CN102149225A - 动车组状态监测系统及其多功能混合网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动车组状态监测系统及其多功能混合网关，该多功能混合网关包括现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块、主控制器、存储电路、实时时钟电路，其中，主控制器与所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块连接，用于对所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块交互的数据进行协议转换和数据处理。本发明的多功能混合网关可以实现协议转换、网络化传输、数据融合等功能，具备有线与无线相结合、实时数据传输与大容量数据传输相结合的优点。

Description

动车组状态监测系统及其多功能混合网关

技术领域

本发明涉及一种车辆运行状态监测系统，尤其涉及一种动车组状态监测系统及其多功能混合网关，属于传感器及网络技术领域。

背景技术

动力分散的列车组称为动车组，动车组状态监测系统用于对全列车的牵引传动系统、转向架、制动系统、空调系统、车厢环境、车厢辅助等各系统部件的运行状态以及故障信号的实时采集、处理和上传，对机车的安全运行起着至关重要的作用。

现有的动车组没有独立的状态监测系统，部分部件的少量状态监测，如牵引变流器、牵引电机等，是借助于列车通信网络(Train communication network，简称TCN)，TCN将绞线式列车总线(Wire Train Bus，简称WTB)和多功能车辆总线(multifunction vehicle bus，简称MVB)作为列车总线和车辆总线。随着应用需求的多样化，WorldFIP、LonWorks、控制器局域网络(Controller AreaNetwork，简称CAN)及工业以太网等网络技术已应用于列车通信网络。

网关用于协议转换和数据转发，是列车通信网络中承上启下的枢纽环节。目前已经出现多种应用于列车通信网络的网关，例如WTB-MVB、MVB-CAN、MVB-以太网、WTB-WorldFIP、CAN-以太网以及多种总线混合的网关。

动车组状态监测系统是在现有列车通信网络和网关的技术上，适应全列车安全保障的需求建立的。实现全列车主要设备的实时在线状态采集、处理、传输和预警。现有列车通信网络及网关应用于状态监测系统时存在以下缺陷：

1)现有列车网络为面向控制的通信网络，利用现有网络体系不能形成贯通全车的专用状态监测网络，动车组各个关键部件的大量状态信息不能实时的采集和处理，导致部件故障难以及时发现。

2)网关不具备无线通信功能，不能与布设在车厢内的无线传感器网络进行数据交互。

3)网关缺乏在线数据融合功能，造成监控中心的数据处理压力大和不能在线实时的发现各种故障信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多功能混合网关，以解决现有网关不具备无线通信及在线数据融合功能的问题。

本发明的另一目的在于提供一种动车组状态监测系统，以解决现有动车组状态监测系统存在的大量状态信息不能实时采集、整车大数据量的状态信息难以实时传输的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供的多功能混合网关包括现场总线通信模块：用于与具备现场总线通信功能的组网节点连接，以进行数据交互；无线通信模块：用于与无线传感器网络连接，以进行数据交互；以太网通信模块：用于与动车组的监控中心连接，以进行数据交互；主控制器：与所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块连接，用于对所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块交互的数据进行协议转换和数据处理；存储电路：与所述主控制器连接，用于为所述主控制器提供存储空间；实时时钟电路：连接于所述主控制器，用于多个所述多功能混合网关之间的时钟同步以及给上述数据添加时钟标记。

本发明提供的动车组状态监测系统包括多个上述多功能混合网关：分别设于多个车厢中；多个无线传感器网络和现场总线网络：分别设于多个车厢中，用于实时采集、传输动车组车厢的运行状态参数；监控中心：根据检测到的所述运行状态参数对动车组运行情况进行判断，以对动车组进行控制，保证动车组的安全运行；其中所述多个无线传感器网络、现场总线网络分别与设于同一车厢中的所述多功能混合网关连接，所述多功能混合网关通过以太网和所述监控中心连接。

综上，本发明的多功能混合网关实现了有线与无线相结合、实时数据传输和大容量数据传输相结合，具有协议转换、特征提取、态势分析、故障预警等多种功能，不但能够对所采集的动车组的状态信息形成网络化传输及处理，而且能够接收监控中心的指令对底层的传感器网络进行组网配置，其中特征提取是指对多个传感器采集的多维数据进行统计和相关性分析、降维与特征抽取。态势分析是指根据特定的评判法则对多个传感器的多维参数进行综合的分析，从而对监测设备的运行态势进行在线评估。故障预警是在特征提取和态势分析基础上，对监测设备运行状态处于事件状态进行报警，对可能接近事故的状态进行预警。

