CN112437114A - 一种基于tsn的列车综合传输承载方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种基于TSN的列车综合传输承载方法及系统，包括：获取列车综合承载网架构；提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。本发明实施例采用TSN技术对列车综合承载网进行改造，实现了所有车载设备的互联和数据综合承载，并实现基于整车精准的时钟同步和流量控制，保证大带宽的同时也确保了关键子系统通信的实时性和确定性传输。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通承载网技术领域，尤其涉及一种基于TSN的列车综合传输承载方法及系统。
背景技术
随着轨道交通行业的快速发展，列控、信号、PIS/PA/CCTV、乘客服务等系统对于车载网络的实时性、传输带宽等方面的需求越来越高，车载网络的组网也越来越复杂。各个子系统都有自己的一套组网和技术，通信协议也不尽相同，在易用性、互操作性、带宽和设备成本上都存在一些不足，导致各子系统之间通信难度越来越大，尤其是各个子系统接入一个骨干网络之后子系统之间的数据流会相互影响，降低关键字系统的时延、丢包等性能，甚至威胁行车安全。
目前车载网络采用的技术包括：总线型，以MVB(Multifunction Vehicle Bus)为代表和交换技术(以太网为代表)。多功能车辆总线MVB由于其实时性强、可靠性高等优点而作为列车通信网络标准之一，在地铁、高铁列车等领域中得到了广泛的应用，但是MVB带宽只有1.5Mbps，无法满足车载系统多媒体的传输，只能用来传输控制信号；以太网(TCP/IP)可以支持大流量的传输，但是无法保证实时性，应用也受到了一定限制。
因此，亟需提出一种新的传输承载技术来克服上述缺陷。
发明内容
本发明实施例提供一种基于TSN的列车综合传输承载方法及系统，用以解决现有技术中无法有效地同时保障列车实时性和高带宽传输需求的缺陷。
第一方面，本发明实施例提供一种基于TSN的列车综合传输承载方法，包括：
获取列车综合承载网架构；
提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；
基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
进一步地，所述基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换，之后还包括：
将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络。
进一步地，所述提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网，具体包括：
基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表；
根据所述Time Aware门列控表，指定所述传输数据中的数据队列的发送时间，以及指定所述Time Aware调度器入口的存活时间长度。
进一步地，所述基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表，具体包括：
获取若干不同长度的分散时间片段，将所述传输数据中的预设数据流放入所述分散时间片段中，并基于预设标准调度器技术实现对所述预设数据流的优先级划分，得到所述Time Aware调度器；
所述Time Aware调度器根据以太网帧头中VLAN标签的PCP优先级对所述传输数据进行优先级划分，待所有以太网帧到达所述Time Aware调度器出口的Time Aware门队列时，介入帧处理，得到所述Time Aware门列控表。
进一步地，所述将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络，具体包括：
将所述改造后的ECN骨干网络设置为串行无缝冗余备份网络或并行无缝冗余备份网络。
进一步地，所述串行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点采用2根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
进一步地，所述并行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点分别采用两组独立的1根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到并行的两组ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
第二方面，本发明实施例还提供一种基于TSN的列车综合传输承载系统，包括：
获取模块，用于获取列车综合承载网架构；
改造模块，用于提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；
处理模块，用于基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述基于TSN的列车综合传输承载方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述基于TSN的列车综合传输承载方法的步骤。
本发明实施例提供的基于TSN的列车综合传输承载方法及系统，通过采用TSN技术对列车综合承载网进行改造，实现了所有车载设备的互联和数据综合承载，并实现基于整车精准的时钟同步和流量控制，保证大带宽的同时也确保了关键子系统通信的实时性和确定性传输。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例提供的一种基于TSN的列车综合传输承载方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的时间敏感子系统数据优先级设置对照表图；
图3是本发明实施例提供的非时间敏感子系统数据优先级设置对照表图；
图4是本发明实施例提供的基于TSN的车载测试网络架构图；
图5是本发明实施例提供的串行无缝冗余组网架构图；
图6是本发明实施例提供的并行无缝冗余组网架构图；
图7是本发明实施例提供的一种基于TSN的列车综合传输承载系统的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。
