一種城市軌道交通車地通信方法
2023-07-06 23:11:31
專利名稱：一種城市軌道交通車地通信方法
技術領域：
本發明屬於通信系統中數據傳輸領域，特別涉及ー種城市軌道交通車地通信方法。
背景技術：
隨著通信技術特別是無線電技術飛速發展，人們開始研究以通信技術為基礎的列車運行控制系統 CBTC 系統(Communication Based Train Control System)。CBTC 系統利用無線通信可靠、實時地傳輸車一地雙向大容量信息，列車在運行過程中通過無線實時地向地面中心發送自身的位置、速度等狀態信息。地面中心通過無線通信將前方障礙物、臨時限速等信息發送給列車。列車根據前方障礙物信息、列車參數、線路參數等信息實時計算速度曲線，控制列車在安全速度下運行。
CBTC系統的特點是用無線通信媒體來實現列車和地面設備的雙向通信，用以代替軌道電路作為媒體來實現列車運行控制。CBTC系統的突出優點是可以實現車一地之間的雙向通信，並且傳輸信息量大、傳輸速度快、很容易實現移動自動閉塞系統、大量減少區間敷設電纜、減少一次性投資及減少日常維護工作，可以大幅度提高區間通過能力，靈活組織雙向運行和單向連續發車，容易適應不同車速、不同運量、不同類型牽引的列車運行控制等等。在CBTC系統中不僅可以實現列車運行控制，而且可以綜合成為運行管理，因為雙向無線通信系統，既可以有安全類信息雙向傳輸，也可以雙向傳輸非安全類信息，例如車次號、乘務員班組號、車輛號、運轉時分、機車狀態、油耗參數等等大量機車、エ務、電務等有關信息。利用CBTC系統既可以實現固定自動閉塞系統，也可以實現移動自動閉塞系統。CBTC系統的車地通信系統傳輸的安全類信息傳輸包括列車向地面發送的列車位置信息，以及地面向列車發送的列車控制信息等。這些信息是對安全性要求很高的數據，因此，對車地通信的可靠性要求很高。在IEEE 1474.1 (2004)標準中，規定車地通信和地車通信的延時不能超過O. 5 2秒，否則列車將會緊急制動。同時，車地通信的丟包率以及切換中斷時間也是影響車地通信質量的重要指標。「列車控制系統」(中國公開號CN101391616A)的CBTC系統結構如圖2所示。在實現列車運行控制的通信網絡當中，列車在軌道上運行，車上的無線控制裝置與地面的無線AP (Access Point)(訪問接入點)通過無線通信的方式交換列車位置信息及列車控制信息。其中地面控制器根據來自車載無線控制器的列車在線位置信息，生成發給車載系統的列車控制報文，並發送給第I個AP主機至第η個AP主機(η彡I)。第i個無線AP (i取1-m，m彡I)的處理周期通常與地面控制器的周期不同，第j個AP主機(j取l_n)實現地面控制器與對應的第i個無線AP的之間的數據收發同步及數據格式轉換，其功能是接收所轄範圍內第I個無線AP至第m個無線AP的信息，按照一定的格式組成幀，並以一定的周期發送給地面控制器。同樣第j個AP主機將地面控制器發過來的信息每隔一定的周期發送給所轄範圍內第I個無線AP至第m個無線AP，第i個無線AP再通過無線鏈路發送給車載無線控制器。不同的AP主機之間通常是獨立的，不存在直接的物理上的連接關係。列車上的列車位置信息通過車載無線控制器在無線鏈路上發送，安裝在軌旁的第i個無線AP接收此信息，並將此信息通過光纖I和對應的交換機送至對應的AP主機，該AP主機再將此信息通過有線網和總交換機發送給地面控制器。而地面控制器產生的列車控制信息通過總交換機和有線網絡先發送給第j個AP主機，第j個AP主機通過對應的交換機轉發給連接在交換機上的第I個無線AP至第m個無線AP，第I個無線AP至第m個無線AP通過無線鏈路將信息發送給對應的車載無線控制器。在進行數據通信吋，需要設置發送端和接收端的IP位址。