基于MVB总线的CTCS-1无线传输单元与主控单元的通信方法

2022-06-27孙二敬吴培栋张振兴

铁路通信信号工程技术 2022年6期

孙二敬，吴培栋，张振兴

（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070）

1 概述

在实际铁路运营中，当某条高速客专线的某个站或区间较短线路存在故障时，高速动车组若可通过普速线绕过故障段，可尽量地减少单点故障对全路运营秩序的影响。为使装备CTCS-3/2级列控系统的高速动车组能够从高速客专线转到既有线运行，实现CTCS-2级列控系统的设备与CTCS-0系统的设备互联互通，提出了CTCS-1级列控系统总体方案。在该方案中，进路数据通过400 MHz无线通信从地面设备广播发送至车载设备，车载设备通过地面应答器完成列车定位，并据此筛选和使用对应的进路数据使用。

2 CTCS-1无线传输单元的应用

为尽可能减少对普速铁路既有设备的改造，降低改造成本，CTCS-1级列控系统总体设计方案采用了地面设备到车载设备的单向广播的无线传输方式，地面设备向无线覆盖范围内的所有车发送所有可能的进路数据，由车载设备根据自己经过的地面应答器去选择对应的进路数据。

CTCS-1级列控系统总体设计方案中，车载设备主控单元通过CTCS-1无线传输单元接收进路数据。由于CTCS-1无线传输单元接收到进路数据的数据量很大，无法在较短时间通过MVB总线将所有进路数据传送到主控单元，不满足数据传输实时性的要求，从两者的交互效率考虑，主控单元仅需要本列车当前进路上的进路数据，而不是所有进路数据，即对于主控单元来说，类似于CTCS-2等级下通过地面应答器组接收进路数据。

基于上述需求，CTCS-1无线传输单元至少应具备以下功能：1）通过400 MHz无线网络接收地面设备发送的进路数据并进行存储；2）挑选主控单元需要的进路数据，将有效的进路数据发送给主控单元。

3 总体方案

如图 1所示，CTCS-1无线传输单元通过无线接口接收并存储地面设备广播的进路数据。根据主控单元发送的命令信息，从广播的进路数据中筛选主控单元所需的进路数据，并将同一条报文数据分割，通过多个MVB端口并行发送至主控单元。主控单元接收到经过筛选的进路数据后，据此进行控车逻辑计算。

图1 总体方案Fig.1 Overall scheme

3.1 MVB端口定义

端口1至少包含的字段及定义如表 1所示。

表 1 端口1字段定义Tab.1 Field definitions of port 1

端口2至少包含的字段及定义如表 2所示。

表 2 端口2字段定义Tab.2 Field definitions of port 2

端口3～6至少包含的字段及定义如表 3所示。

表 3 端口3～6字段定义Tab.3 Field definitions of port 3-6

3.2 交互过程

CTCS-1无线传输单元任务执行周期为T1，即每隔T1读一次端口1，每隔T1可写一次端口2～5；主控单元任务执行周期为T2，即每隔T2读一次端口2～5，每隔T2可写一次端口1；T1＜T2，即为快的发送方和慢的接收方，为保证主控单元不会漏读端口2～5的数据，规定CTCS-1无线传输单元更新端口2～5的时间至少应为T3，其中T3=m×T1〉T2（m为C1无线传输单元任务周期数)。

基于以上的端口分配，双方交互工作过程如图 2所示。

图2 双方交互工作过程Fig.2 Working process of mutual interaction

1）CTCS-1无线传输单元接收并存储来自于无线广播的进路数据，存储形式如表 4所示。

表 4 C1无线传输单元进路数据存储形式Tab.4 Route data storage format of C1 radio transmission unit

其中，LRBG表示最近相关应答器组。在CTCS-1级列控系统中，轨旁安装的每一组应答器均可以作为LRBG，进路数据即基于此LRBG进行线路数据的描述。每个LRBG编号对应的进路数据均为符合《CTCS-3级列控系统应答器应用原则》V2.0规定的报文结构，每个LRBG编号对应的进路数据为1～8个长度，为830 bit的报文。

2）列车经过某个LRBG时，主控单元通过命令端口将LRBG编号发送至CTCS-1无线传输单元。

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3）CTCS-1无线传输单元接收到LRBG编号后，据此从已存储的进路数据中查找并取出该LRBG编号对应的进路数据，并每隔T1时间将该进路数据的每个830 bit报文按以上MVB端口定义分割填入各个数据端口的发送缓存区队列。

每个数据端口的发送缓存区队列的数据结构和工作原理类似，以端口2为例说明。

如图 3所示，CTCS-1无线传输单元软件中为每个数据端口维护一个发送缓存区队列，该队列为环形队列。队列长度为N，每个队列单元存放ID1、ID2和30 bit的报文（端口3～6为200 bit的报文）。设置3个指针，发送数据指针、写端口指针和ACK指针，3个指针的作用如下。

图3 MVB端口发送缓冲区队列Fig.3 MVB port sending buffer queue

1）发送数据指针指向队尾可用的单元，当有报文需要发送时，写入该单元，然后指针移。当发送数据指针+1=ACK指针时，表示队列满，无可用单元。

2）写端口指针指向需写入MVB端口的单元，CTCS-1无线传输单元每隔T3时间从该单元读出数据更新端口2～6。

3）当写端口指针=发送数据指针时，表示无新数据需要写入端口。

4）ACK指针指向待接收确认的单元，当从端口1读到待接收确认单元的确认数据时，指针后移。当ACK指针=发送数据指针时，表示无数据需要接收确认。

5）主控单元监测到端口2的ID1字段更新后，将端口数据读出存入对应端口的接收缓冲区队列，该缓存区队列长度与发送缓存区队列长度相同，均为N。

6）主控单元从端口2～6的接收缓存搜索包含期望报文流水号的数据，当在端口2～6均可搜索到时，从接收缓冲区取出，将DATA字段拼成一个完整的830 bit长度的报文。并通过端口1更新ACK2字段值等于ID1。

7）CTCS-1无线传输单元检测到端口1的ACK2字段值为ID1时，认为主控单元已收到发送流水号为ID1的进路数据，后移ACK指针。

3.3 超时重发

此通信方法支持超时重发机制。由于端口1～6的更新周期均为固定时间，为防止在固定时间内数据发送或接收失败，在CTCS-1无线传输单元设置超时重发机制，超时容忍时间记为T4。如图 4所示，假若CTCS-1无线传输单元发送ID1后，开启计时器，若经过T4时间后仍未收到ACK1，CTCS-1无线传输单元将重发ID1，同时重新开启计时器，超时时间仍为T4，直至收到ACK1。