CN111098888A - 车辆级控制网络、列车车厢、列车级控制网络和列车 - Google Patents

车辆级控制网络、列车车厢、列车级控制网络和列车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种列车级控制网络，列车级控制网络包括第一列车控制网络和第二列车控制网络，第一列车控制网络向各个车厢的第一交换节点设备传输用于控制各个车载控制子系统的实时的控制信息；第二列车控制网络向各个车厢的第二交换节点设备传输控制信息并且从各个第二交换节点设备接收各个车载媒体信息采集子系统的非实时的媒体信息；第一列车控制网络和第二列车控制网络构成为两个分离的以太网环网。本发明的列车控制网络具备多网融合功能，同时设计了多项冗余措施，比较其他以太网网络，可靠性得到大幅提升。此外本发明还提供相应的车辆级控制网络、车厢和列车。

Description

车辆级控制网络、列车车厢、列车级控制网络和列车
技术领域
本发明涉及一种网络架构，具体的说，涉及一种适用于列车的控制网络架构。
背景技术
列车中布设有多种传感器，智能化电子设备，所有设备间的数据通过列车网络收集，传递给列车控制系统(列车主控模块)进行处理，列车网络控制系统是高速列车、机车、客车、城市轨道交通车辆核心系统之一，被称为列车的“大脑”，其主要功能是实现整车的控制、状态监视、故障诊断和监视，再把处理完的控制指令通过列车网络传输到各个智能化设备，执行相应操作，诸如电机给定牵引力，制动给定制动力等等。
网络架构设计是列车网络控制的实现基础，决定着列车网络的拓扑结构、设备组成及各设备的功能定义与性能要求。现有的列车通信网络架构通常采用计算机控制、计算机网络、通信以及信息处理技术与列车级网元、车辆级网元以及其它列车设备相连，完成对列车运行的控制、监视和诊断的任务，现有列车控制网络的通信网络架构全部采用窄带宽总线，缺点是带宽低，很难承载大信息量的诊断，更无法控制和信息服务的一体化业务。
发明内容
本发明提供一种新的适用于列车控制网络的网络结构，同时具备多网融合及多种冗余控制方式。
本发明第一方面涉及一种用于列车车厢的车辆级控制网络，包括：车载控制子系统、车载媒体信息采集子系统、第一交换节点设备和第二交换节点设备；第一交换节点设备与第二交换节点设备分别与车载控制子系统建立通信连接，用于通过通信连接向车载控制子系统传送实时的控制信息，第二交换节点设备还用于从车载媒体信息采集子系统接收非实时的媒体信息。
优选地，第一交换节点设备和第二交换节点设备向车载控制子系统同步地传递相同的控制信息。
优选地，车载控制子系统在能够从第一交换节点设备正常接收控制信息时仅采用第一交换节点设备的控制信息。
优选地，第一交换节点设备与第二交换节点设备中的一个交换节点设备经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自车载控制子系统的状态信息，第一交换节点设备与第二交换节点设备中的另一个交换节点设备经由独立模块形式的IO端口接收来自车载控制子系统的状态信息。
本发明第二方面涉及一种列车车厢，该列车车厢具有本发明第一方面的车辆级控制网络。
本发明第三方面涉及一种用于列车的列车级控制网络，列车具有N个车厢，其中N为正整数，并且在至少一个车厢中具有列车中心控制单元，N个车厢中的每一个车厢分别具有车载控制子系统、车载媒体信息采集子系统、第一交换节点设备和第二交换节点设备；列车级控制网络包括：第一列车控制网络，列车中心控制单元通过第一列车控制网络连接N个列车车厢的N个第一交换节点设备，以向N个第一交换节点设备发送用于控制车载控制子系统的实时的控制信息；以及第二列车控制网络，列车中心控制单元通过第二列车控制网络连接N个列车车厢的N个第二交换节点设备，以向N个第二交换节点设备发送控制信息并且从N个第二交换节点设备接收N个车载媒体信息采集子系统的非实时的媒体信息；并且第一列车控制网络和第二列车控制网络构成为两个分离的以太网环网。
优选地，列车中心控制单元向每一个车厢内的第一交换节点设备和第二交换节点设备同步地传递相同的控制信息。
优选地，车载控制子系统在能够从第一交换节点设备正常接收控制信息时仅采用第一交换节点设备的控制信息。
优选地，每一个车厢的第一交换节点设备与第二交换节点设备中的一个交换节点设备经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自车载控制子系统的状态信息并转发至列车中心控制单元，第一交换节点设备与第二交换节点设备中的另一个交换节点设备经由独立模块形式的IO端口接收来自车载控制子系统的状态信息并转发至列车中心控制单元；并且列车中心控制单元能够选择性地采信第一交换节点设备转发的状态信息或第二交换节点设备转发的状态信息。
本发明第四方面涉及一种列车，该列车具有本发明第三方面的列车级控制网络。本发明的列车控制网络采用列车实时以太网，具备高带宽，低时延等多种特性。本发明的列车控制网络具备多网融合功能，同时设计了多项冗余措施，比较其他以太网网络，可靠性得到大幅提升。
附图说明
