CN1794689A - 无线机车信号数据安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线机车信号数据安全传输方法，采用无线信道方式传输数据，实现机车信号数据安全传输的方法。该方法包括无线传输通道结构和安全传输协议两部分，无线传输通道可以采用数传电台和GSM－R两种方式：1.基于数传电台数据通道结构是由动态组网、星型结构、站间频率交替及选址模式、传输方式及通信协议，解决了同频干扰、传输帧冲突、电台锁死、信号覆盖、越区切换、通信协议等问题；2.基于GSM－R数字移动通信信道的机车信号数据传输通道的构成、车载和地面设备的接入方式、设备接口等；3.相应的传输协议，采用三维控制、信号应答确认等，保证传输的可靠性和安全性，以帧结构可变，调整优先级来保证无线机车信号的实时性和可靠性。大大提高我国列车运行控制的自动化水平。

Description

无线机车信号数据安全传输方法

技术领域：

本发明涉及一种数据传输方法，特别涉及一种在铁路机车信号系统中，采用无线信道方式传输数据，实现机车信号数据安全传输的方法；属于铁路信号技术领域。

背景技术：

我国现有的机车信号系统主要是建立在地面轨道电路基础上的连续式或接近连续式信号系统。该系统通过感应轨道电路中的信息将地面信息传输到机车上，由于只有地面到机车的单向信息传输，而地面得不到关于列车位置、速度及运行状态的信息。同时，地面上的列车控制指令也得不到车载设备的确认，其数据传输的可靠性得不到保证，会对列车的安全运行造成不利的影响。此外，既有信号系统所采用的轨道电路会受到钢轨长度、道渣电阻、气候及周围环境的影响，信息传递的速度、信号质量及信息量都有比较大的局限。而且，该系统需要大量的室外设备和电缆，人工维护的作业量相当大。

随着现代通信技术的日益普及，无线通信技术在铁路信号系统中的应用也势在必行。为了避免上述利用传统的轨道电路来传输机车信号存在的缺点，从而提出研究无线机车信号系统。该系统是一种通过无线信道将地面信号传输到机车上，指示列车安全运行的装置。无线机车信号系统的核心是用无线信道传输机车信号信息，并通过无线网络结构和传输协议保证传输信息的安全性、

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足以及铁路部门对机车信号系统的实际要求，提供一种在铁路无线机车信号系统中，旨在实现列车与地面之间的无线双向数据安全传输方法。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种无线机车信号数据安全传输方法，用于无线机车信号系统中，该系统包括地面车站一套控制设备和至少一个车载设备，车载设备包括数传电台、车载控制主机、查询/应答器和车载信号机；地面车站控制设备包括车站控制主机、数传电台、进出站应答器、微机联锁接口、微机监测接口装置等。其特征在于：所述的无线机车信号数据安全传输方法包括无线传输通道结构和安全传输协议两部分。无线传输通道可以采用数传电台和GSM-R两种方式，分别针对不同的应用条件。

所述的数传电台数据通道结构是由地区和车载450MHz数传电台组成，其基本特征是无线传输网络采用了动态组网、星型结构、站间频率交替及选址模式等。

所述的GSM-R数据通道结构包括无线机车信号系统车载设备、无线机车信号系统地面设备、GSM-R数字移动通信网络(简称GSM-R网)、固定用户接入交换机(简称FAS)、车载无线通信模块组成。无线机车信号系统地面设备可配置不少于10个车载设备同时接入的RS422通道。车载无线模块与无线机车信号系统车载设备的接口符合RS-232的接口定义。无线机车信号系统地面设备与FAS间采用RS422接口。地面设备、车载设备按规定的数据格式进行数据传送。

本发明无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：接近连续式无线机车信号采用商用数传电台构成数据传输网络，每台机车设置车载电台，每个车站设置地面电台，并统一按规定设置电台编号，车站地面电台与车站管辖内的列车车载电台构成星状网络结构，车站地面电台是网络中心，车载电台是网络节点。网络成员及成员的数量随列车运行在不断变化，驶入车站的列车需要注册入网，驶出车站的列车被注销并退出网络。车站地面电台与车站管辖内的列车车载电台构成无线传输局部网络，铁路沿线所有各站局部网络共同构成一个完整的无线机车信号传输网络。