在CBTC的車地通信系統中，地面控制器發送數據給車載無線控制器吋，各個AP主機為發送端，而車載無線控制器為接收端；車載無線控制器發送數據給地面控制器吋，車載無線控制器為發送端，各個AP主機為接收端。由於在地鐵和輕軌線路上運行的列車數量較多，因此地面控制器在給列車發送列車控制信息吋，先發送給第I個AP主機至第η個AP主機，第I個AP主機至第η個AP主機通常採用廣播方式將所有的信息通過廣播發送給其所轄的第I個無線AP至第m個無線AP和列車，此時的發送端地址設置為對應的AP主機的IP位址，而接收端的IP位址為255. 255. 255. 255，即設置為廣播發送。在線路上運行的所有列車都能接收地面發送的列車控制信息，列車上的車載無線控制器通過讀取所收取信息的列車ID或其它標識判斷是否是發送給自己的控制信息，從而進行進ー步的信息處理。而列車在線路上運行吋，需要與軌旁的一個無線AP進行關聯，該無線AP又隸屬於其中的ー個AP主機。列車上的無線控制器要發送數據給地面控制器吋，必須先通過該AP主機轉發，這是因為通常車載無線控制器通過無線鏈路發送數據的間隔通常較小，為幾十毫秒，數據包長度也比較小，為幾十個字節。該AP主機可以接收ー個通信周期(通常為幾百毫秒)內與其相連的所有無線AP接收的列車位置信息，並將其組成ー個長度更大的數據包，並發送給地面控制器。而列車在線路上運行吋，需要不斷地切換與其關聯的無線AP和AP主機，通常並不知道自己到達了哪ー個AP主機的管轄範圍，也不知道該AP主機的IP位址，因此在給該AP主機發送數據包時，只能以廣播方式發送，即接收端IP位址設置為廣播地址255. 255. 255. 255。第P車載無線控制器(每個列車上安裝有I個車載無線控制器，P取1-K，K > I)以廣播方式發送數據存在一定的問題。如圖I所示，第P車載無線控制器發送的數據包首 先通過無線鏈路發送給地面軌旁與該列車關聯的無線AP，該無線AP將數據通過有線網絡發送給對應的AP主機。但是，該AP主機通過網絡交換機與其管轄的第I個無線AP至第m個無線AP連接在一起，因此當該AP主機接收到列車發送的廣播數據包後，將把數據包廣播發送到對應的交換機上的所有端ロ，也就是說數據包會廣播發送到連接到該交換機的所有無線AP (第I個無線AP至第m個無線AP)，並通過這些無線AP發送給與無線AP關聯的列車的車載無線控制器。從以上過程可以看出，車載無線控制器對對應的AP主機進行廣播發送數據時，數據不僅發送給該AP主機，也會發送給與該AP主機連接在同一交換機上的所有無線AP，並最終發送給與該AP關聯的所有列車的車載無線控制器。由於第I個無線AP至第m個無線AP與車載控制器通過無線方式進行連接，這樣勢必會造成列車與地面之間的無線傳輸幹擾増大，影響車地通信的性能。因此，目前需要迫切解決的ー個技術問題就是如何能夠創新地提出ー種城市軌道交通系統的車地通信機制，避免列車與地面通信時出現太多的廣播數據包，減少無線鏈路的幹擾。
發明內容
本發明針對上述缺陷公開了ー種城市軌道交通車地通信方法。ー種城市軌道交通車地通信方法包括以下步驟I)地面控制器通過總交換機給第j個AP主機發送數據時，以廣播方 式發送或單播方式發送；j取I-η ；2)第j個AP主機向車載無線控制器發送數據時，以廣播的方式發送，設置接收端的IP位址為255. 255. 255. 255，而發送端的IP位址為AP主機自身的IP位址；3)第P車載無線控制器接收到與其連接的AP主機發送的廣播數據包後，從廣播數據包中獲得發送數據的發送端IP位址，並保存下來，P取I-K ;4)第P車載無線控制器判斷該廣播數據包是否為發送給自身的，如果不是，則丟棄該數據包；如果數據包為發送給自身的數據包，則接收該數據包；5)第P車載無線控制器向其連接的AP主機發送數據時，接收端IP位址設置為最新接收到的AP主機的IP位址，發送端IP位址設置為自身的IP位址；6)與第P車載無線控制器連接的AP主機接收到第P車載無線控制器發送的數據後，將其緩存，並將一定周期內所接收的數據包重新組包，在該周期時刻到來時發送給地面控制器；一定周期的數值範圍為20(T500ms。