CN211519529U - 轨道交通列车控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种轨道交通列车控制系统，包括：安全列控云平台，包括云端控制器CiC、线路资源管理控制器LRM、列车注册与分配控制器TRAC；轨旁IO单元Wayside‑IO，部署在轨旁，分别与轨旁设备和云端控制器CiC连接；多功能IO单元Multi‑IO，部署在列车端，与云端控制器通信连接。与现有技术相比，本实用新型减少了现场设备和板卡种类，降低了维护的复杂性等优点。

Description

轨道交通列车控制系统

技术领域

本实用新型涉及轨道交通技术领域，尤其是涉及一种轨道交通列车控制系统。

背景技术

当前已广泛应用的基于通信的列车自动控制系统(Communication Based TrainControl，CBTC)，主要架构由位于轨旁的区域控制器(Zone Controller，ZC)，计算机联锁(Computer Interlocking System)，列车自动监控系统(Automatic Train Supervision，ATS)等设备，以及安装在列车的车载控制器CC(Carborne Controller)组成。其基本原理，是以区域控制器ZC为核心，通过计算机联锁CI获取线路基本状态，并与车载控制器通信获知列车状态，从而计算列车的移动授权，由车载控制器据此控制行车。该系统已经成熟可靠，能为城市轨道交通的运营提供安全高效的服务。

然而，传统CBTC系统存在以下缺陷：

1)既有CBTC设备种类多，硬件架构各不相同，尤其是轨旁ZC、CI等安全计算机平台，采用各供货商自有硬件板卡，互不通用，只能依赖于各供货商提供备品备件，增加了安装和维护困难。

2)既有CBTC系统，在实施增车、延伸线和改造时，需对新增的特定硬件设备进行安装、调试和导切，较为繁琐。

近年来，不少厂商提出了以车载为中心的列控系统理念，轨旁的CI和ZC，将其简化为资源控制器，主要负责轨旁资源——如道岔的分配。而将移动授权等逻辑运算功能移到了车载，车载依赖与前方列车通信获取移动授权并据此进行监控。该系统合并了轨旁设备，减少了通信环节，可以说代表着系统朝向更加集成化，减少复杂性的演进方向，但是，上述问题基本依然存在。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种轨道交通列车控制系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种轨道交通列车控制系统，包括：

安全列控云平台，包括云端控制器CiC、线路资源管理控制器LRM、列车注册与分配控制器TRAC；

轨旁IO单元Wayside-IO，部署在轨旁，分别与轨旁设备和云端控制器CiC连接；

多功能IO单元Multi-IO，部署在列车端，与云端控制器通信连接。

优选地，所述的安全列控云平台包括多个不同的多核服务器；所述的安全列控云平台的服务器可部署在主用中心以及备用中心。

优选地，所述的安全列控云平台的所用服务器包括M台热备服务器加上N台温备服务器。

优选地，所述的云端控制器CiC与列车端的多功能IO单元的连接对应关系为非固定方式。

优选地，所述的云端控制器CiC通过无线与列车端的多功能IO单元进行超低时延通信连接。

优选地，所述的云端控制器CiC与线路资源管理控制器LRM通信连接；

所述的云端控制器CiC与列车注册与分配控制器TRAC通信连接。

优选地，所所述的线路资源管理控制器LRM与轨旁IO单元低时延通信连接。

优选地，所述的多功能IO单元Multi-IO包括用于实现与列车通信的硬线接口，人机界面显示器，以及分别与安装在车底的速度传感器、应答器天线、多普勒雷达设备连接的接口。

优选地，所述的多功能IO单元Multi-IO在列车上冗余设置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

优点一：现场只有用于状态采集和指令执行的IO设备，这些设备通过IP地址连接到列控系统云中，接收来自云端的控制指令。由于减少了现场设备和板卡种类，降低了维护的复杂性。

