铁路信号数字化轨旁安全通信装置及方法与流程

本发明涉及铁路控制领域，具体地，涉及一种铁路信号数字化轨旁安全通信装置及方法。

背景技术

目前，高铁八纵八横建设和既有线提速，对铁路信号控制的实时性和安全性提出了更高的要求。随着电子化、数字化技术的发展，将原有的铁路信号控制方式由集中方式改为分布轨旁控制成为可能。由于室内信号安全控制系统中的数字控制模块主要实现对室外信号基础设备的控制和采集功能，将室内信号安全控制系统中的控制单元分散放置到轨旁，由若干个控制单元在轨旁就近控制本区域内的信号基础设备，只要很少的供电电缆和通信光纤将轨旁的若干个数字控制单元与信号楼中的信号运算装置连接。现有技术中集中控制方式的通信方式如直接应用到分布轨旁控制方式中，存在实时性、安全性和可维护性低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种铁路信号数字化轨旁安全通信装置及方法，以实现至少部分的解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案一方面提供了一种铁路信号数字化轨旁安全通信装置，包括：

n个通信模块和主备切换电路，所述n个通信模块均与所述主备切换电路连接，所述n个通信模块中的任一通信模块均与光通信网络和冗余现场总线连接，所述主备切换电路：用于切换通信模块的工作状态。

优选的，所述n为2。

优选的，还包括：

光通信接口和现场总线通信接口，所述光通信网络通过光通信接口与所述通信模块连接，所述冗余现场总线通过现场总线通信接口与所述通信模块连接。

优选的，所述通信模块，包括：

第一光电收发电路、第一光通信隔离电路、第一通信控制器、第一总线隔离电路、第一现场总线通信收发电路、第一通信监督与自检电路、同步电路、地址码读取电路、第二光电收发电路、第二光通信隔离电路、第二通信控制器、第二总线隔离电路、第二现场总线通信收发电路和第二通信监督与自检电路，所述第一光电收发电路与光通信网络连接，所述第一光电收发电路与所述第一光通信隔离电路连接，所述第一光通信隔离电路与所述第一通信控制器连接，所述第一通信控制器与所述第一总线隔离电路连接，所述第一总线隔离电路与所述第一现场总线通信收发电路连接，所述第一现场总线通信收发电路与所述冗余现场总线连接，所述第一通信监督与自检电路、同步电路和地址码读取电路均与所述第一通信控制器连接，所述第二光电收发电路与光通信网络连接，所述第二光电收发电路与所述第二光通信隔离电路连接，所述第二光通信隔离电路与所述第二通信控制器连接，所述第二通信控制器与所述第二总线隔离电路连接，所述第二总线隔离电路与所述第二现场总线通信收发电路连接，所述第二现场总线通信收发电路与所述冗余现场总线连接，所述第二通信监督与自检电路、同步电路和地址码读取电路均与所述第二通信控制器连接，所述第一通信监督与自检电路和第二通信监督与自检电路均与主备切换电路连接。

优选的，所述第一通信控制器或第二通信控制器，用于数据安全通信帧的解析、分包、封装和数据通信控制；

所述第一通信控制器和第二通信控制器，通过同步电路进行信息交换和时序同步；

所述第一通信控制器和第二通信控制器，分别通过地址码读取电路读取安全通信模块的地址码；

所述第一通信监督与自检电路监督第一通信控制器的工作状态并实时自检，且将主备切换电路的状态信息传递给第一通信控制器，所述第一通信监督与自检电路具有内部电路自检功能；

所述第二通信监督与自检电路监督第二通信控制器的工作状态并实时自检，且将主备切换电路的状态信息传递给第二通信控制器，所述第二通信监督与自检电路具有内部电路自检功能。

优选的，所述工作状态，包括：

主机模式、备机模式、脱机模式或停机模式；

所述主机模式：接收来自所述光通信网络的数字操作控制指令解析后转发到所述冗余现场总线，以及接收来自所述冗余现场总线的设备状态数据信息和环境信息后转发到所述光通信网络；