本发明的动车组状态监测系统则既可以进行列车级大容量数据传输，满足大数据量状态信息的传输要求，又可以进行车厢级小数据量实时数据传输，满足信息传输的实时性要求，保证动车组状态监测的可靠性和高效性，同时采用开放的协议和标准的接口，方便网络扩展和重构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的动车组状态监测系统优选实施例应用于动车组的结构示意图；

图2为本发明的多功能混合网关优选实施例的结构示意图；

图3为本发明的多功能混合网关优选实施例的CAN-Zigbee-Ethernet协议转换流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的动车组状态监测系统优选实施例应用于动车组的结构示意图，但图1仅示出了两节车厢1、2，即动车车厢1和拖车车厢2。本领域技术人员应该理解本发明所应用的动车组的车厢数量并不局限于此，本领域技术人员还应该理解虽然本发明优选应用于动车组状态监测，其也可以应用其他多种复杂机电设备的运行参数监测，例如大型船舶、自动化生产流水线等。

如图1所示，本发明的动车组状态监测系统优选实施例包括多个多功能混合网关4、多个无线传感器网络5、多个现场总线网络8和监控中心3。车厢1、2中均设一多功能混合网关4(下文也简称为网关4)，用于网络化传输、协议转换、数据融合等。无线传感器网络5和现场总线网络8将各传感器采集的车厢运行状态参数传输至网关4。多功能混合网关4通过以太网31和监控中心3连接。监控中心3根据检测到的运行状态参数对动车组运行情况进行判断，以对动车组进行控制，保证动车组的安全运行。

在本优选实施例中，无线传感器网络5、现场总线网络8分别为zigbee自组织网络、控制器局域网络(Controller Area Network，简称CAN)总线网络。在监控中心3和多个多功能混合网关4之间进行通信的以太网31作为列车级的大数据量传输网络，将网关4获取的各车厢1、2的运行状态参数传输至监控中心3。以太网31上层采用TCP/IP协议栈进行通信，在运输层同时采用用户数据报协议(User Datagram Protocol，简称UDP)和传输控制协议(Transmission ControlProtocol，简称TCP)，其中UDP协议用于传输大量实时的状态参数，TCP协议用于对实时性要求不高和需要保证可靠传输的状态和配置信息的传输。

车厢1、2的各子系统，例如制动系统、走形系统、辅助系统，中布设大量的传感器6，不同类型的传感器6通过组网节点7构成现场总线网络8，组网节点7接入多种类型的传感器6并对采集到的状态参数进行分析处理，然后通过现场总线网络8将检测到的数据传送到网关4。车厢1、2中布设的大量无线传感器50用于检测温度、振动等多种状态信息，该类状态信息通过自组织的无线传感器网络5发送到网关4。网关4将采集的状态信息进行分析处理后，采用大容量数据传输方式将其传送到监控中心3。监控中心3的中央监控计算机根据检测到的状态信息对列车运行情况进行判断，以对列车进行控制，保证列车的安全运行。

在图1中，网关4实现了有线与无线相结合、实时数据传输和大容量数据传输相结合，具有协议转换、数据融合等多种功能。不但对所采集的动车组各设备的状态信息形成网络化传输及处理，而且接收监控中心3的指令对底层的传感器网络进行组网配置。

图2为本发明的多功能混合网关优选实施例的结构示意图，如其所示，本优选实施例包括与CAN现场总线连接的现场总线通信模块、与无线传感器网络5连接的无线通信模块43、与以太网31连接的以太网通信模块、用于串行通信的串行通信接口电路46、用于执行模拟或数字信号采集的信号调理电路48、主控制器41、用于为主控制器41提供存储空间的存储电路47和实时时钟电路44。其中，主控制器41与前述各功能模块连接，用于对输入信息进行数据处理、网络化传输、协议转换、包括特征提取和态势分析的数据融合等。

为了进一步揭示本发明，下面将结合具体部件对本发明的动车组状态监测系统及其多功能混合网关进行描述，本领域技术人员应该理解，可以实现本发明的芯片等硬件绝不局限于以下描述。

在图2中，主控制器41为网关4的核心，通信控制器的配置、数据的收发、协议的转换以及应用层数据的融合等都通过主控制器41完成，其可以选用面向测控应用的32位定点型数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F2812。其采用哈佛总线结构，指令执行速度可达150MIPS，并支持C/C++编程。具有丰富的片内外设资源，包括AD转换模块、增强型CAN总线控制器411、事件管理器以及串行通信接口等，使其非常适用于有大批量数据处理的测控场合。

