CN113247050B - 一种基于cstdma实现列车接近预警及避碰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法。一、机车设备监听系统内设备发射消息，建立时隙占用映射表；二、根据列车速度、位置场景选择发射周期；三、到达发射时间后，根据占用规则选择发射时隙；四、如果符合占用规则，则发送列车接近预警消息；五、根据接收到的预警消息更新时隙占用映射表；六、根据列车速度选择发射的帧格式和发射周期，并根据帧格式做发射时隙选择。该方法定义了两种的帧格式结构，在低优先级帧设计增加带监听窗的时隙结构，以引入载波监听时分多址，即CSTDMA，实现进一步降低碰撞概率。保障机车设备基本发射周期，并在列车提速后提供安全发射机会，可以较好的解决消息的碰撞问题。

Description

一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法

技术领域

本发明涉及铁路专网通信领域，尤其是涉及一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法。

背景技术

目前列车接近预警系统采用模拟或者数字方式发送消息，信息为248比特，采用POCSAG码传输。目前机车设备列车接近预警消息发射时需同时传输前置码、同步码等数据，传输一帧接近预警信息时间为960ms，因此，具有周期长，碰撞概率高等缺点。

现在也有部分厂商使用DMR技术，通过多个CSBK或者MBC发送接近预警消息进行通信，DMR制式的优点在于信道机和终端在铁路中应用较为广泛，定制难度较低。但是DMR机制有其固有的缺点，CSBK信令有承载的固定格式，每个CSBK仅能承载64bit消息，传输需要至少4帧，使用规范的DMR 协议CSBK需要240ms，不规范协议也需要至少120ms。DMR没有避碰和协商机制，原有机制主要考虑语音更多一些，不适宜于突发关键信令，存在信令密集接入的情况，消息碰撞会导致碰撞时的两个发射方消息均不能解读，消息损失概率高于CSTDMA（载波监听时分多址）。因此，在接近预警和避碰业务上，使用基于CSTDMA的机制更适合。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法。本方法主要针对机车设备发射机制进行设计。

本发明采取的技术方案是：一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法，所述列车接近预警及避碰的方法通过列车接近预警系统实现，所述列车接近预警系统包括机车设备以及分别与机车设备无线连接的道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

一、机车设备通过接收机监听系统内其他机车设备、道口预警设备、便携预警器发射消息，建立时隙占用映射表。

二、根据列车速度、位置场景选择发射列车接近预警消息的周期和帧格式结构；所述帧格式结构定义两种：低优先级的退让报告帧定义为C帧和高优先级的标准报告帧定义为S帧。

三、到达发射时间后，机车设备如需要发射S帧，则按时隙占用映射表中规避已占用时隙后直接选择时隙发射；如需要发送C帧，则在时隙占用映射表中规避已占用时隙后，随机选择时隙，并依据载波侦听接入规则判断是否发射。

四、如果判决载波侦听结果符合载波侦听接入规则，机车设备发送列车接近预警消息，当前消息中携带下次S帧发射时间。

五、机车设备根据接收到的列车接近预警消息更新时隙占用映射表。

六、机车设备根据目前列车速度选择后续发射的帧格式，按照速度情况选择发射周期，并根据选择发送的帧格式做发射时隙选择。

七、道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器接收到列车接近预警消息后，判断并选择是否提示铁路工作人员有列车接近。

所述S帧结构由空中附加信息、消息载荷1、消息载荷2和同步字构成，同步字位置在消息载荷1和消息载荷2之间，两个消息载荷携带的内容拼成一个完整的传输负载，传输负载中包含避碰消息和下次发射S帧的预期时间，空中附加信息携带自身时间基准相关信息作为时间同步来源。

