在列车控制系统中应用基于IP地址的无线优先级的方法

摘要

本发明公开了一种在列车控制系统中应用基于IP地址的无线优先级的方法，其特征在于，为无线列车控制系统设备分配子网和相应IP地址，安全设备划分为安全子网，非安全设备划分为非安全子网；在无线信道优先传输安全子网的数据。本发明针对列车控制系统信息传输的特点，优化数据通信子系统中的无线传输方式。

说明书

技术领域

本发明属于列车控制领域，主要用于根据IP地址划分确定列车控制系统中 数据信息的优先级，确保安全控制信息的优先实时传输。

背景技术

随着信息化的发展，通信技术、计算机技术的触角已延伸到社会生活的各 个角落。任何领域内的自动化、信息化飞跃，都离不开这些技术的支持，列车 信号控制领域也不例外。基于通信的列车控制系统（CBTC）就是通过连续、双 向的车地通信来进行列车控制，从而实现列车安全性和系统运输效率的大幅度 提高的。目前，CBTC技术也成为列车控制系统的主流技术。

车地通信采用无线方式的CBTC系统称为无线CBTC系统。无线CBTC系统的 基本特点是：通过连续的车地通信而不是通过轨道电路来确定列车位置。一个 列车车载控制器通过探测轨道上的应答器决定列车位置，在数据库中查找它们 的方位，并测量自前一个探测到的应答器起已走行的距离。列车车载控制器通 过使用列车到轨旁的双向无线通信向轨旁CBTC设备报告本列车的位置。双向通 信也加强了对列车的运行和监督。因此，列车能够在保证与其他列车安全间隔 的情况下，以更短的行车间隔运行，并提高列车控制的灵活性。

无线列车控制系统逻辑上主要分为三层：管理层、运算层和执行层。管理 层主要提供列车自动控制和监测功能。运算层通过运行系统控制软件，负责列 车安全间隔、列车允许速度和进路连锁等逻辑运算。运算结果以通信报文的形 式通过数据通信子系统发送给执行单元。执行层主要分为两部分，轨旁控制设 备和车载控制设备。其主要功能是解释来自运算层的指令，并根据这些指令设 定列车速度和列车安全间隔来控制列车，同时传送有关列车的位置、速度、运 行方向和车载控制器的状态等数据给运算层。各层的实体通过数据通信子系统 （DCS）进行信息的交互。

从数据的安全属性上看，运算层和执行层之间传输的信息是涉及安全的控 制信息，而管理层和运算层以及管理层和执行层之间传输的则是不涉及安全的 信息，因此，作为信息传输媒介的数据通信子系统应该需要确保安全控制信息 的优先传输。然而目前，所有安全信息和非安全信息在列车控制系统中的传输 共享一个数据通信网络，且采用相同的数据传输等级，没有体现安全数据的优 先级。

运算层与执行层轨旁设备之间的数据是通过有线网络传输的，而运算层与 执行层车载设备之间的数据则是通过有线网络与无线网络共同传输的。有线网 络在带宽上有足够的优势，同时它的优先级也可以通过成熟协议中的QoS设置 （QoS（Quality of Service）服务质量，是网络的一种安全机制，是用来解 决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。对关键应用和多媒体应用，当网络过载 或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行） 实现。因此，数据特别是安全控制数据在无线网络中传输的带宽和时延往往成 为评判整个数据通信网络性能优劣的关键因素之一。如何根据列车控制系统的 特点，保证安全控制数据在无线网络部分的优先传输，实现端到端优先级控制 成为需要解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在列车控制系统中应用基于IP地址 的无线优先级的方法，它可以针对列车控制系统信息传输的特点，优化数据通 信子系统中的无线传输方式。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种在列车控制系统中应用基于IP 地址的无线优先级的方法，其特征在于，为无线列车控制系统设备分配子网和 相应IP地址，安全设备划分为安全子网，非安全设备划分为非安全子网；在无 线信道优先传输安全子网的数据。

本发明的有益效果在于：针对列车控制系统信息传输的特点，优化数据通 信子系统中的无线传输方式。对于区域控制中心发给车载控制器的指令，以及 车载控制器回传到区域控制中心的有关列车位置、速度、运行方向和车载控制 器的状态等相关的安全控制数据，确保其在无线网络中优先传输。

