CN103386994A - 基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，包括：数据通信系统DCS、列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS；所述列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS通过数据通信系统DCS系统实现网络连接。本发明有利于克服CBTC系统所特有的“网络风暴”影响，有利于解决车地无线通信的安全性问题，有利于统一CBTC系统的人机接口，提高紧急情况下的系统间联动效率，增强了系统的易维护性，提供了完善的网络化运营方案。

Description

基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统（IntelligentTransport System for Urban Railway，简称ITS-UR），这种系统以其人性化、智能化、网络化的特点更好地满足了城市轨道交通的需要。属于智能交通安全控制技术领域。

背景技术

近几年来，国内城市轨道交通新建和改造项目普遍采用“基于通信的列车控制系统（CBTC）”作为城市轨道交通智能控制系统领域的主要制式。CBTC系统具有两种制式：采用轨间电缆作为传输通道的CBTC（称为IL CBTC）及采用无线数据传输通信的CBTC（称为RF CBTC），鉴于IL CBTC的电缆易于被盗，且不利于线路养护，所以RF CBTC便成为了主要的CBTC制式。虽然RF CBTC系统在国内已经有了成功案例，能够实现移动闭塞，提高系统运营间隔，有助于各个线路间实现互联互通，但是现有的RF CBTC系统也存在着缺陷：

1）采用移动闭塞制式，增大了车地设备间的通信量，容易给骨干网络造成冲击，形成突发的“网络风暴”，从而引起控制中心设备与轨旁设备、车载设备的通信延迟乃至中断；

2）车地无线通信采用IEEE标准协议，增加了外界侵入系统的风险；

3）各供应商之间人机接口不统一，操作不方便；

4）系统智能化程度有待提高，与外部系统联动较少，不利于紧急情况下的综合形势判断和事故处理；

5）维护措施散乱，未能提供统一的维护管理系统，不能及时有效地收集故障信息；

6）现在，不少城市的轨道交通系统的运营实体正逐步从单一线路模式转变为网络化线路模式，而CBTC系统还只是停留在单线的设计、施工和维护。

鉴于以上情况，本发明在RF CBTC系统的系统结构、组成、功能、信息传输等技术要求基础上，提供一种能够实现车地安全通信的人性化、智能化、网络化的城市轨道交通智能控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种，它可以。为此，本发明还要提供一种。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，包括：数据通信系统DCS、列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS；所述列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS通过数据通信系统DCS系统实现网络连接。

本发明的有益效果在于：有利于克服CBTC系统所特有的“网络风暴”影响，有利于解决车地无线通信的安全性问题，有利于统一CBTC系统的人机接口，提高紧急情况下的系统间联动效率，增强了系统的易维护性，提供了完善的网络化运营方案。

涉及安全系统的通信均需要通过冗余安全网关的加密解密，即完成两个系统之间的通信至少需要两组冗余安全网关；在光纤骨干网和接入点局域网中的安全通信数据都加密，所述涉及安全系统的通信，是指通信双方至少有一方是列车自动防护系统ATP和/或列车自动运行系统ATO和/或列车无人驾驶系统DTO系统。

涉及非安全系统的通信均需要通过冗余防火墙的过滤，在中心局域网、本地局域网、光纤骨干网以及接入点局域网中的非安全通信数据是明文的，所述涉及非安全系统的通信，是指通信双方都必须是非安全系统，包括：列车自动监控系统ATS、维护管理系统MMS以及各类外部系统。

数据通信系统DCS系统所包括的冗余的证书服务器通过SCEP协议向所有的安全网关定期更新电子证书，保证安全网关活动的有效性。

数据通信系统DCS系统所包括的接入点布置在线路轨道两旁，单个接入点故障时，相邻接入点的无线信号可以覆盖该接入点，根据曲率半径和坡度的不同，接入点之间距离会相应变化，接入点具有二层交换功能，连接成接入点局域网。

列车自动监控系统ATS系统包括的COCC同时监督一个城市中的多条线路，集中管理轨道交通运营，协调紧急事故处理和应急联动；COCC对各条线路具体运营事务只监不控，可以实现线路间的信息共享，还可以汇总各线路客流数据。

列车自动监控系统ATS系统所包括的列车自动监控系统BC-ATS是在提供COCC的基础上而外加的后备中心，其功能和配置与列车自动监控系统C-ATS相同。

列车自动监控系统ATS系统中，列车自动监控系统C-ATS终端和列车自动监控系统L-ATS终端提供统一的人机接口。

列车自动监控系统ATS系统提供的站台乘客指示系统，通过数据通信系统DCS中的接入点局域网、光纤骨干网、防火墙1和2连接到列车自动监控系统C-ATS服务器，用于显示当前站台的在一定时间内预计到达列车的信息，包括预计到达时间、终点站等。

列车自动监控系统ATS系统具备三级控制功能，列车自动监控系统C-ATS服务器是正常情况下负责处理来自列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO系统的通信数据，列车自动监控系统C-ATS终端和列车自动监控系统L-ATS终端均与列车自动监控系统C-ATS服务器通信，获取线路状态信息，列车自动监控系统L-ATS服务器只是起备份作用；当列车自动监控系统C-ATS服务器故障时，各个区域的列车自动监控系统L-ATS服务器自动激活，负责处理各自区域的列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO系统的通信数据，列车自动监控系统C-ATS终端此时失去作用，列车自动监控系统L-ATS终端则与列车自动监控系统L-ATS服务器建立连接，获取当前区域的状态信息；当列车自动监控系统C-ATS服务器和列车自动监控系统L-ATS服务器均发生故障时，人工切换，然后L-ECWS就可以通过本地局域网与列车自动防护系统L-ATP相连，进行行车控制。

