GSMR在我国铁路信号中的应用发展Word格式.docx

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位永彩

课题方向：

电子技术

2011年06月20日

摘要

GSM-R是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，基于GSM系统技术平台，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统，并将铁路移动通信所具有的特色（群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）加进去，构成GSM-R用于铁路的全球移动通信系统的解决方案。

目前已建成的青藏铁路ITCS列车控制系统，大秦铁路重载运输列车控制系统以及京沪、武广、郑西高速铁路CTCS列车控制系统中均采用GSM-R网络作为通信支撑，完成调度通信，列车控制，车地通信，旅客广播，旅客信息服务等功能，其中基于车地安全无线通信的列车控制系统是为铁路的安全高速运营提供技术的保障。

本文着重介绍GSM-R网络技术在青藏铁路，大秦铁路和郑西高速铁路信号中的系统结构和典型应用，针对工程应用中的具体问题对GSM-R网络的通信系统需求进行分析，提出切实可行的网络设计方案和系统架构，为更多的铁路工程应用提供参考。

关键词：

GSM-R，CTCS\ITCS\ETCS\，高速铁路，重载列车

绪论

当前我国铁路处于高速发展期，《中国铁路中长期规划》中明确了未来10年中国铁路的发展方向，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50％，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平，其中的通信信号信息技术是铁路实现安全运营的重要保障，本文根据中国铁路技术发展中的具体需求，分析三种不同类型的GSM-R技术在信号系统中应用，为铁路通信信号融合和创新提出建议。

一、铁路通信信号技术的发展

1、信号技术的几个发展阶段

以前的铁路信号是铁路运输的“眼睛”，司机通过辨识地面信号机来确认行车的依据，根据不同的灯光显示来行车，对于低速简单的行车还是可行的，但是遇到恶劣的天气，速度过快等因素时，则是非常不安全的；

随着技术的发展，地面信号被引入到司机室内，通过JT-CZ2000主体化的机车信号设备，来显示地面信号的状态，极大的改善司机的瞭望条件，使列车的驾驶更为容易；

以2008年铁路的第四次大提速为契机，基于应答器定位和轨道电路通信的CTCS2级技术发展起来，通过车地一体化设计，ATP控车，极大地提高了安全性，减轻司机的负担。

但是随着铁路运输的复杂程度越来越高，速度越来越快，在高速铁路、客运专线等时速达到300公里以上的运营环境时，通过轨道电路，应答器等通信方式，满足不了车地通信的需求，此时，基于GSM-R通信的CTCS3级列车控制技术为高速铁路的发展提供了技术平台。

2、GSM-R技术的发展历史

GSM-R（GSMforRailway）中文全称为铁路移动通信系统标准，是一种专门为铁路设计的专业无线数字通信系统，基于GSM系统技术平台，针对铁路通信列车调度、列车控制、支持高速列车等特点，为铁路运营提供定制的附加功能的一种经济高效的综合无线通信系统，并将铁路移动通信所具有的特色（群呼、组呼、优先级别、强插、强拆等功能）加进去，构成GSM-R用于铁路的全球移动通信系统的解决方案。

2002年以来铁道部经过几年的论证、研究，决定借鉴欧洲先进国家铁路通信在GSM-R系统上成功经验，决定在国内选择GSM-R作为铁路专用移动通信系统，替代原有的模拟通信系统，支持铁路跨越式发展，首批试点线路为青藏线、大秦线和胶济线，并在实验成功的基础上逐步在全国各条铁路干线和新建城际客运专线上推广使用。

3、技术结合点

GSM-R技术中语音业务主要用于调度通信、组呼业务等，而数据业务则是信号应用的平台，GSM-R的电路数据业务，多数是在与其它网络互连的情况下使用

图1GSM-R与其它网络互连方法

从图1可以看出，端到端的传输路径分为两段：

∙第一段在GSM-R系统内，从用户终端到网络边界，即在BSS和NSS内。

在这一段中，所有的用户信息都体现为V.110格式，或者是修改过的V.110格式。

在TAF和IWF中，再转换成终端或终端网络要求的数据格式；

第二段从边界点到另一个终端的传输。

为了尽可能的减少数据传输时延，通信单元与应用节点之间采用的是9.6kbit/s、异步透明方式的连接。

二、GSM-R技术在信号应用的典型方式

1、GSM-R技术与青藏铁路ITCS技术

1.1技术背景

青藏铁路是目前世界上海拔最高的高原铁路，全长1142公里，其中900公里在海拔4500米以上的高原冻土地区。

青藏铁路引进先进的通信信号控制技术，率先在国内开始GSM-R网络技术的实验工作。

1.2系统架构及工作原理

基于GSM-R无线通信和GPS定位技术的增强型列控系统ITCS集车站计算机联锁、区间虚拟闭塞和列车控制于一体，实现了车载信号设备主体化，有效减少了现场设备，达到了青藏铁路设备少维护、免维护的要求。