本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
图1示出本发明第一方面的车辆级控制网络CN和本发明第二方面的列车车厢。
图2示出本发明第三方面的列车级控制网络TN和本发明第四方面的列车。
具体实施方式
以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
图1示出本发明第一方面的用于列车车厢10的车辆级控制网络CN，包括：车载控制子系统CS、车载媒体信息采集子系统MS、第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2。
车载控制子系统CS具体可为列车中与控制功能有关的各个子系统，例如制动控制单元(EBCU)、信号控制单元(ATC)、牵引控制单元(TCU)、空调单元HVAC、车门控制单元EDCU等。各个车载控制子系统CS需要根据列车中心控制单元(主控模块)发出的控制指令，控制相关子系统的动作。控制指令的数据总量不大，但传输时延实时性要求高，对于整个车辆系统而言，最终数据处理时延需控制在10ms以内。
车载媒体信息采集子系统MS例如为列车环视系统、事件数据记录仪(EDRM)、乘客信息系统(PIS)、司法记录系统(EOAS)、ADAS各种类型传感器(摄像头、激光雷达)等，这些系统的信息数据以图像视频为主；与控制指令数据相比，数据量巨大，但数据传输的实时性要求较低。
对于每一个车载控制子系统CS，第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2分别与车载控制子系统CS建立通信连接，并且第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2向车载控制子系统CS同步地传递相同的实时的控制信息。
第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2既可以与车载控制子系统CS直接地建立连接，也可以通过其它中转设备与车载控制子系统CS建立连接。无论采用何种通信方式，第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2均能够实现互为冗余地向同一个车载控制子系统CS传递相同的控制信息，这样即使一个以太网交换机故障、或者一个以太网交换机与车载控制子系统CS之间的通信连接故障，车载控制子系统CS都能够接收到控制信息，从而保证列车的安全运行。
除此之外，第二以太网交换机ECNN2还用于从车载媒体信息采集子系统MS接收非实时的媒体信息。此处媒体信息指的是除了上述控制信息之外的、不用于列车控制的信息数据，诸如列车环视系统的视频数据，PIS系统视频数据，列车维保信息，ADAS各种类型传感器(摄像头，激光雷达)数据。媒体信息数据量大，实时性要求不敏感。
优选地，车载控制子系统CS在能够从第一以太网交换机ECNN1正常接收控制信息时仅采用第一以太网交换机ECNN1的控制信息。
如上所述，第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2均能够实现互为冗余地向同一个车载控制子系统CS传递相同的控制信息，对于每一个车载控制子系统CS来说，其同时通过与第一以太网交换机ECNN1通信的第一网络端口和与第二以太网交换机ECNN2通信的第二网络端口进行接收控制信息，第一网络端口和第二网络端口具备独立的IP地址，但车载控制子系统CS优先信任来自第一网络端口的控制数据。当检测到第一网络端口的数据失效时，自动切换到信任来自第二网络端口的控制数据。
优选地，第一以太网交换机ECNN1经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息，第二以太网交换机ECNN2经由独立模块形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息；或者相反地，第二以太网交换机ECNN2经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息，第一以太网交换机ECNN1经由独立模块形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息。这是由于与控制相关的IO信号为关键IO，设计了机箱板卡和独立IO模块两套IO通道，依据可用性优先原则，列车中心控制单元能够对两路冗余的IO进行信息选择。
第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2是本发明第一节点交换设备的示例，本发明还可以采用其它用于在不同网络之间进行数据包转发的设备作为本发明的节点交换设备。此处示例性地示出车辆级控制网络CN具有两个节点交换设备，本发明还可以包括更多数量的节点交换设备，每个节点交换设备分别与车载控制子系统CS建立通信连接，以形成多链路通信冗余。
