一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统及方法与流程

本发明属于轨道交通控制技术领域，特别涉及一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统及方法。

背景技术：

目前，重载列车在无基础通信设施覆盖的区段行驶时，两列车距离较远时无法准确的得到彼此的实时信息，列车只能根据轨道电路信息进行追踪，区间仅有列调通信系统覆盖。重载列车朔黄铁路采用lte-m通信系统全线覆盖，该通信系统承载语音列调电话、无线重联业务和综合列尾等业务信息交互，图9示出了重载列车主从机连接方式示意图。

目前高铁ctcs-3级列控系统采用gsm-r（globalsystemformobilecommunications–railway）通信系统承载列控信息交互，gsm-r是一项用于铁路通信及应用的国际无线通信标准。欧洲铁路交通管理系统的子系统使用gsm-r完成列车和调度中心的通信。gsm-r系统由车载通信电台、无线接入网、传输网和核心网设备组成。车载列控信息使用9.6kbps通信速率，采用车地双向通信方式，通过gsm-r网络与rbc（无线承载控制）实时交互。gsm-r网络同时承载部分列调语音电话业务。

cbtc地铁控制系统采用lte-m或wifi通信方式与地面控制中心进行列控信息交互，lte-m或wifi系统同时承载车内监控回传和pis（旅客信息系统）的信息交互与回传。

重载列车指的是一种由双机或者多机牵引的超长、超重的货物列车。重载列车运行的区段通常没有地面基础网络的覆盖，如何完成重载列车在无通信基础设施覆盖地区实时信息的交互，增加重载列车之间点对点通信的可靠性和有效性尤为重要。目前重载列车技术中采用400m、800m和电力线耦合的通信方式，这些方案中链路预算较低、抗干扰能力较差、传输距离较短。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种基于车车及车地通信的列车运行控制方法，所述方法包括：

判断是否存在地面网络；

存在地面网络时，车车、车地之间均通过地面通信系统进行通信；

无地面网络时，车地之间通过车地双向通信基站和车地通信单元进行通信，车车之间通过车地通信单元和自组网车车通信单元进行通信进而控制列车运行。

进一步的，车地之间进行通信时，列车通过所述车地通信单元采用ip寻址，

经过车地双向通信基站向群组控制服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述群组控制服务器交互，获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息；

经过车地双向通信基站向密钥服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述密钥服务器交互，获得密钥信息。

进一步的，车车之间通过自组网车车通信单元进行通信时，

前车列首的自组网车车通信单元将列车信息发送给地补设备，所述地补设备将前车的所述列车信息发送给后车列首的自组网车车通信单元，前车列首与后车列首通过地补设备作为中继通信。

进一步的，车车之间通过自组网车车通信单元进行通信时，

前车列首的自组网车车通信单元将列车信息发送给列尾的车车通信单元，所述列尾的车车通信单元将所述列车信息发送给后车列首的自组网车车通信单元，前车列首与后车列首通过列尾的车车通信单元作为中继通信。

进一步的，车车之间通过车地通信单元进行通信时，

前车列首的车地通信单元和后车列首的车地通信单元依次经过车地双向通信基站获得列车自动驾驶的计划数据、群组信息和密钥信息进行通信。

进一步的，车车、车地之间通过地面通信系统进行通信时，车地双向通信基站、车地通信单元和自组网车车通信单元不工作。

进一步的，所述地面通信系统包括lte-m地面设备，所述lte-m地面设备包括核心网设备、lte-m基站设备；

群组控制服务器和密钥服务器通过数据网与lte-m核心网连接，列车自动防护系统使用lte-m电台通过服务器的ip地址和群组控制服务器和密钥服务器建立用户数据报协议连接，列车通过群组控制服务器获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息，通过密钥服务器获得密钥信息。

本发明还提供一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统，所述系统包括：

地面网络判断单元，用于判断是否存在地面网络；

存在地面网络时，车车、车地之间均通过地面通信系统进行通信；

无地面网络时，车地之间通过车地双向通信基站和车地通信单元进行通信，车车之间通过车地通信单元和自组网车车通信单元进行通信。

进一步的，车地之间进行通信时，列车通过所述车地通信单元采用ip寻址，

经过车地双向通信基站向群组控制服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述群组控制服务器交互，获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息；

经过车地双向通信基站向密钥服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述密钥服务器交互，获得密钥信息。

进一步的，所述地面通信系统包括lte-m地面设备，所述lte-m地面设备包括核心网设备、lte-m基站设备；

群组控制服务器和密钥服务器通过数据网与lte-m核心网连接，列车自动防护系统使用lte-m电台通过服务器的ip地址和群组控制服务器和密钥服务器建立用户数据报协议连接，列车通过群组控制服务器获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息，通过密钥服务器获得密钥信息。

