CN113071535A

CN113071535A - 列车及其控制网络结构

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Publication number: CN113071535A
Application number: CN202010004771.3A
Authority: CN
Inventors: 程玉溪; 沈梦玉; 李一叶; 粟爱军
Original assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Current assignee: CRRC Zhuzhou Institute Co Ltd
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2021-07-06

Abstract

本发明公开了一种列车及其控制网络结构，列车控制网络结构包括：第一以太环网拓扑结构，用于传输第一列车控制数据及列车信息服务数据，所述列车信息服务数据包括列车信息服务网络的视频数据及服务数据；第二以太环网拓扑结构，用于传输第二列车控制数据，所述第二列车控制数据的部分数据包括与所述第一列车控制数据冗余的列车控制数据。本发明在车辆间采用双环网拓扑结构，在车辆内提供两个通信节点，有效地实现了列车控制数据及列车信息服务数据的冗余传输，较好地满足了传输大量数据的要求，从而极大地提升了列车网络运行效率。

Description

列车及其控制网络结构

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种列车及其控制网络结构。

背景技术

随着列车技术的快速发展，列车控制网络系统需传输的数据量越来越多。

列车控制网络系统不仅需要传输大量的列车控制数据，还需要传输大量的列车信息服务网络的视频数据与服务数据，而未来信息化列车将需要更大的带宽来满足相应的服务需求。

但是，目前的列车控制网络系统一般采用单一的TCN(Train CommunicationNetwork，列车通信网络)等总线网络，无法较好地满足传输大量数据的要求，从而降低列车网络运行效率。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中列车控制网络系统无法较好地满足传输大量数据的要求，从而降低列车网络运行效率的缺陷，提供一种列车及其控制网络结构。

本发明是通过下述技术方案来解决所述技术问题：

一种列车控制网络结构，其包括：

第一以太环网拓扑结构，用于传输第一列车控制数据及列车信息服务数据，所述列车信息服务数据包括列车信息服务网络的视频数据及服务数据；以及，

第二以太环网拓扑结构，用于传输第二列车控制数据，所述第二列车控制数据的部分数据包括与所述第一列车控制数据冗余的列车控制数据。

可选地，所述第一以太环网拓扑结构包括多个第一以太网交换机，每一个所述第一以太网交换机分别设置于列车对应的车厢内；

所述第二以太环网拓扑结构包括多个第二以太网交换机，每一个所述第二以太网交换机分别设置于列车对应的车厢内。

可选地，所述第一以太网交换机用于与列车控制设备的第一网络接口通信连接；

所述第一以太网交换机被配置为从所述列车控制设备接收所述第一列车控制数据，或向所述列车控制设备发送所述第一列车控制数据；

所述第二以太网交换机用于与所述列车控制设备的第二网络接口通信连接；

所述第二以太网交换机被配置为从所述列车控制设备接收所述第二列车控制数据，或向所述列车控制设备发送所述第二列车控制数据；

所述列车控制设备被配置为根据预设方式从所述第一列车控制数据及与所述第一列车控制数据冗余的所述第二列车控制数据的部分数据之间进行选择。

可选地，所述列车控制设备包括CCU(Central Control Unit，中央控制单元)和/或DCU(Drive Control Unit，牵引控制单元)。

可选地，所述第一以太网交换机用于与列车的服务终端设备通信连接；

所述第一以太网交换机被配置为从所述服务终端设备接收所述列车信息服务数据。

可选地，所述服务终端设备包括PIS(Passenger Information System，乘客信息系统)设备和/或CCTV(Closed-Circuit Television，闭路电视)设备。

可选地，所述第一以太网交换机用于与HMI模块(Human Machine Interface，人机接口)的第一网络接口通信连接，所述HMI模块用于通信接入人机交互设备；和/或，

所述第二以太网交换机用于与HMI模块的第二网络接口通信连接，所述HMI模块用于通信接入人机交互设备。

可选地，所述第一以太网交换机用于与CAN(控制器局域网络)网关的第一网络接口通信连接，所述CAN网关用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备；和/或，

