CN111181829A - 列车以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种列车以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法，该列车以太网数据传输设备包括：多个列车级交换机、与列车级交换机连接的车辆级交换机，分别与列车级交换机和车辆级交换机连接的以太网网关，和分别与车辆级交换机连接的通信子系统；各个列车级交换机依次设置在对应的列车级通信总线上；各个车辆级交互机依次设置在对应的车辆级通信总线上；以太网网关用于接收对应的各个车辆级交换机的所有通信子系统发送的报文和对应的列车级交换机发送的列车编组信息；以太网网关还用于将报文和列车编组信息发送至各个以太网网关对应的通信子系统，以实现列车内部数据传输。本申请能够提高列车数据传输的高效性和可靠性。
Description
技术领域
本申请涉及以太网技术领域，尤其涉及一种列车以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法。
背景技术
随着列车开行速度的不断提升，列车网络控制系统也面临技术更新与发展。现有成熟应用的列车网络控制系统是基于WTB(列车级)/MVB(车辆级)总线进行数据传输，该项技术是基于RS485的工业控制总线结合铁路场景应用而形成的专用通信技术。
如图1所示，现有的TCN网络拓扑分为列车级和车辆级两层拓扑，列车级WTB为直线连接，车辆级总线MVB为串行连接。因为车辆级总线是按牵引单元断开的，不同单元间车辆级总线的数据需要列车级网关的数据中转才能实现全列车数据的传输。在列车中，按牵引单元的数量配置WTB网关，WTB网关的主要功能是负责列车级与车辆级之间的数据分发，现有的WTB网关的最大带宽为1Mbps，带宽无法继续提升，MVB总线内部因串联结构长度和节点数受限，通信端口最多为4096个。
由此可知，现有的TCN网络(WTB/MVB列车总线)，基于串行总线，传输速率小于1.5Mbps，同时存在总线控制器需在网络中配置通信节点，且单节点故障对整个网络组网存在干扰影响，在列车网络承载能力、工程便利性和抗干扰性等方面存在诸多限制。
发明内容
针对现有技术中的问题，本申请提出了一种以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法，能够提高列车数据传输的高效性和可靠性，进而提高列车运行控制的高效性。
为了解决上述技术问题，本申请提供以下技术方案：
第一方面，本申请提供一种列车以太网数据传输设备，包括：
多个列车级交换机、与该列车级交换机连接的车辆级交换机，分别与该列车级交换机和车辆级交换机连接的以太网网关，和分别与所述车辆级交换机连接的通信子系统；
各个所述列车级交换机依次设置在对应的列车级通信总线上；
各个所述车辆级交互机依次设置在对应的车辆级通信总线上；
所述以太网网关用于接收对应的各个所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息；
所述以太网网关还用于将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关对应的通信子系统，以实现列车内部数据传输。
进一步地，所述以太网网关包括：CPU卡板、列车级以太网接口和车辆级以太网接口；所述CPU卡板分别与所述列车级以太网接口和车辆级以太网接口通信连接；所述列车级以太网接口与所述列车级交换机通信连接；所述车辆级以太网接口与所述车辆级交换机通信连接。
进一步地，所述车辆级交换机与所述通信子系统之间以星形拓扑结构进行连接。
进一步地，所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部。
进一步地，所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部。
第二方面，本申请提供一种列车以太网数据传输方法，应用所述的列车以太网数据传输设备实现，该方法包括：
目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息；
若所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关；
各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机；
所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
