CN101605151B - 一种用于轨道交通区域联锁和站间通信的系统 - Google Patents
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本发明公开了一种用于轨道交通区域联锁和站间通信的系统，本发明提供一种用于轨道交通区域联锁和站间通信的系统，包括：远程IO节点、中心联锁设备连接由各个远程光通信接口组成的通信网络；所述远程IO节点，用于将来自所述中心联锁设备的控制命令发送至受控设备，并接收受控设备的状态回复至所述中心联锁设备；所述中心联锁设备包括：互为冗余的人机交互子系统、联锁子系统、输入输出子系统；所述远程光通信接口，包括远程通信单元、光通道和通信接口板。本发明的系统使用冗余光纤作为传输介质，运用数字复接-分接通信技术以及网络优化配置技术，实现了基于同一网络的区域联锁与站间通信一体化信息传输。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是指一种用于轨道交通区域联锁和站间通信的系统。
背景技术
目前的轨道交通控制中，站间通信和区域联锁作为两个独立的网络，分别根据各自的通信需求，分别架设通信网络。首先，铺设重复的通信通道会大大增加基础建设成本。其次，为支持应用层处理不同类型的通信数据，需要开发独立的硬件及软件模块，这种实现方式增加了系统的复杂性。
此外，区域联锁和站间通信传输的都是安全相关的数据，具有很高的安全性需求。因此，如果采取通用协议网络实现数据传输，为防止传输网络被入侵、伪装等破坏性活动，需要对数据采取额外的安全措施，如加密解密等。在铁路信号系统中，这样的实现方式会对系统带来巨大的额外负担。在这种情况下，安全性更高的一体化网成为更合适的选择。
区域联锁系统是控制铁路车站信号和道岔、保障行车安全的基础信号系统。区域联锁是在车站计算机联锁的基础上，综合运用网络通信技术、远程控制技术和安全信息传输技术，将整个控制区域视为一个车站，使用一套联锁机完成区域内多个车站的联锁逻辑运算和集中控制，实现车站联锁、区间闭塞和站间联系一体化控制的系统。
站间通信是联锁中心站之间通过安全传输通道，实现站间闭塞信息和信号设备状态信息的传输。随着我国铁路向重载和高速方向发展，基于安全通信和计算机技术的区间闭塞控制模式将逐步取代既有半自动和自动闭塞方式。
随着铁路信号系统集中控制、指挥、调度一体化的深入发展，兼具区域联锁和站间通信功能的控制系统将成为信号系统的发展方向，例如具有多个区域控制中心的城市轨道交通信号控制系统、与铁路调度指挥信息管理系统结合的区域联锁中心等，都同时具有大规模区域联锁和多点站间通信的需求，而由于区域联锁网络和站间通信网络采用各自不同的通信技术，相互通信时需要为双方不同的通信协议架设接口网络，通信的复杂度较高，通信成本较高。
发明内容
有鉴于此，本发明在于提供一种用于轨道区域联锁和站间通信的系统，以解决上述区域联锁网络和站间通信网络采用各自不同的通信技术，相互通信时需要为双方不同的通信协议架设接口网络，通信的复杂度较高，通信成本较高的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种用于轨道区域联锁和站间通信的系统，包括：
远程IO节点、中心联锁设备连接由各个远程光通信接口组成的通信网络；
所述远程IO节点，用于将来自所述中心联锁设备的控制命令发送至受控设备，并接收受控设备的状态回复至所述中心联锁设备；
所述中心联锁设备包括：互为冗余的人机交互子系统、联锁子系统、输入输出子系统；
人机交互子系统包括：
维护机，用于显示各子系统的故障信息并发出报警；
相互冗余的控显机，用于显示受控设备状态，接受操作员命令，并将指令发送至联锁子系统；
联锁子系统包括：
故障安全处理器，执行联锁子系统内的通信、逻辑数据处理；
操作维护Arcnet通信接口，用于连接人机交互子系统的通信接口，传输操作命令与现场受控设备状态信息；
系间通信串行总线接口，用于所述冗余的联锁子系统之间的数据交互；
