CN112660203B - 一种车载信号设备的首尾冗余系统及其执行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种车载信号设备的首尾冗余系统及其执行方法，首尾冗余系统由首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备连接组成，车载ATP设备包括OBCU、数据处理单元和外部设备，OBCU和数据处理单元均直接与通信总线连接，外部设备与数据处理单元连接；执行方法为外部设备将数据发送给数据处理单元，数据处理单元处理后形成数据帧发送给OBCU，OBCU接收数据帧进行计算，根据计算结果发出命令至数据处理单元；数据处理单元将接收的命令转化为列车信号输出给列车；如有某个控制组件出现问题对应组件进行替换，本方案只采用一种通信总线，省去了列车两端之间大量的IO电缆和通信电缆，节约了成本也更便于检修和维护，实施性更强。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，特别涉及一种车载信号设备的首尾冗余系统及其执行方法。
背景技术
车载ATP系统主要功能是为监控列车运行速度和列车移动授权，车载ATP根据地面限速信息和移动授权信息，对列车速度和移动授权进行监控，当列车超速或越过移动授权终点时，车载ATP控制列车制动系统制动停车。
车载ATP系统要保证列车的安全运行的同时还要提高车载设备的可用性。目前，车载设备为了提高设备可用性，大多采用单端冗余方式，通常的车载ATP系统通过采用单端2乘2取2，或单端3取2的冗余方式。在这种冗余方式下，由于列车双端都采用双套设备，因此车载ATP系统成本高。由于列车尾端车载ATP处于待机状态，车载ATP设备利用率低。
《西门子信号系统车载设备头尾冗余功能简述》中介绍了一种头尾冗余车载设备信号系统车载设备，其设备是在列车两个车头各设有一整套独立的车载控制单元设备，将首尾输入信号单独贯通、首尾输出信号单端贯通、外部设备通信信号单独贯通，通过增加大量首尾贯通线缆（IO线缆和通信线缆），两端车载控制单元接受来自两个驾驶室的按钮、开关和接点的所有输入，前端车载计算机单元故障、测速电机故障、测速雷达故障、通信系统故障时，控车的所有信息链接到后端的车载计算机，后端车载计算机取得控制权。此种首尾冗余方案通过大量首尾贯通线缆来实现首尾冗余，成本高；其次，当贯通线缆出现故障时，故障排查困难，可维护性差；然后，由于列车首尾贯通线缆布线空间小，列车无法保证提供足够的首尾贯通线缆，方案实施困难。
《首尾完全冗余的列车自动驾驶系统研究》中介绍了一种首尾完全冗余的车载系统，通过首端OBCU和尾端OBCU连接在同一首尾的总线上，其余设备通过OBCU连接，首端OBCU和尾端OBCU通过交叉的方式分别控制首端的设备和尾端的设备，这种设置使得冗余程度低，设备数量增多，成本高且设备复用性差。
公开号CN109649443A中公开了一种城轨列车定位设备首尾冗余设计方法，列车的首尾两端分别安装一套BTM定位设备；列车首尾两端的车载ATP通过交互通道进行信息交互，利用交互信息，完成首尾两端时间分布和尾端定位，在首端BTM发生故障时，可以使用尾端定位信息维持自身定位。但该方法在实际操作中，由于BTM需要与车载OBCU时间系进行校时，从而保证列车位置校正的精确性。由于不能保证首端OBCU与尾端OBCU同时上电，首端OBCU与尾端OBCU的时间戳存在差异，若每一端安装一套BTM，可能会直接导致车载BTM校时失败，导致车载BTM死机或者列车位置校正精度降低。
发明内容
针对上述问题，本发明专利提出的一种车载信号设备的首尾冗余系统及其执行方法，基于首尾贯通总线的方式，将首尾的输入信号、输出信号、外部设备通信信息互传，相比西门子首尾冗余方式，本专利降低设备成本，提高了可维护性，降低了实施难度。
本发明提出了一种车载信号设备的首尾冗余系统，
所述首尾冗余系统主要由列车车头车尾两端分别设置的首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备组成，所述首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间通过通信总线进行连接；所述首端车载ATP和尾端车载ATP设备均包括数据处理单元、OBCU和外部设备；
其中，所述首端车载ATP设备或尾端车载ATP设备中，
所述外部设备，用于采集外部数据并将采集到的外部数据发送给数据处理单元，所述外部设备与数据处理单元连接；
所述数据处理单元，用于OBCU和外部设备之间数据的收发和处理，所述数据处理单元直接与通信总线连接，将接收到的外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给OBCU；
所述OBCU，用于接收来自外部设备信息计算线路允许速度和移动授权，所述OBCU接收到数据处理单元数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至数据处理单元，所述OBCU与通信总线连接；
所述数据处理单元，还用于将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车。
进一步地，所述数据处理单元包括输入板、输出板和通信转换板；
其中，
所述输入板，用于采集本端列车开关、按钮和节点的状态信息，并将其转换为数据帧发送到通信总线上，由OBCU接收；
所述输出板，用于将接收到的OBCU命令转化为列车信号输出给列车；
所述通信转换板，用于OBCU与各外部设备之间的数据交换和转发工作，作为数据处理单元与各个外部设备的接口。
进一步地，所述外部设备包括BTM、TCR、DMI和速度传感器；
其中，
所述BTM，用于接收地面应答器信息，并将所述地面应答器信息传送给通信转换板；
所述TCR，用于接收轨道电路信息，并将所述轨道电路信息传送给通信转换板；
所述DMI，用于将用户和所述首尾冗余系统之间的信息进行显示出来；
所述速度传感器：用于对列车的运行速度进行监测并将数据发送至通信转换板。
