CN112689263B - 机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，可根据组合列车实际运用环境选择LTE‑R、GSM‑R或数传电台三种通信方式或组合，在保证业务可靠性要求的前提下实现了对网络信道资源的合理应用，同时在网络数据中断的情况下能够及时通过数传电台重新建立数据传输通道，为组合列车头部主控机车和中部从控机车提供数据传输通道，实现整列组合列车同步牵引、同步制动。

Description

机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法

技术领域

本发明涉及铁路无线通信技术领域，尤其涉及一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法。

背景技术

重载铁路采用机车无线重联同步控制系统开行万吨、两万吨组合列车，依靠无线数据传输方式为组合列车头部主控机车和中部从控机车提供数据传输通道，实现组合列车同步牵引、同步制动。

我国铁路采用GSM-R作为数字无线通信系统，GSM-R数据业务包括CSD(电路交换型数据业务)与GPRS(通用分组型数据业务)两种业务，目前机车无线同步操控通信设备采用CSD方式传输业务数据。在电路交换的通信方式中，在发送数据之前，首先需要通过一系列的信令过程，为特定的信息传输过程分配信道，并在信息的发送方、信息所经过的中间节点、信息的接收方之间建立起连接，然后传送数据，数据传输过程结束以后再释放信道资源，断开连接。电路交换的通信方式一般适用于需要恒定带宽、对时延比较敏感的业务。但是GSM-R在信息传输速率、频谱效率等诸多方面有所局限，其单信道的速率小于10kbps，多信道绑定也只能达到几十kbps,频率资源与业务需求之间的矛盾日益突出，不能满足未来铁路承载综合业务的无线通信系统总体要求，因此GSM-R技术必须向下一代铁路移动通信技术演进。国际铁路联盟(UIC)已经明确提出，铁路移动通信系统的演进路线将由GSM-R技术向“准4G”的LTE技术发展。

LTE-R作为宽带移动通信系统，具有更高数据传输速率、更高的频谱效率、更低的业务时延、更高的安全性、支持高速移动等特点，采取IP化、扁平化的网络架构，降低了无线网络控制数据和业务数据的时延，有利于承载控车相关的数据业务。

基于800MHz数传电台的通信设备不依靠地面网络和设备，实施简便、运用灵活、性能可靠、维护工作量少，能够较好地满足线路长大坡道、多曲线、连续隧道区段机车无线同步控制系统对控制数据传输的要求。

但是，目前既有机车无线同步操控通信设备均为独立通信方式，缺少网络通信方式和数传电台通信方式的融合。数传电台虽然运用灵活、不依靠地面网络，但是受通信距离所限，在两车编组的两万吨及更长编组列车上运用效果还有待提升。

发明内容

本发明的目的是提供一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，可以根据组合列车实际运用环境选择通信方式，确保数据有效传输。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，包括：在主控机车与每一从控机车上布设机车无线同步操控通信设备，布设时采用双端配置方式，在机车的AB两节各自配置一套机车无线同步操控通信设备；每一节中机车无线同步操控通信设备的一端连接远程控制单元，另一端连接合路器；

所述机车无线同步操控通信设备中设有LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元；根据实际的运用环境选择相应的通信方式，包括采用单一类型的通信单元或者组合的通信单元与外界通信；采用单一类型的通信单元时，如果是LTE-R通信单元或者数传电台单元，则由不同机车相同节中配置的同一类型的通信单元进行数据通信，如果是GSM-R通信单元，则由AB两节中操作节配置的GSM-R通信单元实现数据通信；采用组合的通信单元时，由不同机车相同节中配置的多个类型的通信单元进行数据通信，并根据通信单元中优先级采用相应通信单元中的数据，通信单元的优先级从高到低依次为：LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，可根据组合列车实际运用环境选择LTE-R、GSM-R或数传电台三种通信方式或组合，在保证业务可靠性要求的前提下实现了对网络信道资源的合理应用，同时在网络数据中断的情况下能够及时通过数传电台重新建立数据传输通道，为组合列车头部主控机车和中部从控机车提供数据传输通道，实现整列组合列车同步牵引、同步制动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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附图。