所述备机模式或脱机模式：接收来自所述光通信网络的数字操作控制指令并解析但不转发到所述冗余现场总线，以及接收来自所述冗余现场总线的设备状态数据信息和环境信息但不转发到所述光通信网络；

所述停机模式：不与所述光通信网络和冗余现场总线进行通信。

本发明采用的技术方案另一方面提供了一种铁路信号数字化轨旁安全通信方法，包括：

所述主备切换电路根据所述通信装置中通信模块的状态信息使通信模块工作在主机模式或备机模式；

所述通信装置接收来自光通信网络的数字控制指令，对数字控制指令进行解析和校验；

所述通信装置验证所述数据控制指令完整性和目标地址码与所述通信装置地址的一致性；

所述通信装置验证所述数据控制指令的帧序号与所述通信装置记录的帧序号的一致性；

所述通信装置对验证通过的所述数据控制指令进行解析分包；

所述通信装置中工作在主机模式下的通信模块将解析分包的数字控制指令发送至冗余现场总线；

所述通信装置接收来自所述冗余现场总线的状态信息帧；

所述通信装置对所述状态信息帧的完整性和帧序号的一致性进行验证；

所述通信装置将验证通过后的状态信息帧进行封装；

所述通信装置中工作在主机模式下的通信模块将封装后的状态信息帧发送至光通信网络。

优选的，还包括：

如所述通信装置中的通信模块在多个通信周期内接收不到数字控制指令或状态信息帧，则所述通信模块进行自检，如自检存在异常或故障，所述通信模块发送停止输出动态信号给主备切换电路，所述通信模块进行故障报警，所述通信模块进入停机模式。

优选的，所述通信装置验证所述数据控制指令的帧序号与所述通信装置记录的帧序号的一致性，包括：

验证通过，更新所述通信装置记录的帧序号；验证不通过，表示数据控制指令出现错误。

优选的，所述通信装置验证所述数据控制指令完整性和目标地址码与所述通信装置地址的一致性：

具体为所述通信装置中的通信控制器验证所述数据控制指令完整性和目标地址码与所述通信装置中的通信控制器地址的一致性。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过在通信装置中设置多个通信模块，并有主备切换电路切换通信模块的工作状态，使不同的通信模块处于不同的工作状态，从而在一个通信模块出现故障时，另一个通信模块可以替换故障的通信模块，从而提高了通信的实时性、安全性和可维护性。

通过光通信网络与信号楼中的信号运算装置连接，用于对车站和区间的轨旁安全控制模块与远端的信号数字运算装置之间的数字信息通信。本技术方案的通信装置通过光通信网络接收远端信号数字运算装置的数字操作控制指令，将数字控制指令通过冗余现场总线传输给轨旁数字控制模块，本技术方案的接收轨旁数字控制模块采集的信号基础设备状态数据信息和环境监控单元采集的环境信息，进行数据封装后通过光通信网络发送给远端的信号数字运算装置。实现信号数字运算装置与轨旁数字控制模块之间的数字安全通信，提高系统的通信可用性。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的铁路信号数字化轨旁安全通信装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的铁路信号数字化轨旁安全通信装置中通信模块的结构示意图；

图3为本发明实施例所述的铁路信号数字化轨旁安全通信方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种铁路信号数字化轨旁安全通信装置，包括：

n个通信模块和主备切换电路，n个通信模块均与主备切换电路连接，n个通信模块中的任一通信模块均与光通信网络和冗余现场总线连接，主备切换电路：用于切换通信模块的工作状态。n个为至少两个。

优选的，n为2。

2个独立的通信模块和主备切换电路，实现对车站和区间的轨旁安全控制模块与远端的信号数字运算装置之间的数字信息安全通信；

本技术方案的铁路信号数字化轨旁安全通信装置，安放在车站或区间的室外轨道旁，通过光通信网络接收远端的信号数字运算装置的数字操作控制指令，将数字控制指令通过冗余现场总线传输给轨旁数字控制模块和环境监控单元，并接收轨旁数字控制模块采集的信号基础设备状态数据信息和环境监控单元采集的环境信息，进行数据封装后通过光通信网络发送给远端的信号数字运算装置。