为管理层设备分配同一个子网的IP地址，成为非安全子网。

为运算层和执行层的设备分配同一个子网的IP地址，成为安全子网。

所述执行层的设备包括区域控制设备、轨旁控制设备和车载控制设备。

对数据包的源地址和目的地址进行分析，将源地址和目的地址为安全子网 的数据包映射到MAC层的高优先级，在无线信道优先传输。

通过轨旁和车载无线单元对数据包的源地址和目的地址进行分析。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图1是基于IP地址无线优先级实现方式示意图；

附图2是区域控制设备和车载控制设备之间信息传输的端到端时延示意图；

附图3是无线列车控制系统示例图。

具体实施方式

本发明针对列车控制系统信息传输的特点，优化数据通信子系统中的无线 传输方式。对于区域控制中心发给车载控制器的指令，以及车载控制器回传到 区域控制中心的有关列车位置、速度、运行方向和车载控制器的状态等相关的 安全控制数据，确保其在无线网络中优先传输。

本发明按照无线列车控制系统的逻辑结构，为管理层设备分配同一个子网 的IP地址（非安全IP子网），为运算层和执行层的设备（包括区域控制设备、 轨旁控制设备和车载控制设备）分配同一个子网的IP地址（安全IP子网）。

同属于安全子网的设备之间传输的是安全控制信息，需要保证优先传输。 对于数据通信系统中的无线通信设备，通过分析IP数据包中源IP地址和目的 IP地址所属子网，可以分析判断信息的属性，同时根据一定的调度算法，保证 安全控制信息的优先传输。对于数据通信子系统中的无线通信设备（轨旁无线 接入点AP和车载移动无线电台STA），在增加了具备上述功能的语义转换模块和 调度模块后，可以确定和实现数据优先级：

语义转换模块：分析数据包的源IP地址和目的IP地址所属的子网，按照 所属子网的类型，映射到不同的MAC层等级（例如，按照IEEE802.1P设定为8 个等级）。一般来说，列车安全控制信息必须映射到MAC层的最高优先级。对于 列车控制系统的其他监督管理信息则可以映射到MAC层的次优先级。同时，对 于将来有可能融合的列车视频监控等信息则可以映射到更低的优先级。

调度模块：基于MAC调度算法，为每个MAC层等级维护相应的队列，并分 配不同的权重。由于不同等级帧的权重不同，所以它们选择的退避时延平均期 望也不同。这样，当信道检测到空闲时，高等级的帧的平均等待时延小，接入 概率较大。

本发明通过IP地址和MAC层等级映射的语义转换，以及MAC调度算法，保 证了源IP地址和目的IP地址都属于安全子网的安全数据能够以最小的时延传 输。

通过基于IP地址的无线优先级控制，保证了列车控制系统安全控制数据在 无线部分能够优先传输，安全控制数据的传输时延能够满足列车控制系统安全 运行的要求，提升了列车控制系统性能。

以运算层的区域控制设备到执行层的车载控制设备之间的安全控制信息传 输为例，通过无线优先级控制，能够保证端到端的数据传输时延控制在10ms以 内：有线网络中的站内网络交换机时延0.5ms；VPN设备的平均时延为1.6ms； 骨干网交换机由于数量较多，一般有1ms的时延；轨旁无线接入单位内部交换 机使用存储和前转机制，在中等的通信流量情况下，将会导致平均0.8ms的延 迟；轨旁无线接入单位和车载移动无线电台的时延的平均为6ms。

以附图3所示无线列车控制系统为例。

第一步，为无线列车控制系统中设备进行IP地址规划。为管理层设备分配 同一个子网的IP地址（非安全IP子网），为运算层和执行层的设备（包括区域 控制设备、轨旁控制设备和车载控制设备）分配同一个子网的IP地址（安全IP 子网）。

第二步，改进轨旁和车载无线单元。按照附图1所示增加语义转换模块和 调度模块。语义转换模块通过分析数据包的源IP地址和目的IP地址所属的子 网，按照所属子网的类型，映射到不同的MAC层等级，其中安全子网设备之间 的信息映射到最高的MAC优先级。调度模块通过调度算法，在信道检测到空闲 时，将高等级的帧优先发送到无线信道。

本发明所述通过基于IP地址的无线优先级控制，保证属于安全子网的设备 之间的信息传输以最高优先级传输，而其他信息以次优先级传输。进而保证列 车控制系统中安全控制类信息的在无线网络部分的传输时延也满足列车控制系 统的运行要求，实现端到端的优先级控制。这些信息包括：列车安全间隔、列 车允许速度、列车位置、列车运行方向和进路连锁运算结果等。

本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在于 为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或 替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的具体实施方式用来揭示本发 明的最佳实施方法，以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施 方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。