图1为本发明实施例提供的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的机车无线同步操控配置及网络拓扑结构图；

图3为本发明实施例提供的星形数据发送机制示意图。

具体实施方式

下面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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，如图1所示，该方法主要包括：

在主控机车与每一从控机车上布设机车无线同步操控通信设备，布设时采用双端配置方式，在机车的AB两节各自配置一套机车无线同步操控通信设备；每一节中机车无线同步操控通信设备的一端连接远程控制单元，另一端连接合路器；

所述机车无线同步操控通信设备中设有LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元；根据实际的运用环境选择相应的通信方式，包括采用单一类型的通信单元或者组合的通信单元与外界通信；采用单一类型的通信单元时，如果是LTE-R通信单元或者数传电台单元，则由不同机车相同节中配置的同一类型的通信单元进行数据通信，如果是GSM-R通信单元，则由AB两节中操作节配置的GSM-R通信单元实现数据通信；采用组合的通信单元时，由不同机车相同节中配置的多个类型的通信单元进行数据通信，并根据通信单元中优先级采用相应通信单元中的数据，通信单元的优先级从高到低依次为：LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元。

本发明实施例中，机车无线同步操控通信设备集成LTE-R、GSM-R及800MHz数传电台三种通信方式、实现机车之间的注册、注销、编组、解编、业务数据传输等功能。此外，机车无线同步操控通信设备中还包括：电源单元(用于设备供电)、控制单元(整个设备通信控制)、接口单元(包含与外界的通信接口)。

如图2所示，为机车无线同步操控配置及网络拓扑，其中的DTE即为本发明提供的机车无线同步操控通信设备；RCU为远程控制单元，BCU为制动控制单元，CCU为中央控制单元、IDU为显示单元；DTE通过转接馈线连接和路线，通过RS422接口及以太网连接远程控制单元，两节的DTE通过以太网相互通信，用以同步状态。

本发明实施例中，系统根据组合列车实际运用环境选择通信方式，可以采用LTE-R、GSM-R、数传电台三种方式中的一种，也可多种组合，互为冗余；下面针对单一类型的通信方式与组合通信方式分别进行介绍。

一、单一类型的通信方式。

1、采用LTE-R通信单元与外界通信。

机车双端配置的LTE-R通信单元热备冗余(即两节中的LTE-R通信单元同时工作)，AB两节中设置的LTE-R通信单元同时接收远程控制单元的数据进行转发；机车无线同步操控通信设备自身并不存储配置信息，均从远程控制单元处获取，这就保证了设备自愈重启时无需双端设备进行配置数据的同步。

LTE-R网络采用全IP化网络架构，从空中接口到传输信道全部IP化，所有业务均以IP方式承载；LTE-R网络为每个LTE-R通信单元分配一个唯一的IP地址，不同LTE-R通信单元之间通过地面的域名服务器查询通信目标的IP地址，然后直接与通信目标进行数据通信。

为了提高数据传输的可靠性，无线重联系统主车会向所有从车发送数据，从车会向主车和其余从车发送数据，这样不仅增加了空中数据碰撞的几率，还增加了网络带宽的占用。本发明实施例中，对数据发送机制进行了优化，改为采用星形结构进行数据传输，如图3所示，根据IP地址，主控机车的LTE-R通信单元分别向所有从控机车的LTE-R通信单元发送数据，各从控机车的LTE-R通信单元仅向主控机车的LTE-R通信单元发送数据；每一机车中，A节的LTE-R通信单元只与其他机车A节的LTE-R通信单元通信，B节的LTE-R通信单元只与其他机车B节的LTE-R通信单元通信。优化后，网络资源占用明显减小，数据传输可靠性显著提高。