本发明的一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统及方法，提升了车车通信的效率与准确性，极大的增加了车车通信的通信距离，在原有的c1、c2以及c3列控技术的基础上，直接进行车车间的通信。在无核心网和地面接入网覆盖的且需长距离通信的重载运输铁路上效果显著，保障了追踪列车间的信息交互效率，设计了重载铁路上新的通信系统，兼容使用gsm-r、lte-m和wifi等既有通信基础设施。同时，本发明列首采用多功能电台融合，多个电台协同工作，将通信流融合在了一起，列首通信速率和周期根据距离不同可发生变化。

本发明的其它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，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出了本发明实施例中的基于车车及车地通信的列车运行控制系统结构示意图；

图2示出了本发明实施例中基于车车及车地的列车运行控制系统总体架构图；

图3示出了本发明实施例中地补设备单系框图；

图4示出了本发明实施例中c1广播基站单系系统框图；

图5示出了本发明实施例中车地通信系统地面设备单系框图；

图6示出了本发明实施例中lte-m覆盖区段地面侧通信系统框图；

图7示出了本发明实施例中列首通信系统框图；

图8示出了本发明实施例中列尾通信系统框图；

图9示出了重载列车主从机连接方式示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提出了一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统及方法，车车通信实现了重载列车间的实时通信，点对点直接通信最远可达4.5km。当两个重载列车的通信终端在相距4.5km范围内即可实时获得对方的信息，完成区间运行虚拟连挂的车载应用信息交互，最终实现区间内多列重载列车群组运行。

车地通信实现了列车站内与群组控制服务器、线路数据服务器和密钥服务器的信息交互，完成站内编组信息、行车许可信息、线路数据信息和密钥数据的交互和更新。群组控制信息采用车地双向通信的方式，当列车进入覆盖区后，发起与群组控制服务器的链接，进行数据交互；线路数据信息采用广播通信方式，当列车进入覆盖区后，即可获得线路数据信息；密钥数据交互同样采用车地双向通信的方式，保证密钥的安全性和实时性。

本发明实施例中，kmc表示密钥服务器，gcs表示群组控制服务器，c1表示ctcs-1级列控系统，c2表示ctcs-2级列控系统，c3表示ctcs-3级列控系统，sds表示线路数据服务器，ato表示列车自动驾驶系统，atp表示列车自动防护系统。

本发明通信系统中包括地面设备（包括车车通信的地补设备），列首车载通信设备，列尾车载通信设备三大部分。同时兼容具有lte-m（lte-m是一种专为满足物联网(iot)或机对机通信应用需求而设计的蜂窝技术）或gsm-r地面通信系统的区段，以下兼容性说明以lte-m为例。图1示出了本发明实施例中的基于车车及车地通信的列车运行控制系统结构示意图，通信总体架构如图1所示。当驶入具有lte-m地面通信系统的区段时，通过lte-m通信，车地通信单元、自组网车车通信单元和重联通信单元不工作；当驶入区段没有lte-m覆盖时，列首除了lte-m其它单元都工作。（图中并没有将后车与地面通信画出，其方式与前者相同）。

城市轨道交通车地综合通信系统（lte-m)是针对城市轨道综合业务需求设计的td-lte系统。lte-m可同时承载基于通信的列车控制系统（cbtc)、视频监控（ims)、乘客信息系统（pis)、列车运行状态监控、集群调度业务等信息。

具体的，地面设备按照功能分，包括4个通信子系统：车车通信的地补设备（称地补设备），负责完成车车通信信息的中继转发工作；c1广播基站设备，与sds服务器连接，负责向车载通信设备广播线路数据；车地通信基站设备，与gcs或kmc服务器连接，负责交互行车计划、编组计划、密钥、列车位置和状态等信息；在lte-m覆盖的区段，除c1广播基站广播的线路数据外，所有车车通信和车地通信的信息都由lte-m通信系统发送。

列首车载通信设备按照功能分成5个通信单元：自组网车车通信单元，负责完成车车通信信息交互；车地通信单元，负责完成与gcs服务器和kmc服务器的信息交互；列尾通信单元，负责完成列尾风压，完整性等信息的交互；重联通信单元，负责主机与从机间的通信完成同步操控信息的交互；c1通信单元，负责完成sds服务器信息的接收。

列尾车载通信设备按照功能分成2个通信单元：车车通信单元，负责完成列首车车的中继工作和列尾位置完整性等信息的发送；列尾电台单元，包含在综合列尾内部，负责将完整性，风压等信息发送至列首通信单元的列尾终端盒。

