一种基于软件定义的轨道交通信号系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种轨道交通信号系统，尤其是涉及一种基于软件定义的轨道交通信号系统及其实现方法。

背景技术：

传统信号系统(如cbtc系统，communicationbasedtraincontrolsystem，基于通信的列车控制系统)的资源管理和间隔防护以地面设备为主，通过车地交互来告知车载，以保证列车的运行安全，经过数十年的发展和改善，是非常成熟的系统，在全球得到广泛应用。但传统信号系统的缺点也是显而易见的，资源的管理和实际使用并不是同一个对象，导致往返交互成本较高，影响了运行的效率，受制于交互的信息内容，灵活性又很差。

为了进一步提升列车控制的效率、灵活性并降低全寿命周期成本，以车载为核心的列车自主运行系统(tacs信号系统，trainautonomouscircumambulatesystem)成为了新发展方向。tacs系统目前正在研究阶段，成熟度和可靠性均有待验证。

技术实现要素：

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基于软件定义的轨道交通信号系统及其实现方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于软件定义的轨道交通信号系统，包括数据通信系统以及分别与数据通信系统通信连接的车载控制系统、轨旁控制系统、数据存储单元、列车自动监控系统和维护支持系统，所述的信号系统还包括切换开关，所述的轨旁控制系统包括分别与切换开关连接的目标控制器oc、微机联锁ci和区域控制器；

所述的切换开关用于进行传统信号系统运营模式和tacs运营模式的切换，当切换到tacs运营模式时，所述的轨旁控制系统采用目标控制器oc；当切换到传统信号系统运营模式时，所述的轨旁控制系统采用微机联锁ci和区域控制器。

优选地，所述的列车自动监控系统用于负责监督和控制列车的运营，具有列车追踪运行、报警和事件报告、运行调整、和操作控制功能。

优选地，所述的维护支持系统用于负责整个信号系统设备状态监测和维护。

优选地，所述的数据存储单元用于提供线路静态数据信息、动态数据信息、子系统配置数据信息。

优选地，所述的数据通信系统通过冗余有线骨干网实现轨旁设备间的通信，通过无线网络实现列车与地面设备之间及列车与列车之间的双向实时通信。

优选地，切换到tacs运营模式时，所述的目标控制器oc用于负责线路资源分配与回收，列车序列管理，并进行轨旁设备状态采集及控制，所述的车载控制系统根据计划进行线路资源请求及释放，主动进行列车控制，实现列车安全防护功能和列车自动驾驶功能。

优选地，所述的信号系统运营模式为传统cbtc运营模式。

优选地，切换到传统cbtc运营模式时，所述的微机联锁ci和区域控制器用于负责获取轨旁状态及轨旁设备控制，负责为列车提供移动授权，所述的车载控制系统根据收到的移动授权来实现列车安全防护功能和列车自动驾驶功能。

一种用于所述的基于软件定义的轨道交通信号系统的实现方法，该方法根据运营的需求来选择不同的运营模式，包括传统信号系统运营模式和tacs运营模式，所述的轨道交通信号系统基于相同的硬件平台，软件模块设计同时兼容传统信号系统和tacs系统的功能，通过外部切换开关的选择，软件模块获取运营模式选择信息，加载相应的信号系统软件功能，执行相应的车地通信接口协议，完成列车自动控制的功能。

优选地，该方法具体包括以下步骤：

1)根据运营需求选择切换开关，如果运营条件符合tacs模式，则将切换开关设置为tacs模式，当运营条件符合传统cbtc模式，则将切换开关设置于传统cbtc模式；

2)获取切换开关状态，当用户选择切换开关后，轨旁控制系统通过采集模块获取切换开关状态信息；

3)判断切换开关是否在传统cbtc模式，当切换开关在传统cbtc模式时，则进入传统cbtc系统的启用过程；否则，进入tacs系统的启用过程；

4)当切换开关在传统cbtc模式时，轨旁控制系统启用联锁和区域控制器功能软件，加载相应的应用数据；

5)轨旁控制系统发送相应的信息给车载控制系统，通过消息字段通知车载控制系统当前应该启用传统cbtc功能软件；

6)车载控制系统启用传统cbtc车载功能软件，加载相应的应用数据；

7)系统完成软件加载初始化，进入传统cbtc运营模式。

8)当切换开关在tacs模式时，轨旁控制系统启用目标控制器功能软件，加载相应的应用数据；

9)目标控制器发送相应的信息给车载控制系统，通过消息字段通知车载控制系统当前应该启用tacs功能软件；

10)车载控制系统启用tacs车载功能软件，加载相应的应用数据；

11)系统完成软件加载初始化，进入tacs运营模式。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)基于软件定义的信号系统具有传统cbtc和tacs两种运营模式，可以根据配置进行灵活切换，切换时不需要进行软件和数据的更新，根据轨旁的切换装置来进行自动切换。