2、采用GSM-R通信单元与外界通信。

由于CSD通信方式会固定占用无线信道，因此虽然每个机车设置了两套GSM-R通信单元，但是同一时间应尽可能只有一个GSM-R通信单元建立CSD连接，和地面编组服务器进行通信，这样就需要一种高效的数据通道冗余控制方法，在保证业务可靠性要求的前提下实现对信道资源的合理应用，同时在GSM-R通信单元数据中断的情况下能够及时通过数传电台重新建立数据传输通道。

本发明实施例中，机车双端配置的GSM-R通信单元冷备冗余(即同一时间只有一个GSM-R通信单元工作，操作节GSM-R通信单元故障后才启用非操作节GSM-R通信单元)，AB两节分为操作节与非操作节，操作节是指有司机操作的一节，机车无线同步操控通信设备会获取操作节状态信息；优先采用操作节的GSM-R通信单元传送数据；每一机车都采用以下方式进行GSM-R数据通道的冗余：

1)AB两节通过以太网通道互相发送操作节信息、以及与地面编组服务器的通信状态信息。

2)系统上电之初，AB两节的GSM-R通信单元均拨号入网，与地面编组服务器建立CSD连接；拨号成功后，如果AB两节均与地面编组服务器通信正常，则非操作节的GSM-R通信单元挂断，从而节约信道资源；如果AB两节之间的以太网中断，则AB两节的GSM-R通信单元保持拨号连接状态，这样就能最大程度上保证系统通信链路的可靠性；

3)当远程控制单元状态号≥500时，如果操作节的GSM-R通信单元与地面编组服务器通信中断，则非操作节GSM-R通信单元进行拨号连接，拨号成功后向地面编组服务器查询并获取注册状态。

4)当远程控制单元状态号≥500时，操作节的GSM-R通信单元与相应远程控制单元通信中断(例如，5秒收不到串口和网口数据)，则操作节的GSM-R通信单元挂断，非操作节GSM-R通信单元进行拨号连接，拨号成功后向地面编组服务器查询并获取注册状态。

5)当远程控制单元状态号＜500时，操作节与非操作节的GSM-R通信单元均不进行拨号连接。

本发明实施例中，远程控制单元状态号反映的是机车无线同步操控设备的状态，大于等于500表示编组设置完成、等待编组状态，小于500表示未进行编组设置状态。对于GSM-R通信单元而言，这个状态号决定它是否进行拨号连接。

3、采用数传电台单元与外界通信。

采用数传电台通信方式时，业务数据发送方式如下：

1)主控机车的数传电台单元向从控机车的数传电台单元周期性发送控制指令，且当控制指令发生变化时，实时发送；示例性的，周期可以设为3s，每次发送后，定时器重新计数。

2)列车编组中包含一辆从控机车时，从控机车的数传电台单元收到控制指令后，向主控机车的数传电台单元发送状态信息。

3)列车编组中包含N辆从控机车时，第一辆从控机车的数传电台单元收到控制指令后转发给第二辆从控机车的数传电台单元，由第二辆从控机车的数传电台单元继续转发给第三辆从控机车，依次转发直至达到第N辆从控机车；之后，第N辆从控机车的数传电台单元向第N-1辆从控机车的数传电台单元发送状态信息，第N-1辆从控机车的数传电台单元，将自身的状态信息以及第N辆从控机车的状态信息发送给第N-2辆从控机车的数传电台单元，最终由第一辆从控机车将自身的状态信息以及其他所有从控机车的状态信息转发给所述主控机车的数传电台单元。其中，N为从控机车数目，例如，可以为2、3等数值，具体的数值大小根据实际情况确定。

上述通信过程中，每一机车中A节和B节的数传电台单元同时工作，A节的数传电台单元只与其他机车A节的数传电台单元通信，B节的数传电台单元只与其他机车B节的数传电台单元通信。