优点二：核心控制逻辑、配置数据等仅在云空间中存储，与底层物理设备分隔，系统调试可以在实验室环境下全部完成，系统的升级在只需要在云控制端执行。

优点三：实现按需调整的资源分配，在延伸线建设、增加列车，只需要在云中分配或者增加计算、网络和存储资源即可，现场只增加无控制逻辑的IO设备。

优点四：核心控制单元在云端，避免了之前由于硬件功耗、散热、尺寸所限，无法选用更高主频车载控制器的问题，在云端的计算单元采用更快的CPU，在更短时间内执行更复杂的计算，从而减少列车控制的执行周期，提高系统响应速度，提升列车旅行速度。

优点五：灾害能力强，因为控制面和用户面的彻底分割，在发生重大灾害情况下，可在多个云中心之间切换。

优点六，通过云内服务器的M热备+N温备配置，故障恢复速度快，对于有故障的车载控制器可在云端切除并由温备服务器顶替，从而在短时间内就恢复热备冗余，避免列车紧急制动或清客下线。

附图说明

图1为本实用新型实施例中的列控系统总体架构示意图；

图2为既有CBTC系统架构示意图；

图3为本实用新型实施例中的基于多核服务器的安全列控云平台示意图；

图4为本实用新型实施例的列车注册与分配控制器TRAC工作示意图；

图5本实用新型实施例的车载多功能IO模块架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提出一种列车控制(Software Defined Train Control，SDTC)系统，是一种按照将列控应用、控制平台、硬件设备三者分离的思想设计的列控系统方案，包括：部署在安全列控云平台内，实现核心列控逻辑运算的云端控制器(Controller in Cloud，CiC)，实现线路资源分配和管理的线路资源管理控制器(Line Resource Manager，LRM)，实现云端控制器与车载多功能IO对应关系处理的列车注册与分配控制器(TrainRegistration&Allocation Controller，TRAC)；部署在轨旁，用于实现轨旁设备如道岔、信号机、站台门等设备状态获取和指令下发的轨旁IO单元(Wayside-IO)；部署在列车端的多功能IO(Multi-IO)，用于与车辆的IO和信息系统接口，以及转发测速传感器信息；车地通信通过超宽带、低延时、大带宽的车地无线通信网络实现。

所述安全列控云平台，是指运行在商用多核服务器上的虚拟化安全平台，可在在多核处理器上将不同内核进行隔离，并映射为独立的CPU。

在安全列控云平台的不同服务器之间，可以实现2取2组合故障安全比较，解决随机失效问题。

在安全列控云平台的不同服务器之间，可以实现多重冗余，提高系统可靠性。

安全列控云平台所用服务器按照M热备+N温备进行配置，当检测到服务器故障时，先由热备设备无扰接管故障服务器，再将温备设备投入，恢复M重热备冗余，在短时间内将系统恢复到完全可用的状态。