本发明还公开了一种执行所述系统首尾冗余的方法，
所述方法包括以下步骤：
首端外部设备和尾端外部设备均采集外部数据并将所述外部数据发送给各自连接的数据处理单元，所述首端外部设备和尾端外部设备均独立采集所述外部数据，如所述首端外部设备和尾端外部设备之一端的外部设备出现故障，另一端的相应设备立即替换；
所述首端外部设备和尾端外部设备分别设有与各自连接的所述数据处理单元对应的OBCU，所述数据处理单元将接收到的所述外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给对应的OBCU，所述首端外部设备和尾端外部设备各自的数据处理单元均处理数据，如有其中一端的数据处理单元出现故障，另一端的相应设备立即替换出现故障的所述数据处理单元；
所述OBCU接收到所述数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至对应的所述数据处理单元，首尾端OBCU均独立工作，如有其中一端OBCU出现故障，另一端的OBCU立即替换；
所述数据处理单元将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车。
进一步地，列车运行过程中采用首端OBCU-A监控列车运行，接收来自外部设备信息，计算线路允许速度和移动授权，尾端OBCU-B处于备用状态，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B通过通信总线进行信息交互，交互的内容包括：配置信息、当前驾驶模式。
进一步地，建立外部设备首尾冗余包括建立BTM首尾冗余、建立TCR首尾冗余和建立其它外部设备冗余。
进一步地，列车在运行过程中，采用首端数据处理单元进行OBCU和外部设备之间数据的收发和处理，所述首端数据处理单元和尾端数据处理单元通过通信总线进行信息交互。
进一步地，列车未进行换端或折返时，首端OBCU-A和尾端OBCU-B冗余具体按照以下流程进行：
列车开始正常运行，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，由所述首端OBCU-A控制输出，所述尾端OBCU-B不控制输出只作为一个备用单元；
①若所述首端OBCU-A不出现故障，则一直以所述首端OBCU-A为主控单元对列车的运行进行监控；
②若所述首端OBCU-A出现故障，所述首端OBCU-A通过通信总线将本端的故障状态发送给尾端OBCU-B，所述尾端OBCU-B获得首端OBCU-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，对列车进行监控，所述首端OBCU-A直接宕机；
此时由所述尾端OBCU-B监控列车运行，所述尾端OBCU-B通过通信总线获取首端输入板和首端通信转换板的输入数据，并根据该输入数据计算列车运行防护曲线监控列车运行；尾端OBCU-B将输出命令通过通信总线传输到首端输出板和首端通信转换板，首端输出板将上述命令转换为电平信号输出到列车外部接口，首端通信转换板则把从尾端OBCU-B获得的数据转换为相应的格式和通信制式发给首端的各个外部设备；
③若首端OBCU-A出现故障后，尾端OBCU-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态 。
进一步地，列车未进行换端时，BTM首尾冗余按照以下流程进行：
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个BTM均上电；
首端OBCU-A和首端BTM-A作为主用单元，首端OBCU-A同时与首端BTM-A和尾端BTM-A进行交互，首端OBCU-A同时监控首端BTM-A和尾端BTM-A，首端OBCU-A采用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权，尾端OBCU-B同时对首端BTM-B和尾端BTM-B的工作状态进行监控；
①若首端BTM-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权；
②若首端BTM-A出现故障，首端OBCU-A将首端BTM-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端BTM-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B进行主用状态后，进入备用状态；此时，使用尾端OBCU-B和首端BTM-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线和移动授权，同时首端OBCU-A监控尾端BTM-A；
③若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态；若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线和移动授权。
进一步地，
列车未进行换端时，TCR首尾冗余按照以下流程进行：
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个TCR均上电；
首端OBCU-A和首端TCR-A作为主用单元，首端OBCU-A同时与首端TCR-A和尾端TCR-A进行交互，首端OBCU-A同时监控首端TCR-A和尾端TCR-A，首端OBCU-A采用首端TCR-A读取的轨道电路信息，对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权，尾端OBCU-B同时对首端TCR-B和尾端TCR-B的工作状态进行监控；
①若首端TCR-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端TCR-A读取的轨道电路信息，根据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权；
