无线机车信号系统自律轮询优化控制方法 【技术领域】
本发明涉及一种在无线机车信号系统中对进出站的机车进行自律轮询，并有效缩短机车信号应变时间，保证信息可靠传输的方法，属于铁路信号技术领域。
背景技术
现有的铁路信号系统通称为通用信号系统，它是建立在地面轨道电路基础上的有线系统，在某些特殊环境、特殊地区以及未来的高速铁路中已经不能满足实际的需要。为此，本申请人开发出了基于无线数据传输网络的机车信号系统。
无线机车信号系统与通用机车信号有很大区别。首先是传输媒体不同，无线机车信号系统基于无线信道，而通用机车信号基于轨道电路；其次是信号种类不同，无线机车信号系统的控制信号是数字的而通用机车信号系统则采用模拟信号。另外，两者的控制机理也不同，无线机车信号系统是一种集中控制方式，即无线机车信号地面设备采用时分复用方式或频分复用方式同时控制多个列车，而通用机车信号则是一种分布式控制方式，车载控制设备只能接收机车所在轨道电路中的信息，它与轨道电路是一一对应的关系。因此，对于无线机车信号系统，许多用于有线信号系统的控制方法已经不再适用，必须针对其特点开发出新的控制方法。
根据工程实际的需要，作为无线机车信号系统基础的无线数据传输网络需要满足的条件包括如下内容：
(1)满足数据传输的实时性要求，保证无线机车信号的应变时间，保证车站最大控制的列车数量，保证信息传输过程中冗余措施所需的时间。
(2)满足传输的信息量要求。
(3)满足车站与指定列车之间建立唯一确定的无线通道。
(4)满足数据传输的误码率及可靠性要求。
(5)满足车站内所辖列车都在场强覆盖范围之内。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种适合于无线机车信号系统地控制方法。该方法可以实现对进出站的机车进行自律轮询，从而对机车进行实时识别和控制。在自律轮询过程中，它通过多种技术手段，能够有效缩短机车信号的应变时间，并能保证信息传输的可靠安全。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种无线机车信号系统自律轮询优化控制方法，用于无线机车信号系统中，该系统包括车站控制中心和至少一个车载设备；车载设备包括数传电台，车站控制中心内包括数传电台、接近应答器和出站应答器，接近应答器和出站应答器分别位于车站两侧的轨道边，其特征在于：
该方法包括如下步骤：
(1)列车驶过接近应答器时，车载数传电台从接近应答器处获得该车站的注册地址和使用频率信息；
(2)车载数传电台检测到轮询周期内的注册时隙后以主呼方式向车站控制中心寻求注册；
(3)注册完成后，车站控制中心以主呼方式对各个注册过的列车进行轮询控制；
(4)列车驶过出站应答器后，车站控制中心将其注销。
本发明所述的无线机车信号系统自律轮询优化控制方法可以充分满足无线机车信号系统控制的实际需要。它采用轮询方式进行车载设备与地面之间的电台通信，保障了每一次通信过程的完整性；在整个控制过程中还利用交织技术和三维控制技术，有效缩短机车信号应变的时间，保证信号传输安全可靠，从而大大提高整个机车信号系统运行的安全性和效率。
【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的说明。
图1为整个无线机车信号系统的系统结构框图。
图2为无线机车信号系统中车站采用不同频率分别控制上/下行列车的频率配置示意图。
图3为本发明所述的无线机车信号系统自律轮询优化控制方法的流程图。
图4为车站控制中心采用时分复用方式对列车进行控制时的时隙分配图。
图5为在车站控制中心与车载电台之间的无线数据传输过程中采用的交织技术的原理图。
图6为本发明所述方法中利用可变周期法缩短无线机车信号应变时间时的时隙分配示意图。
【具体实施方式】
本发明所述的无线机车信号系统自律轮询优化控制方法应用在无线机车信号系统中。如图1所示，该系统包括车站控制中心和至少一个车载设备；车载设备安装在机车上，包括车载主机、查询/应答器、车载信号机和数传电台，车载主机与机车上的数传电台、查询/应答器、车载信号机分别连接；车站控制中心安装在车站内，包括车站控制主机、数传电台、接近应答器和出站应答器，车站控制主机与数传电台和车站联锁主机相连接。