2)基于软件定义的信号系统使用同一套硬件平台，不需要增加额外的硬件，车载软件和轨旁控制器软件都兼容了传统cbtc和tacs系统的功能，根据切换开关进行自动适配。

3)基于软件定义的信号系统允许在以tacs信号系统运营出现问题时，及时切换到传统cbtc信号系统进行运营，对运营的影响小。

附图说明

图1为本发明基于软件定义的轨道交通信号系统工作流程示意图；

图2为本发明基于软件定义的轨道交通信号系统结构图；

图3为本发明以传统cbtc模式运营时各子系统之间的信息传输示意图；

图4为本发明以tacs模式运营时各子系统之间的信息传输示意图；

图5为本发明的基于软件定义的轨道交通信号系统的车载软件结构；

图6为本发明的基于软件定义的轨道交通信号系统的轨旁控制器软件结构。

具体实施方式

下面将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。

基于软件定义的轨道交通信号系统可以根据运营的需求来选择不同的运营模式，包括传统信号系统运营模式和tacs运营模式，系统基于相同的硬件平台，软件设计兼容了传统cbtc系统和tacs系统的功能，通过外部切换开关(可采用实体的物理开关或sil4级的软件开关功能)的选择，软件获取运营模式选择信息，加载相应的信号系统软件功能，执行相应的车地通信接口协议，完成列车自动控制的功能。以下流程和实例以cbtc系统作为传统信号系统的举例，本发明的权利请求中传统信号系统包含但不限于cbtc系统。

基于软件定义的轨道交通信号系统在实际应用中的工作流程如图1所示：

①操作员根据运营需求选择切换开关，如果运营条件符合tacs模式，则将切换开关设置为tacs模式，当运营条件符合传统cbtc模式，则将切换开关设置于传统cbtc模式。

②获取切换开关状态，当操作员选择切换开关后，轨旁控制器通过采集模块获取切换开关状态信息。

③判断切换开关是否在传统cbtc模式，当切换开关在传统cbtc模式时，则进入传统cbtc系统的启用过程；否则，进入tacs系统的启用过程；

④当切换开关在传统cbtc模式时，轨旁控制器启用联锁和区域控制器功能软件，加载相应的应用数据；

⑤轨旁控制器发送相应的信息给车载控制器，通过消息字段通知车载控制器当前应该启用传统cbtc功能软件；

⑥车载控制器启用传统cbtc车载功能软件，加载相应的应用数据；

⑦系统完成软件加载初始化，进入传统cbtc运营模式。

⑧当切换开关在tacs模式时，轨旁控制器启用目标控制器功能软件，加载相应的应用数据；

⑨目标控制器发送相应的信息给车载控制器，通过消息字段通知车载控制器当前应该启用tacs功能软件；

⑩车载控制器启用tacs车载功能软件，加载相应的应用数据；

系统完成软件加载初始化，进入tacs运营模式。

如图2所示，基于软件定义的轨道交通信号系统包括车载控制系统cc、轨旁控制系统oc、ci/zc及切换开关、数据存储单元dsu、列车自动监控系统ats、维护支持系统mss、数据通信系统dcs。其中ats子系统负责监督和控制列车的运营，具有列车追踪运行、报警和事件报告，运行调整，操作控制等功能。mss子系统负责整个信号系统设备状态监测和维护。dsu子系统提供线路静态数据信息、动态数据信息、子系统配置数据信息。dcs子系统通过冗余有线骨干网实现轨旁设备间的通信，通过无线网络实现列车与地面设备之间及列车与列车之间的双向实时通信。

切换开关用于进行传统cbtc和tacs运营模式的切换，当切换到tacs运营模式时，轨旁控制系统实现目标控制器oc的功能，负责线路资源分配与回收，列车序列管理，并进行轨旁设备状态采集及控制，cc子系统根据计划进行线路资源请求及释放，主动进行列车控制，实现列车安全防护功能和列车自动驾驶功能；当切换到传统cbtc运营模式时，轨旁控制系统实现联锁和区域控制器的功能，负责获取轨旁状态及轨旁设备控制，负责为列车提供移动授权，cc子系统根据收到的移动授权来实现列车安全防护功能和列车自动驾驶功能。

基于软件定义的轨道交通信号系统支持传统cbtc系统和tacs系统两种运营模式，通过切换开关来进行选择，如图2所示。当处于传统cbtc模式运营时，系统包括ats、mss、dsu、dcs、ci、zc及cc等子系统，如图3所示。cc负责向轨旁发送列车位置等信息，从轨旁接收移动授权、线路变量及运行任务等信息，cc根据轨旁的移动授权进行行车。zc和ci负责根据线路的信息来计算列车的移动授权，以保证线路设备正确动作及行车的安全，以轨旁为控制核心。当处于tacs模式运营时，系统包括ats、mss、dsu、dcs、oc及cc等子系统，如图4所示，cc根据从ats接收的列车计划进行列车自路径规划，并向目标控制器进行资源请求及释放，根据目标控制器提供的资源信息及从相邻列车收到的前后车位置信息自主计算移动授权，自主控制列车安全运行，同时向相邻列车及地面设备提供当前列车的位置信息。目标控制器oc根据列车位置信息进行线路列车序列管理，根据资源请求及释放信息进行轨旁设备分配及回收，tacs系统是以列车为核心的控制系统，能提高城市轨道交通系统运营效率，同时能节约系统全生命周期的成本。

基于软件定义的轨道交通信号系统的软件定义具有兼容性，能根据配置兼容传统cbtc和tacs的功能和接口，如图5所示，cc软件将车载的基础功能软件模块作为共有模块，当处于传统cbtc模式时，列车运动任务处理、轨旁移动授权处理、传统cbtc车载外部接口等软件模块被激活，实现传统cbtc的功能。当处于tacs模式时，自主移动授权计算、自主路径规划、资源请求与释放、tacs车载外部接口等模块被激活，实现tacs的功能。

对于轨旁控制器软件结构(如图6所示)，当处于传统cbtc模式时，区域控制器功能、联锁逻辑处理、外部设备驱采等软件模块被激活，实现传统cbtc的功能。当处于tacs模式时，目标控制器功能、外部设备驱采等软件模块被激活，实现tacs的功能。

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。