进一步地，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：若所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述列车级交换机；所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各个所述列车级交换机；各个所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述以太网网关；各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机；所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
进一步地，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：所述目标以太网网关根据所述列车编组信息生成对应的列车识别号，并发送至各个所述以太网网关；各个所述以太网网关将所述列车识别号发送至各自对应的所述车辆级交换机，以使所述车辆交换机将所述列车识别号发送至对应的所述通信子系统。
进一步地，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：所述目标以太网网关根据所述列车编组信息判断目标列车的配置状态为是否为异常列车配置，若是，则输出显示异常列车信息。
进一步地，所述列车编组信息包括：编组数量、列车编组编号、车辆单元位置、列车重联信号和列车头请求信号。
由上述技术方案可知，本申请实施例提供一种以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法，其中，该列车以太网数据传输设备包括：多个列车级交换机、与该列车级交换机连接的车辆级交换机，分别与该列车级交换机和车辆级交换机连接的以太网网关，与分别所述车辆级交换机连接的通信子系统；各个所述列车级交换机依次设置在对应的列车级通信总线上；各个所述车辆级交互机依次设置在对应的车辆级通信总线上；所述以太网网关用于接收各个所述车辆级交换机对应的所有通信子系统发送的报文，并发送至所述车辆级交换机对应的列车级交换机；所述以太网网关还用于将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关对应的通信子系统，以实现列车内部数据传输；能够提高列车数据传输的高效性和可靠性，进而提高列车运行控制的高效性；实现车辆级数据传输在拓扑变化时的统一性，提高数据传输的抗干扰，以太网网关在车辆级与子系统之间为星形拓扑结构，节点在故障的时刻，不会影响全网。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，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为现有技术中列车TCN网络拓扑结构示意图；
图2为本申请实施例提供的列车以太网网络拓扑的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的以太网数据传输设备的结构示意图；
图4为本申请又一实施例提供的以太网数据传输设备的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的以太网数据传输方法的流程示意图；
图6为本申请具体应用实例提供的以太网网关与列车级交换机的关系示意图；
图7为本申请具体应用实例提供的以太网网关与车辆级交换机的关系示意图；
图8为本申请实施例提供的列车以太网网关数据传输的逻辑关系图；
图9为本申请具体应用实例提供的两列重联列车连接关系图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为了便于理解本申请提供的技术方案，下面先对本申请技术方案的研究背景进行简单解释说明。列车牵引单元：在动车组或列车机车中，提供牵引动力的列车结构，一般列车的车载装备配置以牵引单元为复用单位，多个牵引单元组成一整列动车组或机车车组。列车编组：指由列车车辆形成的整列车，一般动车组为8辆编组，指由8辆车辆组成的列车。列车重联编组：指由两个及以上列车编组经过列车车钩连接形成的整体。重联：指列车编组之间相连的关系。解编：列车重联编组互相断开连接，形成更短的列车编组，断开行为称之为解编。
参见图2和图3，为了提高提高列车数据传输的高效性和可靠性，进而提高列车运行控制的高效性，本申请提供一种以太网数据传输设备的实施例，该实施例具体包含有：
多个列车级交换机、与该列车级交换机连接的车辆级交换机，分别与该列车级交换机和车辆级交换机连接的以太网网关，和分别与所述车辆级交换机连接的通信子系统。各个所述列车级交换机依次设置在对应的列车级通信总线上。具体地，所述车辆级交换机所在的列车级网络为线性拓扑，所述以太网网关通过设置冗余，能够增加数据传输的可靠性。各个所述车辆级交互机依次设置在对应的车辆级通信总线上；具体地，所述车辆级交换机所在的车辆级网络为星形拓扑结构，各通信子系统之间并行连接，能够提高数据传输的安全性，避免由于某一通信子系统故障导致的整个网络通信。