②若首端TCR-A故障时，首端OBCU-A将首端TCR-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端TCR-A故障状态信号后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B进行主用状态后，进入备用状态；此时，使用尾端OBCU-B和首端TCR-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端TCR-B接收轨道电路信息，计算运行速度曲线和移动授权；
③若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态；若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端TCR-B读取轨道电路信息，计算运行速度曲线和移动授权。
进一步地，
列车进行正常换端，列车车载ATP设备均处于正常状态时，此时各车载ATP设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行，其余车载ATP设备处于备用状态；
换端后，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行，其余车载ATP设备处于备用状态。
进一步地，首端OBCU-A故障，尾端OBCU-B、首端和尾端BTM-A、首端和尾端BTM-B、首端和尾端TCR-A、首端和尾端TCR-B工作状态正常时，列车进行换端，
此时各车载ATP设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、首端BTM-B、首端TCR-B、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行。
进一步地，尾端OBCU-B故障，首端OBCU-A、首端BTM-A和尾端BTM-A、首端BTM-B和尾端BTM-B、首端TCR-A和尾端TCR-A、首端TCR-B和尾端TCR-B工作状态正常时列车进行换端，
此时各车载设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用首端OBCU-A、尾端BTM-A、尾端TCR-A、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其它外部设备作为主用单用，监控列车运行。
本发明的有益效果：
本发明车载ATP设备基于冗余的两组首尾贯通总线实现车载设备的首尾冗余，本方案采用MVB总线或者LAN总线，只采用一种总线，省去了列车两端之间大量的IO电缆和通信电缆，节约了成本的同时也更便于检修和维护，实施性更强；
本发明首尾两端车载ATP设备采用安全通信协议进行相互间数据传递，保证了通信的安全可靠；本发明系统在OBCU及外部设备故障、列车换端时能实现首尾ATP设备的自动无缝切换，提高了可用性和设备利用率。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明列车运行控制系统结构示意图；
图2示出了本发明实施例的OBCU的首尾冗余流程图；
图3示出了本发明实施例的BTM首尾冗余流程图；
图4示出了本发明实施例的TCR首尾冗余流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种车载信号设备的首尾冗余系统
请参照图1
所述系统主要由列车车头车尾两端分别设置的首端车载ATP（列车自动防护系统）设备和尾端车载ATP（列车自动防护系统）设备组成，首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间通过通信总线（例如高速以太网）进行连接，本方案采用MVB总线或者LAN总线，只采用一种通信总线。列车车载ATP设备主要包括车载主控单元（OBCU）、数据处理单元和外部设备，OBCU直接与通信总线相连接，数据处理单元也直接与通信总线连接，外部设备与数据处理单元连接。
车载主控单元（OBCU），用于接收来自外部设备的信息并计算线路允许速度和移动授权，对接收的数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至所述数据处理单元；
数据处理单元，用于首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间数据的整合和处理，实现首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间数据的共享；
外部设备，用于采集外部数据并将采集到的外部数据发送给所述数据处理单元，所述外部设备与数据处理单元连接；
所述数据处理单元包括输入板、输出板和通信转换板；
所述输入板，用于采集本端列车开关、按钮和节点的状态信息，并将其转换为数据帧发送到通信总线上，由OBCU接收；
所述输出板，用于将接收到的OBCU命令转化为列车信号输出给列车；
所述通信转换板，作为系统与各个外部设备的接口，用于OBCU与各外部设备之间的数据交换和转发工作，即通信转换板将外部设备发来的数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给OBCU，再将OBCU发来的数据帧转换成相应的格式发给各个外部设备。
所述外部设备通常包括速度传感器、BTM（应答器传输模块）、TCR（轨道电路信息读取单元）、DMI（人机显示单元 ）。
所述BTM（应答器传输模块），接收地面应答器信息，并将地面应答器信息传送给通信转换板；
所述TCR（轨道电路信息读取单元），接收轨道电路信息，并将轨道电路信息传送给通信转换板；
所述DMI（人机显示单元 ），用于将用户和首尾冗余系统之间的信息进行显示出来，将数据信息的计算机形式与人类可以接受形式之间进行转换；
所述速度传感器：对列车的运行速度进行监测并将数据发送至通信转换板。