二、组合通信方式。

组合通信时，不同机车相同节中配置的多个类型的通信单元进行数据通信，也即当前机车的A节与其他机车的A节通信，当前机车的B节与其他机车的B节通信。

1、采用LTE-R通信单元与GSM-R通信单元与外界通信时，各自采用LTE-R链路、GSM-R链路收发数据，远程控制单元优先采用来自LTE-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元采用来自GSM-R链路的数据；当LTE-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R链路的数据。

2、采用LTE-R通信单元与采用数传电台单元与外界通信时，远程控制单元优先采用LTE-R链路收发数据；当LTE-R链路正常时，数传电台单元不收发数据；当连续多个周期(例如，3个周期)未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当LTE-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R链路收发数据，停止使用数传电台单元。

3、采用GSM-R通信单元与采用数传电台单元与外界通信时，远程控制单元优先采用来GSM-R链路收发数据；当GSM-R链路正常时，数传电台单元不收发数据；当连续多个周期未收到来自GSM-R链路的数据时，认定GSM-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当GSM-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用GSM-R链路收发数据，停止使用数传电台单元。

4、采用LTE-R通信单元、GSM-R通信单元与采用数传电台单元与外界通信时，LTE-R链路与GSM-R链路发送数据同时收发数据，远程控制单元优先采用来自LTE-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元采用来自GSM-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路与GSM-R链路的数据时，认定LTE-R链路与GSM-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当LTE-R链路或者GSM-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R链路或者GSM-R链路的数据，停止使用数传电台单元。

本发明实施例上述方案中，通过机车无线同步操控通信设备采用高效的数据通道冗余控制方法，可根据组合列车实际运用环境选择LTE-R、GSM-R或数传电台三种通信方式或组合，在保证业务可靠性要求的前提下实现了对网络信道资源的合理应用，同时在网络数据中断的情况下能够及时通过数传电台重新建立数据传输通道，为组合列车头部主控机车和中部从控机车提供数据传输通道，实现整列组合列车同步牵引、同步制动。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，包括：在主控机车与每一从控机车上布设无线同步操控通信设备，布设时采用双端配置方式，在机车的AB两节各自配置一套无线同步操控通信设备；每一节中无线同步操控通信设备的一端连接远程控制单元，另一端连接合路器；

所述无线同步操控通信设备中设有LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元；根据实际的运用环境选择相应的通信方式，包括采用单一类型的通信单元或者组合的通信单元与外界通信；采用单一类型的通信单元时，如果是LTE-R通信单元或者数传电台单元，则由不同机车相同节中配置的同一类型的通信单元进行数据通信，如果是GSM-R通信单元，则由AB两节中操作节配置的GSM-R通信单元实现数据通信；采用组合的通信单元时，由不同机车相同节中配置的多个类型的通信单元进行数据通信，并根据通信单元的优先级采用相应通信单元中的数据，通信单元的优先级从高到低依次为：LTE-R通信单元、GSM-R通信单元、以及数传电台单元；

采用数传电台单元与外界通信的方式包括：主控机车的数传电台单元向从控机车的数传电台单元周期性发送控制指令，且当控制指令发生变化时，实时发送；列车编组中包含一辆从控机车时，从控机车的数传电台单元收到控制指令后，向主控机车的数传电台单元发送状态信息；列车编组中包含N辆从控机车时，第一辆从控机车的数传电台单元收到控制指令后转发给第二辆从控机车的数传电台单元，由第二辆从控机车的数传电台单元继续转发给第三辆从控机车，依次转发直至达到第N辆从控机车；之后，第N辆从控机车的数传电台单元向第N-1辆从控机车的数传电台单元发送状态信息，第N-1辆从控机车的数传电台单元，将自身的状态信息以及第N辆从控机车的状态信息发送给第N-2辆从控机车的数传电台单元，最终由第一辆从控机车将自身的状态信息以及其他所有从控机车的状态信息转发给所述主控机车的数传电台单元；上述通信过程中，每一机车中A节和B节的数传电台单元同时工作，A节的数传电台单元只与其他机车A节的数传电台单元通信，B节的数传电台单元只与其他机车B节的数传电台单元通信。

