閉塞技術(shù)

移動(dòng)閉塞技術(shù)的應(yīng)用研究主要是解決移動(dòng)授權(quán)(Movement Authority，MA)生成的周期時(shí)間，而確定MA的生成周期時(shí)間需要先確定列車追蹤運(yùn)行的間隔距離或時(shí)間[5-6].

為提高列車追蹤效率，總結(jié)列車在追蹤過程中存在幾點(diǎn)規(guī)律：1)在后車還未追上前車之前，只要后車速度不超過前車速度，兩車就不會(huì)相撞；2)計(jì)算行車間隔時(shí)，要考慮在一個(gè)MA生成周期內(nèi)，前車在最壞情況下行進(jìn)的距離.列車追蹤間隔示意圖如圖2所示.

依據(jù)以上規(guī)律，推導(dǎo)計(jì)算得出列車追蹤間隔計(jì)算模型如下

S間隔=S后LMA+S安全(v前，v后)+L車

(1)

式中：S后LMA為后車與其本周期有限行車許可(Limit Movement Authority，LMA)終點(diǎn)的距離，其計(jì)算模型為

(2)

式中S安全(v前，v后)為安全距離，是當(dāng)前速度下，后車在常用制動(dòng)條件下減速到前車速度的距離，與緊急制動(dòng)條件下減速到前車當(dāng)前速度的距離之差，同時(shí)考慮在LMA一個(gè)更新周期時(shí)間內(nèi)列車最大可能前行的距離為

(3)

式中：a減常用為常用制動(dòng)減速度；a減緊急為緊急制動(dòng)減速度；L車為前行列車的長(zhǎng)度；tLMA為移動(dòng)授權(quán)更新時(shí)間；v前是前車當(dāng)前時(shí)刻的速度；v后是后車的速度.

1)移動(dòng)時(shí)間閉塞模型，即兩車之間的時(shí)間間隔固定，由此得到的列車追蹤運(yùn)行間隔距離S間隔為

(4)

2)相對(duì)距離閉塞模型，即兩車之間的間隔距離隨著追蹤列車的當(dāng)前速度實(shí)時(shí)變化，其當(dāng)前列車追蹤運(yùn)行的間隔距離S間隔為

(5)

式中：S安全是安全距離；S防護(hù)是防護(hù)距離；vmax是列車運(yùn)行最大速度.

在既有關(guān)于移動(dòng)閉塞條件下列車追蹤運(yùn)行間隔的討論中大多是按后行追蹤列車制動(dòng)的末速度為0考慮.但是在一個(gè)移動(dòng)授權(quán)的周期時(shí)間內(nèi)，只要后行列車的速度低于前行列車的速度，就可以避免追尾事故.因此后行追蹤列車制動(dòng)的末速度vLMA可以按下式計(jì)算為

vLMA=v前-a前減·T-v其他-a后加·T

(6)

式中： a前減為前行列車制動(dòng)的減速度；a后加為后行追蹤列車牽引運(yùn)行的加速度；T為后行列車周期發(fā)送MA的時(shí)間間隔；v其他為預(yù)留的速度安全裕量.

將式(6)作為后行追蹤列車制動(dòng)的末速度分別代入式(3)、式(4)和式(5)中，得到3種經(jīng)典模型改進(jìn)為：

依據(jù)文獻(xiàn)[7]的比較結(jié)果，選取第1種模型作為移動(dòng)閉塞列車追蹤模型.根據(jù)模型對(duì)應(yīng)的LMA生成算法，通過真實(shí)列車與虛擬列車結(jié)合的環(huán)行道追蹤仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出列車最大允許速度與列車追蹤間隔的關(guān)系如圖3所示，安全防護(hù)距離與列車追蹤間隔的關(guān)系如圖4所示.

通過對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析證明：所選移動(dòng)閉塞追蹤模型減少了列車追蹤間隔時(shí)間，對(duì)追蹤間隔時(shí)間影響最大的關(guān)鍵參數(shù)是后車的最大允許速度.

2.2 列車完整性檢查方案

CTCS-4級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)在大大減少了地面設(shè)備降低鐵路建設(shè)成本的同時(shí)，使得傳統(tǒng)的依賴軌道電路進(jìn)行列車完整性檢查技術(shù)不再適用.

運(yùn)用GPS差分技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車體長(zhǎng)度，于是可以實(shí)現(xiàn)列車完整性檢查.基于GPS的列車完整性檢查核心思想如圖5所示.利用GPS定位車頭和車尾的坐標(biāo)，從而得到列車完整性檢查需要的車長(zhǎng)信息.車尾的GPS天線安裝在車鉤位置，其信號(hào)易被車廂遮擋，而在接收少于四顆衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，常規(guī)衛(wèi)星定位算法精度無法達(dá)到列車完整性檢查要求.

