CN208978874U - 基于北斗短报文的列车运行控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种列车运行控制系统，涉及铁路列车运行控制技术领域，该系统包括车载设备和地面设备；车载设备包括北斗通信终端、北斗定位终端和车载控制模块；车载控制模块与北斗通信终端、北斗定位终端分别通信连接；北斗定位终端至少包括两个，分别设置于列车的头部和尾部；地面设备包括北斗地面收发设备；北斗地面收发设备与北斗通信终端之间通过北斗短报文收发列车运行控制信息。本实用新型实施例可以减少地面轨旁设备，降低成本，提高运输效率和经济效益以及缩小追踪间隔时分。
Description
技术领域
本实用新型涉及铁路列车运行控制技术领域，尤其是涉及一种基于北斗短报文的列车运行控制系统。
背景技术
在现有的列车运行控制系统，包括普速铁路应用系统和高速铁路应用系统。在原铁道部《中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则(暂行)》及《中国列车运行控制系统CTCS2级技术条件(暂行)》(科技运函[2004]14 号)、《CTCS-3级列控系统总体技术方案》(科技运[2008]34号)等多个文件中说明了中国列车运行控制系统分类，包含CTCS-0/1/2/3/4共5级，其中，普速铁路应用系统即CTCS-0级系统，由地面设备和车载设备构成；高速铁路应用系统即CTCS-2/3级列控系统，CTCS-2级列控系统由地面轨道电路结合点式应答器实现列车自动防护功能的列控系统，由车载设备及地面设备构成，CTCS-3级列控系统是通过GSM-R无线通道实现车与地之间的通信，实现安全防护功能，并且以CTCS-2级列控系统作为后备系统。
上述列车运行控制系统存在以下问题：
(1)系统构成较为复杂，以上各系统地面设备配置多，轨旁需要配置轨道电路、地面信号机(普速)、GSM-R无线传输设备等大量设备，地下需要埋设大量控制电缆，系统构成较为复杂。(2)成本高，不仅初期建设成本高，后期现场维修维护工作量也较大，全生命周期内运输效率和经济效益较低。(3)以上各系统都属于固定闭塞类型，后车以前车所在闭塞分区入口处为停车点，列车追踪间隔时分受到一定影响。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于北斗短报文的列车运行控制系统，可以减少地面轨旁设备，降低成本，提高运输效率和经济效益以及缩小追踪间隔时分。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于北斗短报文的列车运行控制系统，包括：车载设备和地面设备；车载设备包括北斗通信终端、北斗定位终端和车载控制模块；车载控制模块与北斗通信终端、北斗定位终端分别通信连接；北斗定位终端至少包括两个，分别设置于列车的头部和尾部；地面设备包括北斗地面收发设备；北斗地面收发设备与北斗通信终端之间通过北斗短报文收发列车运行控制信息；列车运行控制信息包括控制信息和状态信息。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，地面设备包括地面控制中心，地面控制中心包括两个，互为主备。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，北斗通信终端包括两个，互为主备。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，北斗地面收发设备与北斗通信终端之间基于北斗短报文功能建立长报文通信协议进行通信。
结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，车载控制模块用于接收北斗定位终端的定位信息，并进行列车完整性检查。
结合第一方面及其各可能的实施方式之一，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，地面设备还包括卫星差分站，卫星差分站用于定位校核。
结合第一方面的第五种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，地面设备还包括车站联锁装置和调度集中系统。