本发明无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：所述的数传电台的数据传输方法是：采用地址、时间、注册码三维控制，通过时分复用通信方式和通信协议来防止无线传输网络帧冲突，通过超时检测、复位电台来防止通信阻塞，以帧结构可变，调整优先级来保证无线机车信号的实时性和可靠性。

本发明无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：所述的无线机车信号系统GSM-R通信协议，实现无线机车信号系统地面设备和多台车载设备间的数据传输，完成链路建立、分配、保持和释放。地面设备同时控制多台机车时，地面设备使用RS422接口与每台车载设备分别建立电路连接。

本发明无线机车信号数据安全传输方法与现有技术相比，其优点在于：它采用无线信道取代现有的轨道电路，该无线信道由数传电台或GSM-R实现。利用无线信道，列车和地面之间的信息交换是相互的，而且数据传输速度快，传输信息量大，远远超过目前的轨道电路。由于是双向无线传输无线机车信号地面设备可以收到车载设备的回执信号，便于进行信号确认，提高了无线数据传输的可靠性和安全性。该无线机车信号系统具有联锁接口和信号微机监测接口，可以很容易地与现有的微机联锁、调度集中及微机监测装置结合，形成对列车运行的闭环控制，大大提高我国列车运行控制的自动化水平。

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说明：

图1为无线机车信号系统的系统结构示意图；

图2为无线机车信号车站频率配置；

图3为可变周期法时隙分配示意图；

图4为无线机车信号系统GSM-R数据传输通道构成。

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具体实施方式：

本发明所述的无线机车信号数据安全传输方法，包括无线传输通道和安全传输协议两部分，无线传输通道采用数传电台和GSM-R两种方式。

本发明所述的无线机车信号数据安全传输方法，应用于无线机车信号系统中。如图1所示，该系统包括地面车站一套控制设备和至少一个车载设备。车载设备包括数传电台、车载控制主机、查询/应答器和车载信号机，车载主机与机车上的数传电台、车载控制主机、查询/应答器、车载信号机分别连接。地面车站控制设备包括车站控制主机、数传电台、进出站应答器、微机联锁接口和微机监测接口装置等，车站控制主机与数传电台和车站联锁主机相连接。

上述无线机车信号系统中采用数传电台构成无线数据传输网络。无线数据传输网络是实现无线机车信号的基础，是需要解决的关键技术。无线机车信号采用数传电台构成无线数据传输网络需要解决网络构成、传输方式、选址模式、同频干扰、传输帧冲突、电台锁死、信号覆盖、越区切换、通信协议等问题。为了保证网络的有效性和传输的可靠性，本发明提出以下具体措施：

(1)不同地面设备之间交替使用不同频率，防止同频干扰；

(2)采用自律轮询工作模式，保证无线机车信号正常工作；

(3)采用地址码、时间戳和注册表三维控制技术提高传输的可靠性。

(4)通过传输信息帧长度可变、主从方式可变及控制时隙优先权可变提高无线机车信号有效性。

本发明无线机车信号采用商用数传电台构成无线数据传输网络。每台机车设置车载电台，每个车站设置地面电台，并统一按规定设置电台编号。车站地面电台与车站管辖内的列车车载电台构成星状网络结构，车站电台是网络中心，车载电台是网络节点。网络成员及成员的数量随列车运行在不断变化，驶入车站的列车需要注册入网，驶出车站的列车被注销并退出网络，铁路沿线各站共同构成一个整体网络。车站与管辖内列车使用同一频率，采用时分复用方法利用信道资源。本无线机车信号系统是一种接近连续式无线机车信号，即列车从一个车站向另一个车站运行时，它只有在临近车站时才有机车信号，这是由铁路半自动闭塞行车方式决定的，该类型仅在车站周围有无线信号场强覆盖，因此可以用普通商用数传电台来实现。