轨旁安全通信装置中有4路独立的光通信接口和4路独立的现场总线通信接口。光通信接口与光通信网络连接，现场总线通信接口与冗余现场总线相连；轨旁安全通信装置安放在车站或区间的室外轨道旁。

优选的，还包括：

光通信接口和现场总线通信接口，光通信网络通过光通信接口与通信模块连接，冗余现场总线通过现场总线通信接口与通信模块连接。

优选的，如图2所示，通信模块，包括：

第一光电收发电路、第一光通信隔离电路、第一通信控制器、第一总线隔离电路、第一现场总线通信收发电路、第一通信监督与自检电路、同步电路、地址码读取电路、第二光电收发电路、第二光通信隔离电路、第二通信控制器、第二总线隔离电路、第二现场总线通信收发电路和第二通信监督与自检电路，第一光电收发电路与光通信网络连接，第一光电收发电路与第一光通信隔离电路连接，第一光通信隔离电路与第一通信控制器连接，第一通信控制器与第一总线隔离电路连接，第一总线隔离电路与第一现场总线通信收发电路连接，第一现场总线通信收发电路与冗余现场总线连接，第一通信监督与自检电路、同步电路和地址码读取电路均与第一通信控制器连接，第二光电收发电路与光通信网络连接，第二光电收发电路与第二光通信隔离电路连接，第二光通信隔离电路与第二通信控制器连接，第二通信控制器与第二总线隔离电路连接，第二总线隔离电路与第二现场总线通信收发电路连接，第二现场总线通信收发电路与冗余现场总线连接，第二通信监督与自检电路、同步电路和地址码读取电路均与第二通信控制器连接，第一通信监督与自检电路和第二通信监督与自检电路均与主备切换电路连接。

一个通信模块中，有2路独立的光通信接口和2路独立的现场总线通信接口。2路光通信接口与光通信网络连接，2路现场总线通信接口与冗余现场总线相连。

第一通信控制器和第二通信控制器独立工作，用于光通信网络和冗余现场总线之间的数据安全通信帧的解析、分包、封装和数据通信控制。

第一通信控制器通过第一通信监督与自检电路与主备切换电路相连；第二通信控制器通过第二通信监督与自检电路与主备切换电路相连。

第一通信控制器通过第一光电收发电路、第一光通信隔离电路与光通信网络相连，接收光通信网络的数字控制指令。

第二通信控制器通过第二光电收发电路、第二光通信隔离电路与光通信网络相连，接收光通信网络的数字控制指令和发送轨旁数字控制模块和环境监控单元采集的状态信息包。

第一通信控制器通过第一总线隔离电路、第一现场总线通信收发电路与冗余现场总线相连，转发光通信网络的数字控制指令和接收轨旁数字控制模块和环境监控单元采集的状态信息包。

第二通信控制器通过第二总线隔离电路、第二现场总线通信收发电路与冗余现场总线相连，转发光通信网络的数字控制指令和接收轨旁数字控制模块和环境监控单元采集的状态信息包。

第一通信监督与自检电路监督第一通信控制器的工作状态、地址码输入电路、同步电路，并实时自检。将主备切换电路的主机模式或备机模式信息状态传递给第一通信控制器，第一通信监督与自检电路具有内部电路自检功能。

第二通信监督与自检电路监督第二通信控制器的工作状态和通信电路工作状态，将主备切换电路的主机模式或备机模式信息状态传递给第二通信控制器，第二通信监督与自检电路具有内部电路自检功能。

主备切换电路输出主机模式或备机模式信号给通信模块，任一时刻最多只有一个主机模式信号输出，工作状态信号通过第一通信监督与自检电路输入给第一通信控制器，或通过第二通信监督与自检电路输入给第二通信控制器。