列车自动防护系统ATP系统中，列车自动防护系统C-ATP可以配置移动授权计算设备，该设备与列车自动防护系统L-ATP的移动授权计算设备不能共存。

列车自动防护系统ATP系统中，列车自动防护系统C-ATP配置中心紧急停车系统，帮助中心调度员紧急停车，该系统激活时，全线列车均紧急停车。

列车自动防护系统ATP系统中，列车自动防护系统L-ATP移动授权计算具有CBTC和后备两种模式，CBTC模式提供移动闭塞制式；后备模式提供固定闭塞制式，运行间隔相对较大，对于这两种模式，可以根据运营需要通过列车自动监控系统ATS终端进行切换。

列车自动运行系统ATO系统包括的列车乘客指示系统与多种速度曲线相连接，通知车厢内乘客，列车即将到站信息、开门信息。

列车无人驾驶系统DTO系统所包括无人驾驶发车与列车自动运行系统ATO连接，将自动发车命令下发到列车牵引控制。

列车无人驾驶系统DTO系统所包括无人驾驶折返与列车自动运行系统ATO连接，将司机室换端和自动发车命令下发到列车牵引控制。

列车无人驾驶系统DTO系统所包括列车乘客紧急停车系统通过列车自动运行系统ATO与列车自动防护系统V-ATP连接，为车厢内的乘客提供一个人机接口，在紧急情况下激活该功能停车。

列车无人驾驶系统DTO系统所包括全自动车辆段行车控制是对轨旁车辆段的要求，列车无人驾驶系统DTO通过与车辆段行车控制系统的通信连接，获取车辆段内自动驾驶的许可，保证列车的进入和退出运营。

维护管理系统MMS系统包括中心维护管理系统C-MMS、本地维护管理系统L-MMS、车载维护管理系统V-MMS；中心维护管理系统C-MMS系统包括维护管理系统C-MMS服务器、维护管理系统C-MMS终端、维护管理系统C-MMS数据库、数据记录器、备份服务器、轨旁二线维护、车载二线维护、网络管理终端、仿真服务器、仿真终端；本地维护管理系统L-MMS系统包括维护管理系统L-MMS服务器、维护管理系统L-MMS终端、数据采集系统、数据记录器、轨旁一线维护；车载维护管理系统V-MMS系统包括运行记录仪、车载一线维护。

维护管理系统MMS系统中，维护管理系统C-MMS服务器通过数据通信系统DCS的防火墙1和2与维护管理系统L-MMS连接，汇总和整理各个区域维护管理系统L-MMS的实时报警信息和轨旁关键设备信息。

维护管理系统MMS系统中，维护管理系统C-MMS数据记录器通过中心局域网侦听并存储该网络内所有设备通信数据；维护管理系统L-MMS数据记录器通过本地局域网侦听并存储该网络内的所有设备通信数据。

维护管理系统MMS系统中，备份数据库通过中心局域网与维护管理系统C-MMS数据记录器连接，获取该设备存储的中心局域网数据包；通过数据通信系统DCS的骨干网交换机与维护管理系统L-MMS数据记录器连接，获取该设备存储的本地局域网数据包。

维护管理系统MMS系统中，网络管理终端连接在中心局域网，并通过安全网关1和2、防火墙1和2连接到C-数据通信系统DCS外部的其他IP设备，从而实现对所有IP设备的监控。

维护管理系统MMS系统中，仿真服务器通过中心局域网与列车自动监控系统C-ATS服务器连接，进行在线仿真；仿真终端与仿真服务器连接。

维护管理系统MMS系统中，运行记录仪与列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO直接相连，获取车载设备运行数据，并可以通过数据通信系统DCS网络将数据传送到维护管理系统C-MMS服务器。

维护管理系统MMS系统中，轨旁一线维护系统属于可移动设备，配有列车自动防护系统L-ATP诊断软件，当列车自动防护系统L-ATP异常时，用于发现故障源；轨旁二线维护系统采用完整的列车自动防护系统L-ATP设备，将列车自动防护系统L-ATP故障部件放入后，运行测试脚本，检验故障部件的故障位置。

维护管理系统MMS系统中，车载一线维护系统属于可移动设备，配有列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO诊断软件，当车载设备异常，发现故障源；车载二线维护系统采用完整的列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO设备，将故障部件放入后，运行测试脚本，检验故障部件的故障位置。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的ITS-UR系统结构示意图；

图2为本发明的数据通信系统DCS系统结构示意图；

图3为本发明的列车自动监控系统ATS系统结构示意图；

图4为本发明的列车自动防护系统ATP系统结构示意图；

图5为本发明的列车自动运行系统ATO/列车无人驾驶系统DTO系统结构示意图；

图6为本发明的维护管理系统MMS系统结构示意图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，在CBTC系统技术基础上提出一种能够实现车地安全通信的人性化、智能化、网络化的城市轨道交通智能控制系统。

基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统按照功能来进行划分有数据通信系统（Data Communication System，简称数据通信系统DCS）、列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称列车自动监控系统ATS）、列车自动防护系统（Automatic Train Protection，简称列车自动防护系统ATP）、列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称列车自动运行系统ATO）、列车无人驾驶系统（Driverless Train Operation，简称列车无人驾驶系统DTO）、维护管理系统（Maintenance Management System，简称维护管理系统MMS）。数据通信系统DCS系统包括多种网络，负责系统内部各设备之间以及系统内部与外部之间的通信管理，并提供了通信安全保障机制。列车自动监控系统ATS系统不仅具有基本的列车自动监控功能，还具有与外部系统联动的机制。列车自动防护系统ATP/列车自动运行系统ATO/列车无人驾驶系统DTO系统是整个ITS-UR系统的功能核心，实现了列车安全、舒适、快捷、高效地运行。维护管理系统MMS系统可以在线监测系统关键设备和记录系统运行数据，并提供强大的人机接口，满足维护人员的需要。

