CN109917778A - 高冗余性机车网络控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机车网络控制系统，具体为高冗余性机车网络控制系统。解决现有机车网络控制系统可靠冗余性差的问题。高冗余性机车网络控制系统包括两台VCU，两台或多台RIOM；两台VCU分别布置在两块背部母板上，单块背部母板上集成两块电源板。每台RIOM上集成1#和2#两块电源板。对机车的关键数字量输入信号，应将机车的关键数字量输入信号及其冗余信号分别接入RIOM由1#电源板供电的数字量输入板和2#电源板供电的数字量输入板；对机车的关键输出信号，应将机车的关键输出信号及其冗余指令分别由1#电源板供电的数字量输出板控制和2#电源板供电的数字量输出板控制。

Description

高冗余性机车网络控制系统

技术领域

本发明涉及机车网络控制系统，具体为高冗余性机车网络控制系统。

背景技术

现代化机车的控制普遍通过网络实现，机车关键部件均采用安装有实时、多任务操纵系统的微机控制系统的智能化控制单元实现。各控制单元，诸如整车控制单元（VCU）、远程输入输出模块（RIOM）、牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（ACU）、制动控制单元（BCU）、司机显示单元（DDU）、车门控制单元（DCU）、空调控制单元（HVAC）以及机车重联网关（GW）、自动驾驶系统（ATC）等需进行互联互通，以进行控制指令与状态数据的交互。

机车的控制网络一般采用星型拓扑结构，即各控制单元均与VCU进行通信，由VCU收集整车的信息，并进行相关的运算，同时将自身数据及其他控制单元数据进行发送、转发。具体地，RIOM将其采集到司机操作指令、机车状态信息及RIOM的自身状态通过车载网络通信至VCU，VCU根据RIOM的反馈信息及其他网络节点通过网络反馈的信息进行综合逻辑运算，并将最终运算出的控制动作指令通过车载网络发送至RIOM及其他网络节点。VCU是整车网络控制系统的中枢，VCU的可靠性及冗余性直接决定机车运行的智能化程度，甚至决定着机车的可运行性。

为提高机车网络控制系统的可靠性及冗余性：

1）网络控制系统中使用两台VCU，两台VCU进行冷备份或热备份。但两台VCU均采用单电源板供电，VCU的供电系统无冗余性；两台VCU集成在一块母板上，母板异常或单一供电回路异常时，两台VCU同时失效。

2）网络控制系统中使用两台或多台RIOM进行机车数据的采集及对执行部件的控制。但每台RIOM均采用单电源板供电，RIOM的供电系统无冗余性；机车某个状态反馈信号分两路进入RIOM两块状态采集板卡，但单一的供电回路异常时，此状态反馈信号的两路冗余信号同时失效；机车某个执行部件控制信号由RIOM的两块控制板卡的输出进行控制，但单一的供电回路异常时，此执行部件的两路冗余控制信号同时失效。同时，RIOM上的冗余采集信号的取舍直接采用“逻辑或”或“逻辑与”运算方法，未判断RIOM上采集通道自身的状态，逻辑运算结果缺乏真实性；并且，RIOM上的冗余控制信号使用同时驱动的方法，RIOM上的多个控制开关（继电器或MOSFET）同时动作，对RIOM的电源板造成一定的冲击。

发明内容

本发明解决现有机车网络控制系统可靠冗余性差的问题，提供一种高冗余性机车网络控制系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：高冗余性机车网络控制系统，包括两台VCU，两台或多台RIOM；两台VCU分别布置在两块背部母板上，单块背部母板上集成两块电源板，以此使VCU的供电具备冗余性，降低因电源故障导致整台整车控制单元失效的概率。每台RIOM上集成1#和2#两块电源板，以此使RIOM的供电具备冗余性，降低因电源故障导致整台远程输入输出模块失效的概率。

每台RIOM有多个数字量输入板和多个数字量输出板，多个数字量输入板中有1#电源板单独供电的，也有2#电源板单独供电的；多个数字量输出板有1#电源板单独供电的，也有2#电源板单独供电的；对机车的关键数字量输入信号，如机车运行方向信号、牵引级位信号、制动级位信号、紧急制动信号等，应将机车的关键数字量输入信号及其冗余信号分别接入RIOM由1#电源板供电的数字量输入板和2#电源板供电的数字量输入板；对机车的关键输出信号，如空气制动压缩机控制指令、受电弓控制指令、主断路器控制指令等，应将机车的关键输出信号及其冗余指令分别由1#电源板供电的数字量输出板控制和2#电源板供电的数字量输出板控制。通过上述对RIOM的冗余输入输出信号进行合理化设计，将互为冗余的两路输入输出冗余信号分别接入不同的板卡，冗余信号的有效性不受单一供电电源回路异常以及单一板卡异常的影响，进一步提高系统的可靠冗余性。