所述地面控制器通過總交換機周期性地向第j個AP主機發送數據；總交換機周期的數值範圍為20(T500ms。所述第P車載無線控制器向與第P車載無線控制器連接的AP主機發送數據的周期小於地面控制器向第j個AP主機發送數據的周期。本發明的有益效果為在本發明中，地面控制器對車載無線控制器進行發送時採用廣播機制，而車載無線控制器對地面控制器發送時採用單播機制，可以有效減少列車對地面發送時廣播發送時的幹擾，從而提高系統車地通信的性能。無論無線AP和車載無線控制器的參數如何設置，均與本發明無關。
圖I為CBTC系統數據通信結構示意圖；圖2為本發明的數據通信收發流程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進ー步說明如圖I所示，地面控制器連接總交換機，總交換機分別連接第I個AP主機至第η個AP主機(η彡I )，第I個AP主機至第η個AP主機分別連接第I交換機至第η交換機，每個交換機分別通過光纖I連接第I個無線AP至第m個無線AP (m > I )，第i個無線AP (i取1-m)以無線通信的方式連接第P車載無線控制器(每個列車上安裝有I個車載無線控制器，P 取 1-K，K 彡 I)；如圖2所示，ー種城市軌道交通車地通信方法包括以下步驟I)地面控制器通過總交換機給第j個AP主機發送數據時，以廣播方式發送或單播方式發送；j取I-η ； 2 )第j個AP主機連接對應的第I個無線AP至第m個無線AP，這些無線AP關聯的車載無線控制器的數量和具體IP位址不能夠被第j個AP主機獲知，因此，第j個AP主機向車載無線控制器發送數據時，以廣播的方式發送，設置接收端的IP位址為255. 255. 255. 255，而發送端的IP位址為AP主機自身的IP位址；3)第P車載無線控制器接收到與其連接的AP主機發送的廣播數據包後，從廣播數 據包中獲得發送數據的發送端IP位址，並保存下來，P取I-K ;4)第P車載無線控制器判斷該廣播數據包是否為發送給自身的，如果不是，則丟棄該數據包；如果數據包為發送給自身的數據包，則接收該數據包；5)第P車載無線控制器向其連接的AP主機發送數據時，接收端IP位址設置為最新接收到的AP主機的IP位址，發送端IP位址設置為自身的IP位址；6)與第P車載無線控制器連接的AP主機接收到第P車載無線控制器發送的數據後，將其緩存，並將一定周期內所接收的數據包重新組包，在該周期時刻到來時發送給地面控制器；一定周期的數值範圍為20(T500ms。地面控制器通過總交換機周期性地向第j個AP主機發送數據；總交換機周期的數值範圍為20(T500ms。地面控制器接收第j個AP主機的數據的周期和地面控制器向第j個AP主機發送數據的周期均為T1，第P車載無線控制器向與第P車載無線控制器連接的AP主機發送數據的周期為T2, T1XT215地面控制器以T1為周期向與其連接的AP主機和車載無線控制器廣播發送列車控制信息，車載無線控制器接收列車控制信息，並保存所接收數據包的AP主機的IP位址。車載無線控制器以T2為周期向與車載無線控制器關聯的無線AP和對應的AP主機(對應的AP主機連接與車載無線控制器關聯的無線AP)以單播方式發送列車位置信息數據，數據包中的接收地址設置為所存儲的AP主機IP位址。AP主機接收1\周期內所有車載無線控制器發送的數據包，並將其組成ー個長度更大的數據包，在發送時刻將此數據包發送給地面控制器，從而完成車地通信的過程。