ITS-UR系统所述的数据通信系统DCS系统包括：中心C-数据通信系统DCS、本地L-数据通信系统DCS、轨旁W-数据通信系统DCS、车载V-数据通信系统DCS。中心C-数据通信系统DCS系统包括冗余的证书服务器、冗余的安全网关、冗余的防火墙、冗余的交换机。C-数据通信系统DCS提供了中心设备的网络接入功能，具有安全证书的管理功能，并负责与外部系统的通信。本地L-数据通信系统DCS系统包括冗余的安全网关、冗余的交换机。L-数据通信系统DCS提供了本地设备的网络接入功能。轨旁W-数据通信系统DCS系统包括光纤骨干网、接入点、接入点局域网。W-数据通信系统DCS提供了骨干网络和无线网络，将C-数据通信系统DCS、L-数据通信系统DCS、V-数据通信系统DCS连接来。车载V-数据通信系统DCS系统包括接入点和安全网关。V-数据通信系统DCS提供了车载设备的网络接入功能。

所述的列车自动监控系统ATS系统包括：网络运营中心COCC、中心列车自动监控系统C-ATS、本地列车自动监控系统L-ATS、轨旁W-列车自动监控系统ATS、后备中心B列车自动监控系统C-ATS。网络运营中心COCC系统包括COCC服务器、COCC终端、COCC数据库、COCC大屏幕。COCC是实现城市轨道交通运营网络化的核心，当一个城市中的线路较多时，往往选择建设COCC，集中管理线路运营，协调紧急事故处理和应急联动。COCC原则上对各条线路具体运营事务只监不控，但是可以实现线路间的信息共享，还可以汇总各线路客流数据，便于向市民提供出行参考。中心列车自动监控系统C-ATS系统包括列车自动监控系统C-ATS服务器、列车自动监控系统C-ATS终端、列车自动监控系统C-ATS数据库、列车自动监控系统C-ATS大屏幕、时刻表编辑器。列车自动监控系统C-ATS负责某条线路的列车运营管理，收集和处理来自列车自动监控系统L-ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO的数据，实现本地、轨旁、车载设备的监督与控制。列车自动监控系统C-ATS还可以提供线路内各系统之间的应急联动。本地列车自动监控系统L-ATS系统包括列车自动监控系统L-ATS服务器、列车自动监控系统L-ATS终端、L-ECWS。列车自动监控系统L-ATS负责一条线路中一个区域（若干连续的车站组成的一段线路）的列车运营管理，也可以实现与列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO的通信。正常情况下，列车自动监控系统L-ATS只负责区域的监督，但是，当发生“网络风暴”时，本地与中心通信中断，列车自动监控系统L-ATS可以在第一时间自动接管所在区域的控制权，对过往列车的运行实时监控。轨旁W-列车自动监控系统ATS系统包括站台司机指示系统、站台乘客指示系统。W-列车自动监控系统ATS是列车自动监控系统ATS中不可或缺的组成部分，在站台为司机和乘客分别提供了人机界面，告知列车当前和未来的运行信息，从而可以指导司机发车时机和引导乘客候车。后备中心B列车自动监控系统C-ATS系统包括B列车自动监控系统C-ATS服务器、B列车自动监控系统C-ATS终端、B列车自动监控系统CATS数据库、B列车自动监控系统C-ATS大屏幕、时刻表编辑器。B列车自动监控系统C-ATS是列车自动监控系统C-ATS的一个后备系统，当列车自动监控系统C-ATS发生故障时，B列车自动监控系统C-ATS可以即时自动接管线路设备，保证正常的列车运营。

所述的列车自动防护系统ATP系统包括：中心列车自动防护系统C-ATP、本地列车自动防护系统L-ATP、车载列车自动防护系统V-ATP。中心列车自动防护系统C-ATP系统包括移动授权计算、中心紧急停车系统。列车自动防护系统C-ATP是安全等级SIL4的系统，负责计算线路上所有列车的授权移动的安全距离，并发送给列车自动防护系统V-ATP。列车自动防护系统C-ATP还提供紧急停车系统，当发生紧急情况时，中心操作员可以选择激活该功能，从而使线路上的所有列车都停止运行。本地列车自动防护系统L-ATP系统包括移动授权计算、列车位置检测、轨旁道岔控制、轨旁行车指示系统、站台屏蔽门控制、站台乘客紧急停车系统。列车自动防护系统L-ATP也是SIL4的系统，负责计算一个区域内的所有列车的授权移动的安全距离，不同于列车自动防护系统C-ATP，列车自动防护系统L-ATP与线路上的实际设备相连接，根据移动授权计算的结果，控制道岔、信号机等。列车自动防护系统L-ATP具有CBTC和后备两种模式，CBTC模式可以提供移动闭塞的行车方式，而后备模式则提供固定闭塞的行车方式。列车自动防护系统L-ATP也提供紧急停车系统，本地操作员通过它使当前区域的列车停止运行。车载列车自动防护系统V-ATP系统包括：超速防护、列车定位系统、测速测距系统、列车方向控制、列车车门控制、列车紧急制动控制。列车自动防护系统V-ATP可以接收列车自动防护系统C-ATP或列车自动防护系统L-ATP发送的授权移动的安全距离，然后综合列车当前状态，计算出列车运行所需的最大速度。列车自动防护系统V-ATP中的紧急制动控制有两个功能，一方面为司机提供紧急制动系统，帮助司机停下当前列车；另一方面，列车自动防护系统V-ATP中超速防护也会自动触发紧急制动，当列车超过最大速度后，列车自动防护系统V-ATP的紧急制动激活，使列车停车。