输入输出通信串行总线接口，用于连接相应的输入输出子系统的通信接口，传输现场受控设备的状态数据和控制数据；
远程通信接口：用于连接联锁子系统与远程联锁设备、远程IO节点之间的数据交互；
输入输出子系统，用于通过连接的输入输出通信接口收发数据。
优选的，所述远程光通信接口，包括远程通信单元、光通道和通信接口板；
远程通信单元，用于连接光网络，将数据复用/分接，具有2Mbps速率的低速光接口和640Mbps速率的高速光接口；
光通道，通过光通道连接远程通信单元的2Mbps低速光接口、640Mbps高速光接口和通信接口板；
通信接口板，用于连接所述中心联锁设备的输入输出子系统。
优选的，所述远程通信单元内包括：
光电转换模块，用于实现数据的光电/电光转换；
接口芯片，用于与光电转换模块之间收发数据；
分接复用单元，用于将来自接口芯片的数据分接，或将通信接口板的数据复用后发送至接口芯片。
优选的，所述中心联锁设备连接一个以上的远程IO节点，所述远程通信单元内还包括：数据截取子单元，用于将所述接口芯片收到的数据中，获取和预定标识相同的数据，或将所述接口芯片发出的数据，加入各个数据所归属的远程IO节点的标识。
本发明的系统使用冗余光纤通道作为传输介质，设计易于配置和扩展的网络结构及可移植的网络接口，运用数字复接-分接通信技术以及网络优化配置技术，实现了基于同一网络的区域联锁与站间通信一体化信息传输，可满足目前铁路信号系统应用的控制需求。
附图说明
图1是实施例结构图；
图2是中心联锁设备的结构图；
图3是远程光通信接口与中心联锁设备的连接示意图；
图4是远程光通信接口与远程I/O设备的连接示意图；
图5是远程光通信单元的数字复接过程的示意图；
图6是远程光通信单元的数字分接过程的示意图。
具体实施方式
为清楚说明本发明的系统，下面给出优选的实施例并结合附图详细说明。
参见图1，图1是实施例的结构图，本发明的系统采用光通信网络互联，通过远程光通信接口连接远程I/O节点和中心联锁设备。
中心联锁设备实现对向用户输出信息并接收用户命令，远程I/O节点实现对受控设备发送控制命令，并将受控设备的状态回复至中心联锁设备，光通信网络采用数字复接-分接技术实现数据传输。
中心联锁设备的结构图可参见图2，中心联锁设备基于二乘二取二结构，由人机交互(Man-Machine Interface，MMI)子系统，联锁(CentralInterlocking Logic，CIL)子系统、输入输出(Input-Output，IO)子系统组成。每个子系统均设计为双重冗余结构，三个子系统通过冗余通信网络连接，实现系统的高可靠性和可用性。对于安全相关的CIL子系统和IO子系统，每一个冗余模块内部均采用二取二结构，实现系统的高安全性。
MMI子系统包括一个维护机和两个冗余的控显机，控显机A(即第一控显机)和控显机B(即第二控显机)，相互冗余的控显机A/B：用于通过屏幕显示受控现场设备状态，实现人机交互，接受操作员命令，并将指令发送至CIL子系统。
维护机：用于显示各子系统的工作情况以及故障信息并发出报警。
CIL子系统包括两套冗余的联锁系统，每个子系统又分别包括：
故障安全处理器：执行CIL系统安全内的通信、逻辑数据计算等。
操作维护Arcnet通信接口：用于连接MMI系统的通信接口，传输操作命令与现场受控设备状态信息。
系间通信串行总线接口：两套冗余的CIL的子系统间的通信接口，传输每套CIL系统的工作状态与数据信息。
输入输出通信串行总线接口：用于连接相应的IO子系统的通信接口，传输现场受控设备的状态数据和控制数据。
远程通信接口：用于联锁系统与远程联锁、IO系统的通信接口，传输远程联锁数据。
输入输出子系统，用于通过连接的输入输出通信接口收发数据；
CIL子系统分别通过I/O系统中冗余的输入输出接口实现数据的传输。
网络中的每一个远程IO节点可根据需要配置相应的控显终端。远程IO节点的控显终端不仅可以显示本站的设备状态，还可以在中心联锁设备授权的情况下，对本站的道岔或进路进行操作，方便现场维护人员对设备进行检修。
