一种基于分组域通信的通信控制服务器及其系统和方法与流程

1.本发明涉及轨道交通通信领域，具体涉及一种基于分组域(packet switch,ps)通信的通信控制服务器及其系统和方法。


背景技术：

2.随着2016年珠三角城际铁路莞惠和广佛肇线的开通运营，城际列车运行控制系统ctcs2+ato系统(automatic train operation，列车自动控制系统)在国内正式投入运用，它在大铁领域首次应用了自动驾驶技术，实现了列车运行自动控制，提高了系统自动化程度和运输效率。
3.但是目前我国列车运行控制系统ctcs均基于铁路用国际无线通信标准gsm-r的电路域cs进行列车控制车地通信，其传输效率有限。另一方面，综合业务数字网(integrated services digital network，isdn)通信卡产品外设容量受限，价格较高(成本占硬件成本的一半)。而随着无线通信技术向3g、4g、5g甚至6g的迭代演进以及更多车地通信业务客观需求的不断呈现，现有的列车控制无线通信技术愈发无法满足剧增的业务需求，同时，现有的列车控制无线通信网络的设置成本也很高。为了拥有更好的通信兼容性、满足更高宽带及业务拓展、降低系统成本等需求，需要一种兼容性更高、可满足更高业务需求的通信控制服务器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于分组域通信的通信控制服务器及其系统和方法，该通信控制服务器将核心逻辑处理通信单元和网络交互单元等相结合，其中所述核心逻辑处理通信单元包含主处理单元和通信单元，所述网络交互单元分别与调度集中控制系统、列控中心和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互，无需额外的isdn无线通信服务器，简化了整体结构及成本；同时，相对于现有的依赖于电路域无线通信机制的服务器，本发明的通信控制服务器的网络传输具备断线重连时间短的特点，提高了整个系统的稳定性。
5.为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
6.一种基于分组域通信的通信控制服务器，包含：
7.核心逻辑处理通信单元，其包含主处理单元和通信单元，所述主处理单元用于通信控制服务器的核心逻辑处理，所述核心逻辑处理通信单元通过所述通信单元与外界进行信息交互；
8.网络交互单元，其与所述核心逻辑处理通信单元连接，所述网络交互单元分别与调度集中控制系统、列控中心和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互；所述网络交互单元与所述通信单元通信连接，所述通信单元向安全监督模块传送主校核字，当所述安全监督模块对主校核字的判断为错误时，安全继电器驱动器切断所述通信单元和网络交互单元之间的数据对外传输通道。
9.可选的，所述主处理单元为双机冗余结构，所述主处理单元用于消息鉴定安全层适配以及对车载设备消息的真实性、序列完整性、时效性的检查。
10.可选的，所述主处理单元包含第一主处理模块、第二主处理模块和切换模块，所述第一主处理模块和第二主处理模块形成所述核心逻辑处理通信单元，用于通信控制服务器的核心逻辑处理，所述切换模块用于所述核心逻辑处理通信单元的主备系的切换。
11.可选的，所述切换模块监控所述第一主处理模块和第二主处理模块的状态参数，当所述切换模块监控主系处理单元状态参数异常时，切换另一个主处理模块为主系处理单元。
12.可选的，所述通信单元包含第一通信模块和第二通信模块，所述第二通信模块接收所述第一主处理模块和第二主处理模块以及两者之间的通信数据，将待发送通信数据通过网络交互单元基于分组域的无线网络向车载设备输出，车载设备输入的通信数据基于分组域的无线网络通过网络交互单元传送至第二通信模块，进而传送至主处理单元；
13.所述第一通信模块用于控制通信控制服务器的时序，所述第一通信模块接收各模块的校核字，并由各校核字得出主校核字发送至安全监督模块。
14.可选的，当主校核字与预设值不符时，所述安全监督模块对主校核字的判断为错误。
15.可选的，还包含：
16.维护终端，其与所述通信单元通信连接，所述维护终端对通信控制服务器的各部件进行诊断、维护。
17.可选的，还包含：
18.电源模块，其用于为通信控制服务器的各部件供电。
19.可选的，一种车地通信系统，包含：
20.所述的基于分组域通信的通信控制服务器，所述通信控制服务器的网络交互单元分别与调度集中控制系统、列控中心和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互。
21.可选的，一种采用所述的基于分组域通信的通信控制服务器进行车地通信的方法，包含：