所述的列车自动运行系统ATO系统包括：多种速度曲线、列车牵引控制、列车常用制动控制、列车行车指示系统、列车乘客指示系统。列车自动运行系统ATO属于车载设备，在列车自动防护系统ATP系统的基础上，根据不同的要求，提供多种辅助列车运行的速度曲线，并在这些曲线的控制下，自动驾驶列车，实现了车载设备人机界面，辅助司机控制列车。列车自动运行系统ATO中的列车发车需要人工检查及确认。列车自动运行系统ATO还可以实现列车乘客指示系统，通知乘客列车当前位置、列车预计到达的车站，以及列车的终点站。

所述的列车无人驾驶系统DTO系统包括：无人驾驶发车、无人驾驶折返、列车乘客紧急停车系统、全自动车辆段行车控制。列车无人驾驶系统DTO是城市轨道交通智能控制系统中最高级的功能，属于车载设备，在列车自动运行系统ATO系统的基础上，实现无人驾驶发车和无人驾驶折返，需要全自动车辆段的支持，列车从夜间停车的车辆段开始就可以无人值守运行到载客线路。列车无人驾驶系统DTO还提供了列车乘客紧急停车系统，由于司机驾驶室与乘客车厢是隔离的，该系统可以帮助乘客在紧急情况下阻止列车运行。

所述的维护管理系统MMS系统包括：中心维护管理系统C-MMS、本地维护管理系统L-MMS、车载维护管理系统V-MMS。中心维护管理系统C-MMS系统包括维护管理系统C-MMS服务器、维护管理系统C-MMS终端、维护管理系统C-MMS数据库、数据记录器、备份服务器、轨旁二线维护、车载二线维护、网络管理终端、仿真服务器、仿真终端。维护管理系统C-MMS主要负责收集、梳理和存储整个系统的运行数据，包括程序日志、系统报警、运营回放、网络数据包、关键设备在线检测数据等。维护管理系统C-MMS具有设备二线维护能力，可以确认设备的板级故障。维护管理系统C-MMS也具有数据通信系统DCS网络管理功能，监督所有IP设备的工作状态。维护管理系统C-MMS还提供了完善的培训设施，有在线和离线两种方式，模拟现场设备正常状态和故障状态，帮助操作人员和维护人员快速掌握工作内容。本地维护管理系统L-MMS系统包括维护管理系统L-MMS服务器、维护管理系统L-MMS终端、数据采集系统、数据记录器、轨旁一线维护。维护管理系统L-MMS主要是收集和整理某区域的运行数据，并汇总到维护管理系统C-MMS。维护管理系统L-MMS提供安全设备的一级维护手段，便于及时处理现场发生的故障，尽快恢复设备运行。车载维护管理系统V-MMS系统包括运行记录仪、车载一线维护。维护管理系统V-MMS实现“黑匣子”的功能，记录车载设备运行状态数据，同时提供一线维护手段，及时处理现场故障。

（1）有利于克服CBTC系统所特有的“网络风暴”影响

目前已开通运营的城市轨道交通CBTC线路都或多或少地碰到过通信网络传输问题，轻者是通信延迟导致信息重发，重者则是发生“网络风暴”导致通信中断，ITS-UR在反复的工程实践中，提出了应对通信网络传输问题的解决方案，确立了“控制降级—网管分析—逐段遏制”的网络故障处理机制。

（2）有利于解决车地无线通信的安全性问题

由于在整个线路的运输通道上都布置了基于IEEE标准协议的无线网络，CBTC系统天然就具有安全隐患，一个攻击者在乘坐地铁时便可以通过线路上的无线网络从容地进行攻击。ITS-UR从OSI模型入手，分别对物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层设计了不同的安全措施，从理论和工程实践上解决了无线通信的安全性问题。

（3）有利于统一CBTC系统的人机接口

ITS-UR在中心和车站的控制室提供了统一的人机界面，彻底改变了传统列车控制系统的操作理念，使得中心和车站的值班员具备了同样的操作视野，从而实现了真正的分布式控制。此外，ITS-UR从人性化设计的角度出发，全面分析了调度员、值班员、司机、乘客的需求，整合了中心、车站、站台、列车、车辆段/停车场的人机接口设计，从而提高了整个系统的可用性。

（4）智能化——提高紧急情况下的系统间联动效率

ITS-UR突破了传统列车控制系统的单一性，加强了线路内部各个系统之间的联系，实现了楼宇报警系统、火警消防系统、无线对讲系统、牵引供电系统、智能电源系统、主时钟系统与ITS-UR的联动机制，提高了系统的智能化程度，极大地方便了行车指挥人员的日常工作。

（5）增强了系统的易维护性

ITS-UR在CBTC原有维护设备的基础，融合传统列车控制系统的维护需求，加以整合创新，设计出了系统化、方便、实用的以信息技术为基础的维护管理系统，极大地增强了系统的易维护性。

（6）提供了完善的网络化运营方案

随着全国兴起城市轨道交通建设之风，每个城市都会规划多条线路，结合上海、北京多年的运营经验，网络化运营的概念被逐步推到前台，成为城市交通大融合需求中不可或缺的重要功能。基于多年轨道交通行业的设计和施工经验，ITS-UR提出了完备的网络化运营方案，在提供单一线路控制中心的同时，也会提供网络运营中心，统一管理各条线路运营数据。此外，针对近些年来“反恐袭击”的需求，ITS-UR也提出了后备中心的概念，避免网络运营中心的集中化所带来的安全风险。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统ITS-UR是以互联互通的CBTC系统为基础，融合传统列车控制系统优点，兼具人性化、智能化、网络化特点的新型智能交通控制系统。如图1所示，ITS-UR由数据通信系统DCS、列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS系统共同组成，数据通信系统DCS是加入安全设计的基于IEEE标准的数据通信系统，作为整个系统的数据传输网络，肩负起连接所有系统的重要功能。特别说明，图1中的列车无人驾驶系统DTO系统使用了虚线框，这主要考虑到列车无人驾驶系统DTO系统并不是每个具体项目的客户都会需要的系统。

