專利名稱：無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)傳輸方法，特別涉及一種在鐵路機車信號系統(tǒng)中，采用無線信道方式傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)姆椒ǎ粚儆阼F路信號技術領域。
背景技術：
我國現(xiàn)有的機車信號系統(tǒng)主要是建立在地面軌道電路基礎上的連續(xù)式或接近連續(xù)式信號系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過感應軌道電路中的信息將地面信息傳輸?shù)綑C車上，由于只有地面到機車的單向信息傳輸，而地面得不到關于列車位置、速度及運行狀態(tài)的信息。同時，地面上的列車控制指令也得不到車載設備的確認，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃缘貌坏奖ＷC，會對列車的安全運行造成不利的影響。此外，既有信號系統(tǒng)所采用的軌道電路會受到鋼軌長度、道渣電阻、氣候及周圍環(huán)境的影響，信息傳遞的速度、信號質量及信息量都有比較大的局限。而且，該系統(tǒng)需要大量的室外設備和電纜，人工維護的作業(yè)量相當大。
隨著現(xiàn)代通信技術的日益普及，無線通信技術在鐵路信號系統(tǒng)中的應用也勢在必行。為了避免上述利用傳統(tǒng)的軌道電路來傳輸機車信號存在的缺點，從而提出研究無線機車信號系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種通過無線信道將地面信號傳輸?shù)綑C車上，指示列車安全運行的裝置。無線機車信號系統(tǒng)的核心是用無線信道傳輸機車信號信息，并通過無線網絡結構和傳輸協(xié)議保證傳輸信息的安全性、
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足以及鐵路部門對機車信號系統(tǒng)的實際要求，提供一種在鐵路無線機車信號系統(tǒng)中，旨在實現(xiàn)列車與地面之間的無線雙向數(shù)據(jù)安全傳輸方法。
為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術方案一種無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，用于無線機車信號系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括地面車站一套控制設備和至少一個車載設備，車載設備包括數(shù)傳電臺、車載控制主機、查詢/應答器和車載信號機；地面車站控制設備包括車站控制主機、數(shù)傳電臺、進出站應答器、微機聯(lián)鎖接口、微機監(jiān)測接口裝置等。其特征在于所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法包括無線傳輸通道結構和安全傳輸協(xié)議兩部分。無線傳輸通道可以采用數(shù)傳電臺和GSM-R兩種方式，分別針對不同的應用條件。
所述的數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)通道結構是由地區(qū)和車載450MHz數(shù)傳電臺組成，其基本特征是無線傳輸網絡采用了動態(tài)組網、星型結構、站間頻率交替及選址模式等。
所述的GSM-R數(shù)據(jù)通道結構包括無線機車信號系統(tǒng)車載設備、無線機車信號系統(tǒng)地面設備、GSM-R數(shù)字移動通信網絡(簡稱GSM-R網)、固定用戶接入交換機(簡稱FAS)、車載無線通信模塊組成。無線機車信號系統(tǒng)地面設備可配置不少于10個車載設備同時接入的RS422通道。車載無線模塊與無線機車信號系統(tǒng)車載設備的接口符合RS-232的接口定義。無線機車信號系統(tǒng)地面設備與FAS間采用RS422接口。地面設備、車載設備按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)傳送。