具体地，所述通信子系统为列车网络内部通信节点，例如牵引系统、制动系统、轴温系统、车门控制系统和空调系统等。所述以太网网关的通信能力强，能够达到100Mbps或更高，实际取决于交换机的传输能力。具体地，所述以太网网关的通信方式可支持单播、组播、广播通信方式。以太网网关支持外部监控功能，设置为与子系统的数据交互使用组播功能可支持。以太网网关具备日志记录功能，可记录通信状态；以太网网关支持标准校验时间NTP协议及定制协议。以太网网关为工业CPU构成的CPU板卡。硬件部署位置可位于列车级交换机中整合或以单独硬件板卡的形式放置于车辆级网络中。
所述以太网网关用于接收目标重组列车对应的列车级交换机采集的车辆级子系统报文；所述以太网网关还用于将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关对应的通信子系统，以实现列车内部数据传输。
具体地，列车级网络：指由列车级以太网交换机组网形成的线形网络，贯穿一个或多个牵引单元，在列车重联或解编时，拓扑长度和交换机节点发生相应变化。
车辆级网络：指由车辆级交换机、子系统组成的整体(包括与列车级的通信线路)，跨车之间由车辆级交换机组网形成，可为线形或环形拓扑结构，子系统与车辆级交换机构成星形拓扑结构。
在本申请一个实施例中，为了进一步提高列车数据传输的高效性和可靠性，进而提高列车运行控制的高效性，所述以太网网关包括：CPU卡板、列车级以太网接口和车辆级以太网接口；所述CPU卡板分别与所述列车级以太网接口和车辆级以太网接口通信连接；所述列车级以太网接口与所述列车级交换机通信连接；所述车辆级以太网接口与所述车辆级交换机通信连接。
具体地，所述列车级以太网接口和车辆级以太网接口的可以是M12-D或RJ45接口。
在本申请一个实施例中，所述以太网网关设有冗余，网关间通过周期性生命信号互相校验工作状态。
在本申请一个实施例中，所述车辆级交换机与通信子系统之间以星形拓扑结构进行连接，用以降低列车以太网数据传输的稳定性，避免由于一通信子系统故障，影响其它通信子系统故障。
参见图3，在本申请一个实施例中，所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部。
具体地，所述列车级交换机即列车级以太网交换机，具体地，所述列车级交换机为依据IEC61375-2-5、IEC61375-2-3开发的具有列车拓扑发现功能的ETBN(Ethernet TrainBackbone Node)交换机，可在列车编组重联或解编时动态形成新的列车级拓扑结构，在列车级网络中工作于线形拓扑结构，列车级交换机具有列车级网络接口和车辆级网络接口，列车级交换机还可以具备路由功能。
参见图4，在本申请一个实施例中，所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部。
具体地，所述以太网网关设置在车辆级网络中，与所述车辆级交换机通信子系统分别连接至对应的车辆级交换机，所述车辆级交换机即车辆级以太网交换机，车辆级以太网交换机为依据IEC61375-3-4开发的以太网交换机，可为管理型和非管理型交换机，交换机各项电气性能符合GB/T 25119规定，主要用于各子系统接入以太网，与子系统之间构成星形拓扑结构，车辆级交换机之间还可以为线形、环形拓扑，连接拓扑多样。
由此可知，列车以太网网关可以是两种形态中的一种，第一种为与列车级交换机整合方式，第二种为在搭载于车辆级设备中，可根据应用需要灵活配置于列车级以太网网络或车辆级以太网网络中。
在本申请一个实施例中，还提供一种网络控制系统：列车网络控制系统包括列车以太网网关、列车级交换机、车辆级交换机、中央控制单元、输入输出模块、显示屏和远程无线传输装置等。网络控制系统是整个列车的控制核心，负责发送、接收和处理列车控制信号，完成整车运行的控制。
参见图5，为了进一步提高列车数据传输的高效性和可靠性，进而提高列车运行控制的高效性，本申请还提供一种执行主体为所述以太网网关的列车以太网数据传输方法，应用所述的列车以太网数据传输设备实现，该方法包含有：
步骤100：目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息。
具体地，所述列车编组信息包括：编组数量、列车编组编号、车辆单元位置、列车重联信号和列车头请求信号。所述目标以太网网关分别与所述车辆级交换机和列车级交换机通信连接。
所述通信子系统包含有列车网络内部的各通信节点，例如，牵引系统、制动系统、轴温系统、车门控制系统和空调系统等。
步骤200：若所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关。
具体地，所述目标以太网网关将所述报文进行映射打包后发送至各个所述以太网网关。
步骤300：各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机。