22.s1、启动通信控制服务器，完成通信控制服务器的开机自检、初始化以及数据载入；
23.s2、通信控制服务器通过通信板卡与车载设备、列控中心和调度集中控制系统建立安全通信连接并交互业务通信数据；
24.s3、通信控制服务器实时通过分组域的无线网络完成与车载设备的安全通信连接，基于安全网络通信下接受车载设备的注册或注销请求，并维护当前已注册车载设备的通信会话状态；
25.s4、通信控制服务器从当前已注册车载设备接收到车载设备的ato状态报告后转发至调度集中控制系统，告知调度集中控制系统已注册车载设备的车次号，调度集中控制系统发送相应车次的运营信息至通信控制服务器，通信控制服务器解析并匹配到相应的车载设备后基于分组域无线网络将运营信息发送给对应车载设备。
26.可选的，还包含：
27.s5、当列车要停靠站台时，通信控制服务器通过分组域无线网络从车载设备接收屏蔽门开关命令，并对接收的屏蔽门命令的命令参数进行有效性及合法性检查；对检查通过的屏蔽门命令，通信控制服务器会从离线数据中匹配相应的继电器驱动码位，封装成继电器驱动命令包发送给要动作的屏蔽门所对应的列控中心，通信控制服务器从列控中心接收屏蔽门继电器采集状态，转换成相应的屏蔽门状态后通过分组域无线网络发送给车载设备。
28.可选的，所述运营信息包含相应列车的运营计划、折返命令信息。
29.可选的，所述步骤s1包含：
30.通信控制服务器开机自检、硬件初始化、布尔逻辑初始化、div+bit任务初始化、定时中断任务初始化、离线数据和配置文件的载入；
31.通信控制服务器网络及同步任务初始化，其包括初始化网卡、ip及网关地址写入、主备系间及cpu间同步任务相关变量及函数初始化；
32.铁路信号安全协议-i、铁路信号安全协议-ii及欧洲无线电系统功能接口规范的任务初始化。
33.可选的，所述通信控制服务器的维护终端对各步骤的消息交互实时记录，并提供历史查询及回放功能。
34.本发明与现有技术相比具有以下优点：
35.本发明提供的一种基于分组域通信的通信控制服务器及其系统和方法中，该通信控制服务器将核心逻辑处理通信单元和网络交互单元等相结合，其中所述核心逻辑处理通信单元包含主处理单元和通信单元，所述网络交互单元分别与调度集中控制系统、列控中心和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互，无需额外的isdn无线通信服务器，简化了整体结构及成本；同时，相对于现有的依赖于电路域无线通信机制的服务器，本发明的通信控制服务器的网络传输具备断线重连时间短的特点，提高了整个系统的稳定性。
36.进一步的，所述通信控制服务器中每个单元/模块的数据相对独立，分别处理，大大减少了前后台的数据传输量，保证了数据展示的实时性和准确性。
37.进一步的，本发明的包含通信控制服务器的车地通信系统内，各组件基于分组域的无线网络通信，对lte及5g通信技术无损向后兼容，让通信控制服务器和系统的功能更加具备可扩展性。
附图说明
38.图1为本发明的一种基于分组域通信的通信控制服务器示意图；
39.图2为本发明的一种基于分组域通信下车地安全通信架构示意图。
具体实施方式
40.以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。
41.如图1和图2结合所示，为本发明的一种基于分组域通信的通信控制服务器ccs，通信控制服务器ccs是地面ato设备的核心组成部分，其主要是实现轨旁与列车的车载设备之间的无线通信，实现屏蔽门开关门命令的管理，以实现运营计划的管理和转发。另一方面，
在车门与屏蔽门联动执行流程中，列车上的车载设备负责下发屏蔽门开关门命令，通信控制服务器ccs负责屏蔽门命令的存储、校验、转发等逻辑执行和管理功能，列控中心tcc是屏蔽门命令的实际执行设备。在运营计划的执行流程中，调度集中控制系统ctc负责提供运营计划，通信控制服务器ccs负责运营计划的存储、转发等管理功能，车载设备是运营计划的实际执行设备。
42.如图1所示，在本发明中，所述基于分组域通信的通信控制服务器ccs主要包含核心逻辑处理通信单元ccps和网络交互单元ggw。
43.具体地，所述核心逻辑处理通信单元ccps包含主处理单元和通信单元mcu，所述主处理单元用于通信控制服务器ccs的核心逻辑处理(主要是屏蔽门命令的存储、校验、转发等逻辑执行和管理功能)，所述核心逻辑处理通信单元ccps通过所述通信单元mcu(外部接口功能)与外界进行信息交互。所述网络交互单元ggw与所述核心逻辑处理通信单元ccps连接，所述网络交互单元ggw分别与调度集中控制系统ctc、列控中心tcc和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互；所述网络交互单元ggw与所述通信单元mcu通信连接，所述通信单元mcu向安全监督模块vps传送主校核字，当所述安全监督模块vps对主校核字的判断为错误时，安全监督模块vps通过安全继电器驱动器vrd切断所述通信单元mcu和网络交互单元ggw之间的输出，从而切断所述通信单元mcu对外错误数据的发送通道，整个系统导向安全侧。