安全列控云平台的服务器可部署在主用中心以及备用中心，从而实现异地灾备冗余。

所述云端控制器CiC，运行在安全列控云平台内，实现列车控制所需的核心逻辑运算，包括安全防护曲线计算，移动授权，线路资源如道岔、站台门状态请求和控制等。

云端控制器，与列车端多功能IO的对应关系是不固定的，可以根据列车注册与分配控制器的指令进行匹配，根据多功能IO告知的列车信息载入对应的列车配置参数和电子地图。

云端控制器，通过无线与安装在列车上的多功能IO模块进行超低时延通信，获取列车当前信息，并下发包括紧急制动、ATO控车指令等在内的控制命令。

云端控制器，通过LRM获取线路道岔位置，站台门状态等信息，并通过LRM获知前方列车的CiC信息，并与前方列车CiC进行通信，用于计算移动授权。

云端控制器通过TRAC获知与自己同样部署在同一列车的CiC，与之建立通信实现主从管理，确定由哪个CiC进行控车。

作为云端应用的CiC，运行在商用服务器上，执行速度远高于传统CBTC架构下的车载控制器，因此可大大缩短执行周期，提高列车旅行速度。

所述列车注册与分配控制器，运行在安全列控云平台内，按需分配多功能IO和CiC资源，并监控CiC的工作状态。

当新的列车投入运行时，TRAC给其分配对应的CiC，包括告知位于同一列车的两个CiC互为冗余关系。

列车注册与分配控制器，对CiC的工作状态进行监控，如果某CiC故障，可向安全列控云平台请求，将该故障CiC所在服务器切除，用备用服务器进行替换，从而提高整个系统的可用性。

列车注册与分配控制器如果收到多功能IO的注销请求，则将释放对应的CiC资源，可用于其他多功能IO的匹配。

所述线路资源管理控制器LRM，运行在安全列控云平台内，实现线路资源的管理和分配，以及线路列车的排序。

线路资源管理控制器通过与轨旁IO的低时延通信，获取轨旁设备的实时状态信息，如道岔位置，站台门状态等，并将来自CiC的道岔转动或站台门开关指令发送给轨旁IO。

线路资源管理控制器接收来自CiC对轨旁设备状态的请求和控制命令，当收到CiC的资源请求时，LRM判断该资源是否被其他CiC占用，如果没有，则将该资源划分给请求的CiC；当CiC不再使用该资源后，LRM将该资源设置为空闲。

线路资源管理控制器与维护线路中所有列车对应CiC的状态，获知其在线路上的排列顺序，并反馈给所有的CiC。

线路资源管理控制器还需要维护全线的临时限速，负责各设备的软件和数据管理等功能。

所述多功能IO，部署在列车上，用于实现与列车的通信和硬线接口，人机界面显示，以及获取安装在车底的速度传感器，应答器天线，多普勒雷达等设备的信息。

多功能IO将从速度传感器读到的脉冲变化量、雷达读到的脉冲变化量、应答器ID、车门状态、驾驶室激活状态等实时、低时延地传送到云端的CiC，并接受其紧急制动或自动驾驶的牵引和制动命令等。

多功能IO从CiC周期获取控制命令，若超过一定时间未收到控制命令，则MultiIO自动施加紧急制动，禁止列车移动。

多功能IO没有控制逻辑，不存储线路地图等预先配置的任何信息，只是位于列控云平台端CiC的采集和控制终端，因此其运行周期控制在20毫秒或更短。

多功能IO设备在列车上冗余设置，提高系统的可靠性。

所述轨旁IO，安装在轨旁的设备，用于实现与基础信号设备如道岔控制器，信号机，站台门等的通信。

轨旁IO用于采集轨旁基础信号设备的状态，发送给位于云端的线路资源管理控制器，并将线路资源管理的道岔动作、信号机亮灭或站台门开关等控制指令告知这些设备。

所述车地通信超宽带、低时延、超可靠的车地无线通信网络，用于实现IP端到端的低时延通信，对于关键系统的通讯延迟时间是确定可知的，控制在20毫秒内。

具体实施例

图1所示为本实用新型所提供的一种列控(SDTC)系统总体架构示意图。如图1所示，本实用新型实施例的SDTC系统包括设置在安全列控云平台的车载云端控制器CiC，线路资源管理控制器LRM，列车注册与分配控制器TRAC，以及设置在列车上的多功能IO单元MultiIO，设置在轨旁的轨旁IO单元WaysideIO组成。位于安全列控云平台内的应用，可通过低时延，高可靠的高速无线通信，实现对列车上多功能IO的实施控制。

安全列控云平台，为运行在商用多核服务器上的安全平台，可在在多核处理器上将不同CPU内核进行隔离，分别运行不同的应用。在不同的服务器之间，可以根据实现诸如2取2组合故障安全比较，以及多重冗余。列控云平台可部署在主用以及备用中心，从而实现异地灾备冗余。