图2示出了本发明实施例中基于车车及车地的列车运行控制系统总体架构图，图2中，地补设备放置在隧道内，sds服务器、gcs服务器和kmc服务器设置在车站内，c1广播基站通过以太协议与sds服务器连接，车地双向通信基站通过以太协议与gcs服务器和kmc服务器连接；当列车在lte-m网络覆盖的区域行驶时，gcs服务器和kmc服务器通过以太协议与lte-m核心网连接，lte-m核心网与lte-m基站连接。

本发明实施例中提供一种基于车车及车地通信的列车运行控制方法，所述方法包括：

判断地面是否存在地面网络；

存在地面网络时，车车、车地之间均通过地面通信系统进行通信；

无地面网络时，车地之间通过车地双向通信基站和车地通信单元进行通信，车车之间通过车地通信单元和自组网车车通信单元进行通信。

具体的，车地之间进行通信时，列车通过所述车地通信单元采用ip寻址，经过车地双向通信基站向群组控制服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述群组控制服务器交互，获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息；经过车地双向通信基站向密钥服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述密钥服务器交互，获得密钥信息。

具体的，车车之间通过自组网车车通信单元进行通信时：

当两辆车的距离较近时，前车列首的自组网车车通信单元直接与后车列首的自组网车车通信单元连接进行通信；

当距离较远时，前车列首的自组网车车通信单元将列车信息发送给地补设备，所述地补设备将前车的所述列车信息发送给后车列首的自组网车车通信单元，前车列首与后车列首通过地补设备作为中继通信；

距离较远时，还能够通过列尾的车车通信单元进行通信，前车列首的自组网车车通信单元将列车信息发送给列尾的车车通信单元，所述列尾的车车通信单元将所述列车信息发送给后车列首的自组网车车通信单元，前车列首与后车列首通过列尾的车车通信单元作为中继通信。

车车之间通过车地通信单元进行通信时：前车列首的车地通信单元和后车列首的车地通信单元依次经过车地双向通信基站获得列车自动驾驶的计划数据、群组信息和密钥信息进行通信。

具体的，车车、车地之间通过地面通信系统进行通信时，车地双向通信基站、车地通信单元和自组网车车通信单元不工作。

地面通信系统包括lte-m、gsm-r地面通信系统等的一种或多种，本发明实施例中仅已lte-m作为其中的一种地面通信设备进行举例说明，其他地面通信系统用于重载列车的通信内容也一并在本发明实施例中的保护范围之内。

具体的，lte-m地面设备包括核心网设备、lte-m基站设备；

群组控制服务器和密钥服务器通过数据网与lte-m核心网连接，列车自动防护系统使用lte-m电台通过服务器的ip地址和群组控制服务器和密钥服务器建立用户数据报协议连接，列车通过群组控制服务器获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息，通过密钥服务器获得密钥信息。

本发明实施例中还提供一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统，系统包括：

地面网络判断单元，用于判断地面是否存在地面网络；

存在地面网络时，车车、车地之间均通过地面通信系统进行通信；

无地面网络时，车地之间通过车地双向通信基站和车地通信单元进行通信，车车之间通过车地通信单元和自组网车车通信单元进行通信。

具体的，车地之间进行通信时，列车通过所述车地通信单元采用ip寻址，

经过车地双向通信基站向群组控制服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述群组控制服务器交互，获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息；经过车地双向通信基站向密钥服务器发起链接，通过用户数据报协议的方式与所述密钥服务器交互，获得密钥信息。

具体的，地面通信系统包括lte-m地面设备，所述lte-m地面设备包括核心网设备、lte-m基站设备；

群组控制服务器和密钥服务器通过数据网与lte-m核心网连接，列车自动防护系统使用lte-m电台通过服务器的ip地址和群组控制服务器和密钥服务器建立用户数据报协议连接，列车通过群组控制服务器获得列车自动驾驶的计划数据和群组信息，通过密钥服务器获得密钥信息。

图3示出了本发明实施例中地补设备单系框图，图3中，地补设备一般放在隧道中和弯道处，主要用来做车车通信的转发中继，其采用1 1冷备，当a系故障时，自动切换至b系。地补设备通信相关部分包括控制板，400m的车车1电台，1.8g的车车2电台，天线合路器，天馈线。控制板通过以太协议与车车1电台、车车2电台连接，天线合路器通过天馈线与车车1电台、车车2电台连接。

图4示出了本发明实施例中c1广播基站单系系统框图，c1地面设备与sds服务器通过以太协议连接，采用广播的形式发送线路数据。c1广播基站采用温备形式，主备之间通过心跳信息交互状态，当主备心跳消失后自动切换。以全线覆盖lte-m网络的区段为例，重载列车通过lte-m方式进行通信时，线路数据仍通过c1基站发送，不使用lte-m通信方式。