根據(jù)不同的可用衛(wèi)星數(shù)目，采取不同的定位方法完成列車完整性檢查.主要分4種情況：四顆星及以上定位、三星定位、雙星定位和單星定位.

1)四顆衛(wèi)星及以上：采用GPS常規(guī)偽距導(dǎo)航定位算法完成，主要思想是：衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送時(shí)間信息和自身星歷參數(shù)，然后計(jì)算接收機(jī)的三維方向、三維位置和運(yùn)動(dòng)速度等.偽距的計(jì)算公式如下

ρi=c·ti

(10)

式中：ρi為第i顆衛(wèi)星的偽距；c為光速；ti為信號(hào)從一個(gè)衛(wèi)星到接收機(jī)所需的時(shí)間，i=1,2,3,4，表示衛(wèi)星的個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)圖6所示，則接收機(jī)與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離為

(11)

為了確定用戶位置(xu,yu,zu)根據(jù)偽距應(yīng)用數(shù)據(jù)式(10)對(duì)四顆衛(wèi)星進(jìn)行偽距測(cè)量的方程如下

(12)

式中：δtu表示衛(wèi)星時(shí)鐘與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差；dlon表示電離層效應(yīng)引起的距離偏差；dtrop表示對(duì)流層時(shí)延產(chǎn)生的距離偏差；j的取值為1～4，指四顆衛(wèi)星.通過式(12)計(jì)算及對(duì)衛(wèi)星誤差、傳播誤差和接收誤差的修正，獲得準(zhǔn)確的列車頭和尾坐標(biāo)，完成車長(zhǎng)計(jì)算.

2)三顆衛(wèi)星：采用基于GPS和虛擬衛(wèi)星定位方法，該方法利用列車車頭部位的定位信息確定一顆虛擬衛(wèi)星，和可獲得的三顆真實(shí)衛(wèi)星信息實(shí)現(xiàn)偽距定位[8].

根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離S求解虛擬衛(wèi)星的三維坐標(biāo)(x4，y4，z4)為

(13)

3)雙星和單星情況：定位算法類似，均作為輔助定位或定位推測(cè)方式進(jìn)行.通過下載星歷信息計(jì)算衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射時(shí)刻衛(wèi)星的坐標(biāo)及具體情況的改正量；通過已知列車所在鋼軌的地圖信息，對(duì)接收器位置進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而求出接收機(jī)的位置信息.

通過對(duì)以上定位算法的仿真實(shí)驗(yàn)，與真實(shí)位置的對(duì)比結(jié)果如圖7所示.

從圖7可以看出，四星和三星情況較為穩(wěn)定；單星情況開始一段時(shí)間相對(duì)雙星情況穩(wěn)定，但在靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中，隨著時(shí)間推移，單星定位誤差逐漸變大，主要原因是單星定位算法通過預(yù)測(cè)接收機(jī)鐘差來計(jì)算車尾位置，鐘差的預(yù)測(cè)誤差逐漸擴(kuò)大.

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比證明：基于GPS的列車完整性檢查方法誤差均在10 m范圍內(nèi)，精度能夠滿足CTCS-4列控系統(tǒng)的列車完整性檢查應(yīng)用要求.

2.3 列車精確定位

CTCS-4列控系統(tǒng)去除了大量地面設(shè)備，包括傳統(tǒng)定位技術(shù)賴以實(shí)現(xiàn)的軌道電路等設(shè)備，需要研究更為先進(jìn)靈活的定位技術(shù)取而代之.GPS定位不依賴于現(xiàn)有的鐵路信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車定位，但精度有限，無法滿足高速行車條件下的定位要求.

組合定位集中了多種傳感器的優(yōu)點(diǎn)，成為列車定位技術(shù)的合理選擇.可用于列車組合定位的方式有：GNSS/INS[9]、GNSS/ODO、GNSS/RADAR、GNSS/BAILISE等.

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，本文選取加速計(jì)和陀螺儀組成的慣性導(dǎo)航單元，搭建基于GNSS/INS的列車組合定位系統(tǒng)如圖8所示.

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件，本文作者比較多種數(shù)據(jù)融合算法，選取離散型卡爾曼濾波方法作為基本算法，基本方程如下[10].

狀態(tài)一步預(yù)測(cè)為

(14)

狀態(tài)估計(jì)為

(15)

Zk=HkXk+Vk

(16)

濾波增益為

(17)

一步預(yù)測(cè)均方誤差為

(18)

估計(jì)均方誤差為

Pk=(1-KkHk)-Pk,k-1

(19)

影響濾波器性能的主要因素是系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的精確程度，因而應(yīng)該選取合適的數(shù)據(jù)模型.“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型采用瑞利分布和非零均值表征加速度特性，更能客觀真實(shí)地反映列車的運(yùn)動(dòng)范圍和強(qiáng)度，因此，本文選取“當(dāng)前”統(tǒng)計(jì)模型作為數(shù)據(jù)模型.列車的“當(dāng)前”模型狀態(tài)方程為

(20)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)行道仿真數(shù)據(jù)與通過SimGEN軟件仿真的GNSS數(shù)據(jù)，對(duì)本文方案進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示.