在图2所示的数据通信系统DCS系统的结构中，数据通信系统DCS系统包括C-数据通信系统DCS、L-数据通信系统DCS、W-数据通信系统DCS、V-数据通信系统DCS四个子系统。在C-数据通信系统DCS中，交换机1和交换机2支持VLAN功能和STP/RSTP协议，通过冗余机制构成总线型中心局域网，位于中心的所有设备都会连接到中心局域网。安全网关1和安全网关2采用大容量的专业通信VPN设备，实现IPsec和IKE协议，通过冗余机制构成C-数据通信系统DCS的安全数据的网关，并与W-数据通信系统DCS的骨干网交换机1和2连接，与ITS-UR其他设备通信。向C-数据通信系统DCS外部发送的所有安全通信数据都会经过安全网关1和安全网关2的加密，从C-数据通信系统DCS外部接收的所有安全通信数据都会经过安全网关1和安全网关2的解密。防火墙1和防火墙2也采用冗余机制，一方面，对外部系统与ITS-UR的通信数据进行过滤，另一方面，对ITS-UR系统内部的非安全通信数据进行过滤。外部系统包括楼宇报警系统、火警消防系统、无线对讲系统、牵引供电系统、智能电源系统、主时钟系统。证书服务器1和证书服务器2基于Windows操作系统，采用SCEP协议，通过冗余机制，连接到中心局域网，并向C-数据通信系统DCS中的安全网关1和2发布证书，进而通过W-数据通信系统DCS将证书分发到位于L-数据通信系统DCS的安全网关3和4，以及位于V-数据通信系统DCS的安全网关5和6。在L-数据通信系统DCS中，交换机3和4也支持VLAN和STP/RSTP，通过冗余机制构成总线型本地局域网，位于本地的所有设备都会连接到本地局域网。安全网关3和4的功能和配置与安全网关1和2相同，作为L-数据通信系统DCS的数据网关，并与W-数据通信系统DCS的骨干网交换机5和6连接，与ITS-UR其他设备通信。L-数据通信系统DCS仅指一个区域的数据通信系统DCS配置，一条线路中往往有多个区域，每个区域的L-数据通信系统DCS配置相同。在W-数据通信系统DCS中，骨干网交换机1、2、3、4、5、6、7、8构成了环型光纤骨干网。接入点1、2和3布置在线路轨道两旁，总的原则是保证单个接入点故障时，相邻接入点的无线信号可以覆盖该接入点，根据曲率半径和坡度的不同，接入点之间距离会相应变化。一条线路往往有几十公里，轨旁接入点的数量会有几百个，这里的1、2、3只是举例示意。接入点1、2、3具有二层交换功能，连接成接入点局域网，并通过骨干网7和8，连接到光纤骨干网。接入点1、2、3具有无线信号发射和接收功能，采用IEEE 802.11系列协议与V-数据通信系统DCS中的接入点4和5建立通信连接。在V-数据通信系统DCS中，接入点4和安全网关5布置在列车其中一个车头，而接入点5和安全网关6会布置在另外一个车头。接入点4和5也具有无线信号发射和接收功能，并通过二层交换技术连接到安全网关5和6。安全网关5和6的功能和配置与安全网关1和2相同。V-数据通信系统DCS没有车载局域网，列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO系统都是直接通过安全网关5、6和接入点4、5连接到W-数据通信系统DCS。