结合第一方面的第六种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，调度集中系统包括调度中心和车站调度分机，调度中心与车站调度分机之间通过光纤通信连接。
结合第一方面的第七种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，车站联锁装置与车站调度分机、卫星差分站通过光纤连接。
结合第一方面及其各可能的实施方式之一，本实用新型实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，地面控制中心与车站联锁装置、调度中心通过光纤连接。
本实用新型实施例带来了以下有益效果：
本实用新型实施例提供的基于北斗短报文的列车运行控制系统，基于北斗卫星的短报文功能，实现地面车载信息双向传输，从而替代GSM-R无线通信或地面轨旁设备传递控车信息的方式，并且可以通过北斗卫星实现对列车的定位，利用短报文功能实现“车-地”之间的行车许可信息传递；可以最大程度的减少地面轨旁设备，不仅降低初期建设成本，后期现场维修维护工作量也大量降低，全生命周期内运输效率和经济效益较高；可以最大限度的减少控制电缆的使用，从而更有益于节能、环保；可以构建移动闭塞，从而缩小追踪间隔时分，提升铁路运输效率。
本实用新型的其他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，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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为本实用新型实施例提供的一种列车运行控制系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的一种列车运行控制系统的详细结构示意图；
图3为本实用新型实施例提供的一种基于北斗短报文的动车组列车运行控制系统的结构图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。
在原铁道部《中国列车运行控制系统CTCS技术规范总则(暂行)》及《中国列车运行控制系统CTCS2级技术条件(暂行)》(科技运函[2004]14 号)、《CTCS-3级列控系统总体技术方案》(科技运[2008]34号)等多个文件中说明了中国列车运行控制系统分类，包含CTCS-0/1/2/3/4共5级。
(1)普速铁路应用系统
CTCS-0级系统由地面设备和车载设备构成。车载设备是由通用式机车信号和列车运行监控记录装置组成。地面设备包括联锁和闭塞等保证站内和区间运行安全的设备。联锁和闭塞均依赖轨道电路实现列车占用检测及列车完整性监测，现有的普速铁路线是长度为几百至上千公里的复线铁路，铁路线全线所有铁轨上均需设置轨道电路，而每段轨道电路长度大致为900 米左右，使得铁路线路全线需要数量巨大的轨道电路；保证列车区间运行安全的闭塞设备是由若干个闭塞分区构成，每个闭塞分区的长度约为1.5公里，每个闭塞分区需设置1架信号机，使得铁路线路全线需要设置数量巨大的信号机；每段轨道电路和每架信号机均需要控制电缆对其进行控制，在轨道电路和信号机数量众多的前提下，所需的控制电缆的数量是特别巨大的。联锁依靠轨道电路检测列车位置，建立起进路、道岔和信号机之间的逻辑控制，通过信号机的显示指示列车是否可以向前运行。闭塞依靠轨道电路检测列车位置，通过出站信号机和/或区间通过信号机的显示指示列车是否可以在站间或闭塞分区内向前运行，包括半自动闭塞(无区间通过信号机、相邻两站间为一个大的闭塞分区，人工确认列车完整到达下一站)、自动站间闭塞(自动检查列车完整到达下一站，其它同半自动闭塞)、自动闭塞(有区间通过信号机和闭塞分区)等制式。司机以地面信号机显示为行车凭证，车载设备起辅助司机驾驶作用。
CTCS-0级系统的车载设备主要包括车载安全计算机、轨道电路信息接收单元、轨道电路接收天线、司机操纵台、记录器和列车转换网关，地面设备主要包括轨道电路、车站联锁、车站自律分机、车站列控中心和调度集中控制系统(CTC-Centralized TrafficControl System)。
(2)高速铁路应用系统
CTCS-2/3列控系统已经是我国高铁的标准配置。
CTCS-2级列控系统是由地面轨道电路结合点式应答器实现列车自动防护功能的列控系统，由车载设备及地面设备构成。