每个中心联锁设备可控制相应的一个或多个远程I/O节点，各个中心联锁设备和远程I/O节点组成相应的域，各个域内和域间通过远程通信接口连接组成的光纤网络进行数据传输。
远程光通信接口由远程通信单元、光通道和通信接口板组成。远程通信单元实现数据复用-分接功能，并与2Mbps低速光通道协同工作，实现有效数据的提取和分类。通信接口板实现对不同上层节点的接口支持，完成与上层节点CPU板的数据交互。例如，中心联锁设备远程通信接口中的通信接口板对接收到的有效数据进行两套处理的子系统来双系交叉传输，并将数据传递至中心联锁CPU板的两个CPU，实现对中心联锁节点二乘二取二功能的数据支持，如图3所示。
一个远程通信单元通过2Mbps低速光通道可连接通信接口板，如图4所示，对于中心联锁设备，通信接口板是远程通信接口的一部分，最多可接8路这样的低速光通道。对于远程IO系统，通信接口板可接1路低速光通道。一个远程通信单元通过低速光通道可连接一个联锁通信接口板，或同时最多与8个IO通信接口板连接，如图3、图4所示，低速光通道采用通用异步串行格式(UART格式)通信，通信速率为2Mbps。
在数据传输过程中，数字复接-分接由远程通信单元实现，目的是将每个上层节点经由多路低速光通道发送的数据重新打包，时分复用后，通过环网可靠的发送到指定的远程节点，并提取环网中的数据，转换成多路单一类型的数据，发送到上层节点。
远程通信单元，用于连接光网络，将数据复用/分接，具有2Mbps速率的低速光接口和640Mbps速率的高速光接口；
光通道，通过光通道连接远程通信单元的2Mbps低速光接口、640Mbps高速光接口和通信接口板；
通信接口板，用于连接所述中心联锁设备的输入输出子系统。
所述远程通信单元内包括：
光电转换模块，用于实现数据的光电/电光转换；
接口芯片，用于与光电转换模块之间收发数据；
分接复用单元，用于将来自接口芯片的数据分接，或将通信接口板的数据复用后发送至接口芯片。
所述远程通信单元内还包括：数据截取子单元，用于将所述接口芯片收到的数据中，获取和预定标识相同的数据，或将所述接口芯片发出的数据，加入各个数据所归属的远程IO节点的标识。
参见图4，远程通信单元设计8路2Mbps低速光口和2路640Mbps高速光口。8路低速光口分别与联锁通信接口板或IO通信接口板通过光纤相连；各远程通信单元的640Mbps高速光口首尾互联，形成逻辑上的环网。在硬件设计上采用可编程逻辑器件(FPGA)与接口芯片，包括光电转换模块、FPGA、高速全双工串行通信接口芯片(SER/DES接口芯片)等模块。
数字复接的过程参见图5。按照数据流的处理顺序，串并转换单元首先将低速串行信号转化为并行信号，加标识信息后写入FPGA的buffer，再通过复接单元将多路信号复接为一路信号，由接口芯片编码，最后经由光电模块转化为光信号发送至光网络。
数字分接的过程参见图6。分接过程与复接过程相反，光信号经光电模块、解码后，由数据截取单元获取本站所需数据，去标识后分接为多路信号，并转化为UART格式数据发往2Mbps低速光通道。
数据的筛选和截取功能由远程通信单元的数据截取子单元实现。远程通信单元，本节点的的节点地址ID和屏蔽ID由硬件拨码设置。远程通信单元根据硬件拨码的设置对网络中传输数据的附属信息进行判别，对来自不同域、不同站发来的数据根据屏蔽ID进行筛选，使得只有本站需要接收的数据才能进入本节点的存储区域。
通过远程通信单元筛选的数据由2Mbps低速光通道发送到通信接口板，由于不同速率的光通道通信传输速率存在差异，如果从640Mbps高速光通道接收到的所有有效数据都经一个低速光通道发送到通信接口板，则低速光通道网络将发生严重堵塞，数据传输的实时性无法得到保证。因此系统在数据传输时，根据数据标识把同一节点不同类型的数据分散到不同通道并行发送，远程通信单元根据接收数据附属的低速光通道信息，再把数据发送到与上层节点对应的光通道上，使得各光通道能够均衡分配数据流量，实现数据在不同速率的光通道上传输的连续性和实时性。