由圖9可得，融合后的軌跡與原始數(shù)據(jù)基本吻合，并且位置誤差較小.同時(shí)也驗(yàn)證了加速計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)正確可用.

2.4 LTE-R車地雙向傳輸技術(shù)

CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)減少地面設(shè)備的同時(shí)，將原先通過軌道電路和有源應(yīng)答器等地面設(shè)備與車載設(shè)備交互的信息，由車地?zé)o線通信來完成.

UIC已經(jīng)將LTE作為鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).LTE-R與既有的GSM-R相比較具有如下優(yōu)勢(shì)[11]：

1)性能優(yōu)勢(shì). LTE-R帶寬范圍是1.25～20 MHz，峰值數(shù)據(jù)速率支持下行100 Mbit/s、上行50 Mbit/s，頻譜效率分別達(dá)到2.5(bit/s)/Hz和5(bit/s)/Hz，優(yōu)于GSM-R.

2)成本優(yōu)勢(shì). LTE-R采用軟件無線電技術(shù)，在增加新應(yīng)用和業(yè)務(wù)的同時(shí)，無需更換硬件設(shè)施，從而具有更低廉的費(fèi)用,提供更高質(zhì)量的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本較低.

3)安全優(yōu)勢(shì). LTE-R服務(wù)降低了端到端的時(shí)延，提高了車地交互數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?；此外，LTE-R取消了GSM-R中的集中控制，避免了單點(diǎn)故障，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性.

隨著列車速度的提高，越區(qū)切換越頻繁，多普勒效應(yīng)引入的頻移就越嚴(yán)重，針對(duì)這一問題，文獻(xiàn)[12]通過綜合考慮信道質(zhì)量、信道占用、單點(diǎn)故障、參數(shù)設(shè)置和多普勒頻移5個(gè)主要因素的影響，仿真驗(yàn)證了LTE-R越區(qū)切換模型，并與GSM-R越區(qū)切換性能比較.研究表明：LTE-R越區(qū)切換成功率高于GSM-R，且弱相關(guān)于列車的運(yùn)行速度增量；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，LTE-R在高頻段時(shí)的越區(qū)切換成功率小于低頻段.綜上所述，LTE-R具備更高的上下行速率、更低的誤率、更大的小區(qū)容量和更低的系統(tǒng)延時(shí)，更能適應(yīng)CTCS-4級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)對(duì)車地雙向傳輸性能的要求.

3 結(jié)論

1)通過對(duì)國(guó)外先進(jìn)列控系統(tǒng)的歸納總結(jié)和國(guó)內(nèi)列控系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析，本文作者提出 CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)移動(dòng)閉塞、基于衛(wèi)星的列車完整性檢查、列車組合定位和LTE-R車地?zé)o線通信等4個(gè)關(guān)鍵技術(shù).

2)通過對(duì)4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的仿真論證，說明所選移動(dòng)閉塞列車追蹤間隔模型可以減少列車追蹤時(shí)間；基于GPS的列車完整性檢查方法誤差在10 m范圍內(nèi)，精度能夠滿足完整性檢查需求；采用GNSS/INS的列車組合定位技術(shù)，并用離散卡爾曼濾波方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使得定位誤差更?。换贚TE-R的車地?zé)o線通信技術(shù)在性能、成本和安全性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì).因而，CTCS-4級(jí)列控系統(tǒng)將更大地提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)維成本，優(yōu)于既有的CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)，具備實(shí)施的可行性.

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Research on key technologies of CTCS-4 level train control system

CHENGJianfeng，ZHAOXianqiong，LIULei

(Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China)

In order to achieve better safety and economy for cross regional high-speed train operations, the CTCS-4 train control system has become the development trend. The paper introduces several CTCS-4 key technologies, including a moving block mathematical model, a train integrity check method based on GPS differential technology, a train positioning method based on GNSS/INS in combination with LTE-R wireless communication, etc. Simulation results indicate that the CTCS-4 train control system with these technologies applied is more stable and efficient, comparing with the existing CTCS-3 train control system.

CTCS-4; moving block; train integrity check; train location method; LTE-R

2016-07-06

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助(2015X002-C)；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院院基金課題資助(2014YJ071)

程劍鋒(1976—)，男，安徽桐城人，副研究員.研究方向?yàn)榱熊囘\(yùn)行控制系統(tǒng).email: cjfustc@sina.com.

U283.4

A

1673-0291(2016)05-0104-07

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.05.018