云端控制器，设在安全列控云平台内，实现所有列车控制所需的核心逻辑运算，包括安全防护曲线计算，移动授权，线路资源如道岔、站台门状态请求和控制等。云端控制器，通过无线与安装在列车上的多功能IO模块进行通信，获取列车当前信息，并下发紧急制动或ATO控车等命令。

列车注册与分配控制器，用于实现两个功能，一是匹配管理安装在列车的多功能IO和位于云端的CiC，即当新的列车投入运行时，给其分配对应的CiC；包括告知位于同一列车的两个CiC互为冗余关系。二是对CiC工作状态的监控，如果某CiC故障，可向安全列控云平台请求，将该故障CiC所在服务器切除，用备用服务器进行替换，从而提高整个系统的可用性。

线路资源管理控制器，实现线路资源的管理和分配。线路资源管理控制器通过与轨旁IO的通信，获取轨旁设备的实时信息，如道岔位置，站台门状态等；同时接收来自CiC对轨旁设备状态的请求和控制命令，将其转发给轨旁设备；线路资源管理控制器还需要维护全线的临时限速，进行各设备版本管理等功能。

多功能IO单元，安装在列车上，用于实现与列车的通信和硬线接口，人机界面显示，以及获取安装在车底的速度传感器，应答器天线，多普勒雷达等设备的信息。多功能IO不需要复杂的逻辑运算功能，只是在短周期能实现与车上各设备的通信和传感器状态采集，并将其发送给云端的CiC；以及将云端控制器的控制指令，发送给列车执行或人机界面进行显示。

轨旁IO单元，安装在轨旁的设备，用于实现与基础信号设备如道岔控制器，信号机，站台门等的通信。采集轨旁基础信号设备的状态，发送给位于云端的线路资源管理控制器，并将线路资源管理的道岔动作，信号机亮灭，或站台门开关等控制指令告知这些设备。

图2为既有CBTC系统架构示意图，主要分为ATC，联锁，ATS三大子系统，每个子系统内有各自的专用设备，包括软件(包含操作系统，应用，通信协议等)和硬件(服务器，安全平台，专用板卡等)。子系统内部专用设备之间往往采用内部非标准接口，而且软件和硬件紧密耦合。同样是安全平台，各子系统之间的往往也不相同，带来了实现和维护的复杂性。

图3为本实用新型实施例中的基于多核服务器的安全列控云平台示意图。安全列控云平台用于在商用服务器上实现安全运算，通过多核表决机制避免运算错误，从而支持SIL4级功能应用的执行。

图中示例为4台多核服务器#1，#2，#x，#y，每台服务器中有多个内核(core)。通过能达到SIL4级的虚拟化管理软件(hypervisor)，将不同内核进行分隔，分别映射为独立的CPU，运行各自的虚拟机应用。在该虚拟机上，运行有实时操作系统以及对应的列控应用程序(如CiC、LRM、TRAC)，以实现相应的功能。服务器之间，通过高速网络连接，可实现2取2表决比较。

以车载控制器CiC为例，如图3中的服务器#1和#2之间，以及#x和#y之间，各自服务器内核对应的虚拟机组成一对2取2架构的车载控制器，实现SIL4级功能的安全运算。此外，两对服务器，上运行的车载控制器，可部署在同一个列车上，组成2乘2冗余架构，如果一台服务器故障，可由另一台服务器上运行的CiC应用进行控车，避免列车紧急制动等影响运营的情况发生。

由于分层架构应用层面与控制设备层分离，对于备份的服务器，可以位于同一个数据中心，也可以是在异地的备用中心，它们通过高速网络相连，对应用透明。如此，万一发生重大灾害，可在多个云中心之间迁移，将对系统运营的影响降低到最小。

