CN109561006B - 基于以太网的列车通信网络拓扑结构 - Google Patents

基于以太网的列车通信网络拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，包括以太网骨干网和以太网编组网；以太网骨干网包括设置于划分单元的骨干网交换机，以太网编组网包括设置于各车厢的编组网交换机；其中，划分单元所包括的各车厢的编组网交换机相互连接构成一个环网；设置于划分单元中的第一中央控制单元与包含在该划分单元中的任一编组网交换机相连接；设置于划分单元中的骨干网交换机与包含在该划分单元中的任一编组网交换机相连接；各车厢包括的子系统设备与同设于车厢的编组网交换机相连接。列车采用ECN/ETB网络，控制数据和旅客娱乐信息数据可共享千兆带宽，实现控制、娱乐多网融合，极大的降低列车布线、设备成本及设备占用空间。

Description

基于以太网的列车通信网络拓扑结构
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构。
背景技术
目前大多数列车网络控制系统采用的列车通信网络(Train CommunicationNetwork，简称TCN)总线结构，列车级采用绞线式列车总线(Wire Train Bus，简称WTB)实现跨单元、跨编组的列车级通信，承担重联数据传输功能，车辆级采用多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，简称MVB)总线，实现车辆内部通信及控制，具体技术方案如中国标准动车组(长客)，其拓扑结构如图1所示，在目前的TCN总线方案中，通信网络分为两级结构：列车级和车辆级。整列车又分为两个单元，每4节车为一个单元。列车级采用WTB总线通信，通信速率为1.0Mbps，每个单元设置了两个WTB网关(GateWay，简称GW)作为WTB总线节点，节点间通过WTB总线通信承担列车重联功能，实现列车跨单元、跨编组通信。每个单元内的车辆级通信采用MVB总线，通信速率为1.5Mbps。每个单元内的车辆级通信采用MVB总线，通信速率为1.5Mbps，每个单元在头车设置两个中央控制单元(central control unit，简称CCU)，CCU作为MVB总线管理器与各子系统设备通信，并完成列车逻辑控制功能。
每个单元设置两个网关，列车通电时网关间建立通信并进行初运行，完成通信配置，确定总线主设备及每个节点地址等。完成初运行后通信建立，由网关将本单元控制指令、状态信息整理后通过WTB总线发送至其他单元或编组。每个单元的两个网关互为热备冗余，当工作网关故障时，备用网关自动切换。
WTB总线采用A\B两路双线冗余方案，控制数据在A、B两条链路中同时传送，单路断开时仍可使用另一链路完成通信，其冗余连接方式如图2所示。
每个单元设置两个中央控制单元(CCU1与CCU2)，CCU作为MVB主设备，对MVB总线进行调度，实现与单元内各子系统的通信。两个CCU互为热备冗余，当主CCU工作时，备用CCU处于监视状态，当工作CCU故障时，备用CCU自动切换。MVB总线采用A\B两路双线冗余方案，控制数据在A、B两条链路中同时传送，单路断开时仍可使用另一链路完成通信，其冗余方式与WTB总线基本一致。
随着列车控制技术的革新及旅客对乘车舒适度的需求，轨道交通列车向着高速化、智能化、舒适化等方向发展，列车通信网络中传输的数据类型不断增多，数据通信量也不断增大，这就要求列车通信网络应具备较高的通信容量，而目前应用于列车通信网络的TCN总线已遇到通信速率较低的技术瓶颈(MVB总线通信速率为1.5Mbps、WTB总线通信速率为1Mbps)，无法满足未来列车大数据量信息传输的需求。而目前以太网的优势已让其在英特网及部分工业领域广泛应用，现在列车上的以太网仅仅负责乘客信息系统和音、视频系统的数据传输，未能在列车控制和管理系统(Train Control and Management System，简称TCMS)中应用。
因此，亟需一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，以实现更高速率的数据传输。
发明内容
本发明提供一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，用以解决现有技术中的列车控制系统通信速率较低的技术问题。
本发明提供一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，列车包括至少一个划分单元，每个划分单元包括多节车厢，每节车厢包括多个子系统设备，所述划分单元包括第一中央控制单元，所述列车通信网络拓扑结构包括：以太网骨干网和以太网编组网；所述以太网骨干网包括设置于所述划分单元的骨干网交换机，所述以太网编组网包括设置于各所述车厢的编组网交换机；
其中，所述划分单元所包括的各所述车厢的所述编组网交换机相互连接构成一个环网；设置于所述划分单元中的所述第一中央控制单元与包含在该所述划分单元中的任一所述编组网交换机相连接；
设置于所述划分单元中的所述骨干网交换机与包含在该所述划分单元中的任一所述编组网交换机相连接；
各所述车厢包括的所述子系统设备与同设于所述车厢的所述编组网交换机相连接。
进一步的，所述划分单元还包括第二中央控制单元，所述第二中央控制单元与同设于所述划分单元中的所述骨干网交换机相连接。