两台VCU通过当前日期的奇偶性进行主、从配置（如，奇数天1号VCU为主，偶数天为从），主VCU执行整车的控制及网络递信功能；从VCU通过主VCU与从VCU间的通信监视主VCU发送的主从配置信息及主VCU的心跳信号；主VCU内部故障时，将释放其主控制权，原从VCU竞争为主控制权，原主VCU将处于静默状态，不再竞争主控制权；从VCU监测到主VCU心跳信号异常时，将直接获取主控制权，原主VCU不再竞争主控制权。两台VCU通过采用上述的“轮值”制，实现冗余运行，使两台VCU的使用寿命保持一致，便于同型部件的检修、更换。

对RIOM上的冗余采集信号，先根据RIOM的上电自检的结果确定要使用的采集通道（每个数字量输入板有多个采集通道），当冗余采集通道均异常，RIOM向VCU发出故障信号（VCU进行故障报警）；当一个冗余采集通道正常时，VCU通过该正常的采集通道采集信号；当冗余采集通道均正常时，VCU先判断采集信号是否为关键数字量输入信号，如果是关键数字量输入信号，将冗余通道信号进行逻辑同或运算，以判断两冗余通道信号是否相同，如果相同则将该相同的冗余通道信号作为VCU后续的运算信号，如果不相同，则VCU发出报警信号，此时需待机车停止运行后，将RIOM重新上电自检，如果不是关键数字量输入信号，VCU将冗余通道信号进行逻辑或运算，以判断两冗余通道信号的变化状态，对非关键的常闭型开关，RIOM的采集信号由true变为false时，VCU认为该开关状态发生变化；对非关键的常开型开关，RIOM的采集信号由false变为true时，VCU认为该开关状态发生变化。VCU检测到RIOM采集的信号状态发生变化后，VCU将相应地改变相关的控制指令或控制数据，并通过车载网络将更新后的控制指令或控制数据实时的通信至RIOM及其他网络节点。本发明对冗余的数字量输入信号的取舍根据板卡自检结果、信号类型（关键信号、非关键信号）、部件类型（常开型、常闭型）要素进行取舍，在RIOM正常运行时，根据两个冗余通道的采集信号的一致性对信号的有效性进行二次仲裁。使RIOM的冗余功能更完善。

对机车的关键控制输出信号，如空气制动压缩机控制指令、受电弓控制指令、主断路器控制指令等，RIOM的互为冗余的两路控制通道依次间隔0.5秒动作，对执行部件进行驱动，以减少浪涌电流对RIOM电源板、控制执行部件的冲击。

本发明中VCU及RIOM使用双电源供电，增加了网络控制系统供电的冗余性，减少由电源回路故障（如供电断路器故障、供电线缆故障、电源板故障等）引起的机破现象，降低机车被救援的概率。本发明中两台VCU采用“轮值”制，使两台VCU的使用寿命保持一致，便于同型部件的检修、更换。本发明中机车的关键数字量输入信号及其冗余信号分别接入由不同电源板供电的数字量输入板卡，使关键输入信号的冗余性更强。输入信号的选取结合板卡自检结果、信号类型、部件类型要素，使冗余信号的选取更合理。本发明中机车的关键控制指令及其冗余指令分别由不同电源板供电的输出板卡控制，使关键控制指令的冗余性更强。同部件的冗余的控制信号依次接通，减少浪涌电流对RIOM电源板、控制执行部件的冲击。

附图说明

图1为本发明VCU外部及内部供电图；

图2为本发明RIOM外部及内部供电图；

图3为本发明VCU的主控制权竞争机制流程图；

图4为本发明RIOM冗余输入信号的取舍方法流程图。

具体实施方式

高冗余性机车网络控制系统，包括两台VCU，两台或多台RIOM；两台VCU分别布置在两块背部母板上，单块背部母板上集成两块电源板。具体实施时，外部供电使用两个空气断路器分别对单块背部母板上的两块电源板进行供电，防止单一外部供电异常跳闸时导致整台VCU失效。每台RIOM上集成1#和2#两块电源板。具体实施时，外部供电使用两个空气断路器分别对每台RIOM上的两块电源板进行供电，防止单一外部供电异常跳闸时导致整台RIOM失效。

每台RIOM有多个数字量输入板和多个数字量输出板，多个数字量输入板中有1#电源板单独供电的，也有2#电源板卡单独供电的；多个数字量输出板有1#电源板单独供电的，也有2#电源板单独供电的；对机车的关键数字量输入信号，如机车运行方向信号、牵引级位信号、制动级位信号、紧急制动信号等，应将机车的关键数字量输入信号及其冗余信号分别接入RIOM由1#电源板供电的数字量输入板和2#电源板供电的数字量输入板；对机车的关键输出信号，如空气制动压缩机控制指令、受电弓控制指令、主断路器控制指令等，应将机车的关键输出信号及其冗余指令分别由1#电源板供电的数字量输出板控制和2#电源板供电的数字量输出板控制。

两台VCU通过当前日期的奇偶性进行主、从配置（如，奇数天1号VCU为主，偶数天为从），主VCU执行整车的控制及网络递信功能；从VCU通过主VCU与从VCU间的通信监视主VCU发送的主从配置信息及主VCU的心跳信号；主VCU内部故障时，将释放其主控制权，原从VCU竞争为主控制权，原主VCU将处于静默状态，不再竞争主控制权；从VCU监测到主VCU心跳信号异常时，将直接获取主控制权，原主VCU不再竞争主控制权。