所述C帧基本结构不再携带空中附加信息，而包括一个CSTDMA监听窗，在监听中如果发现有S帧发射，则本时隙内停止本次发射。

所述两种帧格式结构均携带下次S帧的发射时间；通过解析下次S帧的发射时间信息，更新时隙可用状态，维护时隙占用映射表。

所述当列车运动速度增加时，机车设备缩减两个消息之间的发送间隔。

所述当列车临时停车或者临时降速时，操作人员通过开关或者主控单元上的接口控制机车设备，机车设备以最大频率发射避碰消息。

本发明所产生的有益效果是：本方法通过协商和监听，保障机车设备自身S帧发射安全可达，并在列车提速后，可以使用增加C帧发射次数的方式，增加发射频率而不影响其他列车的车载电台S帧广播，可以较好的解决消息碰撞导致信息丢失，以致列车接近无法感知的问题，增强铁路列车预警安全系数。设备增加了根据场景调整发射次数的设计，提升意外降速场景下列车接近感知能力。

本发明通过机制设计，在可能互相干扰的几个设备之间建立协商和避让，当多个无线设备在该空间共存时，可以预判系统内其他设备发射时间点，以选择不碰撞的时间发射，保证业务可靠性。同时根据车速通过C帧增大发射频率，缩短发射间隔，进一步提升系统安全性能。

附图说明

图1是本发明列车接近预警系统构成框图；

图2是本发明的S帧结构示意图；

图3是本发明的C帧结构示意图；

图4是本发明空中信道上的列车接近预警消息组织示意图；

图5是本发明的机车设备构成框图；

图6是本发明的机车设备接收流程图；

图7是本发明的机车设备发射流程图；

图8是本发明的机车设备工作流程图；

图9本发明的道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，列车接近预警及避碰的方法通过列车接近预警系统实现。列车接近预警系统包括机车设备以及分别与机车设备无线连接的道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器；列车接近预警系统工作模型主要为机车设备发送列车接近预警消息，非机车设备接收或者应答。其设计困难点在于因为地形、移动、空口发射机制等原因导致的消息碰撞，使避碰机制失效。

本发明设计了新的帧结构格式，将列车接近预警消息分为S帧（采用自组织接入）和C帧（采用载波监听接入），两种帧均可携带下次S帧的发射时间。当列车高速运动时，可通过增加C帧发送密度，在保证其他机车设备信息正常发送的情况下，更快速发送自身位置。S帧可预占发射时间，C帧设计有带监听窗的时隙结构，C帧退避S帧的CSTDMA接入机制，以实现进一步降低碰撞概率。

如图2所示，S帧由空中附加信息、消息载荷1、消息载荷2和同步字构成。同步字位置在消息载荷1和消息载荷2之间，消息载荷1和消息载荷2长度可以不一致，两个载荷携带的内容拼成一个完整的传输负载，负载中包含避碰消息和下次发射S帧的预期时间。空中附加信息携带自身时间基准相关信息，例如时间同步来源，用于系统内设备同步参考。

如图3所示，C帧基本结构和S帧类似，但不再携带空中附加信息，而包括一个CSTDMA监听窗，以引入载波监听时分多址，即CSTDMA。在监听中如果发现有S帧发射，则停止本次发射。传输负载部分和S帧一致。

本发明包含两个关键点，第一个是定义了两种不同优先级的帧格式，C帧设计增加带监听窗的时隙结构。第二个是接入机制设计，通过协商、规划管理发射流程和发射时间，进一步降低碰撞概率。

机车设备通过接收列车接近预警消息，获知下次发射S帧的预期时间，在选择自身发射时间的时候，会避开已经知悉的预占时间位置。

如图8所示，机车设备具体工作步骤如下：

1）、机车设备启动后，首先进行监听，监听不少于1分钟，在此期间获取授时，并依照收到的列车接近预警消息建立发射时隙占用映射表。获取授时过程的典型来源可以来自于卫星或者其他机车设备，如自身能够收到卫星定位信号，典型如北斗授时，则以北斗收到的UTC时间每一分钟的0秒作为0帧起始，确定发射时隙占用映射表时间，如不能收到卫星定位信号，则当收到其他机车设备发送的S帧信息，并从该帧空中附加消息部分解析出该发射设备能够直接从卫星获得授时，则以该消息作为时间基准确立帧起始，确定发射时隙占用映射表时间。