CTCS-2级系统由车载设备和地面设备组成。车载设备完成对地面信息的接收及处理，生成速度与目标距离模式曲线实现对列车的安全防护。地面主要由临时限速服务器、列控中心(TCC，Train Control Center)、地面电子单元(LEU，Lineside Electronic Unit)、应答器、ZPW-2000轨道电路等构成，其中ZPW-2000轨道电路完成列车占用检测及列车完整性检查，连续向列车传送控制信息，应答器向车载设备传输定位信息、进路参数、线路参数、限速和停车信息等。
CTCS-3级列控系统是通过GSM-R无线通道实现车与地之间的通信，实现安全防护功能，并且以CTCS-2级列控系统作为后备系统。车载设备通过GSM-R无线通道接收来自地面无线闭塞中心(RBC)行车许可信息进行相应处理，生成速度与目标距离模式曲线实现对列车的安全防护。地面设备主要由RBC、临时限速服务器、列控中心(TCC)、地面电子单元(LEU)、应答器、ZPW-2000轨道电路等构成，由ZPW-2000轨道电路完成列车占用检测及列车完整性检查，应答器实现精确定位，RBC根据列车运行前方占用情况、进路状态结合限速信息等向所管辖动车组发出行车许可信息。当无线通道连接超时等特殊情况下，自动降级到CTCS-2级列控系统。
采用CTCS-2/3列控系统的高速铁路线是长度为几百至上千公里的复线铁路，铁路线全线所有铁轨上均需设置ZPW-2000轨道电路，而每段轨道电路长度大致为900米左右，使得铁路线路全线需要数量巨大的轨道电路，每段轨道电路均需要控制电缆对其进行控制，在轨道电路数量众多的前提下，所需的控制电缆的数量是特别巨大的。
上述系统的技术上存在问题分析
1)系统构成较为复杂
以上各系统地面设备配置多，轨旁需要配置轨道电路、地面信号机(普速)等大量设备，地下需要埋设大量控制电缆，系统构成较为复杂。
2)成本高
不仅初期建设成本高，后期现场维修维护工作量也较大，全生命周期内运输效率和经济效益较低。
3)固定闭塞制式技术特点
以上各系统都属于固定闭塞类型，后车以前车所在闭塞分区入口处为停车点，列车追踪间隔时分受到一定影响。
基于此，本实用新型实施例提供的一种列车运行控制系统，可以最大程度的减少地面轨旁设备，不仅降低初期建设成本，后期现场维修维护工作量也大量降低，全生命周期内运输效率和经济效益较高；可以最大限度的减少控制电缆的使用，从而更有益于节能、环保；可以构建移动闭塞，从而缩小追踪间隔时分，提升铁路运输效率。
以下通过实施例进行详细介绍。
本实用新型实施例提供了一种基于北斗短报文的列车运行控制系统，包括：车载设备和地面设备。参见图1所示的列车运行控制系统的结构示意图，其中示出了车载设备10和地面设备20。
车载设备10包括北斗通信终端11、北斗定位终端12和车载控制模块 13；车载控制模块13与北斗通信终端11、北斗定位终端12分别通信连接，例如通过多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，MVB)总线进行连接。其中，北斗定位终端11至少包括两个，分别设置于列车的头部和尾部。为了保障通信可靠性，该北斗通信终端可以包括两个，互为主备。
地面设备20包括北斗地面收发设备21；北斗地面收发设备21与北斗通信终端11之间通过北斗短报文收发列车运行控制信息。该列车运行控制信息包括控制信息和状态信息。北斗地面收发设备与北斗通信终端之间通过基于北斗短报文功能建立的长报文通信协议进行通信。该北斗地面收发设备可以设置于地面控制中心。
本实用新型实施例提供的基于北斗短报文的列车运行控制系统，基于北斗卫星的短报文功能，实现地面车载信息双向传输，从而替代GSM-R无线通信或地面轨旁设备传递控车信息的方式，并且可以通过北斗卫星实现对列车的定位，利用短报文功能实现“车-地”之间的行车许可信息传递；可以最大程度的减少地面轨旁设备，不仅降低初期建设成本，后期现场维修维护工作量也大量降低，全生命周期内运输效率和经济效益较高；可以最大限度的减少控制电缆的使用，从而更有益于节能、环保；可以构建移动闭塞，从而缩小追踪间隔时分，提升铁路运输效率。