本發(fā)明無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于接近連續(xù)式無線機車信號采用商用數(shù)傳電臺構成數(shù)據(jù)傳輸網絡，每臺機車設置車載電臺，每個車站設置地面電臺，并統(tǒng)一按規(guī)定設置電臺編號，車站地面電臺與車站管轄內的列車車載電臺構成星狀網絡結構，車站地面電臺是網絡中心，車載電臺是網絡節(jié)點。網絡成員及成員的數(shù)量隨列車運行在不斷變化，駛入車站的列車需要注冊入網，駛出車站的列車被注銷并退出網絡。車站地面電臺與車站管轄內的列車車載電臺構成無線傳輸局部網絡，鐵路沿線所有各站局部網絡共同構成一個完整的無線機車信號傳輸網絡。
本發(fā)明無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于所述的數(shù)傳電臺的數(shù)據(jù)傳輸方法是采用地址、時間、注冊碼三維控制，通過時分復用通信方式和通信協(xié)議來防止無線傳輸網絡幀沖突，通過超時檢測、復位電臺來防止通信阻塞，以幀結構可變，調整優(yōu)先級來保證無線機車信號的實時性和可靠性。
本發(fā)明無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于所述的無線機車信號系統(tǒng)GSM-R通信協(xié)議，實現(xiàn)無線機車信號系統(tǒng)地面設備和多臺車載設備間的數(shù)據(jù)傳輸，完成鏈路建立、分配、保持和釋放。地面設備同時控制多臺機車時，地面設備使用RS422接口與每臺車載設備分別建立電路連接。
本發(fā)明無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點在于它采用無線信道取代現(xiàn)有的軌道電路，該無線信道由數(shù)傳電臺或GSM-R實現(xiàn)。利用無線信道，列車和地面之間的信息交換是相互的，而且數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸信息量大，遠遠超過目前的軌道電路。由于是雙向無線傳輸無線機車信號地面設備可以收到車載設備的回執(zhí)信號，便于進行信號確認，提高了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?。該無線機車信號系統(tǒng)具有聯(lián)鎖接口和信號微機監(jiān)測接口，可以很容易地與現(xiàn)有的微機聯(lián)鎖、調度集中及微機監(jiān)測裝置結合，形成對列車運行的閉環(huán)控制，大大提高我國列車運行控制的自動化水平。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明圖1為無線機車信號系統(tǒng)的系統(tǒng)結構示意圖；圖2為無線機車信號車站頻率配置；圖3為可變周期法時隙分配示意圖；圖4為無線機車信號系統(tǒng)GSM-R數(shù)據(jù)傳輸通道構成。
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具體實施例方式本發(fā)明所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，包括無線傳輸通道和安全傳輸協(xié)議兩部分，無線傳輸通道采用數(shù)傳電臺和GSM-R兩種方式。
本發(fā)明所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，應用于無線機車信號系統(tǒng)中。如圖1所示，該系統(tǒng)包括地面車站一套控制設備和至少一個車載設備。車載設備包括數(shù)傳電臺、車載控制主機、查詢/應答器和車載信號機，車載主機與機車上的數(shù)傳電臺、車載控制主機、查詢/應答器、車載信號機分別連接。地面車站控制設備包括車站控制主機、數(shù)傳電臺、進出站應答器、微機聯(lián)鎖接口和微機監(jiān)測接口裝置等，車站控制主機與數(shù)傳電臺和車站聯(lián)鎖主機相連接。