2）、根据自身速度确定发射周期和帧格式并发射首个S帧。在未被系统内其他设备（机车设备、道口预警设备、便携预警器）占用的时隙中，选择一个时隙发射首个S帧，该帧中携带下次发射S帧时间，即周期信息，以进行时隙预占。典型间隔静止列车S帧发射频率不低于１分钟１次，时速大于60公里/小时的列车S帧发射频率不低于30秒１次。

3）、再根据自身速度确定发射周期和帧格式。根据当前列车瞬时时速情况，机车设备选择在两个S帧间发射C帧的数量和周期，在C帧发射周期时间点附近，随机选择一个可用时隙作为C帧发射时间。典型间隔当列车速度低于20公里/小时，无需额外发送C帧，列车速度超过120公里/小时，S帧+C帧发射频率不低于3秒１次，典型设计发射频率如下表所示。

4）、如果机车设备接收到列车接近预警消息，则更新时序占用映射表，然后返回重复第4）步骤，继续接收列车接近预警消息。

5）、当到达发射周期所规定的时间后，机车设备判断当前应该使用S帧还是C帧，如果是S帧，则在指定时隙直接发射，发射完成后，返回第3）步骤；如果是C帧，则需要在可用时隙范围随机选择时隙，并且机车设备发射前先进行监听；然后判断当前是否有S帧发射，如果有S帧发射，接下来判断是否还有空闲随机机会用于发射，如果有，则重新选择时隙并再次尝试发射；如果没有，则放弃本次发射，然后返回第3）步骤；如果判断没有S帧发射，则在本时序正常发射，然后返回第3）步骤。

当到达C帧发射时间后，比如机车设备选择了图４中的ｎ－２帧，机车设备发射前先进行监听，在监听窗内如果发现有S帧发射，则取消本时隙本次发射，如果在监听窗内没有发现发射S帧，则正常发射该消息；消息中携带避碰消息和下次发射S帧的时间。接收方收到S帧携带的下次发射时间或是C帧携带的下次发射时间，均更新时隙占用映射表，并将下次发射时间时隙标记为他人预占。

如图9所示，其他非机车设备（道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器）接收其他设备发射，对接收到的列车接近预警消息进行判断并选择是否提示工作人员有列车接近，然后返回继续监听其他设备发射消息。

如图4所示，图中示意了协议将空中信道划分为连续的多个时隙，设备间时隙起始通过直接或者间接与卫星定位进行同步。每个时隙发射或者接收一帧数据，该帧可以为S帧或者C帧，同时携带一条避碰消息和列车接近预警设备计划的时间预占信息。图中m为列车S帧发射间隔计数，n为下次C帧发射间隔计数。

机车设备通过接收空口消息建立如图4的发射时隙占用记录表。根据当前列车速度，C帧将在n-3至n+3范围内发射一次。选择方法为，排除掉已经被S帧占用的n-1、n+1两个帧，机车设备在其余帧中随机选择一个作为发射位置。当到达该时间后，机车设备先启动监听，确认该帧无S帧发射，则发射自身C帧，如果有S帧发射，则随机退避一个或多个时隙，如超出n-3至n+3时隙范围，则放弃本次发射。

如图5所示，机车设备由发射机、接收机、主控单元和其他单元构成。接收机负责接收系统内其他设备发送的消息；主控单元负责位置采集、报文处理、发送时机选择；发射机负责发射自身消息，通告自身位置、周期发送时隙选择等。其他单元负责供电、提供位置信息等。