上述车载控制模块用于接收北斗定位终端的定位信息，并进行列车完整性检查。参见图2所示的列车运行控制系统的详细结构示意图，地面设备20还包括卫星差分站200，该卫星差分站用于定位校核。在图2中还示出了地面设备20还可以包括地面控制中心201，为了保障可靠性，地面控制中心包括两个，互为主备。地面设备还可以包括调度集中系统，调度集中系统包括调度中心202和车站调度分机203，调度中心202与车站调度分机203之间通过光纤连接通信；地面设备还包括车站联锁装置204，车站联锁装置204与车站调度分机202、卫星差分站200通过光纤连接通信；地面设备中的地面控制中心与车站联锁装置、调度中心通过光纤连接通信。卫星差分站200、车站调度分机203和车站联锁装置204组成一个技术作业站。在此需要说明的是，在地面设备中可以包括多个技术作业站，技术作业站还包括基本的地面信号设备，具体为信号机(图中未示意)、应答器(图中未示意)、道岔转辙设备(图中未示意)。
本实用新型实施例提供的基于北斗短报文的列车运行控制系统，提出了一种全新的列控系统架构，利用北斗卫星短报文完成整个列控系统的各个子系统间列车控制信息的交互，将现有CTCS-0、2、3级系统的架构统一起来。
由于利用北斗卫星短报文完成整个列控系统的各个子系统间列车控制信息的交互，上述列控系统的构成中不再具备地面轨旁轨道电路、和GSM-R 无线传输设备，使得列控系统不再具备现有CTCS-0、2、3级系统所存在的地面轨旁的轨道电路、控制电缆等地面设备较多的问题，并且不依赖GSM-R 无线通信通道，不仅降低初期建设成本高，后期现场维修维护工作量也大量降低，全生命周期内运输效率和经济效益较高。
参见图3所示的基于北斗短报文的动车组列车运行控制系统的结构图，示出了列车头部设备、列车尾部设备、地面设备数据网、调度集中系统数据网、北斗卫星通信网。其中，地面设备数据网、调度集中系统数据网为光纤环网，调度中心与地面控制中心连接为通过光纤连接，卫星差分站、车站联锁、车站调度分机之间为通过光纤连接。
车载各模块之间的连接通过MVB总线实现彼此连接，具体为：a.无线电台、北斗通信终端、北斗定位终端、列车完整性检查装置与车载控制模块之间的连接；b.测速模块与速度传感器、车载控制模块的连接；c.应答器接收单元与车载控制模块的连接；d.紧急制动接口、司机操作台及常用制动接口与车载控制模块的连接；e.司机操作台及常用制动接口与输入接口、输出接口的连接；f.输入接口和输出接口与DMI(人机交互界面)的连接； 5.列车尾部完整性检查装置也可以为一个北斗定位终端，和车头的北斗定位终端协同完成列车完整性检查。图中的车尾风压力测试模块为列车本身的机械设备，起到制动作用。
本实施例可以充分利用北斗卫星导航系统的定位和短报文发送功能开发上述列控系统。利用北斗卫星系统的定位、短报文技术，行车许可(MA) 通过北斗卫星短报文发、接，地面只需要增加与北斗卫星衔接的设备，车载增加北斗通信终端、北斗定位终端。
其中，车载设备如下：在机车(动车组)上装备北斗通信终端(双设备，分别设置于车头和车尾)和车载控制模块(采用硬件安全冗余结构)，在列车车尾也加装北斗定位终端(动车组不需要)。车载设备可以完成列车完整性检查及通过短报文与北斗地面设备通信，实现对列车的安全防护功能。
地面设备如下：地面设备设置地面控制中心，其功能包括收集所有机车头部和列尾位置信息，完成列车定位和完整性检查，完成移动授权的计算，完成与北斗卫星的接口；各车站设置卫星差分站，其功能包括对车载设备移动定位信息进行校核。北斗地面设备、卫星差分站与车站联锁装置、调度集中系统共同构建完整的信号系统。
北斗通信终端通过北斗卫星短报文功能与北斗地面设备通信，实现“车 -地”间信息传递，北斗地面设备根据各列车定位信息(当列车在隧道等区域，北斗卫星信号弱的情况下，利用定位应答器对列车位置进行校正)、牵引质量及编组情况、列车长度、列车状态、列车速度、线路临时限速、线路固定限速、联锁的进路信息、危险点信息、紧急区域信息及其前后列车的定位信息等，计算每列车的行车许可终点，并通过北斗卫星以短报文发送到车载北斗通信终端。车载控制模块根据车载北斗通信终端接收到的列车运行控制信息，计算模式曲线。
本实施例通信传输核心是利用北斗短报文功能，实现地面车载信息双向传输。由于北斗卫星短报文信息量较小，对报文长度有一定限制，对超过长度的报文，建立长报文通信协议。将大数据包进行拆分并加相应的包头，接收端对接收的数据包拆除包头，并对数据合并，如果有数据包丢失，则要求发送端重新发送丢失的数据包，直到所有的数据接收完毕为止，同时采取超时控制措施，保证通信效率和降低通信费用。一个完整的长报文发送包括报文发送、查询响应信息分析和补包三部分。查询响应信息是指发送端发送查询信息后接收端的回应信息。如果数据一次性发送成功，就不需要数据补包。目前北斗的信道传输质量是10-5，也就是平均传输105个比特可能产生1个错误。北斗电文最长为1680bit，单包的成功率可以达到 99％，长报文分包越多，成功率越低，在实际应用中采取技术措施对信息的重传和纠错进行处理。
