一种移动闭塞列控系统中LTE公网冗余系统及通信方法与流程

一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统及通信方法
技术领域
1.本发明涉及列车信号控制系统，尤其是涉及一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统及通信方法。


背景技术：

2.随着我国铁路科技技术的快速发展和推动，列控技术发展聚焦在卫星定位技术应用和移动闭塞等方向上，旨在通过运用最新技术和创新手段，提升铁路运输能力、服务质量和列控系统性能，降低全生命周期成本。而移动闭塞列控系统是在已有列控系统的研究和开发成果基础上，综合运用融合北斗卫星定位的多源融合列车自主定位、移动闭塞、电子地图、完整性检测、基于ip的(4g)无线通信等技术，实现系统运行高效化、轨旁设备简约化、室内设备集中化，满足移动闭塞运行要求的智能列控系统。
3.随着移动闭塞列控系统的不断发展，尤其为了实现车车通信、车车追踪、自动驾驶等技术，对无线通信的传输速率、信道容量、传输性能有了更高的要求。而高铁列控系统使用的既有gsm-r无线通信技术在越区切换、小区容量、系统延时等方面的不足逐渐显现。值得注意的是，lte无线通信技术具有高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容等方面优势，并且在公众移动通信领域、各行业应用上已非常成熟，具备完整的技术标准和成熟的产业链。值得注意的是，gsm-r网络为冗余网络，但lte公网不存在冗余性，故在列控系统中实际应用还存在着困难。因此如何利用lte技术构建冗余的宽带移动通信平台，并承载车地无线通信、安全列尾等安全业务是铁路信号无线发展的方向。
4.lte公网应用于列控系统还存在以下问题：
5.1、lte网络不存在冗余性，实际应用于国铁列控系统不满足sil4级安全需求。
6.2、单一制式公共网络存在小区、基站覆盖空间不均、跨小区时网络不稳定情况。
7.3、公共网络受到其他用户使用习惯影响，带宽效率时间分布不均匀。