在图3所示的列车自动监控系统ATS系统的结构中，列车自动监控系统ATS系统包括COCC、列车自动监控系统C-ATS、列车自动监控系统L-ATS、W-列车自动监控系统ATS、B列车自动监控系统C-ATS。在COCC中，COCC服务器负责收集和处理各条线路汇总而来的数据；COCC终端则提供了COCC的人机接口；COCC数据库用于存储各个线路发送来的数据，便于即时查询和事后故障分析等。COCC大屏幕是COCC系统的重要组成部分，用于显示一个城市所有线路的运营状态，包括车站、列车、关键线路设备等。在列车自动监控系统C-ATS中，列车自动监控系统C-ATS服务器通过数据通信系统DCS中的防火墙1、2与列车自动监控系统L-ATS建立通信，实现中控和站控的转换，当列车自动监控系统C-ATS服务器故障时，各个区域的列车自动监控系统L-ATS服务器会自动激活，接管各自区域的控制权；通过数据通信系统DCS中的安全网关1、2、3、4的加密解密功能，与列车自动防护系统L-ATP建立通信，监控列车自动防护系统L-ATP设备状态；通过数据通信系统DCS中的安全网关1、2、5、6的加密解密功能，与列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO建立通信，监控车载设备状态；通过数据通信系统DCS中的防火墙1和2与外部系统通信，实现线路内部各系统间的联动。列车自动监控系统C-ATS终端从列车自动监控系统C-ATS服务器获取线路状态数据，实现列车自动监控系统C-ATS的人机接口，可以显示线路状态和发送操作员命令。列车自动监控系统C-ATS数据库与列车自动监控系统C-ATS服务器相连，通过商业数据库Oracle或SQLserver存储报警、实际时刻表等内容；与列车自动监控系统C-ATS终端相连，支持操作员的数据查询和显示。列车自动监控系统C-ATS时刻表编辑器实现城市轨道交通运营线路的时刻表的离线编制，与列车自动监控系统C-ATS服务器相连，将完成的计划时刻表传送到列车自动监控系统C-ATS服务器。列车自动监控系统C-ATS大屏幕与列车自动监控系统C-ATS服务器相连，以线路纵览的方式显示系统运营状态。在列车自动监控系统L-ATS中，列车自动监控系统L-ATS服务器通过本地局域网与列车自动防护系统L-ATP相连，监控线路上的安全设备。由于列车自动监控系统L-ATS服务器与列车自动防护系统L-ATP的通信连接比较可靠，所以当出现紧急情况时，操作员往往选择从中控切换到站控，从而通过列车自动监控系统L-ATS直接控制列车自动防护系统L-ATP。列车自动监控系统L-ATS终端为当前区域的控制提供了人机接口，在正常情况下与列车自动监控系统C-ATS服务器连接，可以获取全线的运营状态，当列车自动监控系统C-ATS服务器故障时，也可以与列车自动监控系统L-ATS服务器连接，获取当前区域的运营状态。L-ECWS提供了紧急情况下的控制功能，在正常情况下处于冷备状态，当列车自动监控系统C-ATS服务器和列车自动监控系统L-ATS服务器均发生故障时，需要本地操作员人工切换，然后L-ECWS就可以通过本地局域网与列车自动防护系统L-ATP相连，进行最基本的行车控制。在W-列车自动监控系统ATS中，站台乘客指示系统通过数据通信系统DCS中的接入点局域网、光纤骨干网、防火墙1和2连接到列车自动监控系统C-ATS服务器，获取当前站台的在一定时间内预计到达列车的信息，包括预计到达时间、终点站等；站台司机指示系统也是通过数据通信系统DCS中的接入点局域网、光纤骨干网、防火墙1和2连接到列车自动监控系统C-ATS服务器，获取当前列车的停站倒计时时间，还可以指示跳停、扣车等信息。B列车自动监控系统C-ATS中的设备连接和功能与列车自动监控系统C-ATS相同。

在图4所示的列车自动防护系统ATP系统的结构中，列车自动防护系统ATP系统包括列车自动防护系统C-ATP、列车自动防护系统L-ATP、列车自动防护系统V-ATP。在列车自动防护系统C-ATP中，列车自动防护系统C-ATP移动授权计算采用2乘2取2或3取2安全计算机，一方面与列车自动监控系统C-ATS连接，接收操作员命令，另一方面与列车自动防护系统L-ATP连接，接收列车当前位置以及线路设备状态，从而计算出线路上每列车的可安全移动的距离。中心紧急停车系统则与列车自动防护系统C-ATP相连，在中心操作员工作台前提供人机接口，从而触发全线紧急停车。在列车自动防护系统L-ATP中，列车自动防护系统L-ATP移动授权计算采用2乘2取2或3取2安全计算机，与列车自动监控系统C-ATS或列车自动监控系统L-ATS连接，接收操作员命令，还与列车位置检测系统、轨旁道岔控制、轨旁行车指示系统连接，获取列车当前位置以及线路设备状态，从而计算出当前区域中每列车的可安全移动的距离。列车自动防护系统L-ATP移动授权计算与列车自动防护系统C-ATP不可以共存，当实施低成本项目时，仅配置列车自动防护系统C-ATP移动授权计算，而实施高可用性项目时，则仅配置列车自动防护系统L-ATP移动授权计算。列车自动防护系统L-ATP移动授权计算具有CBTC和后备两种模式，CBTC模式提供移动闭塞制式，运行间隔小，行车密度大；后备模式提供固定闭塞制式，运行间隔相对较大，行车密度相对较小。对于这两种模式，操作员可以根据运营需要通过列车自动监控系统ATS终端人工进行切换。列车位置检测通过轨道电路或计轴检查当前区域中每个闭塞区段的状态，包括空闲、占用、故障。轨旁道岔控制负责将当前区域中的道岔扳动到定位或反位，还可以反应出道岔故障状态。轨旁行车指示系统提供了轨道两旁的行车指示信号机，通过改变信号机显示，指示司机行车。站台屏蔽门控制也是与列车自动防护系统L-ATP移动授权计算连接，控制当前区域的屏蔽门状态。站台乘客紧急停车系统也是与列车自动防护系统L-ATP移动授权计算连接，在本地控制室和站台上提供人机接口，从而触发当前车站的紧急停车。在列车自动防护系统V-ATP中，超速防护采用2乘2取2或3取2安全计算机，通过数据通信系统DCS中的安全网关5、6、3、4与列车自动防护系统L-ATP连接，或是通过数据通信系统DCS中的安全网关5、6、1、2与列车自动防护系统C-ATP连接，接收列车自动防护系统L-ATP或列车自动防护系统C-ATP发送的可安全移动的距离；与列车定位系统、测速测距系统、列车方向控制连接，获取列车当前状态，从而计算出最大允许速度；与列车紧急制动控制连接，当发生超速时，自动触发紧急制动。列车定位系统可以检测出列车在线路上当前所处的位置。测速测距系统则负责实时检测列车的速度、加速度以及行驶距离。列车方向控制则是检测列车运行方向。列车紧急制动控制除了接收超速防护的命令之外，还在司机驾驶室提供了人机接口，当出现紧急情况时，司机可以人工激活紧急制动停下列车。列车车门控制也是与超速防护连接，控制车门的状态。