主控制器41执行的协议转换既包括现场总线网络8与以太网31之间的协议转换，又包括无线传感器网络5与以太网31之间的协议转换，该协议转换是双向进行的。根据ISO/OSI参考模型，协议转换过程是在应用层进行的，网关4根据特定的规约提取位于现场总线网络8及无线传感器网络5数据帧应用层的状态参数，经解析处理后形成TCP/IP协议族的应用层报文，通过以太网31及TCP/IP协议族传输到司机室的监控中心3；同理，对监控中心3发出的控制指令，主控制器41提取以太网数据帧中位于应用层的指令，经过解析处理转换为现场总线或无线协议传输到相应的组网节点7或无线传感器节点50。实现基于现场总线网络8和无线传感器网络5的混合传感器网络同以太网31的协议转换和网络互连。

主控制器41执行的数据融合功能主要是指网关4对底层混合传感器网络采集的多维状态参数的特征提取、态势分析及故障预警。特征提取是指对多维数据进行统计和相关性分析、降维与特征抽取；态势分析是指根据特定的评判法则对多个传感器的多维参数进行综合的分析，从而对监测设备的运行态势进行在线评估；故障预警是在特征提取和态势分析基础上，对监测设备运行状态处于事件状态进行报警，对可能接近事故的状态进行预警。

存储电路47扩展了主控制器41的程序和数据的运行和存储空间，同时可用于大量实时状态参数的暂存，其可以选用高速静态RAM芯片IS61LV25616。其为3.3V电源供电，高性能、低功耗，能够直接与主控制器41采用的芯片TMS320F2812连接并满足高速运行的要求。

为了使多个网关4之间的时钟同步以及给传感器数据加上准确的时钟标记，主控制器41可以通过I2C总线与一实时时钟电路44连接，以对其芯片进行配置和读写操作。本优选实施例的实时时钟电路44可以采用一款工业级内含I2C总线接口的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片PCF8563。该芯片的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能可以完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能，是一款性价比极高的时钟芯片。主控制器41可以通用I/O引脚模拟I2C总线的时序，以对时钟芯片内的地址及存储空间进行操作。时钟芯片PCF8563需要外接32.768KHz的晶振电路，为了使网关4在电源断开时仍然能够保持正常的时钟计数和同步，优选的是可以外接3V的纽扣电池。

为了使网关4能够直接对具备数字或模拟量输出的传感器进行接入，网关4包括信号调理电路48。此外，主控制器41与用于串行通信的串行通信接口电路46连结，便于网关4同现场设备互连。

请同时参考图1和图2，用于与CAN现场总线8连接的现场总线通信模块包括控制器411、驱动器42、光电耦合器421及接口电路(图中未示出)。具备现场总线通信功能的组网节点7对车厢各子系统中用于检测运行状态的多类型传感器6进行接入，通过现场总线网络8将状态信息传输到网关4进行数据融合和协议转换。现场总线网络8作为动车组监测系统车厢级的实时通信方式，采用具备较高实时性和灵活性的CAN现场总线。在本优选实施例中，CAN总线控制器411采用主控制器41的增强型控制器区域网络(eCAN)模块，该eCAN模块是一种具有32位内部结构的CAN控制器，与CAN(2.0B版)协议完全兼容，支持高达1Mbps的传输速率，具有32个完全可配置的邮箱和时间标志特性，提供了一种具有通用性和鲁棒性的串行通信接口。CAN总线驱动器42可以选用芯片PCA82C250，其完全符合ISO11898标准，最高速率达1Mb/s，可以实现数据的差动发送和接收，且具有较强的抗干扰能力、过热保护能力和驱动能力，最多可在总线上连接110个节点。同时在CAN总线驱动器42与CAN控制器411之间加入了高速光电耦合器421，光电耦合器421可以选用芯片6N137，以切断主控制器41与外部总线电气环境之间的联系，抑制尖峰脉冲和各种噪声干扰。

无线通信模块43使网关4具备与无线传感器网络5进行数据交互的能力，其包括微处理器431及射频模块432，微处理器431通过串行接口与主控制器41进行数据交互。布设在车厢内的无线传感器节点50用于检测各布设点的如温度、振动、压力等状态信息，形成动车组状态监测的无线传感器网络5。无线通信模块43汇集无线传感器网络5的状态信息，并传送到主控制器41完成数据处理和协议转换。无线通信方式同样是作为动车组监测系统车厢级的实时通信方式，图1所示的无线传感器网络5采用基于IEEE802.15.4标准的近距离、低功耗的Zigbee技术。网关4的Zigbee无线通信芯片可以采用CC2430，该芯片内置8051微处理器内核及2.4GHz无线射频模块，在硬件上支持IEEE802.15.4无线通信标准，在此基础上通过向CC2430芯片内载入Zigbee软件协议栈实现ZigBee通信协议；CC2430芯片与主控制器41之间通过串口进行数据交互。