具体地，各个所述以太网网关包含有所述目标以太网网关和所述列车以太网数据传输设备中目标以太网网关之外的各个以太网网关。各个所述以太网网关将所述目标以太网网关发送的报文解包并重新打包后发送至各自对应的所述车辆级交换机。
步骤400：所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
具体地，所述车辆级交换机为各个所述以太网网关各自对应的所述车辆级交换机。通过上述内容能够实现列车内部数据传输，特别是所述通信子系统数据的跨列车牵引单元的传输。
为了实现列车级交换机和以太网网关的统一配置以及提高数据传输的高效性和可靠性，在本申请一个实施例中，在步骤100之后，还包含有：
步骤101：若所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述列车级交换机。
具体地，所述目标以太网网关将所述报文进行映射打包后发送至对应的所述列车级交换机。
步骤102：所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各个所述列车级交换机。
步骤103：各个所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述以太网网关。
步骤104：各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机。
具体地，各个所述以太网网关将所述列车级交换机发送的报文解包并重新打包后发送至各自对应的所述车辆级交换机。
步骤105：所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
为了提高识别故障车辆的准确性，进而提高列车数据传输的可靠性和准确性，在本申请一个实施例中，在步骤100之后，还包含有：
步骤111：所述目标以太网网关根据所述列车编组信息生成对应的列车识别号，并发送至各个所述以太网网关。
步骤113：各个所述以太网网关将所述列车识别号发送至各自对应的所述车辆级交换机，以使所述车辆交换机将所述列车识别号发送至对应的所述通信子系统。
具体地，所述列车识别号包含有各车辆级交换机对应的车辆标识号，以太网网关根据编组信息形成车辆标识号的表达方式为[列车编组编号，车辆单元位置，列车重联信号]，所述列车编组编号、车辆单元位置和列车重联信号可预先存储在车辆级交换机中，根据所述列车标识号能够确认发送所述报文的位置。
为了进一步提高识别故障车辆的准确性，在本申请一个实施例中，在步骤100之后，还包含有：
步骤121：所述目标以太网网关根据所述列车编组信息判断目标列车的配置状态为是否为异常列车配置，若是，则输出显示异常列车信息。
具体地，所述以太网网关的可在列车级和车辆级发送周期性控制数据，可根据实际项目需要进行调整。
列车以太网网关包含两种形态，第一种为与列车级交换机整合方式，第二种为在搭载于车辆级设备中，实际使用中，可根据应用需要灵活配置于列车级以太网网络或车辆级以太网网络，为了进一步提高列车数据传输的高效性，本申请提供一种列车以太网数据传输设备、列车级网关功能模块和列车以太网数据传输方法的具体应用实例，具体包含有如下内容：
(一)列车以太网数据传输设备的具体应用实例
在本应用实例中，在列车级网络拓扑的结构保持与原有TCN部署的WTB总线一致，为线形拓扑，采用双线冗余结构。在车辆级拓扑中，接入的子系统不再使用串行连接方式，使用星形拓扑结构相连。
根据表1可知，本申请中的列车以太网数据传输方式与现有的TCN网络(WTB/MVB列车总线)进行列车控制数据传输方式具有明显的优势。
表1
应用以太网后能够形成新的通信方式，可根据列车以太网网关的通信方式实现跨牵引单元的数据传输，保证列车控制数据的实时更新。另外，列车在空间上沿铁路线前进，车辆之间为线形结构，以太网网关设置在两级分层拓扑结构中，符合数据传输需求。
具体地，列车以太网网关在车辆级交换机及其子系统进行数据交互，子系统不需要关心外部列车重联状态(以8辆编组列车为例，两列车重联后为16辆车组成的新编组)，以太网网关根据列车级拓扑变化动态调整列车级数据的传送，能够减少子系统的开发难度，并形成统一的列车级数据传输接口。列车以太网网关相较于原WTB网关，数据传输能力大大增强，能够增强数据的刷新能力。以太网物理信号为差分信号，同时具备链路自适应功能，抗干扰能力增强。列车以太网统一使用M12-D圆形连接接口，比原有MVB连接接口IP防护等级提升。列车以太网网关还能够部署信息安全防护功能，原有技术体系无法部署安全防护功能。以太网网关在车辆级与子系统之间为星形拓扑结构，节点在故障的时刻，不会影响全网通信。
(二)列车级网关功能模块的具体应用实例
在本应用实例中，列车以太网网关是作为列车级以太网交换机ETBN内部软件的一个子功能模块实现的。基于工业Linux系统开发，采用C语言编写，其顶层设计的软件架构如图6和图7所示，整个列车级网关的实现分为6个功能模块：主进程为顶层调度模块、日志服务接口模块、列车级交换机组网接口模块、应用初运行模块、列车级过程数据分组交换模块和车辆级过程分组交换模块，具体描述如下：