在图5所示的列车自动运行系统ATO/列车无人驾驶系统DTO系统的结构中，列车自动运行系统ATO系统包括多种速度曲线、列车牵引控制、列车常用制动控制、列车行车指示系统、列车乘客指示系统。多种速度曲线采用2乘2取2或3取2安全计算机，与列车牵引控制和列车常用制动控制连接，根据预设不同曲线的不同速度要求，计算出列车当前所需的加速度，从而控制列车的牵引和制动；与列车自动防护系统V-ATP连接，接受列车自动防护系统V-ATP超速防护的监控。列车行车指示系统与多种速度曲线和列车自动防护系统V-ATP的超速防护相连接，在司机驾驶室提供了人机界面，显示列车当前模式、实际速度、最大允许速度等信息。列车乘客指示系统与多种速度曲线相连接，通知车厢内的乘客列车即将到站信息、开门信息等。列车无人驾驶系统DTO系统包括无人驾驶发车、无人驾驶折返、列车乘客紧急停车系统、全自动车辆段行车控制。无人驾驶发车与列车自动运行系统ATO连接，将自动发车命令下发到列车牵引控制。无人驾驶折返与列车自动运行系统ATO连接，将司机室换端和自动发车命令下发到列车牵引控制。列车乘客紧急停车系统通过列车自动运行系统ATO与列车自动防护系统V-ATP连接，为车厢内的乘客提供一个人机接口，在紧急情况下激活该功能停车。全自动车辆段行车控制是对轨旁车辆段的要求，列车无人驾驶系统DTO通过与车辆段行车控制系统的通信连接，获取车辆段内自动驾驶的许可，保证列车的进入和退出运营。列车无人驾驶系统DTO系统属于可配置范畴，如果项目用户没有相关要求，则可以不配置该系统。

在图6所示的维护管理系统MMS系统的结构中，在维护管理系统C-MMS中，维护管理系统C-MMS服务器通过与维护管理系统L-MMS服务器连接，汇总各个区域的实时报警信息；通过中心局域网与列车自动监控系统C-ATS服务器连接，获取系统运行实时信息并生成回放记录文件；通过中心局域网与维护管理系统C-MMS数据库连接，存储系统报警和实际时刻表，建立故障管理的时间基线；通过中心局域网与备份数据库连接，存储维护管理系统C-MMS中的回放文件、故障分析报告、轨旁关键设备信息；通过数据通信系统DCS的防火墙1和2与维护管理系统L-MMS连接，汇总和整理各个区域维护管理系统L-MMS的实时报警信息和轨旁关键设备信息。维护管理系统C-MMS终端提供了人机接口，通过与维护管理系统C-MMS服务器连接，实现实时报警信息显示、回放播放器以及轨旁关键设备监控；通过与维护管理系统C-MMS数据库连接，实现历史报警信息查询和实际时刻表查询功能。维护管理系统C-MMS数据库通过Oracle或SQLserver管理报警信息和实际时刻表。备份数据库通过中心局域网与维护管理系统C-MMS数据记录器连接，获取该设备存储的中心局域网数据包；通过数据通信系统DCS的骨干网交换机1、2、5、6与维护管理系统L-MMS数据记录器连接，获取该设备存储的本地局域网数据包。维护管理系统C-MMS数据记录器通过中心局域网侦听并存储该网络内所有设备通信数据。轨旁二线维护系统采用完整的列车自动防护系统L-ATP设备，将列车自动防护系统L-ATP故障部件放入后，运行自主开发的测试脚本，检验故障部件的故障位置。车载二线维护系统采用完整的列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO设备，使用方法同轨旁二线维护系统。网络管理终端基于Windows操作系统，采用支持SNMP协议的商用软件，连接在中心局域网，并通过安全网关1和2、防火墙1和2连接到C-数据通信系统DCS外部的其他IP设备，从而实现对所有IP设备健康状态的监控。仿真服务器基于Windows系统，采用纯软件方式模拟ITS-UR的运行，可以通过中心局域网与列车自动监控系统C-ATS服务器连接，进行在线仿真。仿真终端与仿真服务器连接，基于列车自动监控系统ATS终端实现了能够进行命令操作和故障模拟的人机接口。仿真服务器和仿真终端在实际项目中，有时会布置为培训中心，并增加更多的服务器和终端，满足大批量培训的需要。在维护管理系统L-MMS中，维护管理系统L-MMS服务器分别与列车自动监控系统L-ATS和列车自动防护系统L-ATP连接，获取当前区域的实时报警信息；通过与数据采集系统连接，获取当前区域轨道电路或计轴、道岔、信号机等设备的状态信息。维护管理系统L-MMS终端与维护管理系统L-MMS服务器连接，提供了维护管理系统L-MMS的人机接口。数据采集系统与列车自动防护系统L-ATP的列车位置检测、轨旁道岔控制以及轨旁行车指示系统直接连接，获取这些关键系统的运行状态。维护管理系统L-MMS数据记录器通过本地局域网侦听并存储该网络内的所有设备通信数据。轨旁一线维护系统属于可移动设备，配有列车自动防护系统L-ATP诊断软件，当列车自动防护系统L-ATP异常时，用于发现故障源。在维护管理系统V-MMS中，运行记录仪与列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO直接相连，获取车载设备运行数据，并可以通过数据通信系统DCS网络将数据传送到维护管理系统C-MMS服务器。车载一线维护系统属于可移动设备，配有列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO诊断软件，当车载设备异常，用于发现故障源。对于数据通信系统DCS在维护管理系统MMS系统中的应用，通常情况下，项目用户会要求使用独立的传输网络，包括一个独立的光线骨干网、接入点局域网、本地局域网、车载接入点，这些网络与上文中提及的网络统称为数据通信系统DCS网络。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。

Claims (17)

1.一种基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于，包括：数据通信系统DCS、列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS；所述列车自动监控系统ATS、列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO、维护管理系统MMS通过数据通信系统DCS系统实现网络连接。