上述無線機車信號系統(tǒng)中采用數(shù)傳電臺構成無線數(shù)據(jù)傳輸網絡。無線數(shù)據(jù)傳輸網絡是實現(xiàn)無線機車信號的基礎，是需要解決的關鍵技術。無線機車信號采用數(shù)傳電臺構成無線數(shù)據(jù)傳輸網絡需要解決網絡構成、傳輸方式、選址模式、同頻干擾、傳輸幀沖突、電臺鎖死、信號覆蓋、越區(qū)切換、通信協(xié)議等問題。為了保證網絡的有效性和傳輸?shù)目煽啃?，本發(fā)明提出以下具體措施(1)不同地面設備之間交替使用不同頻率，防止同頻干擾；(2)采用自律輪詢工作模式，保證無線機車信號正常工作；(3)采用地址碼、時間戳和注冊表三維控制技術提高傳輸?shù)目煽啃浴?br>
(4)通過傳輸信息幀長度可變、主從方式可變及控制時隙優(yōu)先權可變提高無線機車信號有效性。
本發(fā)明無線機車信號采用商用數(shù)傳電臺構成無線數(shù)據(jù)傳輸網絡。每臺機車設置車載電臺，每個車站設置地面電臺，并統(tǒng)一按規(guī)定設置電臺編號。車站地面電臺與車站管轄內的列車車載電臺構成星狀網絡結構，車站電臺是網絡中心，車載電臺是網絡節(jié)點。網絡成員及成員的數(shù)量隨列車運行在不斷變化，駛入車站的列車需要注冊入網，駛出車站的列車被注銷并退出網絡，鐵路沿線各站共同構成一個整體網絡。車站與管轄內列車使用同一頻率，采用時分復用方法利用信道資源。本無線機車信號系統(tǒng)是一種接近連續(xù)式無線機車信號，即列車從一個車站向另一個車站運行時，它只有在臨近車站時才有機車信號，這是由鐵路半自動閉塞行車方式決定的，該類型僅在車站周圍有無線信號場強覆蓋，因此可以用普通商用數(shù)傳電臺來實現(xiàn)。
本發(fā)明無線機車信號系統(tǒng)所使用的無線傳輸網絡具有以下特點1、動態(tài)組網及網絡移動性由于列車在鐵路沿線不斷運動，對每一個車站在不同時刻構成網絡的成員和數(shù)量是不確定的，是一個動態(tài)組合與分離的過程。因此，網絡的組成是開放的、動態(tài)的。同時，沿線各車站構成的整體網絡具有移動性。
2、星狀網絡結構車站數(shù)傳電臺為網絡中心，車載電臺為網絡節(jié)點，構成星狀網絡結構。駛入車站的列車進行注冊，注冊后增加一個網絡節(jié)點；列車駛出車站后進行注銷，注銷后刪除該網絡節(jié)點。
3、站間頻率交替設置為了避免產生同頻干擾，電臺在各站頻率交叉使用。每一車站使用2個電臺，采用不同頻率，分別控制上/下行列車。如圖2所示。F2，F(xiàn)4，F(xiàn)6為上行列車使用頻率，F(xiàn)1，F(xiàn)3，F(xiàn)5為下行列車使用頻率。上/下行列車采用不同頻率，可防止發(fā)給上行列車的數(shù)據(jù)被下行列車接收，避免造成上下行列車沖突。
每三個車站交替使用一組不同的頻率，避免車站之間的同頻干擾。列車車載主機通過感應地面應答器數(shù)據(jù)，獲得下一車站電臺使用的頻率，并自動重新設置車載電臺的工作頻率，保持與地面頻率相對應。保證車——地之間的正常通信。
4、選址模式本發(fā)明無線機車信號系統(tǒng)中數(shù)傳電臺采用選址方式，由于同一個車站所有電臺都工作在同一頻點，彼此都能夠收到對方發(fā)出的信息，容易造成通信混亂。因此在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中按電臺編號加入地址信息，電臺接收到一幀信息后，將信息幀中的地址與自己的編號對照，如果相同則確認是自己的信息并將其傳給控制主機，如果不同則自動放棄。
本發(fā)明所述無線機車信號系統(tǒng)基于數(shù)傳電臺的數(shù)據(jù)安全傳輸方式是1、三維控制數(shù)據(jù)傳輸無線機車信號應用于鐵路干線作為行車憑證，它的可靠性、可用性、可維護性及安全性(RAMS)至關重要。本發(fā)明提出了無線機車信號系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃唧w措施
(1)任何傳輸?shù)男畔⒍加械刂废拗疲捎跓o線信道利用開放空間進行傳播，所以在系統(tǒng)中采用各個車站及車載設備均有固定地址，發(fā)送與接收信息嚴格按地址執(zhí)行，對于地址錯的信息拒不接收。
(2)信息傳輸?shù)臅r間戳，由于采用時分復用方法進行信息傳輸，并隨時可能受到有意或無意的干擾與攻擊，所以在系統(tǒng)中專門設置了時間戳，即任何信息的傳輸都冠以起始時間，超過規(guī)定時間后，有效信息中止。