主控单元负责发射时机控制、接收数据解析，并具备对其他车内设备接口，能够将接收到的消息转给其他车内设备。发射机连接天馈系统，承担按照主控规定时机将码元序列调制发送的职能。接收机负责解调射频信号，并将数据流发给主控单元。其他部分包含电源等必要维持功能的单元。

如图6所示，接收机通过调谐选择接收射频信号，对其进行变频采样后，对数据进行4FSK解调，根据消息特征进行信道解码。解出消息内容后，主控单元进行时隙维护，更新时隙占用映射表。

如图7所示，当主控单元根据当前列车位置信息（含速度、场景）选好的发射时机，当时间到达后，通过组帧形成消息数据流，发送给信道机，信道机进行信道编码，通过4FSK调制方式转化为射频信号，发送到空中。

机车设备与其他厂商设计的预警设备不同之处在于：列车接近预警消息采用S帧和C帧结合的发射方式，C帧包括监听窗口，能够监听同时隙S帧的发送情况。列车接近预警消息中携带下次S帧发射时间信息，收到列车接近预警消息的机车设备可以根据信息更新时隙占用映射表中可用时隙情况，尽量选择空闲时隙进行随机接入，有效避免区域内机车设备发送消息碰撞。

列车接近预警系统内袖珍预警器无需参与列车接近预警消息发射流程，不需要维护时隙占用映射表，仅进行消息接收呈现即可，道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器功能应满足TB/T 3504-2018对列车接近预警地面设备的播报要求。

Claims (4)

1.一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法，所述列车接近预警及避碰的方法通过列车接近预警系统实现，所述列车接近预警系统包括机车设备以及分别与机车设备无线连接的道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

一、机车设备通过接收机监听系统内其他机车设备、道口预警设备、便携预警器发射消息，建立时隙占用映射表；

二、根据列车速度、位置场景选择发射列车接近预警消息的周期和帧格式结构；所述帧格式结构定义两种：低优先级的退让报告帧定义为C帧和高优先级的标准报告帧定义为S帧；S帧结构由空中附加信息、消息载荷1、消息载荷2和同步字构成，同步字位置在消息载荷1和消息载荷2之间，两个消息载荷携带的内容拼成一个完整的传输负载，传输负载中包含避碰消息和下次发射S帧的预期时间，空中附加信息携带自身时间基准相关信息作为时间同步来源；C帧基本结构不再携带空中附加信息，而包括一个CSTDMA监听窗；

三、到达发射时间后，机车设备如需要发射S帧，则按时隙占用映射表中规避已占用时隙后直接选择时隙发射；如需要发送C帧，则在时隙占用映射表中规避已占用时隙后，随机选择时隙，并依据载波侦听接入规则判断是否发射；

四、如果判决载波侦听结果符合载波侦听接入规则，机车设备发送列车接近预警消息，当前消息中携带下次S帧发射时间；

五、所述两种帧格式结构均携带下次S帧的发射时间；机车设备根据接收到的列车接近预警消息解析下次标准报告帧的发射时间信息，更新时隙可用状态，维护时隙占用映射表；

六、机车设备根据目前列车速度选择后续发射的帧格式，按照速度情况选择发射周期，列车提速后，增加C帧发送密度，并根据选择发送的帧格式做发射时隙选择；

七、道口预警设备、便携预警器、袖珍预警器接收到列车接近预警消息后，判断并选择是否提示铁路工作人员有列车接近。

2.根据权利要求1所述的一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法，其特征在于，所述CSTDMA监听窗在监听中如果发现有S帧发射，则本时隙内停止本次发射。

3.根据权利要求1所述的一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法，其特征在于，当列车运动速度增加时，机车设备缩减两个消息之间的发送间隔。

4.根据权利要求1所述的一种基于CSTDMA实现列车接近预警及避碰的方法，其特征在于，当列车临时停车或者临时降速时，操作人员通过开关或者主控单元上的接口控制机车设备，机车设备以最大频率发射避碰消息。

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