上述无线机车信号系统采用数传电台构成无线数据传输网络。通过在每台机车上设置车载电台，每个车站设置基地电台，并统一按规定设置电台编号。基地电台与列车车载电台构成星状网络结构，其中车站电台是网络中心，车载电台是网络节点。车站与网络内的列车使用同一频率，采用时分复用方式利用信道资源。本无线机车信号系统是一种接近连续式无线机车信号，即列车从一个车站到另一个车站运行时，它只有在临近车站才有机车信号，这是由铁路半自动闭塞行车方式决定的。该类型仅在车站周围有无线信号场强覆盖，因此适合用普通数传电台来实现。该无线机车信号系统所使用的无线网络具有如下技术特点：
1.具备动态组网能力及网络移动性
由于列车在铁路沿线不断运动，对每一个车站在不同时刻构成网络的成员和数量是不确定的，是一个动态组合与分离的过程，因此，网络的组成是开放的、动态的。同时，沿线各车站构成的整体网络具有移动性。
2.站间频率交替设置
为了避免产生同频干扰，电台在各站频率交叉使用。如图2所示，每一车站使用2个电台，采用不同频率，分别控制上/下行列车。其中F2、F4、F6为上行列车使用频率，F1、F3、F5为下行列车使用频率。上/下行列车采用不同频率，可防止发给上行列车的数据被下行列车接收，避免不必要的冲突。
在无线机车信号系统中，每三个车站交替使用一组不同的频率，以避免车站之间的同频干扰。列车车载主机通过感应地面应答器数据，获得下一车站电台使用的频率，并自动重新设置车载电台的工作频率，保持与地面相对应。保证车地之间的正常通信。
3.选址方式
无线机车信号系统中数传电台采用选址方式。由于同一个车站所有电台都工作在同一频点，彼此都能够收到对方发出的信息，容易造成通信混乱。因此在传输的数据帧中按电台编号加入地址信息，电台接收到一帧信息后，将信息帧中的地址与自己的编号对照，如果相同则确认是自己的信息并将其传给控制主机，如果不同则自动放弃。
4.避免传输帧冲突与通信阻塞
无线机车信号系统是通过时分复用通信方式和通信协议来防止传输网络帧冲突的。通信协议严格定义了通信的时隙，规定了对应时隙的通信顺序，车站与列车的主被动关系。从而保证车站与列车之间的通信有序进行，避免了传输过程的帧冲突。在通信过程中，由于受到干扰等原因车载电台或车站电台可能出现锁死，为了防止通信中断，还需要电台具有超时检测、复位等功能。
5.帧结构可变
为了保证无线机车信号的实时性和可靠性，无线传输的信息分为三种类型。第一类信息(I)：列车控制信号基本信息；第二类信息(II)：含接/发车股道数、车次号、列车实际速度和最大允许速度、列车位置等。此外，在传输延迟允许的前提下还可传输第三类非安全性质的信息(III)：包含工务、电务、机务等方面的不同内容信息。根据不同需要可以选择长、中、短信息周期的标准格式。
如图3所示，本发明所述的自律轮询优化控制方法包括如下步骤：
(1)列车驶过接近应答器时，车载数传电台从接近应答器处获得该车站的注册地址和使用频率信息。
当列车压过接近应答器时，列车需要请求注册入网。如果这时列车立即发出注册信息，不但打乱了别的通信，自己也注册不上。因此我们在一个轮询控制周期内增加了一个注册时隙，当车站有一列车时，一个控制周期为一个通信时隙和一个注册时隙；当车站有两列车时，一个控制周期为两个通信时隙和一个注册时隙，依此类推。列车从接近应答器处获得本站的注册地址和使用频率信息，形成注册信息帧，但如果不在注册时隙内，并不马上发出注册信息，只有检测到注册时隙，才发出注册信息。
(2)车载数传电台检测到轮询周期内的注册时隙后以主呼方式向车站控制中心寻求注册。
列车通过检测载波方式确定是否正处在注册时隙，车载设备每20毫秒进行一次载波检测，连续3次无信号就判定为注册时隙，开始发出注册请求，一次注册不成功可进行第二次、第三次，直至注册成功。这一列车注册过程是以列车主呼车站应答的方式完成的。
(3)注册完成后，车站控制中心以主呼方式对各个注册过的列车进行轮询控制。