所述第二以太网交换机用于与CAN网关的第二网络接口通信连接，所述CAN网关用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备。

可选地，所述第一以太网交换机用于与EBCU(电子制动控制单元)的第一网络接口通信连接，所述EBCU用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备；和/或，

所述第二以太网交换机用于与EBCU的第二网络接口通信连接，所述EBCU用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备。

一种列车，所述列车包括如上述的列车控制网络结构。

可选地，所述列车包括智轨电车。

在符合本领域常识的基础上，所述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实施例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明提供的列车及其控制网络结构，在车辆间采用双环网拓扑结构，在车辆内提供两个通信节点，有效地实现了列车控制数据及列车信息服务数据的冗余传输，较好地满足了传输大量数据的要求，从而极大地提升了列车网络运行效率。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的所述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1为根据本发明一实施例的列车控制网络结构的结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的列车控制网络结构的CAN通信连接示意图。

附图标记说明：

1 第一以太网交换机；

2 第二以太网交换机；

3 CCU；

4 DCU；

5 HMI模块；

6 PIS设备；

7 CCTV设备；

8 CAN网关；

9 EBCU；

10 终端设备。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

给出以下描述以使得本领域技术人员能够实施和使用本发明并将其结合到具体应用背景中。各种变型、以及在不同应用中的各种使用对于本领域技术人员将是容易显见的，并且本文定义的一般性原理可适用于较宽范围的实施例。由此，本发明并不限于本文中给出的实施例，而是应被授予与本文中公开的原理和新颖性特征相一致的最广义的范围。

在以下详细描述中，阐述了许多特定细节以提供对本发明的更透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，本发明的实践可不必局限于这些具体细节。换言之，公知的结构和器件以框图形式示出而没有详细显示，以避免模糊本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

但是，目前的列车控制网络系统一般采用单一的TCN等总线网络，无法较好地满足传输大量数据的要求，从而降低列车网络运行效率。

为了克服目前存在的上述缺陷，本实施例提供一种列车控制网络结构，所述列车控制网络结构包括：第一以太环网拓扑结构，用于传输第一列车控制数据及列车信息服务数据，所述列车信息服务数据包括列车信息服务网络的视频数据及服务数据；以及，第二以太环网拓扑结构，用于传输第二列车控制数据，所述第二列车控制数据的部分数据包括与所述第一列车控制数据冗余的列车控制数据。

以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络。以太网有两类：第一类是经典以太网，第二类是交换式以太网，使用了一种称为交换机的设备连接不同的计算机。

经典以太网是以太网的原始形式，运行速度从3～10Mbps不等；而交换式以太网正是广泛应用的以太网，可运行在100、1000和10000Mbps那样的高速率，分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网(100BASE-T、1000BASE-T标准)为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用集线器来进行网络连接和组织。

如此一来，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测)的总线技术。

以太网实现了网络上无线电系统多个节点发送信息的想法，每个节点必须获取电缆或者信道的才能传送信息，有时也叫作以太(Ether)。

每一个节点有全球唯一的48位地址也就是制造商分配给网卡的MAC地址，以保证以太网上所有节点能互相鉴别。由于以太网十分普遍，许多制造商把以太网卡直接集成进计算机主板。

传统以太网协议由于采用的是载波监听多路访问及冲突检测技术。因此，在数据包延时、排序和可靠性上达不到车载网络实时性要求，所以，常见的车载局域网仍是基于CAN的实时现场总线协议。

但随着汽车电子技术的爆发式发展，ECU(电子处理单元)数量不断增长，影音娱乐信号也纳入车内通信，这使得高实时、低带宽的传统车载总线开始不适应汽车电子发展趋势。

以太网作为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，同时也是列车通信网络发展的方向，具有高速率、大容量以及智能化等特点，可应用于轨道交通列车项目中。