44.在本实施例中，所述主处理单元为双机冗余结构，其包含两个独立运算单元，所述主处理单元用于消息鉴定安全层适配以及对车载设备消息的真实性、序列完整性、时效性的检查。
45.具体地，所述主处理单元包含第一主处理模块即主处理单元1、第二主处理模块即主处理单元2和切换模块即切换单元，所述第一主处理模块和第二主处理模块形成所述核心逻辑处理通信单元ccps的主备系并用于通信控制服务器ccs的核心逻辑处理(例如屏蔽门命令的存储、校验、转发等逻辑执行和管理)。第一主处理模块和第二主处理模块均可包含应用软件asw和平台软件bsw，以完成通信控制服务器ccs主要的逻辑和运算功能，具体包含通信控制服务器ccs的应用功能、安全防护功能、表决和监视功能等，以上功能均在第一主处理模块和第二主处理模块中同时完成，以实现二取二功能。
46.所述切换模块用于所述核心逻辑处理通信单元ccps的主备系的切换即双系主备切换。可选的，所述切换模块监控所述第一主处理模块和第二主处理模块的状态参数，当所述切换模块监控当前主系处理单元状态参数异常时，切换另一个主处理模块为主系处理单元。
47.如图1所示，在本实施例中，所述通信单元mcu包含第一通信模块mcu1和第二通信模块mcu2，所述第二通信模块mcu2接收所述第一主处理模块和第二主处理模块以及两者之间的通信数据，将待发送通信数据通过网络交互单元ggw基于分组域的无线网络向外(车载设备)输出，外界输入的通信数据基于分组域的无线网络通过网络交互单元ggw传送至第二通信模块mcu2，进而传送至主处理单元。可选的，所述通信控制服务器ccs通过有线网络与调度集中控制系统ctc、列控中心tcc交互数据。
48.所述第一通信模块mcu1用于控制通信控制服务器ccs的时序，所述第一通信模块mcu1接收各模块(第一主处理模块、第二主处理模块和第二通信模块mcu2)的校核字，并由
各校核字得出主校核字发送至安全监督模块vps。实际应用时，所述第一主处理模块和第二主处理模块均向第一通信模块mcu1发送多个分校核字(通常为十个)，第二通信模块mcu2负责处理主处理单元对外对内的通信以及双通道输出数据的合并，并产生jtc校核字发送给第一通信模块mcu1。第一通信模块mcu1基于接收到的各个校核字处理计算生成主校核字。所述安全监督模块vps对主校核字的正确性进行判断，当主校核字与预设值不符时，安全监督模块vps对主校核字的判断为错误，安全继电器驱动器vrd切断所述通信单元mcu和网络交互单元ggw之间的数据对外传输通道。
49.进一步的，本发明的基于分组域通信的通信控制服务器ccs还包含维护终端sdms(system diagnosis maintenance sub-system)，其与所述通信单元mcu的第二通信模块mcu2通信连接，所述维护终端sdms对通信控制服务器ccs的各部件进行诊断、维护。因第二通信模块mcu2为通信控制服务器ccs内多个模块对外的信息数据传输口，从第二通信模块mcu2即可获取通信控制服务器ccs的各模块参数信息，进而实现对各模块的监控和诊断维护。
50.进一步的，本发明的基于分组域通信的通信控制服务器ccs还包含电源模块，其用于为通信控制服务器ccs的各部件进行供电。
51.基于同一发明构思，本发明还提供了一种车地通信系统，其主要包含上述基于分组域通信的通信控制服务器ccs、调度集中控制系统ctc、列控中心tcc和车载设备通信，所述通信控制服务器ccs的网络交互单元ggw分别与调度集中控制系统ctc、列控中心tcc和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互。
52.如图1和图2结合所示，本发明的通信控制服务器ccs取消了isdn服务器，传输层和网络层由tcp/ip的实现，替代原来的iso tp2和t.70协议。本发明的网络交互单元ggw作为通信控制服务器ccs的网关，接受来自车载的无线网络客户端的请求，并维护此tcp连接，此功能实现了图2中传输层以下部分功能需求。通信单元mcu完成图2中适配及冗余管理层(ale)非安全功能协议的实现，网络交互单元ggw与通信单元mcu共同完成了通信功能模块。主处理单元1及主处理单元2内完成消息鉴定安全层适配的实现，完成系统对车载消息的真实性、序列完整性、时效性的检查。本技术方案车载设备直接与服务器网关网络交互单元ggw连接，简化了服务器和系统的结构与成本，通过测试在gprs网络环境下，在每包数据500字节大小情况下，网络吞吐量可以达到4kb/s，极大优于电路域通信情况下的网络传输。