主备切换电路内部有自检电路，当自检失败，切断主机模式信号输出。

优选的，第一通信控制器或第二通信控制器，用于数据安全通信帧的解析、分包、封装和数据通信控制；

第一通信控制器和第二通信控制器，通过同步电路进行信息交换和时序同步；

第一通信控制器和第二通信控制器，分别通过地址码读取电路读取安全通信模块的地址码；

第一通信监督与自检电路监督第一通信控制器的工作状态并实时自检，且将主备切换电路的状态信息传递给第一通信控制器，第一通信监督与自检电路具有内部电路自检功能；

第二通信监督与自检电路监督第二通信控制器的工作状态并实时自检，且将主备切换电路的状态信息传递给第二通信控制器，第二通信监督与自检电路具有内部电路自检功能。

光通信网络中的网络拓扑可为星型、环形或星环混合型拓扑结构；光通信网络为冗余双套，并沿轨道两侧分别铺设。

通信模块中，有通信监督与自检电路，监督安全通信模块中通信控制器的工作状态和通信电路工作状态，将主备切换电路的主机模式或备机模式信息状态传递给通信控制器，通信监督与自检电路具有内部电路自检功能；

通信模块中，通信控制器通过同步电路进行同步，交换工作模式和帧序号信息，进行时序同步。

优选的，工作状态，包括：

主机模式、备机模式、脱机模式或停机模式；

主机模式：接收来自光通信网络的数字操作控制指令解析后转发到冗余现场总线，以及接收来自冗余现场总线的设备状态数据信息和环境信息后转发到光通信网络；

备机模式或脱机模式：接收来自光通信网络的数字操作控制指令并解析但不转发到冗余现场总线，以及接收来自冗余现场总线的设备状态数据信息和环境信息但不转发到光通信网络；

停机模式：不与光通信网络和冗余现场总线进行通信。

铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，2个通信模块冗余热备独立工作，通过主备切换电路进行主备工作状态切换；铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，当主机模式的通信模块故障，给出报警信息，转入脱机模式，备机模式的通信模块自动切换到主机模式工作。

铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，处于脱机模式的通信模块处于自检状态，当自检正常，转为备机模式工作。

铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，处于停机模式的通信模块停止与外部通信网络的通信。

铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，处于主机模式的通信模块将接收到的数字操作控制指令解析后转发到冗余现场总线，将接收到的轨旁数字控制模块采集的信号基础设备状态数据信息和环境监控单元采集的环境信息转发到光通信网络。

铁路信号数字化轨旁安全通信装置中，处于备机模式和脱机模式的通信模块，接收数字操作控制指令并解析，但不转发到冗余现场总线，接收到的轨旁数字控制模块采集的信号基础设备状态数据信息和环境监控单元采集的环境信息，但不转发到光通信网络。

根据区间线路或站场形状和大小，光通信网络中的网络拓扑可为星型、环形或星环混合型拓扑结构；光通信网络中通信光纤为冗余双套，并沿轨道两侧分别铺设。

主备切换电路输出主机模式或备机模式信号给通信模块，任一时刻最多只有一个主机模式信号输出，工作状态信号通过通信模块中通信监督与自检电路输入给通信控制器；主备切换电路内部有自检电路，当自检失败，切断主机模式信号输出。

本发明采用的技术方案另一方面提供了一种铁路信号数字化轨旁安全通信方法，包括：

主备切换电路根据通信装置中通信模块的状态信息使通信模块工作在主机模式或备机模式；

通信装置接收来自光通信网络的数字控制指令，对数字控制指令进行解析和校验；

通信装置验证数据控制指令完整性和目标地址码与通信装置地址的一致性；

通信装置验证数据控制指令的帧序号与通信装置记录的帧序号的一致性；

通信装置对验证通过的数据控制指令进行解析分包；

通信装置中工作在主机模式下的通信模块将解析分包的数字控制指令发送至冗余现场总线；

通信装置接收来自冗余现场总线的状态信息帧；

通信装置对状态信息帧的完整性和帧序号的一致性进行验证；

通信装置将验证通过后的状态信息帧进行封装；

通信装置中工作在主机模式下的通信模块将封装后的状态信息帧发送至光通信网络。

优选的，还包括：

如通信装置中的通信模块在多个通信周期内接收不到数字控制指令或状态信息帧，则通信模块进行自检，如自检存在异常或故障，通信模块发送停止输出动态信号给主备切换电路，通信模块进行故障报警，通信模块进入停机模式。