如图4所示，在无线机车信号系统中，车站控制中心采用时分复用方式控制管内各列车。它按照列车在注册表中的顺序主呼每一列车，给每一列车分配时隙，每一个时隙包括发送和接收两部分，将所有列车轮询一遍再增加一个注册时隙完成一个通信周期，通信周期随着管内列车数的变化而变化。在这一通信过程中，由于一个车站内所有电台都工作在同一频率上，其中一个电台发出信息其它所有电台都可以接收到。当两个电台正在通信过程中，第三个电台发出信息会打乱前面两个电台的正常通信。因此车站对各列车的控制必须严格按顺序轮询进行，各列车必须做到自律，轮到自己方可响应，否则只能等待。因此，这种通信模式属于一种由车站主呼列车应答的通信方式，与上述注册过程相反，所以本无线机车信号系统是一种主从可变的自律轮询工作方式。这种方式既能保证正常轮询通信的需要，又能使接近车站的列车注册。
上述这种主从可变的轮询工作方式规定了车站与列车在不同时刻的主被动关系，从而保证车站与列车之间的通信有序进行，避免了传输过程的帧冲突。
(4)列车驶过出站应答器后，车站控制中心将其注销。
本发明除了提供上述主从可变的轮询工作方法，还根据实际工作的需要，提出了减少轮询过程中机车信号应变时间和提高数据传输可靠性的技术措施，以对该方法进一步进行优化。下面对此加以说明。
机车信号的应变时间指地面设备发出信号到车载设备接受后并显示在车载信号机上所用的时间。机车信号的应变时间与控制的列车数量、传输的信息量、传输速度、信号制式、冗余措施有关。应变时间是机车信号的一项重要指标，它直接影响行车效率和行车安全。应变时间越短，司机操纵列车的效率越高。而列车运行速度越高，要求机车信号的应变时间越短。目前通用机车信号接收移频信号的应变时间约为1.7秒～2.3秒，接收其它制式的信号应变时间还要长一些。由于通用机车信号采用一段轨道电路对应一台车载设备的分布控制方式，应变时间问题相对容易解决。而无线机车信号采用一对多的集中控制方式，一套地面设备同时控制车站内和邻近车站的所有列车，为此需要将一个控制周期分为若干个控制时隙，每一个时隙内完成对应列车的信号处理，因此，一个控制周期就是无线机车信号的应变时间。为缩短这一应变时间，可以采用下述的技术措施：
1.利用交织技术缩短无线机车信号的应变时间
由于提高无线传输波特率会导致指数级增长的误码率，所以用提高传输波特率的方法缩短无线机车信号应变时间不现实。资料显示无线机车信号主要受由于快衰落引起的突发错误影响，导致不断重复请求无线数据传输，因此无线机车信号中无线数据传输应采用短信息帧结构和前向纠错(FEC)方式。短信息帧可以有效避开快衰落干扰，降低由于重传造成效率下降。前向纠错则可以使误码率达到规定要求。
所谓交织技术如图5所示，其具体内容是这样的：在移动通信这种变参信道上，比特差错经常是成串发生的。这是由于持续较长的深衰落谷点会影响到相继一串的比特。然而，信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。为了解决这一问题，可以把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样，在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个(或长度很短)，这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。
交织技术一般用来提高话音质量，它通过均衡误码达到提高话音质量的目的，但并不能减少误码。但是我们利用交织技术可以提高FEC纠错效率，节省空中无线传输数据的时间，从而达到缩短应变时间的目的。具体做法是：为了能够满足无线机车信号要求的误码率，前向纠错FEC的信息冗余编码(n，k)必须按照局部最大衰落设置有效信息k和冗余信息(n-k)的比例，必须有足够冗余信息，才能达到前向纠错的效果。如果在此之前将传输的信息进行交织，局部大衰落被分散，这样可以用较少的冗余信息(n-k)达到同样的纠错效果。由于减少了空中传输的信息量，缩短了无线传输时间，且交织和解交织过程在两端计算机内部硬件完成，交织时间可忽略不计。