因为信号的衰减和延时，根据不同的介质以太网段有距离限制。最大距离可以通过以太网中继器(ERPT)实现，ERPT可以把电缆中的信号放大再传送到下一段。

以太环网(俗称环网)是由一组IEEE 802.1兼容的以太网节点组成的环形拓扑，每个节点通过基于802.3媒体访问控制(MAC)的环端口与其他两个节点相连，而以太网MAC可以由其他服务层技术承载(如SDHVC、MPLS的以太网伪线等)，所有节点间能够直接或者间接通信。

以太环网既指物理环形拓扑也指逻辑拓扑，其中业务流量完全基于IEEE 802.1规范的转发规则转发，支持点到点(E-Line)、多点到多点(E-LAN)和点到多点(E-Tree)等以太网业务，包括以太网专线(EPL)和以太网虚拟专线(EVPL)，支持各种模式的通信，包括单播、多播和广播，能够防止数据的失序和重复。

而针对环网互连，以太网环网能够通过3种模式进行互连：共享的节点、由两个共享节点组成的链路、由以太环网重叠而成的多环/层网络。业务能够经过互连的环网实现端到端的传送。

优选地，在本实施例中，所述列车为智轨电车，但并不具体限定所述列车的类型，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

智轨电车是具有虚拟轨迹跟随能力、以全电驱动胶轮车辆作为运载工具的新型轨道交通产品，融合了现代有轨电车和公共汽车各自优势。

该车辆不需要铺设钢轨，在现有的道路上施划地面标线，通过车辆上安装的摄像头、探测雷达等设备采集地面标线信息，利用标线虚拟轨迹、多轴转向系统进行轨迹跟踪控制，车辆上装有蓄能电池储存电量，充电后驱动车辆在道路上运行。

智轨电车设计最高速度每小时70公里，最小转弯半径15米，头尾双向行驶，可采用3-6节灵活编组，三节编组最大载客人数可达300人。

智轨电车采用了“虚拟轨道跟随控制”技术，通过车载各类传感器识别路面虚拟轨道线路，将运行信息传送至列车中央控制单元，根据“大脑”的指令，在保证电车实现牵引、制动、转向等正常动作的同时，能够精准控制列车行驶在既定“虚拟轨迹”上，实现智能运行。

该车辆采用了多轴转向系统等设计方式，智能对虚拟轨迹进行跟踪控制。使整台电车转弯半径与普通公交车相当，且比普通公交车辆的通道宽度更小，这就解决了超长车身带来的转弯难题。

智轨电车采用类似高铁的双车头设计，省去了掉头的麻烦。

，在车辆间采用双环网拓扑结构，在车辆内提供两个通信节点，有效地实现了列车控制数据及列车信息服务数据的冗余传输，较好地满足了传输大量数据的要求，从而极大地提升了列车网络运行效率。

具体地，作为一实施例，如图1及图2所示，所述列车控制网络结构主要包括第一以太环网拓扑结构及第二以太环网拓扑结构，所述第一以太环网拓扑结构主要包括多个第一以太网交换机1及多个第二以太网交换机2。

在本实施例中，第一以太环网拓扑结构及第二以太环网拓扑结构分别提供足够的通信带宽用于承载通信数据。以太环网设计保证在网络单向传输故障时有冗余线路满足传输要求。

每一个第一以太网交换机1分别设置于列车对应的车厢内，本实施例并不具体限定第一以太网交换机1的设置数量及位置，均可根据实际需求进行相应的选择及调整。

每一个第二以太网交换机2分别设置于列车对应的车厢内，本实施例并不具体限定第二以太网交换机2的设置数量及位置，均可根据实际需求进行相应的选择及调整。

以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，以太网采用共享总线型传输媒体方式的局域网。以太网交换机的结构是每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。

以太网交换机工作于OSI网络参考模型的第二层(即数据链路层)，是一种基于MAC地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备。

交换机上用于链接计算机或其他设备的插口称作端口。计算机借助网卡通过网线连接到交换机的端口上。网卡、交换机和路由器的每个端口都具有一个MAC地址，由设备生产厂商固化在设备的EPROM中。MAC由IEEE负责分配，每个MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是长度为48位的二进制，前24位由设备生产厂商标识符，后24位由生产厂商自行分配的序列号。