图2GSM-R与ITCS系统架构

ITCS的系统设计要求地面RBC通过数据广播方式（IP）与车载设备通讯，因此在设计基于GSM-R网络的TWC通信系统时，设计了消息转发设备，消息转发设备负责列车与无线闭塞中心RBC之间的消息分发，从而模拟了数据广播功能，而无需通讯设备提供。

消息转发设备设置在GSM-R网络MSC设备室内，

图3GSM-R与ITCS系统示意图

在基于GSM-R的TWC通讯系统中，每个车站RBC通过站间数字通信网络与消息转发设备相连，消息转发设备通过ISDN适配卡与GSM-R网络移动业务交换中心（MSC）相连，每块ISDN适配卡最多可以与车载设备建立30条无线通讯链路。

根据系统要求，消息转发处理工作站可以配置多块ISDN适配卡。

消息转发设备通过数字通信网络与地面各RBC相连。

当列车启动后，车载通信单元与MSC建立通信连接，MSC将数据链路中转到消息转发器上，消息转发器为车载通信单元分配固定的ＩＰ，这样就与地面的局域网络连在一起，从而实现了设备之间的信息传送。

ITCS相对于传统的信号系统来说，具有多种先进功能，采用了双向连续的车地无线通信，以车载信号作为列车运行的主信号。

它集自动闭塞车站、计算机联锁控制和列车运行超速防护控制于一身，能够监测列车运行。

当情况发生变化时系统向司机报警，并且在必要时对列车实施制动，从而更好地保证了行车安全，使行车速度及运力有了大幅提高。

1.3技术优势与不足

在此应用中，将ISDN服务器和消息转发器设置在GSM-R中心，RBC分散布置，有效地利用广域网技术将中心和车站构成一个系统，对于线路长，条件复杂的青藏铁路是最合理的应用方案，其中存在的不足是中心服务器需要高性能的软硬件平台，否则系统的可靠性得不到保障。

2、GSM-R技术与大秦铁路LOCOTROL同步操控技术

2.1技术背景

大秦铁路全长653千米，是中国西煤东运的主要通道之一，也是目前世界上年运量最大的铁路，在应用重载列车前，大秦铁路上主要运行10000吨级的列车。

2006年3月，大秦铁路完成技术改造，全线铺设GSM-R网络，在中国率先开行基于无线通信控制的同步操控重载列车，单列最大载重达2万吨以上，由4节机车共同牵引210节车厢，列车总长度达2600米。

图4重载列车组成方式

在大秦铁路上的应用方式为四台机车提供同步信息，完成列车的同时起步、加速、减速和制动，防止车厢挤压和列车脱钩等重大安全事故，有效的提高运能。

2.2系统架构及工作原理

从系统构成框图来看，主控机车和从控机车分别与地面服务器建立通信，通过地面服务器建立的会话组完成各机车之间的通信，从而达到机车同步的功能。

图5GSM-R与Locotrol系统架构

机车通信连接和注册登记分四个步骤实现：

主控机车通信连接与注册登记、从控机车1通信连接与注册登记、从控机车2通信连接与注册登记、从控机车3通信连接与注册登记。

如图3-6所示，此四个步骤需要依次执行。

首先主控机车通信单元完成与地面服务器的通信连接。

接下来司机在主控机车前进端的Locotrol上将主控机车设置成为分布式动力模式，同时设置制动手柄和控制开关，并输入主控机车识别码（00）、列车车次号和机车组成员数量（04）。

Locotrol将主控机车识别码、列车车次号和机车组成员数量传送给通信单元，通信单元向地面服务器注册登记，车次号将作为机车组的唯一标识，在应用节点中建立唯一的一个机车组。