针对城市轨道交通列车控制系统网络拓扑复杂、接口繁多、子系统间互操作性弱、相互影响等问题，基于“综合承载”的理念，构建基于时间敏感网络TSN技术的综合车辆承载网络，包括时间敏感的TCMS、门控、制动等子系统以及非时间敏感的PIS、CCTV、环境感知子系统等；基于该综合承载网络，为车载设备间的信息共享提供统一的网络传输通道，减少车辆网络布线。
图1是本发明实施例提供的一种基于TSN的列车综合传输承载方法的流程示意图，如图1所示，包括：
获取列车综合承载网架构；
提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；
基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
具体地，对于现有的列车承载网络，本发明实施例采用TSN技术，通过改造构建一个ECN骨干网，实现所有车载设备的互联和数据综合承载，将承载网数量进行简化，实现基于整车精准的时钟同步和流量控制，使得列车各子系统都能在改造后的ECN骨干网上实现关键数据流的确定性和可靠性传输。
本发明实施例通过采用TSN技术对列车综合承载网进行改造，实现了所有车载设备的互联和数据综合承载，并实现基于整车精准的时钟同步和流量控制，保证大带宽的同时也确保了关键子系统通信的实时性和确定性传输。
基于上述实施例，所述基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换，之后还包括：
将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络。
可以理解的是，本发明实施例在上述实施例实现统一承载后，进一步实现高可靠性物理环形、逻辑梯形组网方案，不仅创新性的利用单一网络实现了各个车载子系统的统一承载，还支持各个关键子系统的无缝冗余备份。列车综合承载网络通过RSTP环网接口接入车载ETB骨干网，交换机故障时非时间敏感数据自动重定向到备份网络，而TSN关键终端数据冗余备份连接，交换机故障无需切换，真正实现了实时的传输数据的无缝冗余备份。
本发明实施例通过基于TSN的统一车辆无缝冗余网络拓扑和关键车载子系统的冗余备份，基于ECN骨干网实现所有车载设备的互联和数据综合承载，在保证网络性能的前提下大大简化了网络架构。
基于上述任一实施例，该方法中步骤S2具体包括：
基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表；
根据所述Time Aware门列控表，指定所述传输数据中的数据队列的发送时间，以及指定所述Time Aware调度器入口的存活时间长度。
其中，所述基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表，具体包括：
获取若干不同长度的分散时间片段，将所述传输数据中的预设数据流放入所述分散时间片段中，并基于预设标准调度器技术实现对所述预设数据流的优先级划分，得到所述Time Aware调度器；
所述Time Aware调度器根据以太网帧头中VLAN标签的PCP优先级对所述传输数据进行优先级划分，待所有以太网帧到达所述Time Aware调度器出口的Time Aware门队列时，介入帧处理，得到所述Time Aware门列控表。
具体地，TSN的基础算法是用TDMA(Time Division Multiple Access时分复用)将时间分割成不同长度的分散的片段，然后把周期性实时性传输的数据放进专门的时隙中，借助IEEE802.1Qbv Time Aware调度器技术实现对传统的尽力而为数据流和周期性的实时数据流的优先级划分。Time Aware调度器使用以太网帧头中VLAN标签里的PCP优先级对数据进行优先级区分，当所有的以太网帧在到达出口的Time-Aware门队列时，Time-Aware调度器介入帧处理。按照对应门的状态选择队列中的数据帧进行发送。门的控制列表决定了哪一个数据队列可以在周期内的指定时间点被发送，此外门控列表也表明了指定入口的存活时间长度。
本发明实施例所采用的TSN的Time Aware调度器的工作原理，并结合实际智能列车各通信终端的优先级和时效性，通过大量实验进行了验证，最终合理设置各子系统数据流的VLAN标签里的PCP优先级的策略，实现了时间敏感子系统数据流的时延、丢包等性能不受非时间敏感的大流量数据流的影响，达到最佳的实时性和确定性网络传输性能。各子系统的优先级设置结果如图2和图3所示。
基于TSN技术搭建车载网络环境对网络承载效果进行测试验证，组网架构如图4所示，在该测试网络架构中黑色实线表示TSN骨干网，条状虚线表示非时间敏感子系统，点状虚线表示时间敏感子系统，通过对不同的子系统设置不同的优先级来保证关键子系统的确定性和可靠性传输，并采用流量仿真器模拟大流量冲击来验证是否对关键子系统的时延、丢包、抖动等是否产生影响。通过实验室测试，基于前述的各子系统优先级设置，实现了时间敏感子系统数据流的时延、丢包等性能不受非时间敏感的大流量数据流的影响，从而实现标准以太网传输中关键数据流的确定性和可靠性传输，测试结果见表1所示，表1以紧急制动子系统到VCU系统通信数据为例，从表1可以看出未开启TSN功能时的时间敏感数据的时延、丢包、抖动性能受大流量数据流影响恶化明显，但是开启TSN之后时间敏感数据的时延、丢包、抖动性能完全不受影响。
表1
本发明实施例基于TSN技术，将所有车载子系统承载在一个网络的前提下，实现了时间敏感子系统的精准流量控制，保证时延、丢包、抖动等性能不受影响，并确保车载关键子系统通信的实时性和确定性传输。
基于上述任一实施例，所述将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络，具体包括：
将所述改造后的ECN骨干网络设置为串行无缝冗余备份网络或并行无缝冗余备份网络。
其中，所述串行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点采用2根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
其中，所述并行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点分别采用两组独立的1根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到并行的两组ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
具体地，基于TSN的统一车辆无缝冗余网络拓扑组网实现方案包括2种：串行冗余方案和并行冗余方案。