图2所示优选实施例的以太网通信模块主要包括以太网控制器45、隔离变压器451和接口电路452。以太网31作为列车级的大数据量传输网络，将网关4获取的各车厢1、2的运行状态传输至司机室的监控中心3。以太网上层采用TCP/IP协议栈进行通信，其中UDP协议用于传输大量实时的状态参数，TCP协议用于对实时性要求不高和需要保证可靠传输的状态和配置信息的传输。

以太网通信模块使网关4具备同司机室监控中心3进行数据交互的能力并负责车厢级状态参数的上传，为动车组监测系统提供整车级的大容量通信方式。其实现电路也参考图2所示。以太网控制器45可以选用以太网控制芯片CS8900A，其是一种低功耗、性能优越的16位的10M以太网控制器，支持全双工操作，并完全依照IEEE 802.3以太网标准进行数据的发送和接收。10BASE-T以太网物理接口电路包括RJ45接口以及网络隔离变压器451，隔离变压器451可以选用HR601627芯片。其中隔离变压器451用于以太网控制器45与外部电路的电气隔离，从而增强了抗干扰能力，实现接口的带电插拔。

以太网31上层采用TCP/IP协议族实现整车级通信网络。TCP/IP协议族涉及到的协议较多，网关4作为嵌入式装置，具备的资源及速度有限，需要根据动车组监测系统的实际需求对TCP/IP协议族加以简化。网关4涉及的协议包括地址解析协议ARP、网际协议IP、网际控制报文协议ICMP、用户数据报协议UDP以及简化的传输控制协议TCP。

用户数据报协议UDP是为需要简单而快速的运输协议的应用而设计的，是不可靠无连接的端到端的传输层协议。传输控制协议TCP是一种功能完备的面向连接的可靠的运输协议，具有流控制、运输确认和重传机制。同UDP用户数据报相比，TCP协议建立连接、确认的过程都需要花费时间，其通过牺牲时间来换取通信的可靠性；UDP协议则由于无连接过程，帧短，比TCP更快，但可靠性也更差。因此，在网关4中，用UDP协议来传输大量的实时的状态参数，用TCP协议来传输对实时性要求不高和需要保证可靠性的状态和配置信息。

多功能混合网关4的核心功能之一就在于实现协议的转换，其协议转换过程如图3所示，将由CAN总线及无线Zigbee协议传输来的数据进行重新的处理和封装，转换为大容量数据传输的TCP/IP协议进行传输，或者对由TCP/IP协议发来的命令或控制信息，转换为CAN总线或Zigbee协议传送到相应的传感器组网节点。

依据ISO/OSI参考模型，CAN总线8构成的通信网络由物理层83、数据链路层82和由用户定义的应用层81构成。网关4中现场总线通信模块的物理层和数据链路层由CAN控制器及接口电路完成，主控制器41依据组网节点7定义的应用层规范提取CAN总线数据帧应用层的状态信息，经解析处理后形成TCP/IP协议族的应用层311报文，在运输层312中加入TCP或UDP报头、在网络层313中加入IP报头以及以太网报头，以太网控制器45给数据包添加上用于在以太网链路上传输的物理层315及数据链路层314的相关信息，通过以太网物理接口452传输到以太网31链路中，最终到达司机室监控中心3。同理，对TCP/IP网络发出的控制指令，主控制器41提取以太网数据帧中位于应用层311的指令，经过解析处理转换为CAN通信协议传送到相应的组网节点7。

Zigbee协议栈自上而下由应用层51、网络层52、数据链路层53和物理层54组成，其中物理层54和数据链路层53采用IEEE802.15.4标准。网关4的无线通信模块43对无线传感器网络5采集的信息进行汇聚，通过串口发送到主控制器41后，主控制器41提取位于应用层51的状态信息，经解析处理后形成TCP/IP协议族的应用层报文，在运输层312中加入TCP或UDP报头、在网络层313中加入IP报头以及以太网报头，以太网控制器45给数据包添加上用于在以太网链路上传输的物理层315及数据链路层314的相关信息，通过以太网物理接口452传输到以太网31链路之中，最终到达司机室监控中心3。同理，对TCP/IP网络发出的控制指令，主控制器41提取以太网数据帧中位于应用层311的指令，经解析处理转换为Zigbee通信协议传送到相应的无线节点50。