(3)列車注冊制，在調度管轄區(qū)內的列車，它們有唯一的車次代碼，車次號由具有最高權威的區(qū)段調度按照行車計劃發(fā)布的，車次號與注冊號相對應，所以任何運行的列車只有在注冊后，它才能在無線信道中進行有效信息傳輸。
上述三維控制，使雙向通信受到嚴格的約束，即信息內容只有同時滿足地址、時間和注冊碼要求才是有效的。在信號作用范圍內，每一列車每一時刻占用一個固定的空間并與唯一注冊信息相對應。
2、傳輸幀沖突與通信阻塞無線傳輸網絡幀沖突，是通過時分復用通信方式和通信協(xié)議來防止的，通信協(xié)議嚴格定義了通信的時隙，規(guī)定了對應時隙的通信順序，車站與列車的主被動關系。從而保證車站與列車之間的通信有序進行，避免了傳輸過程的幀沖突。在通信過程中，由于受到干擾等原因車載電臺或車站電臺可能出現(xiàn)鎖死，為了防止通信中斷，雙方電臺設計了具有超時檢測、復位等功能。
3、幀結構可變?yōu)榱吮ＷC無線機車信號的實時性和可靠性，無線傳輸?shù)男畔⒎譃槿N類型。如圖3所示，第一類信息(I)列控信號基本信息；第二類信息(II)含接/發(fā)車股道數(shù)、車次號、列車實際速度和最大允許速度、列車位置等。此外，在傳輸延遲允許的前提下還可傳輸?shù)谌惙前踩再|的信息(III)包含工務、電務、機務等方面的不同內容信息。因此根據(jù)不同需要可以選擇長、中、短信息周期的標準格式。
本發(fā)明所述無線機車信號系統(tǒng)GSM-R數(shù)據(jù)通道協(xié)議的數(shù)據(jù)安全傳輸方法是實現(xiàn)無線機車信號系統(tǒng)地面設備和多臺車載設備間的數(shù)據(jù)傳輸。完成鏈路建立、分配、保持和釋放。如圖4所示，地面設備同時控制多臺機車時，地面設備使用RS422接口與每臺車載設備分別建立電路連接。通信方式是點對點電路連接。具體通信過程是1、建立電路型鏈路列車壓過啟動應答器后，無線機車信號系統(tǒng)車載設備通過車載無線模塊自動建立鏈路并發(fā)送列車注冊命令。自動按分配給地面設備的ISDN號進行呼叫，GSM-R網接收到呼叫后將路由指向對應的FAS端口，由FAS設備把GSM-R網來的64K信號轉為RS422接口信號給無線機車信號系統(tǒng)地面設備，在無線機車信號系統(tǒng)地面設備與車載設備間建立一條電路鏈路。
2、無線機車信號系統(tǒng)地面設備向車載設備傳送數(shù)據(jù)無線機車信號系統(tǒng)地面設備發(fā)送數(shù)據(jù)時則根據(jù)信息內容中的機車號選擇對應的端口將數(shù)據(jù)轉發(fā)，對應端口碼的無線機車信號系統(tǒng)車載設備便可接收到數(shù)據(jù)。
3、無線機車信號系統(tǒng)車載設備向地面設備傳送數(shù)據(jù)無線機車信號系統(tǒng)車載設備將數(shù)據(jù)通過已建立的數(shù)據(jù)鏈路按照地面FAS格式要求發(fā)送到無線機車信號系統(tǒng)地面設備。
4、鏈路釋放(列車注銷)列車壓過反向進站信號機后，無線機車信號系統(tǒng)地面設備向車站FAS發(fā)出指令請求拆鏈，釋放電路鏈路，列車注銷。
無線機車信號在控制方式上與傳統(tǒng)機車信號有本質的不同。無線機車信號采用一對多的集中控制方式，一套地面設備同時控制車站內和鄰近車站的所有列車。地面設備與其管轄內列車車載設備構成無線傳輸局部網絡，沿線所有地面設備的局部網絡構成一個完整的無線機車信號傳輸網絡。可以選擇數(shù)傳電臺、GSM-R等不同無線方式，構成傳輸網絡。
權利要求
1.一種無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，用于無線機車信號系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括地面車站一套控制設備和至少一個車載設備，車載設備包括數(shù)傳電臺或GSM-R模塊、車載控制主機、查詢/應答器和車載信號機；地面車站控制設備包括車站控制主機、數(shù)傳電臺或GSM-R地面接口設備、進出站應答器、微機聯(lián)鎖接口、微機監(jiān)測裝置接口等，特征在于所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