2.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：涉及安全系统的通信均需要通过冗余安全网关的加密解密，即完成两个系统之间的通信至少需要两组冗余安全网关；在光纤骨干网和接入点局域网中的安全通信数据都加密，所述涉及安全系统的通信，是指通信双方至少有一方是列车自动防护系统ATP和/或列车自动运行系统ATO和/或列车无人驾驶系统DTO系统；涉及非安全系统的通信均需要通过冗余防火墙的过滤，在中心局域网、本地局域网、光纤骨干网以及接入点局域网中的非安全通信数据是明文的，所述涉及非安全系统的通信，是指通信双方都必须是非安全系统，包括：列车自动监控系统ATS、维护管理系统MMS以及各类外部系统。

3.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：数据通信系统DCS系统所包括的冗余的证书服务器通过SCEP协议向所有的安全网关定期更新电子证书，保证安全网关活动的有效性。

4.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动监控系统ATS系统包括的COCC同时监督一个城市中的多条线路，集中管理轨道交通运营，协调紧急事故处理和应急联动；COCC对各条线路具体运营事务只监不控，可以实现线路间的信息共享，还可以汇总各线路客流数据。在提供COCC的基础上还可以外加后备中心列车自动监控系统BCATS，其功能和配置与列车自动监控系统C-ATS相同。

5.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动监控系统ATS系统中，列车自动监控系统C-ATS终端、列车自动监控系统L-ATS终端以及列车自动监控系统L-ECWS提供统一的人机接口。

6.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动监控系统ATS系统提供的站台乘客指示系统，通过数据通信系统DCS中的接入点局域网、光纤骨干网、防火墙1和2连接到列车自动监控系统C-ATS服务器，用于显示当前站台的在一定时间内预计到达列车的信息，包括预计到达时间、终点站。

7.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动监控系统ATS系统具备三级控制功能，列车自动监控系统C-ATS服务器是正常情况下负责处理来自列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO系统的通信数据，列车自动监控系统C-ATS终端和列车自动监控系统L-ATS终端均与列车自动监控系统C-ATS服务器通信，获取线路状态信息，列车自动监控系统L-ATS服务器只是起备份作用；当列车自动监控系统C-ATS服务器故障时，各个区域的列车自动监控系统L-ATS服务器自动激活，负责处理各自区域的列车自动防护系统ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO系统的通信数据，列车自动监控系统C-ATS终端此时失去作用，列车自动监控系统L-ATS终端则与列车自动监控系统L-ATS服务器建立连接，获取当前区域的状态信息；当列车自动监控系统C-ATS服务器和列车自动监控系统L-ATS服务器均发生故障时，人工切换，然后L-ECWS就可以通过本地局域网与列车自动防护系统L-ATP相连，进行行车控制。

8.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动防护系统ATP系统中，列车自动防护系统C-ATP可以配置移动授权计算设备，该设备与列车自动防护系统L-ATP的移动授权计算设备不能共存。

9.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动防护系统ATP系统中，列车自动防护系统C-ATP配置中心紧急停车系统，帮助中心调度员紧急停车，该系统激活时，全线列车均紧急停车。

10.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车自动运行系统ATO系统包括的列车乘客指示系统与多种速度曲线相连接，通知车厢内乘客，列车即将到站信息、开门信息。

11.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车无人驾驶系统DTO系统所包括列车乘客紧急停车系统通过列车自动运行系统ATO与列车自动防护系统V-ATP连接，为车厢内的乘客提供一个人机接口，在紧急情况下激活该功能停车。

12.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：列车无人驾驶系统DTO系统所包括全自动车辆段行车控制是对轨旁车辆段的要求，列车无人驾驶系统DTO通过与车辆段行车控制系统的通信连接，获取车辆段内自动驾驶的许可，保证列车的进入和退出运营。

13.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：维护管理系统MMS系统包括中心维护管理系统C-MMS、本地维护管理系统L-MMS、车载维护管理系统V-MMS；中心维护管理系统C-MMS系统包括维护管理系统C-MMS服务器、维护管理系统C-MMS终端、维护管理系统C-MMS数据库、数据记录器、备份服务器、轨旁二线维护、车载二线维护、网络管理终端、仿真服务器、仿真终端；本地维护管理系统L-MMS系统包括维护管理系统L-MMS服务器、维护管理系统L-MMS终端、数据采集系统、数据记录器、轨旁一线维护；车载维护管理系统V-MMS系统包括运行记录仪、车载一线维护。

14.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：维护管理系统MMS系统中，维护管理系统C-MMS服务器通过数据通信系统DCS的防火墙1和2与维护管理系统L-MMS连接，汇总和整理各个区域维护管理系统L-MMS的实时报警信息和轨旁关键设备信息。

15.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：维护管理系统MMS系统中，维护管理系统C-MMS数据记录器通过中心局域网侦听并存储该网络内所有设备通信数据；维护管理系统L-MMS数据记录器通过本地局域网侦听并存储该网络内的所有设备通信数据。维护管理系统C-MMS数据记录器和维护管理系统L-MMS数据记录器所存储的通信数据，均可以通过数据通信系统DCS的骨干网交换机，转存到维护管理系统备份数据库。

16.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：维护管理系统MMS系统中，仿真服务器通过中心局域网与列车自动监控系统C-ATS服务器连接，进行在线仿真；仿真终端与仿真服务器连接。

17.根据权利要求1所述的基于安全通信的城市轨道交通智能控制系统，其特征在于：维护管理系统MMS系统中，运行记录仪与列车自动防护系统V-ATP、列车自动运行系统ATO、列车无人驾驶系统DTO直接相连，获取车载设备运行数据，并可以通过数据通信系统DCS网络将数据传送到维护管理系统C-MMS服务器。

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