53.基于同一发明构思，本发明还提供了一种采用所述基于分组域通信的通信控制服务器ccs进行车地通信的方法，该方法包含：
54.s1、启动通信控制服务器ccs，完成通信控制服务器ccs的开机自检、初始化以及数据载入。
55.在本实施例中，所述步骤s1包含：
56.s11、通信控制服务器ccs开机自检、硬件初始化、布尔逻辑初始化、div+bit(相异架构下的机内自检测)任务初始化、定时中断任务初始化、离线数据和配置文件的载入等；
57.s12、通信控制服务器ccs网络及同步任务初始化，其包括初始化网卡、ip及网关地址写入、主备系间及cpu间同步任务相关变量及函数初始化；
58.s13、铁路信号安全协议-i(与列控中心tcc接口)、铁路信号安全协议-ii(与调度集中控制系统ctc接口)及欧洲无线电系统功能接口规范subset037(与车载设备接口)等任
务初始化。为了保障通信安全，通信控制服务器ccs与外部通信时要通过安全协议来保障发，防止网络数据的延迟、伪装、乱序或插入等情况的发生。
59.s2、通信控制服务器ccs通过通信板卡与车载设备、列控中心tcc和调度集中控制系统ctc建立安全通信连接并交互业务通信数据。
60.s3、通信控制服务器ccs实时通过分组域的无线网络gsm-r(lte long term evolution，长期演进)完成与车载设备的安全通信连接，基于安全网络通信下接受车载设备的注册或注销请求，并维护当前已注册车载设备的通信会话状态。
61.s4、通信控制服务器ccs从当前已注册车载设备接收到列车的ato状态报告后转发至调度集中控制系统ctc，告知调度集中控制系统ctc已注册车载设备的车次号，调度集中控制系统ctc发送相应车次的运营信息至通信控制服务器ccs，通信控制服务器ccs解析并匹配到相应的车载设备后基于分组域无线网络将运营信息发送给对应车载设备。可选的，所述运营信息包含相应列车的运营计划、折返命令等信息，当然，所述运营信息不仅限于包含上述示例。
62.进一步的，本发明的采用所述基于分组域通信的通信控制服务器ccs进行车地通信的方法还包含：s5、当列车要停靠站台时，通信控制服务器ccs通过分组域无线网络从车载设备接收屏蔽门开关命令，并对接收到的屏蔽门命令的命令参数进行有效性及合法性检查；对检查通过的屏蔽门命令，通信控制服务器ccs会从离线数据中匹配相应的继电器驱动码位，封装成继电器驱动命令包发送给要动作的屏蔽门所对应的列控中心tcc，通信控制服务器ccs从列控中心tcc接收屏蔽门继电器采集状态，转换成相应的屏蔽门状态后通过分组域无线网络发送给车载设备。
63.各个步骤过程中，div+bit会对通信控制服务器ccs的cpu、离线存储文件、内存进行实时检测；另一方面，所述通信控制服务器ccs的维护终端sdms对各步骤(主要是s2～s5)的消息交互实时记录，并提供历史查询及回放功能。维护终端sdms并提供站场图形显示界面，清晰明确的显示在线车载设备及屏蔽门状态；实时显示外部设备通信连接状态的图形显示界面，直观的反映设备的运行状况。
64.由上述可知，本发明的方法整体流程包括离线配置读取、硬件及网络任务初始化、安全检测技术初始化及处理、屏蔽门开关门命令管理、运营计划管理、与外部设备(调度集中控制系统ctc、列控中心tcc、车载设备)的应用层消息交互、维护诊断信息处理等处理过程。
65.综上所述，本发明提供的一种基于分组域通信的通信控制服务器ccs及其系统和方法中，该通信控制服务器ccs将核心逻辑处理通信单元ccps和网络交互单元ggw等相结合，其中所述核心逻辑处理通信单元ccps包含主处理单元和通信单元mcu，所述网络交互单元ggw分别与调度集中控制系统ctc、列控中心tcc和车载设备通信连接，并基于分组域的无线网络与车载设备进行信息交互，无需额外的isdn无线通信服务器，简化了整体结构及成本；同时，相对于现有的依赖于电路域无线通信机制的服务器，本发明的通信控制服务器ccs的网络传输具备断线重连时间短的特点，提高了整个系统的稳定性。
66.进一步的，所述通信控制服务器ccs中每个单元/模块的数据相对独立，分别处理，大大减少了前后台的数据传输量，保证了数据展示的实时性和准确性。
67.进一步的，本发明的包含通信控制服务器ccs的车地通信系统内，各组件基于分组
域的无线网络通信，对lte及5g通信技术无损向后兼容，让通信控制服务器ccs和系统的功能更加具备可扩展性。
68.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。