CN109484430B

CN109484430B - 高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法及装置

Info

Publication number: CN109484430B
Application number: CN201811179195.5A
Authority: CN
Inventors: 陈义军; 张仿琪; 虞翊; 袁建军; 林辉; 赵华华
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University; CRRC Qingdao Sifang Co Ltd
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: CN109484430A

Abstract

本发明涉及一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法及装置，其中方法包括：步骤S1：接收来自于各数据通道发送的数据，并将牵引定位数据存入指定数据存储区，其他类型的数据分别按照数据类型存储于对应的数据缓冲区中以加入对应的数据队列；步骤S2：判断当前状态是否处于存车状态，若为否，则执行步骤S3，反之，执行步骤S4；步骤S3：读取指定数据存储区存储的牵引定位数据并添加至帧空间存储区，并执行步骤S4；步骤S4：对于除牵引定位数据以外的数据，按照各数据类型的优先级将各数据帧依次添加至帧空间存储区直至帧空间存储区无法在容纳一个数据帧。与现有技术相比，本发明具有提高时隙带宽利用率等优点。

Description

高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法及装置

技术领域

本发明涉及高速磁浮车地无线电通信领域，尤其是涉及一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法及装置。

背景技术

对于高速磁浮交通系统而言，列车的安全、可靠、高效地运行离不开列车与地面之间的数据传输，该部分功能由车地无线电系统承担。每一列车通过安装在列车上的移动无线电控制单元与所处分区的分区无线电控制单元进行通信。列车存在三种状态，即“运行”状态、“停止”状态和“存车”状态。对于处于不同状态的列车，车地无线电系统为其分配的带宽不尽相同。处于“运行”状态和“停止”状态的列车所需要的带宽高于“存车”状态的列车。分区无线电控制单元为所管理的列车按照时分多址(TDMA)方式分配相应的时隙，这些时隙的带宽由列车的运行状态决定。

每一列车的移动无线电控制单元与其所处分区的分区无线电控制单元进行通信时，是在车地无线电系统的一个时隙上进行的。在此时隙上，移动无线电控制单元与分区无线电控制单元所需要传输的信息包括牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据、列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据等。这些数据来自高速磁浮的不同子系统，其数据内容和实时性(即更新频率)要求不同，因而需要移动无线电控制单元与分区无线电控制单元在一个时隙上进行数据传输时需提供一定的机制，来保证列车处于不同运行状态时，使得所传输的数据能够满足实时性要求。

对于每一列车，在移动无线电控制单元与其所处分区的分区无线电控制单元进行数据传输时，需要将所要传输的数据进行组帧预处理，并在规定时隙中进行数据传输。既有的方法是对所传输的各类数据采取固定帧空间的方式，即对时隙带宽的分配是固定的划分。如果每种类型的数据长度达不到固定帧空间长度的要求，则采取数据填充的方式达到固定帧空间的格式要求。这样并没有最大限度地使用时隙带宽，而且随着无人驾驶技术的发展和旅客信息服务需求的增加，车地之间的数据传输需求也必然增加，固定划分不能很好的应对这种发展的需要。

发明内容

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高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法，包括：

步骤S1：接收来自于各数据通道发送的数据，并将牵引定位数据存入指定数据存储区，其他类型的数据分别按照数据类型存储于对应的数据缓冲区中以加入对应的数据队列；

步骤S2：判断当前状态是否处于存车状态，若为否，则执行步骤S3，反之，执行步骤S4；

步骤S3：读取所述指定数据存储区存储的牵引定位数据并添加至帧空间存储区，并执行步骤S4；

步骤S4：对于除牵引定位数据以外的数据，按照各数据类型的优先级将各数据帧依次添加至帧空间存储区直至帧空间存储区无法在容纳一个数据帧。

所述数据帧包括依次排列的帧头、数据类型、数据长度、荷载数据和帧尾，其中，所述数据长度用于指示荷载数据的长度。

所述帧头的长度为1字节，数据类型的长度为1字节，帧尾的长度为1字节，数据长度的长度为2字节。

数据的类型包括牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据和其他低优先级数据；

所述步骤S4具体包括：

步骤S41：判断运行控制数据队列是否为空，若为是，则执行步骤S43，如为否，则执行步骤S42；

步骤S42：判断帧空间存储区是否可以容纳一个运行控制数据帧，若为是，则将运行控制数据队列中第一数据帧添加至帧空间存储区并返回步骤S41，反之，执行步骤S43；

步骤S43：判断行车语音数据队列是否为空，若为是，则执行步骤S45，如为否，则执行步骤S44；

步骤S44：判断帧空间存储区是否可以容纳一个行车语音数据帧，若为是，则将行车语音数据队列中第一数据帧添加至帧空间存储区并返回步骤S43，反之，执行步骤S45；

步骤S45：轮询其他低优先级数据的数据队列，将各数据帧添加至帧空间存储区直至帧空间存储区无法在容纳一个数据帧。

所述其他低优先级数据包括列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据。

一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧装置，包括存储器和处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