這種通信方式可能存在的問題是車載無線控制器在沒有接收到地面控制器發送的信息之前，無法獲得和設定需發送數據包的目標IP位址，因此需要預先設定車載無線控制器的第一個目標IP位址，即第一個AP主機的IP位址。在城市軌道交通車地通信環境中，網絡結構和AP主機的設置都是固定的，因此車載無線控制器的第一個目標AP主機IP位址是可以設置的。另外ー個問題是當列車在不同的AP主機間進行切換(即與車載無線控制器關聯的無線AP發生變化)吋，發送數據包的目標IP位址會發生錯誤。例如在車載無線控制器首先在第I個AP主機管轄的AP區間運行，此時車載無線控制器設置的目標IP位址是第I個AP主機的IP位址IP-Add1,當列車切換到第2個AP主機所管轄的AP區間時，由於列車並不知道AP主機已經發生了切換，仍然以IP-Add1作為目標地址發送數據，導致第2個AP主機接收不到此數據。但是第2個AP主機仍然會以周期T1廣播發送列車控制信息，當車載無線控制器接收到此列車控制信息時，就可以更新其下一個發送數據包的目標IP位址為2個AP主機的IP位址IP_Add2，其後的數據可以正常進行。從以上描述可以看出，當列車在不同的AP主機間進行切換時，其發送的列車位置信息會發生短時間的丟失。但是現有的列車 運行控制系統只有在車地之間的通信中斷2秒以上才可能引起緊急制動，而地面控制器發送列車控制信息和接收列車位置信息的周期T1 一般不會超過500ms，因此所造成的通信中斷時間也不會超過500ms，該通信中斷對列車運行控制造成的影響非常小。
權利要求
1.一種城市軌道交通車地通信方法，其特徵在於，它包括以下步驟 1)地面控制器通過總交換機給第j個AP主機發送數據時，以廣播方式發送或單播方式發送；j取I-η ； 2)第j個AP主機向車載無線控制器發送數據時，以廣播的方式發送，設置接收端的IP位址為255. 255. 255. 255，而發送端的IP位址為AP主機自身的IP位址； 3)第P車載無線控制器接收到與其連接的AP主機發送的廣播數據包後，從廣播數據包中獲得發送數據的發送端IP位址，並保存下來，P取I-K ; 4)第P車載無線控制器判斷該廣播數據包是否為發送給自身的，如果不是，則丟棄該數據包；如果數據包為發送給自身的數據包，則接收該數據包； 5)第P車載無線控制器向其連接的AP主機發送數據時，接收端IP位址設置為最新接收到的AP主機的IP位址，發送端IP位址設置為自身的IP位址； 6)與第P車載無線控制器連接的AP主機接收到第P車載無線控制器發送的數據後，將其緩存，並將一定周期內所接收的數據包重新組包，在該周期時刻到來時發送給地面控制器；一定周期的數值範圍為20(T500ms。
2.根據權利要求I所述的一種城市軌道交通車地通信方法，其特徵在於，所述地面控制器通過總交換機周期性地向第j個AP主機發送數據；總交換機周期的數值範圍為200 500ms ο
3.根據權利要求I所述的一種城市軌道交通車地通信方法，其特徵在於，所述第P車載無線控制器向與第P車載無線控制器連接的AP主機發送數據的周期小於地面控制器向第j個AP主機發送數據的周期。
全文摘要
本發明公開了屬於通信系統中數據傳輸領域的一種城市軌道交通車地通信方法。地面控制器對車載無線控制器進行發送時採用廣播機制，而車載無線控制器對地面控制器發送時採用單播機制。本發明的有益效果為可以有效減少列車對地面發送時廣播發送時的幹擾，從而提高系統車地通信的性能。無論無線AP和車載無線控制器的參數如何設置，均與本發明無關。
文檔編號B61L27/00GK102821363SQ20121024468
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者蔣海林, 趙紅禮, 步兵, 郜春海, 唐濤 申請人:北京交通大學