本发明第二方面涉及一种列车车厢10，该列车车厢10具有本发明第一方面的车辆级控制网络CN，包括：车载控制子系统CS、车载媒体信息采集子系统MS、第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2，在此不再赘述。
如图2所示，本发明第三方面涉及一种用于列车1的列车级控制网络TN，列车1示例性地具有3个车厢，列车1也可以具有更多个车厢，并且在至少一个车厢中具有列车中心控制单元101。3个车厢中的每一个车厢分别具有车载控制子系统CS、车载媒体信息采集子系统MS、第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2。
列车中心控制单元101通过收集各车载控制子系统CS、车载媒体信息采集子系统MS的信息，并将处理后的控制指令信息发送给车载控制子系统CS执行。
车载控制子系统CS具体可为列车中与控制功能有关的各个子系统，例如制动控制单元(EBCU)、信号控制单元(ATC)、牵引控制单元(TCU)、空调单元HVAC、车门控制单元EDCU等。各个车载控制子系统CS需要根据列车中心控制单元(主控模块)发出的控制指令，控制相关子系统的动作。
车载媒体信息采集子系统MS例如为列车环视系统、事件数据记录仪(EDRM)、乘客信息系统(PIS)、司法记录系统(EOAS)、ADAS各种类型传感器(摄像头、激光雷达)等，这些系统的信息数据以图像视频为主；与控制指令数据相比，数据量巨大，但数据传输的实时性要求较低。
列车级控制网络TN示例性地包括第一列车控制网络ETH1以及第二列车控制网络ETH2。列车中心控制单元101通过第一列车控制网络ETH1连接3个列车车厢10的3个第一以太网交换机ECNN1，以向3个第一以太网交换机ECNN1发送用于控制车载控制子系统CS的实时的控制信息；并且列车中心控制单元101通过第二列车控制网络ETH2连接3个列车车厢10的3个第二以太网交换机ECNN2，以向3个第二以太网交换机ECNN2发送控制信息并且从3个第二以太网交换机ECNN2接收3个车载媒体信息采集子系统MS的非实时的媒体信息；第一列车控制网络ETH1和第二列车控制网络ETH2构成为两个分离的以太网环网。
列车级控制网络TN的网络交换设备(即此处的以太网交换机)支持多条列车级网络总线级联技术和端口聚合机制，以便列车级控制网络具有更高的传输带宽和较高的可靠性，当级联的某条成员链路断开时，列车级网络上的列车级网络交换设备自动将此链路上的数据分配到级联的其它链路上，当断开的链路重新连接上时将恢复原先的负载分配；列车级网络的列车级网络交换设备在掉电或故障时应可保持列车级总线的贯通。
此外，列车中心控制单元101向每一个车厢内的第一以太网交换机ECNN1和第二以太网交换机ECNN2同步地传递相同的控制信息，相应地，第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2均能够实现互为冗余地向同一个车载控制子系统CS传递相同的控制信息，对于每一个车载控制子系统CS来说，其同时通过与第一以太网交换机ECNN1通信的第一网络端口和与第二以太网交换机ECNN2通信的第二网络端口进行接收控制信息，第一网络端口和第二网络端口具备独立的IP地址。
首先，由于第一列车控制网络ETH1和第二列车控制网络ETH2各自均为以太网环网。对于第一列车控制网络ETH1和第二列车控制网络ETH2中的每一个列车控制网络来说，当该列车控制网络中两个相邻交换机之间的线路中断时，能够自动检测出线路的中断，列车网络重新建立网络通讯连接，实现整车通讯。
相应地，第一列车控制网络ETH1和第二列车控制网络ETH2整体形成双环网结构，并且每个列车网络分别能够单独地作为控制网络，从控制网络的层面来看，第一列车网络和第二列车网络形成相互冗余的列车控制网络。因此，当一个列车控制网络的通讯失效时，车载控制子系统能够CS切换至信任另一个列车控制网络所传输的控制数据，提高列车运营的可靠性
此外，第一列车控制网络ETH1仅用作控制网络。控制网络主要用于列车控制数据的传输，即列车中心控制单元通过控制网络收集接入列车控制网络的各部件的信息，并将处理后的控制指令信息发送给各部件执行。诸如进行列车电机牵引控制，制动控制，车门开关，显示器信息提示，整车状态故障诊断及保护等等，控制数据数据总量不大，但传输时延实时性要求高，对于整个车辆系统而言，最终数据处理时延需控制在10ms以内。
第二列车控制网络ETH2一方面用作与第一列车控制网络ETH1互为冗余的控制网络，另一方面还用于传输媒体数据，即成为“控制数据+媒体数据”的信息融合环网。作为第二列车控制网络ETH2的信息融合环网上除了传输与作为控制网络的第一列车控制网络ETH1上完全一样的控制数据外，其他不用于列车控制的信息数据通过信息融合环网传输，诸如列车环视系统数据、列车维保信息、事件数据记录仪(EDRM)的视频数据、乘客信息系统(PIS)的视频数据、司法记录系统(EOAS)的视频数据、ADAS各种类型传感器(摄像头、激光雷达)数据等，信息数据量大，实时性要求不敏感，不同信息数据和备份的控制数据在信息融合环网根据实际应用场景定义Qos等级。