主进程为顶层调度模块，用于通过调用其余5个子模块的工作接口实现网关功能的整体调度。
日志服务接口模块，用于为列车以太网网关提供日志服务功能，主要用于记录网关的内部的关键状态和异常状态信息，以便在现场出现异常问题时，可以通过下载日志文件进行快速的问题定位。日志功能的实现采用环形双缓冲模式。在两个确定大小的文件上交替复写，以避免日志文件超出硬件设备的存储空间上限。
列车级交换机组网接口模块，用于接收列车级交换机形成的拓扑变化信息，若以太网网关采用与列车级交换机一体集成的方式，则通过处理器内部变量读取拓扑变化信息，若以太网网关采用车辆级独立模块方式，则通过接收协议报文获取拓扑变化信息。具体拓扑变化信息包含有：列车级拓扑信息(列车级交换机拓扑信息形成的CRC校验值etbtopocnt，列车级交换机控制拓扑信息形成的CRC校验值optrntopocnt，列车级交换机数量，本网关在列车拓扑中的位置序号，本网关在列车控制拓扑中位置序号)、方向信息和列车级网络线路连接状态信息。
应用初运行模块，用于依据列车级交换机组网接口模块反馈的拓扑变化信息识别列车的应用拓扑和获取列车序号，主要包括获取节点索引，节点识别和主控车识别三个步骤。
①节点索引序号取自列车级以太网交换机接口反馈的交换机序号，由列车级以太网交换机比较节点的UUID识别信息形成，UUID较小的值节点索引为1，然后依次加1。
②节点识别过程为从列车级以太网交换机导出的列车级交换机形成拓扑信息的关键信号：列车编组编号、列车单元位置、列车重联信号和列车头车请求信号。整个识别过程在节点索引计算完成后调用列车级过程数据分组交换模块以固定周期(根据控制需求灵活配置，最短20ms，实际应用中一般不超过1s)实时识别，识别结果可分为正常完整列车配置，正常不完整列车配置和异常列车配置。
以8辆编组2个牵引单元的重联列车为例，其中正常完整列车配置包括单列列车2个牵引单元运行配置和2列车4个牵引单元重联运行配置；正常不完整列车配置主要指单列或者重联列车组存在一个或者多个故障列车级以太网网关情况；异常列车配置状态工况主要包括：a)在具有4个单元的列车中，以太网网关配置的一个列车中列车编组数量大于4，不符合实际列车配置；b)应具有相同列车编组号的两个单元，编组号设置不同；c)列车单元位置配置重复；d)列车重联信号采集异常；一旦识别结果为正常完整列车配置状态和正常不完整列车配置状态，都会立即锁定当前的列车应用拓扑，然后进入主控车识别过程，对于正常不完整列车配置状态还会记录和导出相应缺失故障节点的位置信息。若识别结果为更新中或异常列车配置，识别过程会保持周期性持续识别，直到识别结果为正常列车配置状态为止，在这个过程中，车辆级过程数据分组交换模块负责的车辆级侧的报文转发功能处于关闭状态。
表2给出了两列重联状态几种识别结果的应用范例，其中每节点的应用拓扑信息的表示方式为[列车编组编号，列车单元位置，列车重联信号]，列车编组编号以0001与0002列为例，列车单元位置信号用1表示1车，2表示8车。列车重联信号用1表示重联，2表示非重联，列车重联信号取自列车本身，不依赖网络获取。故障节点的表示方法，Y表示正常，N表示故障。
表2
③在主控车识别阶段，列车级交换机保持周期性向以太网网关发送列车编组信息网络拓扑信息，列车级过程数据分组交换模块会一直周期性实时识别控车状态，识别结果分为3种情况：全列无主控(换端场景)，全列有主控投入，全列发现主控冲突。识别方法通过以太网网关遍历所有编组的列车级报文数据中的主控请求信号，并记录持带有主控请求的信号列车级以太网交换机节点索引号。如果所有编组数据没有主控请求信号，则认为当前列车无主控工况；如果所有编组数据发现2个或2个以上主控请求信号，则认为全列主控冲突；如果所有编组数据有且仅有1个主控请求信号，则认为全列有主控。
车辆级过程数据分组交换模块，用于在整个组网初运行过程中实时计算全列的牵引单元排序信息和列车命名符号表，该模块进程将列车级数据按定制的协议规则向车辆级一侧子系统进行转发。列车以太网网关将列车信息按牵引单元排序并根据列车级数据计算得出列车的那个端车是头车，并命名头车所在单元为1号牵引单元。列车以太网网关根据列车操作占用位置，计算不同位置单元的状态，并形成列车命名符号表，该表是存储列车命名符号和节点索引号的关系表。
以两列8辆编组列车重联为例，通常全列网络拓扑规划时，列车的控制数据会根据列车控制位置定义6个列车命名符号：主控牵引单元(MAS)，主控牵引单元的伙伴单元(MASP)，第一牵引单元(TU01)，第二牵引单元(TU02)，第三牵引单元(TU03)，第四牵引单元(TU04)。列车以太网网关实时计算这6个列车命名符号对应的节点索引号。
当全列无主控或者全列有主控冲突时，牵引单元排序的确认依据是索引地址为1的列车级以太网节点所在单元为牵引单元1，然后依次递增；当全列有主控时，确定牵引单元1的方法是就近主控单元所在的端车。以图9所示的两列重联列车的拓扑为例，表3给出了4种正常完整列车配置主控投入工况和2种正常不完整列车配置主控投入工况的列车命名符号表计算结果。其中x表示无效，指示相应牵引单元故障。