串行冗余方案如图5所示，ETB采用串行冗余方式，即整辆车的ETBN采用2根贯通线串行连接到整车，ECN冗余环网通过2个备份的交换机接入到ETB上实现ETB与ECN的冗余连接，避免单点故障；
并行冗余方案如图6所示，ETB采用2组独立的ETB并行组网，即ETBN采用1根贯通线串行连接到整车，但是整辆车共包含2组这样的ETB，ECN冗余环网通过2个备份的交换机分别接入到并行的2组ETB上实现ETB与ECN的冗余连接，也可以避免到点故障，采用并行组网的ETB对ETB交换机要求低，不需要具备bypass功能。
下面对本发明实施例提供的基于TSN的列车综合传输承载系统进行描述，下文描述的基于TSN的列车综合传输承载系统与上文描述的基于TSN的列车综合传输承载方法可相互对应参照。
图7是本发明实施例提供的一种基于TSN的列车综合传输承载系统的结构示意图，如图7所示，包括：获取模块71、改造模块72和处理模块73；其中：
获取模块71用于获取列车综合承载网架构；改造模块72用于提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；处理模块73用于基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
本发明实施例通过基于TSN的统一车辆无缝冗余网络拓扑和关键车载子系统的冗余备份，基于ECN骨干网实现所有车载设备的互联和数据综合承载，在保证网络性能的前提下大大简化了网络架构。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)810、通信接口(communication interface)820、存储器(memory)830和通信总线(bus)840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行基于TSN的列车综合传输承载方法，该方法包括：获取列车综合承载网架构；提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的基于TSN的列车综合传输承载方法，该方法包括：获取列车综合承载网架构；提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
又一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的基于TSN的列车综合传输承载方法，该方法包括：获取列车综合承载网架构；提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，包括：
获取列车综合承载网架构；
提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；
基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
2.根据权利要求1所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换，之后还包括：
将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络。
3.根据权利要求1或2所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网，具体包括：
基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表；
根据所述Time Aware门列控表，指定所述传输数据中的数据队列的发送时间，以及指定所述Time Aware调度器入口的存活时间长度。
4.根据权利要求3所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述基于TSN算法生成Time Aware调度器，根据所述Time Aware调度器进行传输数据的优先级划分，得到Time Aware门列控表，具体包括：
获取若干不同长度的分散时间片段，将所述传输数据中的预设数据流放入所述分散时间片段中，并基于预设标准调度器技术实现对所述预设数据流的优先级划分，得到所述Time Aware调度器；
所述Time Aware调度器根据以太网帧头中VLAN标签的PCP优先级对所述传输数据进行优先级划分，待所有以太网帧到达所述Time Aware调度器出口的Time Aware门队列时，介入帧处理，得到所述Time Aware门列控表。
5.根据权利要求2所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述将所述改造后的ECN骨干网设置为无缝冗余备份网络，具体包括：
将所述改造后的ECN骨干网络设置为串行无缝冗余备份网络或并行无缝冗余备份网络。
6.根据权利要求5所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述串行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点采用2根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
7.根据权利要求5所述的基于TSN的列车综合传输承载方法，其特征在于，所述并行无缝冗余备份网络，具体包括：
将列车的ETB节点分别采用两组独立的1根贯通线串行连接到整车，并将ECN骨干网络冗余环网通过2个主备设置的交换机接入到并行的两组ETB网络中，实现所述ETB网络与所述ECN骨干网络的冗余连接。
8.一种基于TSN的列车综合传输承载系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取列车综合承载网架构；
改造模块，用于提取所述列车综合承载网架构中的ECN骨干网，基于时间敏感网络TSN算法对所述ECN骨干网进行改造，得到改造后的ECN骨干网；
处理模块，用于基于所述改造后的ECN骨干网，各车载子系统根据预设时钟同步精度和预设带宽完成数据交换。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述基于TSN的列车综合传输承载方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述基于TSN的列车综合传输承载方法的步骤。
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