为保障控制信息的准确、可靠性，车载控制子系统CS优先信任来自第一网络端口的控制信息，即，优先采用仅用作控制网络的第一列车控制网络ETH1传输的控制数据，而当检测到第一网络端口的数据失效时，自动切换到信任来自第二网络端口的控制数据，即通过作为信息融合环网的第二列车控制网络ETH2传输的控制数据。
优选地，每一个车厢的第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2中的一个以太网交换机经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息并转发至列车中心控制单元101，第一以太网交换机ECNN1与第二以太网交换机ECNN2中的另一个以太网交换机经由独立模块形式的IO端口接收来自车载控制子系统CS的状态信息并转发至列车中心控制单元101；并且列车中心控制单元101能够选择性地采信第一以太网交换机ECNN1转发的状态信息或第二以太网交换机ECNN2转发的状态信息。
由于与控制相关的IO信号为关键IO，因此设计了机箱板卡和独立IO模块两套IO通道，依据可用性优先原则，列车中心控制单元能够对两路冗余的IO进行信息选择。
本发明第四方面涉及一种列车1，该列车1具有本发明第三方面的列车级控制网络TN，在此不再赘述。
列车，即成列的车组，包括铁路(有轨)列车和公路(无轨)列车。铁路(有轨)列车包括通常意义上的火车、分散动力式动车组列车、磁悬浮列车等。公路(无轨)列车包括组列式汽车、汽车组列、汽车列车、公路车组体、台车、智能轨道列车等。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于列车车厢的车辆级控制网络，包括：车载控制子系统、车载媒体信息采集子系统、第一交换节点设备和第二交换节点设备；
所述第一交换节点设备与第二交换节点设备分别与所述车载控制子系统建立通信连接，用于通过所述通信连接向所述车载控制子系统传送实时的控制信息，
所述第二交换节点设备还用于从所述车载媒体信息采集子系统接收非实时的媒体信息。
2.根据权利要求1所述的车辆级控制网络，其特征在于：
所述第一交换节点设备和所述第二交换节点设备向所述车载控制子系统同步地传递相同的控制信息。
3.根据权利要求2所述的车辆级控制网络，其特征在于：
所述车载控制子系统在能够从所述第一交换节点设备正常接收控制信息时仅采用所述第一交换节点设备的控制信息。
4.根据权利要求1所述的车辆级控制网络，其特征在于：
所述第一交换节点设备与所述第二交换节点设备中的一个交换节点设备经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自所述车载控制子系统的状态信息，所述第一交换节点设备与所述第二交换节点设备中的另一个交换节点设备经由独立模块形式的IO端口接收来自所述车载控制子系统的状态信息。
5.一种列车车厢，其特征在于，具有权利要求1-4任一所述的车辆级控制网络。
6.一种用于列车的列车级控制网络，所述列车具有N个车厢，其中N为正整数，并且在至少一个车厢中具有列车中心控制单元，所述N个车厢中的每一个车厢分别具有车载控制子系统、车载媒体信息采集子系统、第一交换节点设备和第二交换节点设备，
其特征在于，所述列车级控制网络包括：
第一列车控制网络，所述列车中心控制单元通过所述第一列车控制网络连接所述N个列车车厢的N个第一交换节点设备，以向所述N个第一交换节点设备发送用于控制所述车载控制子系统的实时的控制信息；以及
第二列车控制网络，所述列车中心控制单元通过所述第二列车控制网络连接所述N个列车车厢的N个第二交换节点设备，以向所述N个第二交换节点设备发送所述控制信息并且从所述N个第二交换节点设备接收所述N个车载媒体信息采集子系统的非实时的媒体信息；并且
所述第一列车控制网络和所述第二列车控制网络构成为两个分离的以太网环网。
7.根据权利要求6所述的列车级控制网络，其特征在于：
所述列车中心控制单元向每一个车厢内的第一交换节点设备和第二交换节点设备同步地传递相同的控制信息。
8.根据权利要求7所述的列车级控制网络，其特征在于：
所述车载控制子系统在能够从所述第一交换节点设备正常接收控制信息时仅采用所述第一交换节点设备的控制信息。
9.根据权利要求6所述的列车级控制网络，其特征在于：
每一个车厢的第一交换节点设备与第二交换节点设备中的一个交换节点设备经由采用机箱板卡形式的IO端口接收来自所述车载控制子系统的状态信息并转发至所述列车中心控制单元，所述第一交换节点设备与所述第二交换节点设备中的另一个交换节点设备经由独立模块形式的IO端口接收来自所述车载控制子系统的状态信息并转发至所述列车中心控制单元；并且
所述列车中心控制单元能够选择性地采信所述第一交换节点设备转发的状态信息或所述第二交换节点设备转发的状态信息。
10.一种列车，其特征在于，具有权利要求6-9任一所述的列车级控制网络。
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