列车首尾两端各设置一个OBCU、输入板、输出板和通信转换板，列车首尾两端分别设有两个BTM和TCR，其它外部设备设首尾两端各设置一个。
车载BTM/TCR用于车载信号设备的定位功能，车载BTM/TCR需要与车载OBCU时间系进行校时，从而保证列车位置校正的精确性。由于不能保证首端OBCU与尾端OBCU同时上电，首端OBCU与尾端OBCU的时间戳存在差异，若每一端安装一套的外部设备（BTM/TCR），可能会直接导致车载BTM/TCR校时失败，导致车载BTM/TCR死机或者列车位置校正精度降低。因此每一端安装两套外部设备（BTM/TCR），首端OBCU和尾端OBCU分别于其中一套车载BTM/TCR建立连接，进而保证车载BTM/TCR校时，保证列车位置校正的精确性。对于其他外部设备，由于不需要校时功能，所以采用每一端安装一套，首端OBCU和尾端OBCU同时与外部设备保持通信。
为方便后续阐述，此处对首尾两端的控制组件分别进行名称上的细分，文中所述首尾端均指未换端前的首端和尾端，采用司机驾驶端（未换端前，以下统称首端）为首端，而司机驾驶端的另一端（以下统称尾端）。记首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记为首端OBCU-A采集应答器数据的应答器传输模块为首端BTM-A，首端另一个应答器传输模块为首端BTM-B，尾端应答器传输模块为尾端BTM-B和尾端BTM-A；记为首端OBCU-A采集轨道电路信息的轨道电路信息读取单元为首端TCR-A，首端另一个轨道电路信息读取单元为首端TCR-B，尾端轨道电路信息读取单元为尾端TCR-B和尾端TCR-A；首端输出板，尾端输出板，首端输入板，尾端输入板，首端通信转换板，尾端通信转换板。
在列车运行过程中，每个OBCU与其中一个BTM保持通信连接，每个OBCU与其中一个TCR保持通信连接。采用首端车载ATP设备监控列车运行，尾端车载ATP车载设备处于备用状态。当首端车载ATP设备主控单元OBCU及部分外部设备发生故障时，将立即自动切换到尾端OBCU及继续监控列车运行。
车载ATP设备根据允许速度和移动授权，按照安全制动模型并考虑司机的可操作性、系统的可用性和列车运行效率，生成ATP防护曲线。
本发明还提供了一种执行首尾冗余的方法，所述方法包括以下步骤：
首尾端外部设备采集外部数据并将采集到的外部数据发送给数据处理单元，首尾端外部设备均独立采集外部数据，如有其中一端外部设备出现故障，另一端的相应设备立即替换；
数据处理单元将接收到的外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给OBCU，首尾端数据处理单元均处理数据，如有其中一端数据处理单元出现故障，另一端的相应设备立即替换；
OBCU接收到数据处理单元数据帧对系统逻辑判断和运行进行计算，并根据计算结果发出命令传送至数据处理单元，首尾端OBCU均独立工作，如有其中一端OBCU出现故障，另一端的OBCU立即替换；
数据处理单元将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车。
具体地，建立首尾冗余需建立以下车载设备的冗余：
（1）建立数据处理单元首尾冗余：通过贯穿列车首尾端的通信总线和安全通信协议，列车首尾两端各设置一套数据处理单元，所述数据处理单元用于OBCU和外部设备之间数据的收发和处理，所述首端车载ATP设备和所述尾端车载ATP设备之间进行数据信息的交互和共享；
共享的数据具体包括：
首尾两端输入板产生的数据，如列车开关、按钮、电气节点的状态等；
首尾两端OBCU输出的命令数据，如需要输出板输出的紧急制动命令等；
首尾两端通信转换板产生的外部设备输入数据，如接收到的速度脉冲信息、应答器报文信息等；
首尾两端OBCU发送给外部设备的通信数据，如DMI显示信息等。
首尾端OBCU亦可通过通信总线进行信息交互，交互的内容包括：配置信息、当前驾驶模式等。
（2）建立OBCU首尾冗余：列车首尾两端各设置一个OBCU，所述OBCU与通信总线连接，列车运行过程中采用首端OBCU-A监控列车运行，尾端OBCU-B处于备用状态；首端OBCU-A和尾端OBCU-B分别单独接收外部设备输入数据，单端OBCU根据各自的外部设备输入数据，单独监控外部设备状态，进行列车定位，并监控列车移动授权和计算紧急制动速度曲线，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B通过通信总线进行信息交互，交互的内容包括：配置信息、当前驾驶模式。
请参照图2，对OBCU首尾冗余流程分几种具体情况进行详细阐述
列车未进行换端或折返时，首端OBCU-A和尾端OBCU-B冗余具体按照以下流程进行：
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，由首端OBCU-A控制输出，尾端OBCU-B不控制输出只作为一个备用单元；
①若首端OBCU-A一直工作正常，则一直采用首端OBCU-A监控列车运行。
②若首端OBCU-A故障（例如紧急制动反馈异常）时，首端OBCU-A通过通信总线将本端的故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端OBCU-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，对列车进行监控，此时由尾端OBCU-B监控列车运行。尾端OBCU-B通过通信总线获取首端输入板和首端通信转换板的输入数据，并根据该输入数据计算列车运行防护曲线监控列车运行；尾端OBCU-B将输出命令通过通信总线传输到首端输出板和首端通信转换板，首端输出板将上述命令转换为电平信号输出到列车等外部接口，首端通信转换板则把从尾端OBCU-B获得的数据转换为相应的格式和通信制式发给首端的各个外部设备。
③若首端OBCU-A出现故障后，尾端OBCU-B也出现故障，则车载信号设备进入故障状态 。
表1是车载主控单元首端OBCU-A故障前后首尾冗余时各个单元主用状态