技术实现要素：

8.本发明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移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统及通信方法。
9.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
10.根据本发明的第一方面，提供了一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，该系统用于实现车载设备与轨旁设备通信连接，所述lte公网冗余系统包括第一电台、第二电台、第一天线和第二电线，所述车载设备分别与第一电台、第二电台同时连接，所述第一电台分别与第一天线和第二电线连接，所述第二电台分别与第一天线和第二电线连接，从而构建四个ip通道。
11.作为优选的技术方案，所述的第一电台和第二电台为不同供应商的电台。
12.作为优选的技术方案，所述的第一电台和第二电台分别接入不同运用商网络。
13.作为优选的技术方案，所述车载设备采用双机热备冗余结构，分别包括车载设备a
和车载设备b。
14.作为优选的技术方案，所述轨旁设备采用双机热备冗余结构,分别包括轨旁设备a和轨旁设备b。
15.作为优选的技术方案，所述车载设备a系红网与轨旁设备a系红网连接，所述车载设备a系蓝网与轨旁设备b系蓝网连接，所述车载设备b系红网与轨旁设备b系红网连接，所述车载设备b系蓝网与轨旁设备a系篮网连接，从而实现lte冗余连接。
16.作为优选的技术方案，所述车载设备与轨旁设备同时建立四个基于ip的tcp连接。
17.作为优选的技术方案，所述车载设备与轨旁设备连接采用subset037和国密算法sm4保证无线通信的安全性。
18.根据本发明的第二方面，提供了一种用于所述的移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统的通信方法，包括以下步骤：
19.当无线通信设备正常工作时，所述车载设备与轨旁设备同时使用四个通道发送数据，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤，从而实现车地高效无线通信。
20.作为优选的技术方案，当单电台故障或单运营商网络故障时，所述车载设备a和b系与轨旁设备的a和b系通过正常工作电台维持两路连接，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤。
21.作为优选的技术方案，当单天线故障时，两个电台能通过一个天线同时与轨旁设备进行正常交互，车地间四个无线连接通道不受影响。
22.作为优选的技术方案，当单天线、单电台同时故障时，所述车载设备a和b系仍分别有单通道与轨旁设备进行通信。
23.作为优选的技术方案，当双电台或双天线同时故障时，无线通信中断，但依据电台的平均故障间隔时间mtbf与lte组合天线的平均故障间隔时间mtbf均≥1.00e+05，随机安全功能失效率可满足sil4要求。
24.根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
25.根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
26.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
27.1)本发明满足了移动闭塞列控系统内部热备冗余的要求，无线通信链接冗余，实现了在单系故障时，单通道故障时可以保持正常的车地无线通信，且各通道间相互独立，确保了无线消息的安全性与稳定性；
28.2)本发明在移动闭塞列控系统中使用了lte公网，实现了铁路运用从gsm-r专用网络到lte公共网络的进步；
29.3)本发明实现了使用lte公网无线通信的冗余方案，为移动闭塞列控系统基于无线传输的车车通信、车车追踪、自动驾驶等技术奠定了基础；
30.4)本发明在单套设备故障情况下系统能正常工作，满足了系统对通信网络的高可用性要求；
31.5)本发明在列控系统中使用lte公网，可以使用现有运营商网络，降低网络建设成本。
附图说明
32.图1为本发明的lte公网冗余系统架构图；
33.图2为本发明车地无线连接示意图。
具体实施方式
34.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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
35.本发明移动闭塞列控系统中lte公网冗余方案，以满足移动闭塞列控系统安全控车的需求。为满足sil4级列控系统，本发明给出了一种lte公网冗余方案。本发明基于tcp/ip协议，列车与地面之间建立4条安全连接，链接采用subset037通信协议，使用国密算法sm4进行消息校验，4条链接同时进行数据收发工作，车载设备与地面设备同时对4条信道中的数据进行处理，确保了无线通信的冗余性与安全性。本发明满足了移动闭塞列控系统内部热备冗余的要求，无线通信链接冗余，实现了在单系故障时，单通道故障时可以保持正常的车地无线通信，且各通道间相互独立，确保了无线消息的安全性与稳定性。
36.上述方案包括以下特点：
37.1、本发明选取了两家不同的运营商，基于不同网络制式，解决了运营商网络信号覆盖空间分布不均，小区切换时通信不稳定的问题，确保了网络的冗余性；
38.2、本发明使用了两组天线、电台，确保了天线、电台的冗余性，避免由于单天线、单电台故障导致整个系统故障；
39.3、本发明使用了lte公网，可以使用既有运营商，克服了专用网络建设费用高的问题；
40.4、移动闭塞列控系统中车载设备与地面设备可以同时支持4条安全链接通信，保证无线通信的安全性。
41.图1为lte公网冗余方案架构图，本方案采用两个电台、两个天线来构建lte公网冗余方案。车载设备分别与两个电台同时连接，共4个ip通道，其中两个电台为不同供应商，每个电台分别与两个天线连接，每个天线同时连接两个电台。
42.图2为车地无线连接示意图，车载设备a系红网与轨旁设备a系红网连接，车载设备a系蓝网与轨旁设备b系蓝网连接，车载设备b系红网与轨旁设备b系红网连接，车载设备b系蓝网与轨旁设备a系篮网连接，从而实现lte冗余连接。
43.在本方案中车载设备与轨旁设备同时建立4个基于ip的tcp连接，连接采用subset037和国密算法sm4保证无线通信的安全性，通过4通道相互之间的冗余达到整个系统无线连接的冗余性。
44.当无线通信设备正常工作时，车载设备与轨旁设备同时使用4个通道发送数据，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤，从而实现车地高效无线通信，且在实际场景运用中，车地信息交互在1s内完成。
45.当单电台故障时，车载设备a/b系与地面设备的a/b系通过正常工作电台维持两路连接，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤，从而实现车地高效无线通信。
46.当单天线故障时，两个电台能通过1个天线同时与轨旁设备进行正常交互，车地间4个无线连接通道不受影响，保证了系统的冗余性。
47.当单天线、单电台同时故障时，车载设备a/b系仍分别有单通道与轨旁设备进行通信，此时无线通信仍具备冗余性，极大地提高了系统的可用性。