缩短了无线传输时间，相当于缩短了控制时隙，即缩短了应变时间。例如在保证能够纠正相同突发错误的前提下，不用交织技术的FEC需要用能纠正突发长度为lb≤7bits的BCH(31，16)码进行纠错，该编码效率仅为0.52；而采用交织技术的FEC后仅用能纠正突发长度为lb≤3bits的R-S(16，12)码纠错即可，该编码效率为0.75。若传输波特率2400b/S，传输有效信息160bit，采用交织技术的FEC可使得传输效率提高31％，节省空中无线传输时间20毫秒，对于控制5列列车的无线机车信号系统而言，总的应变时间缩短了1秒，其效果是非常明显的。
2.通过改变控制周期缩短无线机车信号应变时间
车站控制主机采用时分复用轮询方式控制车站内和邻近车站的所有列车。将控制周期T分为n个控制时隙t1，t2……tn，分别对应每一列车的处理时间。一个控制时隙包括车站控制主机接收联锁信息时间，根据联锁条件、机车号和列车位置生成机车信号时间，将机车信号等信息发送到相应列车上和接收车载设备送来的列车位置、速度及机车信号回执等信息所用的无线传输时间。一个控制周期T＝t1+t2+…+tn。
车站控制主机按照需要最大控制的列车数n进行设计，即一个控制周期被固定设置为n个时隙。由于车站在某一时刻列车数量不确定，实际上一个车站大多数时间，仅有最大控制列车数的一半。用固定周期控制列车是一种时间浪费，不但影响效率，且延长了机车信号的应变时间。
如图6所示，本发明所述方法中采用列车注册的方式确定控制周期，注册几个车设置几个控制时隙。控制周期在整个列车控制过程中是动态变化的。这种方法既能够满足最大需要控制的列车数量，又在大多时刻最大程度缩短机车信号应变时间。
3.通过改变时隙顺序缩短无线机车信号应变时间
由于无线机车信号系统中车站控制主机按照规定时间间隔读取联锁数据，通过对联锁数据进行分析，发现如果其中某列车信号发生变化，立即将对该列车处理设定为最高优先权，并改变原来的轮询顺序，即将优先权最高的列车处理时隙排在控制周期最前面。当地面信号发生变化时，车载无线机车信号立即跟随变化。这样可以对信号发生变化的列车及时进行处理，无须等到轮询至该列车时才进行处理，其结果是大大缩短了无线机车信号的应变时间。
无论是无线机车信号还是基于轨道电路的通用机车信号，系统的可靠性和安全性是至关重要的。无线机车信号中无线数据传输的可靠性是关键，本发明根据列车安全控制的需要，结合无线数据传输的特点，提出三维控制的方法，可以确保用无线信道传输列车控制数据的可靠性和安全性。
所谓的三维控制是指信息内容只有同时满足地址码、时间戳和注册表信息要求才是有效的：
(1)无线机车信号系统中，各个车站及车载设备均有固定地址，发送与接收信息严格按地址执行，对于地址错的信息，它的“信箱”就拒不接收。
(2)信息传输的时间戳。无线机车信号中采用时分复用方法进行信息传输，随时可能受到有意或无意的干扰与攻击，所以在系统中专门设置了时间戳，即任何信息的传输都冠以起始时间，超过规定时间后，有效信息中止。
(3)列车注册制。在调度管辖区内的列车，它们有唯一的车次代码，车次号由具有最高权威的区段调度中心按照行车计划发布，车次号与注册号相对应，任何运行的列车只有在注册后，它才能在无线信道中进行有效信息传输。
上述利用地址、时间戳和注册的三维控制方式，使双向通信受到严格的安全保证，即信息内容只有同时满足三维条件才是有效的。
另外，在无线机车信号系统中，车站控制中心与车载设备之间的信息传输，不仅采用闭环方式，即双方应答确认方式，而且在信息内容的发送和译码上采用三取二的高可靠方式来完成。发送编码中均有CRC检错，它可以提高系统抗干扰性，从而也提高了信息传输的可靠性。电台在信息发送过程中，还采用本身的检错纠错控制技术，这是在高频段提高抗干扰性的又一种措施。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例。应该明白，本发明的其它变化和修改对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。