（3）建立外部设备首尾冗余：列车首尾两端分别设置两个BTM和两个TCR，其余外部设备首尾两端各设置一个，列车在运行过程中，采用首端外部设备采集数据将数据发送给首端OBCU-A。
建立外部设备首尾冗余具体包括建立BTM首尾冗余和建立TCR首尾冗余和其它外部设备冗余，下面分别对建立BTM首尾冗余和建立TCR首尾冗余进行阐述：
（3.1）建立BTM首尾冗余：列车每一端分别设置两个BTM设备。每个车载OBCU与其中一个BTM保持通信连接，列车在运行过程中，优先采用首端OBCU-A与首端BTM-A作为主用单元接收地面应答器数据，尾端OBCU-B和首端BTM-B处于备用状态；
OBCU-A同时与首端BTM-A和尾端BTM-A进行交互，OBCU-A获得首端BTM-A的应答器数据，OBCU-A使用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权，OBCU-A同时对首端BTM-A和尾端BTM-A的工作状态进行监控。
OBCU-B同时与首端BTM-B和尾端BTM-B进行交互，OBCU-B获得首端BTM-B的应答器数据，OBCU-B使用首端BTM-B的应答器数据，计算运行速度曲线和移动授权，OBCU-B同时对首端BTM-B和尾端BTM-B的工作状态进行监控。
请参照图3，
列车未进行换端时，BTM首尾冗余按照以下流程进行：
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个BTM均上电；
①若首端BTM-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线（MA）和移动授权；
②若首端BTM-A出现故障，首端OBCU-A将首端BTM-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端BTM-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B进行主用状态后，进入备用状态；此时，使用尾端OBCU-B和首端BTM-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线（MA）和移动授权，同时首端OBCU-A监控尾端BTM-A；
③若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B也出现故障，则车载信号设备进入故障状态；若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线（MA）和移动授权。
（3.2）建立TCR首尾冗余：列车每一端分别设置两个TCR设备。每个车载OBCU与其中一个TCR保持通信连接，列车在运行过程中，优先采用首端OBCU-A与首端TCR-A作为主用单元读取轨道电路信息，尾端OBCU-B和首端TCR-B处于备用状态；
OBCU-A同时与首端TCR-A和尾端TCR-A进行交互，OBCU-A获得首端TCR-A读取的轨道电路信息，OBCU-A使用首端TCR-A读取的轨道电路信息对列车进行位置校正，计算运行速度曲线（MA）和移动授权，OBCU-A同时对首端TCR-A和尾端TCR-A的工作状态进行监控。
OBCU-B同时与首端TCR-B和尾端TCR-B进行交互，OBCU-B获得首端TCR-B读取的轨道电路信息，OBCU-B使用首端TCR-B读取的轨道电路信息，计算运行速度曲线（MA）和移动授权，OBCU-B同时对首端TCR-B和尾端TCR-B的工作状态进行监控。
请参照图4
列车未进行换端时，TCR首尾冗余按照以下流程进行：
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个TCR均上电；
①若首端TCR-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端TCR-A读取的轨道电路信息，根据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权；
②若首端TCR-A故障时，首端OBCU-A将首端TCR-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端TCR-A故障状态信号后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B进行主用状态后，进入备用状态。此时，使用尾端OBCU-B和首端TCR-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端TCR-B接收轨道电路信息，计算运行速度曲线（MA）和移动授权；
③若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态；若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端TCR-B读取轨道电路信息，计算运行速度曲线（MA）和移动授权。
首尾两端车载ATP设备中控制组件均单独工作，并时刻检测是否有其中的控制组件出现故障，当出现故障时，将立即自动切换到相应控制组件替换工作。
建立车载ATP设备首尾冗余后在运行过程中，车载ATP设备需要进行折返和换端操作就能得以更好实现，下面对换端的具体情况进行阐述，以下首端和尾端均指换端前的首端和尾端。
车载ATP设备首尾冗余的换端流程主要分为以下几种场景：
1）首端和尾端车载ATP设备OBCU-A、OBCU-B、BTM-A、BTM-B、TCR-A、TCR-B工作状态全正常。
此种状态下各车载单元主备用状态如表2所示
换端前，车载ATP设备采用首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行。
2）首端车载ATP设备OBCU-A故障，尾端OBCU-B、首端和尾端BTM-A、首端和尾端BTM-B、首端和尾端TCR-A、首端和尾端TCR-B工作状态正常。
此种状态下各车载单元主备用状态如表3所示