48.当双电台或双天线同时故障时，无线通信中断，但依据电台的平均故障间隔时间(mtbf)与lte组合天线的平均故障间隔时间(mtbf)均≥1.00e+05，随机安全功能失效率可以满足sil4要求。
49.通过以上技术方案，可以良好的解决lte公网在移动闭塞列控中的应用问题，解决公共网络不稳定、专网建设费用高的问题，不仅如此，该方案可以达到列控系统sil4级安全要求，具有实际应用价值。值得注意的是lte公网可以减少车地、车车之间的通信延迟，增大了信道容量，使轨旁设备可以实时获取列车位置、区段占用等信息，同时也能够及时地更新每辆列车实时状态信息，此技术能有效的提升区间运行效率。尤其对于自动驾驶方面，列车自动驾驶主要依靠无线通信的稳定交互，通过无线信息获取行车许可，从而完成列车的自动驾驶。
50.以上是关于系统及方法实施例的介绍，以下通过电子设备及储存介质实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
51.本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
52.设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
53.处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如本发明方法。例如，在一些实施例中，本发明方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的本发明方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行本发明方法。
54.本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：现场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、片上系统(soc)、复杂可编程逻辑设备(cpld)等等。
55.用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
56.在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
57.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，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发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，该系统用于实现车载设备与轨旁设备通信连接，其特征在于，所述lte公网冗余系统包括第一电台、第二电台、第一天线和第二电线，所述车载设备分别与第一电台、第二电台同时连接，所述第一电台分别与第一天线和第二电线连接，所述第二电台分别与第一天线和第二电线连接，从而构建四个ip通道。2.根据权利要求1所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述的第一电台和第二电台为不同供应商的电台。3.根据权利要求1所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述的第一电台和第二电台分别接入不同运用商网络。4.根据权利要求1所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述车载设备采用双机热备冗余结构，分别包括车载设备a和车载设备b。5.根据权利要求3所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述轨旁设备采用双机热备冗余结构,分别包括轨旁设备a和轨旁设备b。6.根据权利要求4所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述车载设备a系红网与轨旁设备a系红网连接，所述车载设备a系蓝网与轨旁设备b系蓝网连接，所述车载设备b系红网与轨旁设备b系红网连接，所述车载设备b系蓝网与轨旁设备a系篮网连接，从而实现lte冗余连接。7.根据权利要求1所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述车载设备与轨旁设备同时建立四个基于ip的tcp连接。8.根据权利要求1所述的一种移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统，其特征在于，所述车载设备与轨旁设备连接采用subset037和国密算法sm4保证无线通信的安全性。9.一种用于权利要求1所述的移动闭塞列控系统中lte公网冗余系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：当无线通信设备正常工作时，所述车载设备与轨旁设备同时使用四个通道发送数据，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤，从而实现车地高效无线通信。10.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，当单电台故障或单运营商网络故障时，所述车载设备a和b系与轨旁设备的a和b系通过正常工作电台维持两路连接，车载设备与轨旁设备对发送的数据进行冗余过滤。11.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，当单天线故障时，两个电台能通过一个天线同时与轨旁设备进行正常交互，车地间四个无线连接通道不受影响。12.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，当单天线、单电台同时故障时，所述车载设备a和b系仍分别有单通道与轨旁设备进行通信。13.根据权利要求8所述的通信方法，其特征在于，当双电台或双天线同时故障时，无线通信中断，但依据电台的平均故障间隔时间mtbf与lte组合天线的平均故障间隔时间mtbf均≥1.00e+05，随机安全功能失效率可满足sil4要求。14.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求9～13中任一项所述的方法。15.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求9～13中任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种移动闭塞列控系统中LTE公网冗余系统及通信方法，该系统用于实现车载设备与轨旁设备通信连接，其特征在于，所述LTE公网冗余系统包括第一电台、第二电台、第一天线和第二电线，所述车载设备分别与第一电台、第二电台同时连接，所述第一电台分别与第一天线和第二电线连接，所述第二电台分别与第一天线和第二电线连接，从而构建四个IP通道。与现有技术相比，本发明具有确保了无线通信的冗余性与安全性等优点。与安全性等优点。与安全性等优点。


技术研发人员：张剑宇 张亚忠 欧国恩 杨文 安鸿飞 李紫薇 邓昊 焦伟
受保护的技术使用者：卡斯柯信号有限公司
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/5/4