综合上述，可知网关4能够将CAN总线8及Zigbee网络5传输来的应用层81、51数据进行重新的处理和封装，转换为TCP/IP协议数据包在以太网链路进行传输，将TCP/IP协议发来的控制信息，转换为CAN或Zigbee协议数据帧发送到相应的网络节点，实现异构网络之间的双向协议转换。

网关4通过对底层混合传感器网络采集的大量多维状态参数的特征提取和态势分析，实现了数据融合。

在利用图1所示优选实施例监测动车组的牵引系统时，在牵引系统中布设多种传感器6用于检测其运行过程中的转速、扭矩、温度、电压、电流等状态参数，组网节点7将多类型传感器6统一接入，并将所采集的状态参数通过CAN总线8传输至网关4；同时在牵引系统中布设多个无线传感器节点50用于检测环境温度、振动、压力等状态参数，并通过Zigbee网络5传输至网关4。网关4将所接收的CAN及Zigbee数据帧进行解析处理，得到牵引设备运行的多维变量参数，通过数据融合功能对多维状态参数进行相关性分析及特征提取，实现多维海量数据的降维，通过设定的评判法则对多维数据进行综合分析，得到牵引设备的综合运行态势。网关4通过以太网通信模块将牵引系统运行状态及特征信息传输至司机室监控中心3，大量实时的电流、转速、温度等信号可通过UDP协议进行实时高效的传输，而比较重要的特征信息和运行态势则通过TCP协议可靠的传输至司机室监控中心3。同时，司机室监控中心3也可以向组网节点7或无线节点50发送配置信息和控制指令，通过网关4的协议转换功能传送至相应的组网节点7和无线节点50，以查询节点工作状态或对其工作模式进行配置。

综上所述，本发明可以实现下列优点：

1)采用无线与有线相结合的通信方式，能够与布设在车厢内的混合传感器网络进行数据交互，扩大了网关的使用范围。

2)采用实时数据传输与大容量数据传输相结合的通信方式，可以既保证列车状态参数采集的实时性，又保证整车大容量数据传输的高效性。

3)网关具备在线数据融合的功能，能够对采集的状态参数进行在线的特征提取和态势分析，进而减轻通信网络传输数据的压力和监控中心处理数据的压力，同时还有利于及时的发现故障信息。

4)以太网通信采用UDP和TCP相结合的方式，既可以保证大量状态参数传输的实时性，又可以保证重要状态信息传输的可靠性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于动车组状态监测的多功能混合网关，其特征在于，包括：

现场总线通信模块：用于与具备现场总线通信能力的组网节点连接，以进行数据交互；

无线通信模块：用于与无线传感器网络连接，以进行数据交互；

以太网通信模块：用于与动车组的监控中心连接，以进行数据交互；

主控制器：与所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块连接，用于对所述现场总线通信模块、无线通信模块、以太网通信模块交互的数据进行协议转换和数据处理；

存储电路：与所述主控制器连接，用于为所述主控制器提供存储空间；

实时时钟电路：连接于所述主控制器，用于多个所述多功能混合网关之间的时钟同步以及给上述数据添加时钟标记。

2.根据权利要求1所述的多功能混合网关，其特征在于，所述现场总线通信模块为CAN通信模块。

3.根据权利要求1所述的多功能混合网关，其特征在于，还包括与所述主控制器连接的串行通信接口电路，以用于串行通信。

4.根据权利要求1所述的多功能混合网关，其特征在于，还包括与所述主控制器连接的信号调理电路，以实现数字或模拟传感器的接入。

5.一种动车组状态监测系统，其特征在于，包括：

多个如权利要求1所述的多功能混合网关：分别设于多个车厢中；

多个无线传感器网络和现场总线网络：分别设于多个车厢中，用于实时采集、传输动车组车厢的运行状态参数；

监控中心：根据检测到的所述运行状态参数对动车组运行情况进行判断，以对动车组进行控制，保证动车组的安全运行；

其中所述多个无线传感器网络、现场总线网络分别与设于同一车厢中的所述多功能混合网关连接，所述多功能混合网关通过以太网和所述监控中心连接。

6.根据权利要求5所述的动车组状态监测系统，其特征在于，所述无线传感器网络为zigbee自组织网络。

7.根据权利要求5所述的动车组状态监测系统，其特征在于，所述现场总线网络为CAN总线网络。

8.根据权利要求5所述的动车组状态监测系统，其特征在于，所述以太网同时采用UDP和TCP协议进行通信，其中，采用UDP协议传输预设的大数据量的实时状态参数，采用TCP协议传输预设的重要状态参数及配置信息。

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