图5示出了本发明实施例中车地通信系统地面设备单系框图，车地双向通信基站与gcs服务器和kmc服务器通过以太方式连接。车辆通过车地通信系统采用ip寻址，向gcs服务器发起链接，车辆从应答器获得ip，通过车地通信系统向gcs发起udp连接。通过udp方式（internet协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据报协议（udp，userdatagramprotocol）与gcs系统交互，获得ato计划数据，群组信息，并上报位置等信息。车辆通过车地通信系统也采用ip（ip（internetprotocol，网际互连协议）查询服务器）寻址，向kmc服务器发起链接。通过udp方式。udp为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的ip数据包的方法）与kmc系统交互，获得密钥信息。其中车地通信系统每个基站都采温备冗余形式，主备基站间通过心跳信息获得状态信息，当主系发生故障时自动完成切换。

图6示出了本发明实施例中lte-m覆盖区段地面侧通信系统框图，图6所示为为有地面网络设备的车地、车车通信地面设备图，以全线覆盖lte-m网络的区段为例。该区域车车，车地通信均采用lte-m方式。但线路数据仍通过c1基站发送，不使用lte-m通信方式。当进入有地面lte-m覆盖的区域时由atp发起通信切换，其中lte-m地面设备包括核心网设备，lte-m基站设备。gcs/kmc服务器通过数据网与lte-m核心网连接，车载atp使用lte-m电台通过服务器的ip地址和gcs/kmc服务器建立udp连接（internet协议集支持一个无连接的传输协议，该协议称为用户数据报协议（udp，userdatagramprotocol），lte-m电台设置在列车上，负责于lte-m基站设备通信。udp为应用程序提供了一种无需建立连接就可以发送封装的ip数据包的方法）。车辆通过gcs服务器获得ato计划数据，群组信息，并上报位置等信息，车辆通过kmc服务器获得密钥信息。当驶入具有lte-m地面通信系统的区段时，通过lte-m通信，车地通信单元、自组网车车通信单元和重联通信单元不工作；当驶入区段没有lte-m覆盖时，列首除了lte-m其它单元都工作。

图7示出了本发明实施例中列首通信系统框图，列首通信电台与车载列控设备通过以太网方式连接，本发明实施例中，车载列控设备选用atp（列车自动防护设备）作为举例说明，实际运用过程中，包括但不限于atp、ato（列车自动控制系统）、obu（车载单元）中的一种，列首通信电台包括图1中c1通信单元、车地通信单元、自组网车车通信单元、lte-m、列尾通信单元和重联通信单元，列首通信电台通过udp方式与车载列控设备交互，列首通信电台将收到的ato计划数据，群组信息，位置等信息上报，同时完成车车间位置信息的交互。列首通信电台采用温备冗余形式，当主系发生故障时自动切换到备系，两系冗余电台通过主控模块完成切换或信息转发。

具体的，列首车车通信电台区间追踪时通信距离分为三种，采用不同的通信周期。远距离通信距离为3.5-2.7km，应用层每5s发送一包数据，应用层10s判定通信超时；中距离通信距离为2.7-1km，应用层每3s发送一包数据，应用层6s判定通信超时；近距离通信距离为1-0.2km，应用层每1s发送一包数据，应用层2s判定通信超时。

图8示出了本发明实施例中列尾通信系统框图，列尾设备由综合列尾单元，车车通信单元，通导监雷达设备，供电设备几部分组成。

综合列尾详细描述如下：综合列尾具备定位功能，其包括列尾电台。列尾电台包括两系，两系间采用温备模式，当a系发生故障时，由综合列尾完成电台切系的工作。当进入有lte-m覆盖的区段时，应优先使用lte-m电台作为列尾电台。对于综合列尾来说，两系车车通信单元使用温备模式，同时只有一系车车通信单元与综合列尾有应用数据交互，当一系车车通信单元发生故障时，由综合列尾完成切换。

发明的一种基于车车及车地通信的列车运行控制系统及方法，提升了车车通信的效率与准确性，极大的增加了车车通信的通信距离，在原有的c1、c2以及c3列控技术的基础上，直接进行车车间的通信。在无核心网和地面接入网覆盖的且需长距离通信的重载运输铁路上效果显著，保障了追踪列车间的信息交互效率，设计了重载铁路上新的通信系统，兼容使用gsm-r、lte-m和wifi等既有通信基础设施。同时，本发明列首采用多功能电台融合，多个电台协同工作，将通信流融合在了一起，列首通信速率和周期根据距离不同可发生变化。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。