所述步骤S4具体包括：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)基于可变长度数据帧结构以及基于数据实时性和数据优先级的组帧次序，截图更有效地传输高速磁浮车地交互信息，提高时隙带宽的利用率，并能适应将来旅客信息服务需求和车地之间的数据传输需求不断增长的需要。

2)设置专门的数据类型和数据长度部分，可以让接收方有效分割时隙帧中的不同部分，并判断数据类型以解析数据。

3)针对牵引定位数据设置单独的策略，可以满足牵引定位数据实时性要求高的特点。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明实施的数据组帧方法过程框架；

图3为本发明实施的队列动态链表结构；

图4为本发明实施的时隙有效数据组帧格式；

图5为本发明实施的组帧流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

该申请提出的一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧策略，采取基于可变长度数据帧结构和基于数据实时性和数据优先级的策略，分为两个过程：有效数据缓冲过程和时隙帧空间的组帧过程，如图2所示。有效数据缓冲过程负责将各数据通道发送来的各类车地交互信息进行缓冲处理，为时隙有效数据的组帧过程做准备。时隙帧空间的组帧过程按照数据的实时性和数据优先级要求对缓冲区中的车地交互信息进行组帧，为车地通信做好准备。

一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法，如图1所示，包括：

以上即有效数据缓冲过程，有效数据缓冲过程负责响应各数据通道发送来的牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据、列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据等车地交互信息数据并进行缓冲处理。

对于各种不同类型的数据，配置相应的数据缓冲区，包括牵引定位数据缓冲区、行车语音数据缓冲区、运行控制数据缓冲区、列车操作数据缓冲区、车辆诊断数据缓冲区以及旅客信息数据缓冲区。根据数据的特点，采用两种数据缓冲区，即固定数据存储区和动态数据队列。

牵引定位数据的实时性要求最高，即传输周期最短以及时延最小。为牵引定位数据设置固定的数据存储区，结构为4个静态字节数组：

BuffL1,BuffL2,BuffR1,BuffR2

用于存储牵引定位数据的最新数据。当接收到来自L1、L2、R1和R2等4个通道的牵引定位数据时，按照通道号分别存储到这4个静态数组中。在系统初始化时，将四个静态字节数组都置为“0x00 0x00…0x00”。当某个牵引定位数据通道出现故障时，则将对应的静态字节数组置为“0xFF 0xFF…0xFF”。

除了牵引定位数据以外，其他类型的数据采用队列作为数据缓冲区。队列均采取相同的动态链表方式，管理单位为报文，如图3所示。队列节点的数据结构为(报文类型，报文长度，报文内容，下一节点指针)。报文类型、报文长度、报文内容、下一节点指针对应的数据类型分别为字节、整数、字节数组、指针。报文类型的取值范围为02～06，其中02代表运行控制数据，03代表行车语音数据，04代表列车操作数据，05代表车辆诊断数据，06代表旅客信息数据。报文类型01为牵引定位数据预留，用于在时隙帧空间的组帧过程中对牵引定位数据报文的组帧。队列的数据结构表示为(最大节点个数，节点个数，头指针，尾指针)。最大节点个数、节点个数、头指针、尾指针的数据类型分别为整数、整数、指针、指针。每个队列的最大节点个数通过预设参数进行设置。系统初始化时，将各个队列的节点个数设置为0，将头指针和尾指针设置为空。

当接收到来自各数据通道的数据报文(不包括牵引定位数据)时，根据数据的类型，加入到相应的数据队列中。在加入队列时，如果遇上该队列已满，则报“队列溢出”错误信息。

步骤S3：读取指定数据存储区存储的牵引定位数据并添加至帧空间存储区，并执行步骤S4；

如图4所示，数据帧包括依次排列的帧头、数据类型、数据长度、荷载数据和帧尾，其中，数据长度用于指示荷载数据的长度，本实施例中，帧头的长度为1字节，数据类型的长度为1字节，帧尾的长度为1字节，数据长度的长度为2字节。