法包括無線傳輸通道結構和安全傳輸協(xié)議兩部分；無線傳輸通道可以采用數(shù)傳電臺和GSM-R兩種方式；所述的數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)通道結構是由地面和車載450MHz數(shù)傳電臺組成；其基本特征是無線傳輸網絡采用了動態(tài)組網、星型結構、站間頻率交替及選址模式等；所述的GSM-R數(shù)據(jù)通道結構包括無線機車信號系統(tǒng)車載設備、無線機車信號系統(tǒng)地面設備、GSM-R數(shù)字移動通信網絡、固定用戶接入交換機、車載無線通信模塊組成；無線機車信號系統(tǒng)地面設備可配置不少于10個車載設備同時接入的RS422通道；車載無線模塊與無線機車信號系統(tǒng)車載設備的接口符合RS-232的接口定義；無線機車信號系統(tǒng)地面設備與固定用戶接入交換機間采用RS422接口；地面設備、車載設備按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)傳送。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于接近連續(xù)式無線機車信號采用商用數(shù)傳電臺構成無線數(shù)據(jù)傳輸網絡；每臺機車設置車載電臺，每個車站設置地面電臺，并統(tǒng)一按規(guī)定設置電臺編號，站地面電臺與車站管轄內的列車車載電臺構成星狀網絡結構，車站電臺是網絡中心，車載電臺是網絡節(jié)點；網絡成員及成員的數(shù)量隨列車運行在不斷變化，駛入車站的列車需要注冊入網，駛出車站的列車被注銷并退出網絡；車站地面電臺與車站管轄內的列車車載電臺構成無線傳輸局部網絡，鐵路沿線所有各站局部網絡共同構成一個完整的無線機車信號傳輸網絡。
3.根據(jù)權利要求1、2所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于所述的數(shù)傳電臺的數(shù)據(jù)傳輸方法是采用地址、時間、注冊碼三維控制，通過時分復用通信方式和通信協(xié)議，超時檢測、復位電臺，幀結構可變，調整優(yōu)先級等方法實現(xiàn)機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，其特征在于所述的無線機車信號系統(tǒng)GSM-R通信協(xié)議，實現(xiàn)無線機車信號系統(tǒng)地面設備和多臺車載設備間的數(shù)據(jù)傳輸，完成鏈路建立、分配、保持和釋放；地面設備同時控制多臺機車時，地面設備使用RS422接口與每臺車載設備分別建立電路連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸方法，采用無線信道方式傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機車信號數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)姆椒?。該方法包括無線傳輸通道結構和安全傳輸協(xié)議兩部分，無線傳輸通道可以采用數(shù)傳電臺和GSM－R兩種方式1.基于數(shù)傳電臺數(shù)據(jù)通道結構是由動態(tài)組網、星型結構、站間頻率交替及選址模式、傳輸方式及通信協(xié)議，解決了同頻干擾、傳輸幀沖突、電臺鎖死、信號覆蓋、越區(qū)切換、通信協(xié)議等問題；2.基于GSM－R數(shù)字移動通信信道的機車信號數(shù)據(jù)傳輸通道的構成、車載和地面設備的接入方式、設備接口等；3.相應的傳輸協(xié)議，采用三維控制、信號應答確認等，保證傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，以幀結構可變，調整優(yōu)先級來保證無線機車信號的實時性和可靠性。大大提高我國列車運行控制的自動化水平。
文檔編號G08C17/00GK1794689SQ200610000070
公開日2006年6月28日 申請日期2006年1月6日 優(yōu)先權日2006年1月6日
發(fā)明者王俊峰, 陳煒, 王化深 申請人:北京交通大學