当列车进入长度隧道，北斗卫星信号接收不好甚至会屏蔽。系统对进入长大隧道的列车发送的行车许可终点应至少包含整个长大隧道的长度，保证列车能够驶出隧道获得新的定位和行车许可。前行列车未与北斗卫星通信，视为隧道内有车占用，地面设备将禁止后续列车进入隧道，前行列车机车出隧道口，与北斗卫星重新连接实现新的定位，直至实现完整性检查整列车出清隧道，地面设备再给后续列车发送进入隧道的行车许可指令。
上述列车运行控制系统，能够最大程度地减少CTCS-0、2、3级系统所存在的地面轨旁的轨道电路、控制电缆等地面设备较多的问题，并且不依赖GSM-R无线通信通道，不仅降低初期建设成本高，后期现场维修维护工作量也大量降低，全生命周期内运输效率和经济效益较高；随着控制电缆的减少更有益于环保；系统能够构建移动闭塞，移动闭塞能够实现后车在保持一定安全距离的基础上追踪前车尾部，同固定闭塞相比，可缩小追踪间隔时分，提升运输效率。
本实用新型构建的系统能够实现移动闭塞功能，既可以作为普速铁路的主用系统，尤其是穿越沙漠、戈壁、自然环境恶劣的无人区的铁路；也可作为其它移动闭塞系统的后备系统。
在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
最后应说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于北斗短报文的列车运行控制系统，其特征在于，包括：车载设备和地面设备；
所述车载设备包括北斗通信终端、北斗定位终端和车载控制模块；所述车载控制模块与所述北斗通信终端、所述北斗定位终端分别通信连接；
所述北斗定位终端至少包括两个，分别设置于列车的头部和尾部；
所述地面设备包括北斗地面收发设备；
所述北斗地面收发设备与所述北斗通信终端之间通过北斗短报文收发列车运行控制信息；所述列车运行控制信息包括控制信息和状态信息。
2.根据权利要求1所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述地面设备包括地面控制中心，所述地面控制中心包括两个，互为主备。
3.根据权利要求1所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述北斗通信终端包括两个，互为主备。
4.根据权利要求1所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述北斗地面收发设备与所述北斗通信终端之间基于北斗短报文功能建立长报文通信协议进行通信。
5.根据权利要求1所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述车载控制模块用于接收所述北斗定位终端的定位信息，并进行列车完整性检查。
6.根据权利要求1-5任一项所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述地面设备还包括卫星差分站，所述卫星差分站用于定位校核。
7.根据权利要求6所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述地面设备还包括车站联锁装置和调度集中系统。
8.根据权利要求7所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述调度集中系统包括调度中心和车站调度分机，所述调度中心与所述车站调度分机之间通过光纤通信连接。
9.根据权利要求8所述的列车运行控制系统，其特征在于，所述车站联锁装置与所述车站调度分机、所述卫星差分站通过光纤连接。
10.根据权利要求8-9任一项所述的列车运行控制系统，其特征在于，地面控制中心与所述车站联锁装置、所述调度中心通过光纤连接。
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2018
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