数据的类型包括牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据和其他低优先级数据，其他低优先级数据包括列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据。

步骤S4具体包括：

时隙帧空间的组帧过程如下：

有效数据的组帧过程就是按照牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据、列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据等数据的实时性和数据优先级要求对缓冲区中的车地交互信息对时隙帧空间进行填充的过程，为车地通信做好准备。

时隙的帧空间划分采用可变长度数据帧结构，各种类型的数据都采取相同的组帧结构，即帧头STX、数据类型、数据长度、载荷数据以及帧尾ETX，其数据类型分别为字节、整数、整数、字节数组以及字节。STX取固定值02，ETX取固定值03。数据类型的值为01～06，其中01为牵引定位数据，02代表运行控制数据，03代表行车语音数据，04代表列车操作数据，05代表车辆诊断数据，06代表旅客信息数据。载荷数据占用的字节数等于数据长度。

对于牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据、列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据等车地通信交互信息，根据数据的实时性和优先级进行组帧过程。组帧的顺序依次为：牵引定位数据、运行控制数据、行车语音数据、低优先级数据，其中低优先级数据包括列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据，三者之间采用轮询的方式。

图5给出基于可变长度帧结构和基于数据实时性和数据优先级组帧次序的组帧流程图。

设置MAX_FRAME_SIZE_RUNNING、MAX_FRAME_SIZE_STOPPING以及MAX_FRAME_SIZE_STABLE三个全局参数，分别代表列车处于“运行”、“停止”以及“存车”状态时的时隙帧空间所能容纳的有效数据最大载荷容量。设置1个固定时隙帧空间数据存储区，该存储区的大小为MAX_FRAME_SIZE_RUNNING。设置一个全局整型变量maxFrameSize，表示时隙帧空间的有效数据最大载荷容量。设置一个整数类型变量framePos，表示组帧的起始位置。

在每次组帧处理周期时间到时，首先进行初始化。根据列车所处的运行状态，将maxFrameSize设置为以下三者之一：MAX_FRAME_SIZE_RUNNING、MAX_FRAME_SIZE_STOPPING和MAX_FRAME_SIZE_STABLE三者之一。对时隙帧空间数据存储区进行初始化，区域的大小为maxFrameSize。将组帧起始位置framePos设置为0，。

初始化完成后，基于数据缓冲区按照组帧次序依次进行组帧处理。

1)牵引定位数据的组帧处理。如果列车处于“停车”状态，不需要对牵引定位数据的组帧处理，跳出牵引定位数据的组帧处理。如果列车处于“运行”或“停车”状态，则从牵引定位数据缓冲区同时读取L1,L2,R1,R2数据报文，对牵引定位数据报文按照如下组帧格式要求在时隙帧空间存储区进行组帧处理，然后将组帧起始位置framePos加上已填充的牵引定位数据帧空间长度。

2)运行控制数据的组帧处理。处理的策略是在填充完少量的牵引定位数据后，尽可能填充运行控制数据。

处理的过程是执行循环操作，在每一次循环中：(1)首先判断运行控制数据队列是否为空，如果为空则结束循环；(2)判断未填充帧空间大小是否可以容纳一个运行控制数据报文，即判断(maxFrameSize–framePos)是否不小于运行控制数据队列的首节点所存储的报文长度加5，如果不可以则跳出循环操作并进一步判断是否连一个运控报文都不能容纳，是则报“时隙帧空间容量不足”错误信息；(3)对行运行控制数据按照如下组帧格式要求在帧空间存储区进行组帧处理，然后对该队列移除首节点，并将组帧起始位置framePos加上已填充的运行控制数据帧空间长度。

3)行车语音数据的组帧处理。处理的策略是在未填充的时隙帧空间内，尽可能填充行车语音数据，但规定其空间限额。空间限额取决于其实时性要求，用参数MAX_AUDIO_SIZE表示。设置变量audioSize，表示行车语音数据已填充的空间大小。