表3
实时数据发送/接收进程通信模块指列车以太网网关的底层通信采用基于IEC61375-2-3规定的TRDP通信协议，支持使用过程数据类型(Process Data)和消息数据类型(Message Data)进行数据交互，在列车级和车辆级可采用过程数据传输，保证数据的实时性。列车级以太网网关内涵独立的TRDP层通信模块，负责处理列车级侧和车辆级侧所有通信数据的初始化和数据接收与发送。对于过程数据的处理，内建定时器链表，在发送/接收列车控制所用的过程数据时TRDP层通信模块作为一个后台任务，以快速扫描的方式不停遍历待发布或接收的TRDP通信端口，来保证所有的待发送的不同周期的TRDP端口都能按照协议约定的周期准确实时的传输。对于过程数据的处理，内建数据缓冲区，对于消息进行出发时响应。
通信协议层设置用于解耦不同项目的列车级和车辆级传输协议和网关内部通用模块的关系。根据图6和图7所示的软件架构，除了通信协议层设置模块，其余所有模块的实现均是通用实现与实际项目个性化设计无关，这种设计实现了通用技术与个性化应用之间的切割，有助于标准化通信模块的质量提升和快速响应项目个性化定制需求。通信协议层设置模块定义了列车级和车辆级所有TRDP端口的配置信息，诸如comid(注：TRDP所定义的通信识别端口信息)，传输周期，数据大小等。此外，还定义了列车级和车辆级的所有信号的转发配置表和应用初运行所需要的信号协议信息，分别导出给列车级过程数据分组交换模块、车辆级过程数据分组交换模块和应用初运行模块。
对于列车级过程数据分组交换模块和车辆级过程数据分组交换，根据通信协议层设置模块导出的列车级侧和车辆级侧接收到的所有TRDP端口数据并结合应用初运行模块导出的列车命名符号表，分别进行过程数据发送和过程数据接收操作，最终将操作结果反馈给列车以太网网关主进程模块。
(三)列车以太网数据传输方法的具体应用实例
参见图8，以太网网关可根据需要可在牵引单元范围内设置，设置数量至少为1，可根据实际可靠性需要，设计数量不等的冗余。以列车8编组的动力分散型动车组为例，全列根据动力结构构成2个牵引单元，2个牵引单元的内部网络拓扑结构、通信协议、通信周期等参数完全一致，2个牵引单元之间通过列车级以太网相连通，牵引单元内部通过车辆级交换机联成一个局域网。列车级以太网交换机ETBN将组网结果传递给列车级分组交换功能模块，列车级分组交换功能模块将根据列车级组网结果形成列车级数据映射，车辆级数据分组交换模块与列车级数据分组交换模块通过内部变量交互数据。本具体应用实例中，列车以太网数据传输方法的具体步骤如下：
列车以太网网关将车辆级侧收到的所有子系统的报文通过映射规则和打包协议编排成列车级传输报文发送至列车级侧。
列车以太网网关将列车级侧收到的所有列车级传输报文解包并重新打包成不同的车辆级传输报文发送至车辆级侧。
从上述描述可以，本申请提供的列车以太网数据传输设备及列车以太网数据传输方法，能够在列车控制数据传输的过程中，实现列车级组网，以及实现列车级以太网数据与车辆级以太网数据收集、分发功能，具体有以下优点：
列车以太网网关可有效实现列车跨单元、跨编组(与其他列车重联)的通信功能，相比于原TCN网络，通信整体带宽提升至100Mbps，具有更大的数据传输能力，单位时间内，数据刷新的速度更快，利于列车整体的控制运行。
列车以太网网关在列车级拓扑(因重联或故障)动态变化时，对车辆级的通信保持不变，有效响应因拓扑变化带来的列车级通信变化而无须车辆级子系统参与，大大降低了子系统的开发复杂度，由网关承担复杂拓扑变化的计算，可避免由各子系统计算拓扑可能带来的计算错误。
相比于各子系统分别计算拓扑，列车以太网网关统一进行列车级至车辆级的双向通信映射，节约了子系统的运算资源、在一定程度上降低了能耗，可降低子系统的处理器性能要求，节约成本。
因涉及到与其他列车重联，在实际部署中，需要严格保持列车级数据的统一性，列车以太网网关作为独立节点进行程序开发，便于保证统一性，实现统一控制。
列车以太网网关独立于车辆级子系统工作，作为统一的网关节点，可设置冗余，子系统分散式跨单元传输难以部署冗余，提升网络整体的可靠性。
对于列车级数据的传输，由列车以太网网关作为统一出口，进行通信状态日志的记录，使得记录具有完整性。
列车以太网网关作为统一的出口，对于未定义的通信协议、通信方式实现了有效隔离，拒绝未定义的数据传输，提升了通信的安全性。
列车以太网网关实现了列车级分组交换功能模块与车辆级分组交换功能模块的独立工作，在软件开发和维护过程中，可整体升级两个模块，也可单独仅维护升级一个模块，提升了灵活性和软件更新迭代的可靠性，对于不需要变更的模块，可维持不变。
列车以太网网关在车辆级不受到原TCN网络4096端口的限制，至少提供1000万个以上的通信端口功能，解决了端口受限的问题。
列车以太网网关相比于原TCN使用WTB网关，基于以太网通信技术，抗干扰能力增强。