进一步的，与所述第二中央控制单元相连的所述骨干网交换机所在的车厢所包括的子系统设备还与该所述骨干网交换机相连接。
进一步的，所述划分单元包括两个所述骨干网交换机，该两个所述骨干网交换机设置于所在所述划分单元包括的任意两个所述车厢中。
进一步的，所述以太网骨干网还包括以太网中继器；所述以太网中继器用于连接同一个所述划分单元中的两个所述骨干网交换机。
进一步的，所述划分单元中包括的两个所述骨干网交换机所在的所述车厢之间的间隔不超过两节车厢。
进一步的，两个所述骨干网交换机互为冗余设置。
进一步的，所述以太网骨干网采用双通道链路。
进一步的，所述划分单元包括四节车厢。
本发明提供的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，相比传统TCN网络传输，速率得到大大提升，原本1.5Mbps的车辆级总线MVB被替代为100Mbps的以太网编组网；原本1Mbps的列车级总线WTB被替代为100Mbps的以太网骨干网，根据采用的交换机不同(百兆交换机或千兆交换机)，以太网编组网和以太网骨干网的传输速率可达1000Mbps。列车上述网络拓扑结构，控制数据和旅客娱乐信息数据可共享千兆带宽，实现控制、娱乐多网融合，从而省去旅客信息网络的单独搭建，极大的降低了列车布线、设备成本及设备占用空间。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为现有技术中的列车通信网络拓扑结构示意图；
图2为现有技术中的双线冗余连接方式；
图3为本发明实施例提供的基于以太网的列车通信网络拓扑结构的一结构示意图；
图4为本发明实施例提供的基于以太网的列车通信网络拓扑结构的一逻辑结构示意图；
图5为本发明实施例提供的基于以太网的列车通信网络拓扑结构的另一逻辑结构示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
图3为本发明实施例提供的基于以太网的列车通信网络拓扑结构示意图，如图3所示，本发明实施例提供一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其中，列车包括至少一个划分单元A，每个划分单元A包括多节车厢，每节车厢包括多个子系统设备36，划分单元A包括第一中央控制单元34，即将列车按照车厢连接顺序依次将各车厢划分为一个或多个划分单元A，每个划分单元A包括至少2节车厢，每个划分单元A均包括有第一中央控制单元34。优选的，划分单元A包括四节车厢。
列车通信网络拓扑结构包括以太网骨干网和以太网编组网；以太网骨干网包括设置于划分单元A中的骨干网交换机31，以太网编组网包括设置于各车厢的编组网交换机32。以太网骨干网贯穿全列车，各划分单元A中的骨干网交换机31通过以太网骨干网进行通信。
划分单元A所包括的各车厢的编组网交换机32相互连接构成一个环网；设置于划分单元A中的第一中央控制单元34与包含在该划分单元A中的任一编组网交换机32相连接，即第一中央控制单元34可设置于所属划分单元A中任意一个车厢内，并与同设于车厢内的编组网交换机32连接。划分单元A内的各编组网交换机32之间通过以太网编组网进行通信。
设置于划分单元A中的骨干网交换机31与包含在该划分单元A中的任一编组网交换机32相连接；即骨干网交换机31可设置于所属划分单元A中的任意一个车厢内，优选的，骨干网交换机31设置于所属划分单元A中位于两端的车厢内。骨干网交换机31与同设于车厢内的编组网交换机32相连接。
各车厢包括的子系统设备36与同设于车厢的编组网交换机32相连接。
上述基于以太网的列车通信网络拓扑结构，将属于同一划分单元A中的各车厢中的编组网交换机32相互连接构成一个环网，再将划分单元A包括的骨干网交换机31和第一中央控制单元34分别与该环网中的编组网交换机32相连接，各车厢中的子系统设备36与同设于车厢的编组网交换机32相连接。列车通电时，在骨干网交换机31之间完成通信配置，建立通信之后，由骨干网交换机31将所属划分单元A的控制指令、状态信息整理后通过以太网发送至其他单元。另外，各车厢中的子系统设备36将数据发送给与其连接的编组网交换机32，编组网交换机32再将数据通过以太网编组网发送给第一中央控制单元34，实现划分单元A内各子系统设备36之间的通信。
采用上述方案后，相比传统TCN网络传输，速率得到大大提升，原本1.5Mbps的车辆级总线MVB被替代为100Mbps的以太网编组网(Ethernet Consist Network，简称ECN)；而原本1Mbps的列车级总线WTB，被替代为100Mbps的以太网骨干网(Ethemet Train Backbone，简称ETB)，而根据采用的交换机不同(百兆交换机或千兆交换机)，ECN和ETB的传输速率可达1000Mbps。列车采用ECN/ETB网络，控制数据和旅客娱乐信息数据可共享千兆带宽，实现控制、娱乐多网融合，从而省去旅客信息网络的单独搭建，极大的降低列车布线、设备成本及设备占用空间。
在本发明一个具体实施例中，划分单元A还包括第二中央控制单元35，第二中央控制单元35与同设于划分单元A中的骨干网交换机31相连接。同一划分单元A中的第一中央控制单元34与第二中央控制单元35互为冗余。
在本发明另一个具体实施例中，与第二中央控制单元35相连的骨干网交换机31所在的车厢所包括的子系统设备36还与该骨干网交换机31相连接。即同设于一个车厢的第二中央控制单元35和子系统设备36均与设于该车厢的骨干网交换机31连接。