图6机车注册顺序图

地面服务器收到主控机车的注册登记，如果查询与该车次号对应的机车组已经建立，则给通信单元返回机车组已存在的否定应答消息，通信单元转发给Locotrol；

如果查询与该车次号对应的机车组没有建立，则依据车次号新建立一个机车组，并返回确认应答消息。

只有主控机车进行注册时，才能建立机车组。

然后，依次完成从控机车1、2、3与应用节点的通信连接，它们的注册操作基本相同。

2.3技术优势与不足

利用网络平台的优势，可以弥补之前技术中的主控机车和从控机车之间用扩频电台通信易受干扰的缺点，充分发挥GSM-R网络的稳定性和实时性优势，为操控信息的同步提供了保障。

劣势是需要各个机车上的电台可靠性要求比较高，而且大秦铁路电磁环境复杂，线路在山区中蜿蜒，容易造成网络的盲区和干扰，后期的网络优化和维护十分重要。

3、GSM-R技术与郑西高铁CTCS3列车控制技术

3.1技术背景

在成功的进行了青藏铁路、大秦铁路、胶济线等线路的通信信号试验以后，结合中国高速铁路发展的需要，在新建的武广高铁、郑西高铁等四纵四横高速客运专线网络上，开始部署基于GSM-R通信网络的ＣＴＣＳ３级列车控制技术，通过先进的通信信号技术，实现列车的安全高速运营，目前在郑西、武广、沪宁等多条高速客运专线上成功运营。

3.2系统架构及工作原理

郑西高铁的RBC采用集中式管理，在郑州控制中心集中安放设备，５套RBC分别配置ISDN服务器，各自接入位于西安GSM-R管理中心MSC，从而实现列车的集中管理。

列车出发时先与端站的RBC建立连接，通过安全的通信协议认证和模式转换之后，进入到完全监控模式，依靠ATP进行行车；

当列车接近两个RBC边界时，列车收到地面信息的提示后，主动与下一个RBC进行通信连接，通过车与地，RBC与RBC的协同工作，完成不同的RBC之间的交权，使得列车进行无缝的切换。

图7GSM-R与CTCS3系统架构

3.3技术优势及不足

ISDN服务器与RBC一体设计，减少了消息转发设备和网络传输的延迟，对于系统的时延是最大的优化，缺点是由于管理权限的限制，RBC中心与GSM-R中心分别设置在郑州和西安，为系统维护和故障定位设置了障碍，在后来的设计中建议采用更高程度的集中化设置。

三、GSM-R技术的其他应用

根据铁路网络规划，在新修铁路中均要设置GSM-R网络作为通信支撑，目前GSM-R网络技术为铁路调度员、车站值班员、铁路施工维护人员等提供语音支持；

为调度集中、无线车次号管理等提供GPRS分组业务数据；

在不远的将来，随着技术的演进和升级，基于GSM-R网络平台的移动网络应用也会向乘客开放，为移动办公和旅客信息服务提供舒适和便利，在那时，列车就真的是有了“千里眼”和“顺风耳”，详细应用本文不做阐述。

结论

随着高速铁路的陆续开通，GSM-R技术应用也得到验证与实践，在中国铁路部署GSM-R无线网络成为中国铁路信息化，现代化的重要保障。

本文中介绍的几种应用方式仅仅是GSM-R网络功能中的一部分，通过对三种不同应用的比较，为铁路列控技术的发展提供了工程实施的依据。

随着网络技术的发展，更先进的3G，4G技术不断更新换代，铁路运输要求更便捷，更高效，更安全，这些都对铁路通信信号技术提出更高的要求。

2011年7月1号，标志着中国高速铁路技术系统集成的自主知识产权的京沪铁路即将开通，表明我国的铁路发展技术已经步入世界发展的前列，其他国家纷纷对中国的高速铁路建设刮目表示出浓厚的兴趣，希望引进中国的高铁技术，这些都为铁路技术的发展提供动力和机遇。

在应用实践中不断推进铁路控制信号、通信的一体化，将为铁路现代化发展奠定坚实的基础。

在这个过程中，必须加强基础科研工作，完善标准体系结构，立足国产化，进一步突破核心技术。

参考文献

[]

[2]中铁建电气化局集团.郑西高速铁路技术集成方案

[3]青藏铁路公司.青藏线ITCS信号系统集成方案

[4]耿志修.大秦线开行2万吨重载组合列车系统集成与创新中国铁路