图4为本实用新型实施例的列车注册与分配控制器(TRAC)工作示意图。TRAC用于匹配云端的CiC应用与列车上的多功能IO模块。TRAC应用本身运行在云端的安全平台内，维护CiC应用与多功能IO之间的对应关系。当TRAC接收到来自多功能IO的注册信息后，判断是否已有CiC与之对应，如果没有，则分配并创建新的CiC，并告知的ID，由其进行绑定。同时，如果TRAC还需管理哪两个CiC部署在同一列车上，并告知它们的冗余关系。

当TRAC判断某个CiC宕机或服务器工作异常时(比如服务器#x上的CiCx-1异常)，需向安全列控云平台申请切除该CiC所在的服务器#x，并启用作为备机的服务器(图4中的服务器#z)，去顶替故障服务器#x；在切除和顶替过程中，列车1和列车2依靠服务器#1和#2上的CiC单系运行，并不会导致紧急制动或其他影响运营的事件发生；待#z服务器中的应用全部接替故障服务器#x中的CiC应用后，列车1和2的CiC恢复2乘2冗余架构。

通过服务器M热备+N温备的配置，在不影响正常功能的前提下，冗余恢复过程可在几十秒内完成，不影响线路正常运营，无需故障列车清客下线，从而获得比既有CBTC车载系统更高的可用性。

图5为本实用新型实施例的车载多功能IO模块架构示意图。多功能IO设备安装在列车上，每列车头尾各安装一套。多功能IO设备包含机箱内的网络通信单元，休眠唤醒单元，安全IO，测速定位模块，列车识别插销；位于司机驾驶室的人机界面；位于车体下的速度传感器，应答器单元，以及多普勒雷达等。多功能IO不具备复杂的逻辑运算功能，只实现将采集到的列车IO和TCMS信息，司机的操作，以及车底传感器信息发送给对应云端的CiC，并执行云端控制器给列车上各设备的控制指令。多功能IO通过TRAC获取自己与CiC的对应关系，并周期与CiC通信，当一定时间无法与CiC通信后，将给列车的指令设置为全限制状态。由于没有复杂的逻辑运算功能，多功能IO设备的运算周期小于20毫秒，使得执行效率远高于传统CBTC架构下车载控制器的100～200毫秒主周期。

由于云端控制器在多核服务器上执行，不受功耗和散热所限，主频一般可3千兆赫兹以上，运算速度远高于传统CBTC架构中车载控制器嵌入式板卡几十至几百兆赫兹。因此，可将云端控制器的控制周期从传统车载控制器的100～200毫秒缩短到20毫秒，从而获得更快的响应时间，提高列车旅行速度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换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 (9)

1.一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，包括：

安全列控云平台，包括云端控制器CiC、线路资源管理控制器LRM、列车注册与分配控制器TRAC；

轨旁IO单元Wayside-IO，部署在轨旁，分别与轨旁设备和云端控制器CiC连接；

多功能IO单元Multi-IO，部署在列车端，与云端控制器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的安全列控云平台包括多个不同的多核服务器；所述的安全列控云平台的服务器可部署在主用中心以及备用中心。

3.根据权利要求2所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的安全列控云平台的所用服务器包括M台热备服务器加上N台温备服务器。

4.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的云端控制器CiC与列车端的多功能IO单元的连接对应关系为非固定方式。

5.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的云端控制器CiC通过无线与列车端的多功能IO单元进行超低时延通信连接。

6.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的云端控制器CiC与线路资源管理控制器LRM通信连接；

所述的云端控制器CiC与列车注册与分配控制器TRAC通信连接。

7.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的线路资源管理控制器LRM与轨旁IO单元低时延通信连接。

8.根据权利要求1所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的多功能IO单元Multi-IO包括用于实现与列车通信的硬线接口，人机界面显示器，以及分别与安装在车底的速度传感器、应答器天线、多普勒雷达设备连接的接口。

9.根据权利要求8所述的一种轨道交通列车控制系统，其特征在于，所述的多功能IO单元Multi-IO在列车上冗余设置。

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