在本发明又一个具体实施例中，划分单元A包括两个骨干网交换机31，该两个骨干网交换机31设置于所在划分单元A包括的任意两个车厢中。两个骨干网交换机31互为冗余设置。
启动后，其中两个骨干网交换机31分配主从角色，同一时间一个划分单元A只有一个骨干网交换机31被分配为主节点，另一个骨干网交换机31被分配为从节点。由主节点完成三层交换的功能，从节点监视主节点的工作状态，当主节点故障时，从节点接替主节点工作。
在本发明一个具体实施例中，以太网骨干网还包括以太网中继器33；以太网中继器33用于连接同一个划分单元A中的两个骨干网交换机31。
由于以太网最长通信距离不能超过100米，按每节车25米的标准，且网络设备通常设置于两端，则相邻骨干网交换机31所在车厢之间的间隔不能超过两节车厢。在骨干网交换机31所在两节车厢之间的车厢上设置一个以太网中继器33(ERPT)，以放大传输信号，保证通信质量。考虑到通信距离及冗余配置，两个骨干网交换机31可以配置在同一单元的任意两个车，以太网中继器33根据实际情况进行增加即可。进一步的，以太网骨干网采用双通道链路，单通道故障时仍可不影响通信性能，同时，骨干网交换机31(ETBN)\ERPT还具备旁路中继功能，故障或断电情况下自动旁路，不影响整个链路通信。
以下列举具体实施例对上述结构进行详细描述。
如图4所示，8节车厢的列车被划分为两个划分单元，每个划分单元包括4节车厢。其中编号1至编号4的车厢划分为第一划分单元B，编号5至编号8的车厢划分为第二划分单元C。每个划分单元设置两个骨干网交换机和两个中央控制单元CCU(分别为第一中央控制单元34和第二中央控制单元35)，两个骨干网交换机分别设置在每个划分单元的第一节车厢和最后一节车厢上，且在第一节车厢和最后一节车厢之间的某一节车厢上设置有一个以太网中继器33，以太网中继器33与两个骨干网交换机相连接，用于放大传输信号，保证通信质量。两个中央控制单元设置在划分单元的第一节车厢或者最后一节车厢上，且与同设于该车厢的编组网交换机32相连接，各车厢内的子系统设备36与同设于该车厢内的编组网交换机32相连接。在图4中，两划分单元网络配置对称设置。
以太网编组网由设置在各单元的各车厢中的ECNN组成环网，图4中，第一划分单元B的环网组成为：1车厢中的ECNN-2车厢的ECNN-4车厢的ECNN-3车厢的ECNN-1车厢的ECNN。在正常工作时，这4个编组网交换机间的一条链路随机置为逻辑虚断状态，形成逻辑线性回路，如：1车厢中的ECNN-2车厢的ECNN-4车厢的ECNN-3车厢的ECNN。
当检测到某条链路故障或断开时，环网以毫秒级重新配置，连接虚断链路形成新拓扑，如图5所示，假设2车厢到4车厢的编组网交换机之间的线路断开，则通信回路组成变为：2车厢中的ECNN-1车厢中的ECNN-3车厢中的ECNN-4车厢中的ECNN。采用上述列车通信网络拓扑结构，极大的提高了列车控制系统的传输能力。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (6)

1.一种基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，列车包括至少一个划分单元，每个划分单元包括多节车厢，每节车厢包括多个子系统设备，所述划分单元包括第一中央控制单元，所述列车通信网络拓扑结构包括：以太网骨干网和以太网编组网；所述以太网骨干网包括设置于所述划分单元的骨干网交换机，所述以太网编组网包括设置于各所述车厢的编组网交换机；
其中，所述划分单元所包括的各所述车厢的所述编组网交换机相互连接构成一个环网；设置于所述划分单元中的所述第一中央控制单元与包含在该所述划分单元中的任一所述编组网交换机相连接；
设置于所述划分单元中的所述骨干网交换机与包含在该所述划分单元中的任一所述编组网交换机相连接；
各所述车厢包括的所述子系统设备与同设于所述车厢的所述编组网交换机相连接；
所述划分单元包括两个所述骨干网交换机，该两个所述骨干网交换机设置于所在所述划分单元包括的任意两个所述车厢中，两个所述骨干网交换机互为冗余设置；
所述以太网骨干网还包括以太网中继器；所述以太网中继器用于连接同一个所述划分单元中的两个所述骨干网交换机。
2.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，所述划分单元还包括第二中央控制单元，所述第二中央控制单元与同设于所述划分单元中的所述骨干网交换机相连接。
3.根据权利要求2所述的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，与所述第二中央控制单元相连的所述骨干网交换机所在的车厢所包括的子系统设备还与该所述骨干网交换机相连接。
4.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，所述划分单元中包括的两个所述骨干网交换机所在的所述车厢之间的间隔不超过两节车厢。
5.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，所述以太网骨干网采用双通道链路。
6.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络拓扑结构，其特征在于，所述划分单元包括四节车厢。
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