优选的，通信装置验证数据控制指令的帧序号与通信装置记录的帧序号的一致性，包括：

验证通过，更新通信装置记录的帧序号；验证不通过，表示数据控制指令出现错误。

优选的，通信装置验证数据控制指令完整性和目标地址码与通信装置地址的一致性：

具体为通信装置中的通信控制器验证数据控制指令完整性和目标地址码与通信装置中的通信控制器地址的一致性。

如图3所示，具体的通信方法包括如下步骤：

（1）其中一个通信模块首先上电自检，进入脱机工作模式。

（2）自检正常，进入脱机工作模式的通信模块进入安全通信数据收发工作，第一通信监督与自检电路和第二通信监督与自检电路分别输出动态信号给主备切换电路，由主备切换电路输出主、备机工作模式信号给通信模块。

（3）通信模块自检异常，继续自检，多次自检失败，通信模块故障报警，第一通信监督与自检电路和第二通信监督与自检电路停止输出动态信号给主备切换电路，进入停机模式。

（4）第一通信控制器通过第一光电收发电路和第一光通信隔离电路，接收远端信号数字运算装置发送的数字控制指令，对数字控制指令进行解析和校验。

（5）第一通信控制器验证数据控制指令完整性和目标地址码与第一通信控制器的地址一致性，如果数字控制指令解析校验无效或地址码匹配不一致，丢弃并清零缓存的数字控制指令。

（6）第一通信控制器验证数据控制指令帧序号与第一通信控制器记录的帧序号一致性，验证通过，更新通信模块的帧序号；验证不通过，表示数据控制指令可能出现丢失、重复、插入、删除等，丢弃并清零缓存的数字控制指令。

（7）第一通信控制器对验证通过的数字控制指令进行分包。

（8）第一通信控制器和第二通信控制器通过同步电路进行同步，交换工作模式和帧序号信息，进行时序同步。

（9）如通信模块为主机工作模式，第一通信控制器将解析分包的数字控制指令通过冗余现场总线发送给各个轨旁数字控制模块，清零缓存的数字控制指令；否则不发送该解析分包的数字控制指令，清零缓存的数字控制指令。

（10）第一通信控制器通过第一总线隔离电路和第一现场总线通信收发电路，接收轨旁数字控制模块采集的轨旁信号基础设备的状态信息帧。

（11）第一通信控制器验证状态信息帧完整性、帧序号一致性，如果有效，则缓存状态信息帧，继续接收其他状态信息帧，否则丢弃该状态信息帧。

（12）第一通信控制器在状态信息帧接收通信周期内，将接收到的状态信息帧进行封装。

（13）如通信模块为主机模式，第一通信控制器将封装的状态信息包通过刚通信网络发送给远端信号数字运算装置，清零缓存的状态信息包；否则不发送封装的状态信息包，清零缓存的状态信息包。

（14）第一通信控制器在多个通信周期内接收不到数字控制指令或状态信息帧，检测通信电路，如通信电路异常或故障，第一通信监督与自检电路停止输出动态信号给主备切换电路，通信模块故障报警，进入停机模式。

（15）第二通信控制器的工作流程与上述的第一通信控制器工作流程一样。

（16）第一通信控制器和第二通信控制器分别采用不同的crc校验码生成式。

（17）第一通信监督与自检电路监督第一通信控制器的工作状态、地址码输入电路、同步电路，并实时自检。如工作正常，第一通信监督与自检电路输出动态信号给主备切换电路，否则第一通信监督与自检电路停止输出动态信号给主备切换电路，通信模块进入停机模式。

（18）第二通信监督与自检电路的工作流程与上述的第二通信监督与自检电路工作流程一样。

（19）通信装置中另外的通信模块的通信工作流程与上述的通信模块通信工作流程一样。

（20）主备切换电路输出主机、备机模式信号给两个通信模块，任一时刻最多只有一个主机工作模式信号输出，工作模式信号通过通信监督与自检电路输入给通信控制器，即只有一个通信模块工作在主机模式，另外的通信模块工作在备机模式，如故障则工作在停机模式。

（21）主备切换电路内部有自检电路，当自检失败，切断主机工作模式信号输出。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。