处理的过程是首先将audioSize设置为0，然后执行循环操作，在每一次循环中：(1)首先判断行车语音数据队列是否为空，如果为空则结束循环；(2)判断未填充帧空间大小是否可以容纳一个运行控制数据报文，即判断(maxFrameSize–framePos)是否不小于行车语音数据队列的首节点所存储的报文长度加5，如果不可以则跳出行车语音数据的组帧处理；(3)判断行车语音数据是否超过规定的额度，即判断(audioSize+报文长度+5)是否大于MAX_AUDIO_SIZE，如果是则跳出行车语音数据的组帧处理；(4)对行车语音数据按照如下组帧格式要求在帧空间存储区进行组帧处理，然后对该队列移除首节点，并将组帧起始位置framePos和行车语音数据已填充空间大小audioSize分别加上已填充的行车语音数据帧空间长度。

4)低优先级数据的组帧处理。对于列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据的组帧处理，采取的策略是在未填充的帧空间内采取轮询方式进行组帧。设置变量token表示轮询指针，0代表当组帧数据为列车操作数据，1代表当组帧数据为车辆诊断数据，2代表当组帧数据为旅客信息数据。再设置一个变量undoCount，在每次轮询时如果在未填充帧空间内能够完成组帧时设置为0，否则加上1。

处理的过程是首先将token和undoCount初始化为0，然后执行循环操作，在每一次循环中：(1)判断(undoCount>＝3)，是则说明在未填充的帧空间内，不能填充任何一个低优先级数据报文，则结束组帧处理；(2)根据token％3(表示token除以3所得余数)的值选择当前要访问的数据队列，0代表列车操作数据队列，1代表车辆诊断数据队列，2代表当组帧数据为旅客信息数据队列；(3)判断队列数据是否为空，是则将token和undoCount分别加上1，进入下一轮循环；(4)判断未填充帧空间大小是否可以容纳数据队列中的首节点存储的数据报文，不可以则将token和undoCount分别加上1，进入下一轮循环；(5)对当前数据报文按照如下组帧格式要求在帧空间存储区进行组帧处理，然后对该队列移除首节点，将token加1，将undoCount清零，最后将组帧起始位置framePos加上已填充的列车操作数据帧空间长度。

其中数据类型04、05、06分别代表列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据。

Claims

1.一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法，其特征在于，包括：

步骤S1：接收来自于各数据通道发送的数据，并将牵引定位数据存入指定数据存储区，其他类型的数据分别按照数据类型存储于对应的数据缓冲区中以加入对应的数据队列，

步骤S2：判断当前状态是否处于存车状态，若为否，则执行步骤S3，反之，执行步骤S4，

步骤S3：读取所述指定数据存储区存储的牵引定位数据并添加至帧空间存储区，并执行步骤S4，

步骤S4：对于除牵引定位数据以外的数据，按照各数据类型的优先级将各数据帧依次添加至帧空间存储区直至帧空间存储区无法在容纳一个数据帧；

所述数据帧包括依次排列的帧头、数据类型、数据长度、荷载数据和帧尾，其中，所述数据长度用于指示荷载数据的长度；

所述步骤S4具体包括：

步骤S41：判断运行控制数据队列是否为空，若为是，则执行步骤S43，如为否，则执行步骤S42，

步骤S42：判断帧空间存储区是否可以容纳一个运行控制数据帧，若为是，则将运行控制数据队列中第一数据帧添加至帧空间存储区并返回步骤S41，反之，执行步骤S43，

步骤S43：判断行车语音数据队列是否为空，若为是，则执行步骤S45，如为否，则执行步骤S44，

步骤S44：判断帧空间存储区是否可以容纳一个行车语音数据帧，若为是，则将行车语音数据队列中第一数据帧添加至帧空间存储区并返回步骤S43，反之，执行步骤S45，

2.根据权利要求1所述的一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法，其特征在于，所述帧头的长度为1字节，数据类型的长度为1字节，帧尾的长度为1字节，数据长度的长度为2字节。

3.根据权利要求1所述的一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧方法，其特征在于，所述其他低优先级数据包括列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据。

4.一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧装置，包括存储器和处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

所述步骤S4具体包括：

5.根据权利要求4所述的一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧装置，其特征在于，所述帧头的长度为1字节，数据类型的长度为1字节，帧尾的长度为1字节，数据长度的长度为2字节。

6.根据权利要求4所述的一种高速磁浮车载无线电控制单元的数据组帧装置，其特征在于，所述其他低优先级数据包括列车操作数据、车辆诊断数据以及旅客信息数据。