环网上的数据经过以上处理之后，在每个任务周期，上层节点CPU仅能收到发送至本节点的有效数据。
上面详细描述了本发明的系统结构和网络传输过程，该系统可实现区域联锁通信和站间通信同时进行，且不必进行数据转换，与原有的两套网络设备相比，降低了网络设备的复杂度和建设成本。
上述的传输网络包含逻辑环网和2Mbps低速光通道两部分，其中后者是网络的传输容量瓶颈。网络优化配置技术根据通信需求(如节点数量、各中心联锁之间通信数据量、区域联锁控制规模等)，动态调整网络结构，配置各低速光通道的传输对象，达到合理利用网络带宽的目的。
用户通过辅助配置软件界面输入节点数量、类型、中心站之间的传输数据量、远程站控制规模、控显终端配置情况等信息，可得到域内传输数据流的总集。选择已利用光通道数量作为优化目标，网络结构配置转化为带约束的最优集合划分问题。这是一个典型的NP问题，目前在数学上没有可行的方法能得到精确的最优解。本发明采用了工程上对这类问题常用的贪心法求解，利用最小的计算量得到较优的划分结果，进而得到每一个上层节点的低速光通道连接方案、各类型数据使用的低速光通道等配置信息。
本发明的系统使用冗余光纤通道作为传输介质，设计易于配置和扩展的网络结构及可移植的网络接口，运用数字复接-分接通信技术以及网络优化配置技术，实现了基于同一网络的区域联锁与站间通信一体化信息传输，可满足目前铁路信号系统应用的控制需求。
对于本发明各个实施例中所阐述的系统，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于轨道交通区域联锁和站间通信的系统，其特征在于，包括：
远程IO节点、中心联锁设备连接由各个远程光通信接口组成的通信网络；
所述远程IO节点，用于将来自所述中心联锁设备的控制命令发送至受控设备，并接收受控设备的状态回复至所述中心联锁设备；
所述中心联锁设备包括：互为冗余的人机交互子系统、联锁子系统、输入输出子系统；
人机交互子系统包括：
维护机，用于显示和记录各子系统的故障信息并发出报警；
相互冗余的控显机，用于显示受控设备状态，接受操作员命令，并将指令发送至联锁子系统；
联锁子系统包括：
故障安全处理器，执行联锁子系统内的通信、逻辑数据处理；
操作维护Arcnet通信接口，用于连接人机交互子系统的通信接口，传输操作命令与现场受控设备状态信息；
系间通信串行总线接口，用于所述冗余的联锁子系统之间的数据交互；
输入输出通信串行总线接口，用于连接相应的IO子系统的通信接口，传输现场受控设备的状态数据和控制数据；
远程通信接口：用于连接联锁子系统与远程联锁设备、远程IO节点之间的数据交互；
输入输出子系统，用于通过连接的输入输出通信接口收发数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述远程光通信接口，包括远程通信单元、光通道和通信接口板；
远程通信单元，用于连接光网络，将数据复用/分接，具有2Mbps速率的低速光接口和640Mbps速率的高速光接口；
光通道，通过光通道连接远程通信单元的2Mbps低速光接口、640Mbps高速光接口和通信接口板；
通信接口板，用于连接所述中心联锁设备和远程IO节点。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述远程通信单元内包括：
光电转换模块，用于实现数据的光电/电光转换；
接口芯片，用于与光电转换模块之间收发数据；
分接复用单元，用于将来自接口芯片的数据分接，或将通信接口板的数据复用后发送至接口芯片。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述中心联锁设备连接一个以上的远程IO节点，所述远程通信单元内还包括：数据截取子单元，用于将所述接口芯片收到的数据中，获取和预定标识相同的数据，或将所述接口芯片发出的数据，加入各个数据所归属的远程IO节点的标识。
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