2.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，采用 LTE-R通信单元与外界通信的方式包括：

机车双端配置的LTE-R通信单元热备冗余，AB两节中设置的LTE-R通信单元同时接收远程控制单元的数据进行转发；

LTE-R网络采用全IP化网络架构，从空中接口到传输信道全部IP化，所有业务均以IP方式承载；LTE-R网络为每个LTE-R通信单元分配一个唯一的IP地址，不同LTE-R通信单元之间通过地面的域名服务器查询通信目标的IP地址，然后直接与通信目标进行数据通信；

根据IP地址，主控机车的LTE-R通信单元分别向所有从控机车的LTE-R通信单元发送数据，各从控机车的LTE-R通信单元仅向主控机车的LTE-R通信单元发送数据；每一机车中，A节的LTE-R通信单元只与其他机车A节的LTE-R通信单元通信，B节的LTE-R通信单元只与其他机车B节的LTE-R通信单元通信。

3.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，采用GSM-R通信单元与外界通信的方式包括：

机车双端配置的GSM-R通信单元冷备冗余，AB两节分为操作节与非操作节，操作节是指有司机操作的一节；优先采用操作节的GSM-R通信单元传送数据；

AB两节通过以太网通道互相发送操作节信息、以及与地面编组服务器的通信状态信息；

系统上电之初，AB两节的GSM-R通信单元均拨号入网，与地面编组服务器建立CSD连接；

拨号成功后，如果AB两节均与地面编组服务器通信正常，则非操作节的GSM-R通信单元挂断；如果AB两节之间的以太网中断，则AB两节的GSM-R通信单元保持拨号连接状态；

当远程控制单元状态号≥500时，如果操作节的GSM-R通信单元与地面编组服务器通信中断，则非操作节GSM-R通信单元进行拨号连接，拨号成功后向地面编组服务器查询并获取注册状态；

当远程控制单元状态号≥500时，如果操作节的GSM-R通信单元与相应远程控制单元通信中断，则操作节的GSM-R通信单元挂断，非操作节GSM-R通信单元进行拨号连接，拨号成功后向地面编组服务器查询并获取注册状态；

当远程控制单元状态号＜500时，操作节与非操作节的GSM-R通信单元均不进行拨号连接。

4.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，

采用LTE-R通信单元与GSM-R通信单元与外界通信时，各自采用LTE-R链路、GSM-R链路收发数据，远程控制单元优先采用来自LTE-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元采用来自GSM-R链路的数据；当LTE-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R 链路的数据。

5.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，

采用LTE-R通信单元与数传电台单元与外界通信时，远程控制单元优先采用LTE-R链路收发数据；当LTE-R链路正常时，数传电台单元不收发数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当LTE-R 链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R链路收发数据，停止使用数传电台单元。

6.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，

采用GSM-R通信单元与数传电台单元与外界通信时，远程控制单元优先采用GSM-R链路收发数据；当GSM-R链路正常时，数传电台单元不收发数据；当连续多个周期未收到来自GSM-R链路的数据时，认定GSM-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当GSM-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用GSM-R链路收发数据，停止使用数传电台单元。

7.根据权利要求1所述的一种机车双端无线同步操控通信设备数据通道冗余控制方法，其特征在于，

采用LTE-R通信单元、GSM-R通信单元与数传电台单元与外界通信时，LTE-R链路与GSM-R链路同时收发数据，远程控制单元优先采用来自LTE-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路的数据时，认定LTE-R链路异常，远程控制单元采用来自GSM-R链路的数据；当连续多个周期未收到来自LTE-R链路与GSM-R链路的数据时，认定LTE-R链路与GSM-R链路异常，远程控制单元启用数传电台单元收发数据；当LTE-R链路或者GSM-R链路恢复正常后，远程控制单元重新采用LTE-R链路或者GSM-R链路的数据，停止使用数传电台单元。

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