换端前，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、首端BTM-B、首端TCR-B、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行。
3）尾端车载ATP设备OBCU-B故障，首端OBCU-A、首端和尾端BTM-A、首端和尾端BTM-B、首端和尾端TCR-A、首端和尾端TCR-B工作状态正常。
此种状态下各车载单元主备用状态如表4所示
换端前，车载ATP设备采用首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用首端OBCU-A、尾端BTM-A、尾端TCR-A、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单用，监控列车运行。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种在车载信号设备的首尾冗余系统中执行首尾冗余的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
首端外部设备和尾端外部设备均采集外部数据并将所述外部数据发送给各自连接的数据处理单元，所述首端外部设备和尾端外部设备均独立采集所述外部数据，如所述首端外部设备和尾端外部设备之一端的外部设备出现故障，另一端的相应设备立即替换；列车未进行换端时，BTM首尾冗余按照以下流程进行：记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记所述首端OBCU-A采集应答器数据的应答器传输模块为首端BTM-A，首端另一个应答器传输模块为首端BTM-B，尾端应答器传输模块为尾端BTM-B和尾端BTM-A；
列车开始正常运行，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个BTM均上电；
所述首端OBCU-A和首端BTM-A作为主用单元，首端OBCU-A同时与首端BTM-A和尾端BTM-A进行交互，首端OBCU-A同时监控首端BTM-A和尾端BTM-A，首端OBCU-A采用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权，尾端OBCU-B同时对首端BTM-B和尾端BTM-B的工作状态进行监控；
①若首端BTM-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端BTM-A的应答器数据对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权；
②若首端BTM-A出现故障，首端OBCU-A将首端BTM-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端BTM-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B升为主用状态后，进入备用状态；此时，使用尾端OBCU-B和首端BTM-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线和移动授权，同时首端OBCU-A监控尾端BTM-A；
③若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态；若首端BTM-A出现故障后首端BTM-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端BTM-B接收地面应答器数据，计算运行速度曲线和移动授权；
所述首端外部设备和尾端外部设备分别设有与各自连接的所述数据处理单元对应的OBCU，所述数据处理单元将接收到的所述外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给对应的OBCU，所述首端外部设备和尾端外部设备各自的数据处理单元均处理数据，如有其中一端的数据处理单元出现故障，另一端的相应设备立即替换出现故障的所述数据处理单元；
所述OBCU接收到所述数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至对应的所述数据处理单元，首尾端OBCU均独立工作，如有其中一端OBCU出现故障，另一端的OBCU立即替换；
所述数据处理单元将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车；
所述首尾冗余系统由列车车头车尾两端分别设置的首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备组成，所述首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间通过通信总线进行连接；所述首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备均包括数据处理单元、OBCU和外部设备；
其中，
所述首端车载ATP设备或尾端车载ATP设备中，
所述外部设备，用于采集外部数据并将采集到的外部数据发送给所述数据处理单元，所述外部设备与数据处理单元连接；
所述数据处理单元，用于所述OBCU和外部设备之间数据的收发和处理，所述数据处理单元直接与通信总线连接，将接收到的所述外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给OBCU；
所述OBCU，用于接收来自所述外部设备的信息并计算线路允许速度和移动授权，所述OBCU接收到所述数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至所述数据处理单元，所述OBCU与通信总线连接；
所述数据处理单元，还用于将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车。