本发明无线机车信号系统所使用的无线传输网络具有以下特点：

1、动态组网及网络移动性

由于列车在铁路沿线不断运动，对每一个车站在不同时刻构成网络的成员和数量是不确定的，是一个动态组合与分离的过程。因此，网络的组成是开放的、动态的。同时，沿线各车站构成的整体网络具有移动性。

2、星状网络结构

车站数传电台为网络中心，车载电台为网络节点，构成星状网络结构。驶入车站的列车进行注册，注册后增加一个网络节点；列车驶出车站后进行注销，注销后删除该网络节点。

3、站间频率交替设置

为了避免产生同频干扰，电台在各站频率交叉使用。每一车站使用2个电台，采用不同频率，分别控制上/下行列车。如图2所示。F₂，F₄，F₆为上行列车使用频率，F₁，F₃，F₅为下行列车使用频率。上/下行列车采用不同频率，可防止发给上行列车的数据被下行列车接收，避免造成上下行列车冲突。

每三个车站交替使用一组不同的频率，避免车站之间的同频干扰。列车车载主机通过感应地面应答器数据，获得下一车站电台使用的频率，并自动重新设置车载电台的工作频率，保持与地面频率相对应。保证车——地之间的正常通信。

4、选址模式

本发明无线机车信号系统中数传电台采用选址方式，由于同一个车站所有电台都工作在同一频点，彼此都能够收到对方发出的信息，容易造成通信混乱。因此在传输的数据帧中按电台编号加入地址信息，电台接收到一帧信息后，将信息帧中的地址与自己的编号对照，如果相同则确认是自己的信息并将其传给控制主机，如果不同则自动放弃。

本发明所述无线机车信号系统基于数传电台的数据安全传输方式是：

1、三维控制数据传输

无线机车信号应用于铁路干线作为行车凭证，它的可靠性、可用性、可维护性及安全性(RAMS)至关重要。本发明提出了无线机车信号系统无线数据传输的可靠性具体措施：

(1)任何传输的信息都有地址限制，由于无线信道利用开放空间进行传播，所以在系统中采用各个车站及车载设备均有固定地址，发送与接收信息严格按地址执行，对于地址错的信息拒不接收。

(2)信息传输的时间戳，由于采用时分复用方法进行信息传输，并随时可能受到有意或无意的干扰与攻击，所以在系统中专门设置了时间戳，即任何信息的传输都冠以起始时间，超过规定时间后，有效信息中止。

(3)列车注册制，在调度管辖区内的列车，它们有唯一的车次代码，车次号由具有最高权威的区段调度按照行车计划发布的，车次号与注册号相对应，所以任何运行的列车只有在注册后，它才能在无线信道中进行有效信息传输。

上述三维控制，使双向通信受到严格的约束，即信息内容只有同时满足地址、时间和注册码要求才是有效的。在信号作用范围内，每一列车每一时刻占用一个固定的空间并与唯一注册信息相对应。

2、传输帧冲突与通信阻塞

无线传输网络帧冲突，是通过时分复用通信方式和通信协议来防止的，通信协议严格定义了通信的时隙，规定了对应时隙的通信顺序，车站与列车的主被动关系。从而保证车站与列车之间的通信有序进行，避免了传输过程的帧冲突。在通信过程中，由于受到干扰等原因车载电台或车站电台可能出现锁死，为了防止通信中断，双方电台设计了具有超时检测、复位等功能。

3、帧结构可变

为了保证无线机车信号的实时性和可靠性，无线传输的信息分为三种类型。如图3所示，第一类信息(I)：列控信号基本信息；第二类信息(II)：含接/发车股道数、车次号、列车实际速度和最大允许速度、列车位置等。此外，在传输延迟允许的前提下还可传输第三类非安全性质的信息(III)：包含工务、电务、机务等方面的不同内容信息。因此根据不同需要可以选择长、中、短信息周期的标准格式。

本发明所述无线机车信号系统GSM-R数据通道协议的数据安全传输方法是：

实现无线机车信号系统地面设备和多台车载设备间的数据传输。完成链路建立、分配、保持和释放。如图4所示，地面设备同时控制多台机车时，地面设备使用RS422接口与每台车载设备分别建立电路连接。通信方式是点对点电路连接。具体通信过程是：