对RIOM上的冗余采集信号，先根据RIOM的上电自检的结果确定要使用的采集通道（每个数字量输入板有多个采集通道），当冗余采集通道均异常，RIOM向VCU发出故障信号（VCU进行故障报警）；当一个冗余采集通道正常时，VCU通过该正常的采集通道采集信号；当冗余采集通道均正常时，VCU先判断采集信号是否为关键数字量输入信号，如果是关键数字量输入信号，将冗余通道信号进行逻辑同或运算，以判断两冗余通道信号是否相同，如果相同则将该相同的冗余通道信号作为VCU后续的运算信号，如果不相同，则VCU发出报警信号，此时需待机车停止运行后，将RIOM重新上电自检，如果不是关键数字量输入信号，VCU将冗余通道信号进行逻辑或运算，以判断两冗余通道信号的变化状态，对非关键的常闭型开关，RIOM的采集信号由true变为false时，VCU认为该开关状态发生变化；对非关键的常开型开关，RIOM的采集信号由false变为true时，VCU认为该开关状态发生变化。VCU检测到RIOM采集的信号状态发生变化后，VCU将相应地改变相关的控制指令或控制数据，并通过车载网络将更新后的控制指令或控制数据实时的通信至RIOM及其他网络节点。

对机车的关键控制输出信号，如空气制动压缩机控制指令、受电弓控制指令、主断路器控制指令等，RIOM的互为冗余的两路控制通道依次间隔0.5秒动作，对执行部件进行驱动，以减少浪涌电流对RIOM电源板、控制执行部件的冲击。

Claims (10)

1.一种高冗余性机车网络控制系统，包括两台VCU，两台或多台RIOM；其特征在于，两台VCU分别布置在两块背部母板上，单块背部母板上集成两块电源板。

2.根据权利要求1所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，外部供电使用两个空气断路器分别对单块背部母板上的两块电源板进行供电。

3.根据权利要求1所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，每台RIOM上集成1#和2#两块电源板。

4.根据权利要求3所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，外部供电使用两个空气断路器分别对每台RIOM上的两块电源板进行供电。

5.根据权利要求3或4所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，每台RIOM有多个数字量输入板和多个数字量输出板，多个数字量输入板中有1#电源板单独供电的，也有2#电源板卡单独供电的；多个数字量输出板有1#电源板单独供电的，也有2#电源板单独供电的；对机车的关键数字量输入信号，应将机车的关键数字量输入信号及其冗余信号分别接入RIOM由1#电源板供电的数字量输入板和2#电源板供电的数字量输入板；对机车的关键输出信号，应将机车的关键输出信号及其冗余指令分别由1#电源板供电的数字量输出板控制和2#电源板供电的数字量输出板控制。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，两台VCU通过当前日期的奇偶性进行主、从配置，主VCU执行整车的控制及网络递信功能；从VCU通过主VCU与从VCU间的通信监视主VCU发送的主从配置信息及主VCU的心跳信号；主VCU内部故障时，将释放其主控制权，原从VCU竞争为主控制权，原主VCU将处于静默状态，不再竞争主控制权；从VCU监测到主VCU心跳信号异常时，将直接获取主控制权，原主VCU不再竞争主控制权。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，对RIOM上的冗余采集信号，先根据RIOM的上电自检的结果确定要使用的采集通道（每个数字量输入板有多个采集通道），当冗余采集通道均异常，RIOM向VCU发出故障信号（VCU进行故障报警）；当一个冗余采集通道正常时，VCU通过该正常的采集通道采集信号；当冗余采集通道均正常时，VCU先判断采集信号是否为关键数字量输入信号，如果是关键数字量输入信号，将冗余通道信号进行逻辑同或运算，以判断两冗余通道信号是否相同，如果相同则将该相同的冗余通道信号作为VCU后续的运算信号，如果不相同，则VCU发出报警信号，此时需待机车停止运行后，将RIOM重新上电自检，如果不是关键数字量输入信号，VCU将冗余通道信号进行逻辑或运算，以判断两冗余通道信号的变化状态，对非关键的常闭型开关，RIOM的采集信号由true变为false时，VCU认为该开关状态发生变化；对非关键的常开型开关，RIOM的采集信号由false变为true时，VCU认为该开关状态发生变化。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，对机车的关键控制输出信号， RIOM的互为冗余的两路控制通道依次间隔0.5秒动作，对执行部件进行驱动。

9.根据权利要求6所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，对机车的关键控制输出信号， RIOM的互为冗余的两路控制通道依次间隔0.5秒动作，对执行部件进行驱动。

10.根据权利要求7所述的高冗余性机车网络控制系统，其特征在于，对机车的关键控制输出信号， RIOM的互为冗余的两路控制通道依次间隔0.5秒动作，对执行部件进行驱动。