本发明针对列车场景使用需求，研制列车以太网网关，大幅度提升了数据的整合传输能力，具有智能化响应列车编组变化、汇总收集车辆级数据、实现列车级数据传输协议的统一性、实现车辆级数据传输在拓扑变化时的统一性。
本申请中上述方法的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请中应用了具体实施例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种列车以太网数据传输设备，其特征在于，包括：多个列车级交换机、与该列车级交换机连接的车辆级交换机，分别与该列车级交换机和车辆级交换机连接的以太网网关，和分别与所述车辆级交换机连接的通信子系统；
各个所述列车级交换机依次设置在对应的列车级通信总线上；
各个所述车辆级交互机依次设置在对应的车辆级通信总线上；
所述以太网网关用于接收对应的各个所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息；
所述以太网网关还用于将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关对应的通信子系统，以实现列车内部数据传输。
2.根据权利要求1所述的列车以太网数据传输设备，其特征在于，所述以太网网关包括：CPU卡板、列车级以太网接口和车辆级以太网接口；
所述CPU卡板分别与所述列车级以太网接口和车辆级以太网接口通信连接；
所述列车级以太网接口与所述列车级交换机通信连接；
所述车辆级以太网接口与所述车辆级交换机通信连接。
3.根据权利要求1所述的列车以太网数据传输设备，其特征在于，所述车辆级交换机与所述通信子系统之间以星形拓扑结构进行连接。
4.根据权利要求1所述的列车以太网数据传输设备，其特征在于，所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部。
5.根据权利要求1所述的列车以太网数据传输设备，其特征在于，所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部。
6.一种列车以太网数据传输方法，其特征在于，应用权利要求1至5任一项所述的列车以太网数据传输设备实现，该方法包括：
目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息；
若所述以太网网关设置在所述列车级交换机外部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各个所述以太网网关；
各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机；
所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
7.根据权利要求6所述的列车以太网数据传输方法，其特征在于，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：
若所述以太网网关设置在所述列车级交换机内部，所述目标以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述列车级交换机；
所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各个所述列车级交换机；
各个所述列车级交换机将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述以太网网关；
各个所述以太网网关将所述报文和列车编组信息发送至各自对应的所述车辆级交换机；
所述车辆级交换机将所述报文和列车编组信息发送至对应的所述通信子系统，以实现列车内部数据传输。
8.根据权利要求6所述的列车以太网数据传输方法，其特征在于，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：
所述目标以太网网关根据所述列车编组信息生成对应的列车识别号，并发送至各个所述以太网网关；
各个所述以太网网关将所述列车识别号发送至各自对应的所述车辆级交换机，以使所述车辆交换机将所述列车识别号发送至对应的所述通信子系统。
9.根据权利要求6所述的列车以太网数据传输方法，其特征在于，在所述目标以太网网关接收对应的所述车辆级交换机的所有所述通信子系统发送的报文和对应的所述列车级交换机发送的列车编组信息之后，还包括：
所述目标以太网网关根据所述列车编组信息判断目标列车的配置状态为是否为异常列车配置，若是，则输出显示异常列车信息。
10.根据权利要求6所述的列车以太网数据传输方法，其特征在于，所述列车编组信息包括：编组数量、列车编组编号、车辆单元位置、列车重联信号和列车头请求信号。
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