2.一种在车载信号设备的首尾冗余系统中执行首尾冗余的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
首端外部设备和尾端外部设备均采集外部数据并将所述外部数据发送给各自连接的数据处理单元，所述首端外部设备和尾端外部设备均独立采集所述外部数据，如所述首端外部设备和尾端外部设备之一端的外部设备出现故障，另一端的相应设备立即替换；列车未进行换端时，TCR首尾冗余按照以下流程进行：记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记所述首端OBCU-A采集轨道电路信息的轨道电路信息读取单元为首端TCR-A，首端另一个轨道电路信息读取单元为首端TCR-B，尾端轨道电路信息读取单元为尾端TCR-B和尾端TCR-A；
列车开始正常运行，首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，首尾端每个TCR均上电；
首端OBCU-A和首端TCR-A作为主用单元，首端OBCU-A同时与首端TCR-A和尾端TCR-A进行交互，首端OBCU-A同时监控首端TCR-A和尾端TCR-A，首端OBCU-A采用首端TCR-A读取的轨道电路信息，对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权，尾端OBCU-B同时对首端TCR-B和尾端TCR-B的工作状态进行监控；
①若首端TCR-A正常，则首端OBCU-A一直采用首端TCR-A读取的轨道电路信息对列车进行位置校正，计算运行速度曲线和移动授权；
②若首端TCR-A故障时，首端OBCU-A将首端TCR-A故障状态发送给尾端OBCU-B，尾端OBCU-B获得首端TCR-A故障状态信号后，由备用状态升为主用状态，首端OBCU-A收到尾端OBCU-B升为主用状态后，进入备用状态；此时，使用尾端OBCU-B和首端TCR-B监控列车运行，尾端OBCU-B通过首端TCR-B接收轨道电路信息，计算运行速度曲线和移动授权；
③若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态；若首端TCR-A出现故障后首端TCR-B未出现故障，则尾端OBCU-B一直通过首端TCR-B读取轨道电路信息，计算运行速度曲线和移动授权；
所述首端外部设备和尾端外部设备分别设有与各自连接的所述数据处理单元对应的OBCU，所述数据处理单元将接收到的所述外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给对应的OBCU，所述首端外部设备和尾端外部设备各自的数据处理单元均处理数据，如有其中一端的数据处理单元出现故障，另一端的相应设备立即替换出现故障的所述数据处理单元；
所述OBCU接收到所述数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至对应的所述数据处理单元，首尾端OBCU均独立工作，如有其中一端OBCU出现故障，另一端的OBCU立即替换；
所述数据处理单元将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车；
所述首尾冗余系统由列车车头车尾两端分别设置的首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备组成，所述首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备之间通过通信总线进行连接；所述首端车载ATP设备和尾端车载ATP设备均包括数据处理单元、OBCU和外部设备；
其中，
所述首端车载ATP设备或尾端车载ATP设备中，
所述外部设备，用于采集外部数据并将采集到的外部数据发送给所述数据处理单元，所述外部设备与数据处理单元连接；
所述数据处理单元，用于所述OBCU和外部设备之间数据的收发和处理，所述数据处理单元直接与通信总线连接，将接收到的所述外部数据转换成相应格式的数据帧，通过通信总线发送给OBCU；
所述OBCU，用于接收来自所述外部设备的信息并计算线路允许速度和移动授权，所述OBCU接收到所述数据帧进行逻辑判断并计算，并根据计算结果发出命令帧传送至所述数据处理单元，所述OBCU与通信总线连接；
所述数据处理单元，还用于将接收的OBCU命令转化为列车信号输出给列车。
3.根据权利要求1或2所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
所述数据处理单元包括输入板、输出板和通信转换板；
其中，
所述输入板，用于采集本端列车开关、按钮和节点的状态信息，并将其转换为数据帧发送到通信总线上，由所述OBCU接收；
所述输出板，用于将接收到的所述OBCU命令转化为列车信号输出给列车；
所述通信转换板，用于所述OBCU与各外部设备之间的数据交换和转发工作，作为所述数据处理单元与各个所述外部设备的接口。
4.根据权利要求3所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
所述外部设备包括BTM、TCR、DMI和速度传感器；
其中，
所述BTM，用于接收地面应答器信息，并将所述地面应答器信息传送给通信转换板；
所述TCR，用于接收轨道电路信息，并将所述轨道电路信息传送给所述通信转换板；
所述DMI，用于将用户和所述首尾冗余系统之间的信息显示出来；
所述速度传感器：用于对列车的运行速度进行监测并将数据发送至所述通信转换板。
5.根据权利要求1或2所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，
列车运行过程中采用所述首端OBCU-A监控列车运行，接收来自外部设备的信息，计算线路允许速度和移动授权，所述尾端OBCU-B处于备用状态，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B通过通信总线进行信息交互，交互的内容包括：配置信息、当前驾驶模式。