1、建立电路型链路

列车压过启动应答器后，无线机车信号系统车载设备通过车载无线模块自动建立链路并发送列车注册命令。自动按分配给地面设备的ISDN号进行呼叫，GSM-R网接收到呼叫后将路由指向对应的FAS端口，由FAS设备把GSM-R网来的64K信号转为RS422接口信号给无线机车信号系统地面设备，在无线机车信号系统地面设备与车载设备间建立一条电路链路。

2、无线机车信号系统地面设备向车载设备传送数据

无线机车信号系统地面设备发送数据时则根据信息内容中的机车号选择对应的端口将数据转发，对应端口码的无线机车信号系统车载设备便可接收到数据。

3、无线机车信号系统车载设备向地面设备传送数据

无线机车信号系统车载设备将数据通过已建立的数据链路按照地面FAS格式要求发送到无线机车信号系统地面设备。

4、链路释放(列车注销)

列车压过反向进站信号机后，无线机车信号系统地面设备向车站FAS发出指令请求拆链，释放电路链路，列车注销。

无线机车信号在控制方式上与传统机车信号有本质的不同。无线机车信号采用一对多的集中控制方式，一套地面设备同时控制车站内和邻近车站的所有列车。地面设备与其管辖内列车车载设备构成无线传输局部网络，沿线所有地面设备的局部网络构成一个完整的无线机车信号传输网络。可以选择数传电台、GSM-R等不同无线方式，构成传输网络。

Claims (4)

1、一种无线机车信号数据安全传输方法，用于无线机车信号系统中，该系统包括地面车站一套控制设备和至少一个车载设备，车载设备包括数传电台或GSM-R模块、车载控制主机、查询/应答器和车载信号机；地面车站控制设备包括车站控制主机、数传电台或GSM-R地面接口设备、进出站应答器、微机联锁接口、微机监测装置接口等，特征在于：所述的无线机车信号数据安全传输方法包括无线传输通道结构和安全传输协议两部分；无线传输通道可以采用数传电台和GSM-R两种方式；

所述的数传电台数据通道结构是由地面和车载450MHz数传电台组成；其基本特征是无线传输网络采用了动态组网、星型结构、站间频率交替及选址模式等；

所述的GSM-R数据通道结构包括无线机车信号系统车载设备、无线机车信号系统地面设备、GSM-R数字移动通信网络、固定用户接入交换机、车载无线通信模块组成；无线机车信号系统地面设备可配置不少于10个车载设备同时接入的RS422通道；车载无线模块与无线机车信号系统车载设备的接口符合RS-232的接口定义；无线机车信号系统地面设备与固定用户接入交换机间采用RS422接口；地面设备、车载设备按规定的数据格式进行数据传送。

2、根据权利要求1所述的无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：接近连续式无线机车信号采用商用数传电台构成无线数据传输网络；每台机车设置车载电台，每个车站设置地面电台，并统一按规定设置电台编号，站地面电台与车站管辖内的列车车载电台构成星状网络结构，车站电台是网络中心，车载电台是网络节点；网络成员及成员的数量随列车运行在不断变化，驶入车站的列车需要注册入网，驶出车站的列车被注销并退出网络；车站地面电台与车站管辖内的列车车载电台构成无线传输局部网络，铁路沿线所有各站局部网络共同构成一个完整的无线机车信号传输网络。

3、根据权利要求1、2所述的无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：所述的数传电台的数据传输方法是：采用地址、时间、注册码三维控制，通过时分复用通信方式和通信协议，超时检测、复位电台，帧结构可变，调整优先级等方法实现机车信号数据安全传输。

4、根据权利要求1所述的无线机车信号数据安全传输方法，其特征在于：所述的无线机车信号系统GSM-R通信协议，实现无线机车信号系统地面设备和多台车载设备间的数据传输，完成链路建立、分配、保持和释放；地面设备同时控制多台机车时，地面设备使用RS422接口与每台车载设备分别建立电路连接。