6.根据权利要求1或2所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
建立外部设备首尾冗余包括建立BTM首尾冗余和建立TCR首尾冗余。
7.根据权利要求1或2所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
列车在运行过程中，采用所述首端外部设备连接的数据处理单元进行所述首端外部设备对应的OBCU和所述首端外部设备之间数据的收发和处理，所述首端外部设备连接的数据处理单元和尾端外部设备连接的数据处理单元通过通信总线进行信息交互。
8.根据权利要求3所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，
列车未进行换端或折返时，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B冗余具体按照以下流程进行：
列车开始正常运行，所述首端OBCU-A和尾端OBCU-B均上电，由所述首端OBCU-A控制输出，所述尾端OBCU-B不控制输出只作为一个备用单元；
①若所述首端OBCU-A不出现故障，则一直以所述首端OBCU-A为主控单元对列车的运行进行监控；
②若所述首端OBCU-A出现故障，所述首端OBCU-A通过通信总线将本端的故障状态发送给尾端OBCU-B，所述尾端OBCU-B获得首端OBCU-A故障状态后，由备用状态升为主用状态，对列车进行监控，所述首端OBCU-A直接宕机；
此时由所述尾端OBCU-B监控列车运行，所述尾端OBCU-B通过通信总线获取首端输入板和首端通信转换板的输入数据，并根据该输入数据计算列车运行防护曲线监控列车运行；尾端OBCU-B将输出命令通过通信总线传输到首端输出板和首端通信转换板，所述首端输出板将上述命令转换为电平信号输出到列车外部接口，所述首端通信转换板则把从尾端OBCU-B获得的数据转换为相应的格式和通信制式发给首端的各个外部设备；
③若首端OBCU-A出现故障后，尾端OBCU-B也出现故障，则车载ATP设备进入故障状态。
9.根据权利要求3所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记所述首端OBCU-A采集应答器数据的应答器传输模块为首端BTM-A，首端另一个应答器传输模块为首端BTM-B，尾端应答器传输模块为尾端BTM-B和尾端BTM-A；记所述首端OBCU-A采集轨道电路信息的轨道电路信息读取单元为首端TCR-A，首端另一个轨道电路信息读取单元为首端TCR-B，尾端轨道电路信息读取单元为尾端TCR-B和尾端TCR-A；
列车进行正常换端，列车车载ATP设备均处于正常状态时，此时各车载ATP设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用所述首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行，其余车载ATP设备处于备用状态；
换端后，车载信号设备采用所述尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行，其余车载ATP设备处于备用状态。
10.根据权利要求3所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记所述首端OBCU-A采集应答器数据的应答器传输模块为首端BTM-A，首端另一个应答器传输模块为首端BTM-B，尾端应答器传输模块为尾端BTM-B和尾端BTM-A；记所述首端OBCU-A采集轨道电路信息的轨道电路信息读取单元为首端TCR-A，首端另一个轨道电路信息读取单元为首端TCR-B，尾端轨道电路信息读取单元为尾端TCR-B和尾端TCR-A；
所述首端OBCU-A故障，尾端OBCU-B、首端和尾端BTM-A、首端和尾端BTM-B、首端和尾端TCR-A、首端和尾端TCR-B工作状态正常时，列车进行换端，
此时各车载ATP设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用所述尾端OBCU-B、首端BTM-B、首端TCR-B、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用尾端OBCU-B、尾端BTM-B、尾端TCR-B、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行。
11.根据权利要求3所述的执行首尾冗余的方法，其特征在于，
记所述首端外部设备设有的OBCU为首端OBCU-A，记所述尾端外部设备设有的OBCU为尾端OBCU-B，记所述首端OBCU-A采集应答器数据的应答器传输模块为首端BTM-A，首端另一个应答器传输模块为首端BTM-B，尾端应答器传输模块为尾端BTM-B和尾端BTM-A；记所述首端OBCU-A采集轨道电路信息的轨道电路信息读取单元为首端TCR-A，首端另一个轨道电路信息读取单元为首端TCR-B，尾端轨道电路信息读取单元为尾端TCR-B和尾端TCR-A；
所述尾端OBCU-B故障，首端OBCU-A、首端BTM-A和尾端BTM-A、首端BTM-B和尾端BTM-B、首端TCR-A和尾端TCR-A、首端TCR-B和尾端TCR-B工作状态正常时列车进行换端，
此时各车载ATP设备首尾冗余具体方式如下：
换端前，车载ATP设备采用首端OBCU-A、首端BTM-A、首端TCR-A、首端通信转换板、首端输入板、首端输出板、首端其他外部设备作为主用单元，监控列车运行；
换端后，车载ATP设备采用首端OBCU-A、尾端BTM-A、尾端TCR-A、尾端通信转换板、尾端输入板、尾端输出板、尾端其它外部设备作为主用单元，监控列车运行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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