交换机在端口上接受计算机发送过来的数据帧，根据帧头的目的MAC地址查找MAC地址表然后将该数据帧从对应端口上转发出去，从而实现数据交换。

交换机的工作过程可以概括为“学习、记忆、接收、查表、转发”等几个方面：通过“学习”可以了解到每个端口上所连接设备的MAC地址；将MAC地址与端口编号的对应关系“记忆”在内存中，生产MAC地址表；从一个端口“接收”到数据帧后，在MAC地址表中“查找”与帧头中目的MAC地址相对应的端口编号，然后，将数据帧从查到的端口上“转发”出去。

交换机分割冲突域，每个端口独立成一个冲突域。每个端口如果有大量数据发送，则端口会先将收到的等待发送的数据存储到寄存器中，在轮到发送时再发送出去。

参考图1所示，以三编组列车为例，其余多编组列车也可参照设计。

第一以太网交换机1用于与对应的列车控制设备的第一网络接口通信连接，并且被配置为从对应的列车控制设备接收所述第一列车控制数据，或者向对应的列车控制设备发送所述第一列车控制数据，从而实现列车控制数据的交互。

第二以太网交换机2用于与所述列车控制设备的第二网络接口通信连接，并且被配置为从所述列车控制设备接收所述第二列车控制数据，或者向所述列车控制设备发送所述第二列车控制数据。

在本实施例中，所述列车控制设备为CCU3及DCU4，但并不具体限定所述列车控制设备的类型，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

第一以太网交换机1还用于与对应的列车的服务终端设备通信连接，并且被配置为从所述服务终端设备接收所述列车信息服务数据。

在本实施例中，所述服务终端设备为PIS设备6及CCTV设备7，但并不具体限定所述服务终端设备的类型，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

第一以太网交换机1还用于与对应的HMI模块5的第一网络接口通信连接，第二以太网交换机2还用于与对应的HMI模块5的第二网络接口通信连接。

HMI模块5用于通信接入人机交互设备，以实现人机交互。

参考图2所示，在本实施例中，列车的关键部件可以通过两路通信分别接入两个不同的以太网交换机，以实现两路不同的CAN总线冗余。多个不同的终端设备10通过上述方式接入网络，以实现数据的冗余传输。

具体地，参考图2所示，第一以太网交换机1(图2中未示出)还用于与对应的CAN网关8的第一网络接口或者对应的EBCU9的第一网络接口通信连接。

第二以太网交换机2(图2中未示出)还用于与对应的CAN网关8的第二网络接口或者对应的EBCU9的第二网络接口通信连接。

CAN网关8用于通过CAN总线通信接入至少一个对应的终端设备10，本实施例支持多种CAN网关8与终端设备10之间的通信接入方式，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

EBCU9用于通过CAN总线通信接入至少一个对应的终端设备10，本实施例支持多种EBCU9与终端设备10之间的通信接入方式，可根据实际需求进行相应的选择及调整。

本实施例提供的列车控制网络结构，主要具有以下有益效果：

1)实现了整个列车网络的冗余设计，尤其是在列车以太网络中使用双拓扑来完成控制网络的冗余设计，满足了车辆控制功能传输及控制要求，使列车网络具有较强的冗余性。

2)有效地利用了接口冗余的方式，在单个控制网络中为部件提供两个冗余接口以完成关键设备的冗余设计。

3)车辆控制网络的冗余性设计为车辆运行的可靠提供有力保证。

4)为部分关键部件提供多个接口的设计，在通信上保证了单个节点设备通信的可靠性。

5)在第一以太环网之外的第二以太环网为控制数据的传输提供了完全独立的可靠通道，提高了列车控制的可靠性。

6)列车信息服务网络的设计，满足了PIS、CCTV等设备的视频及其他数据传输要求。

本实施例还提供一种列车，所述列车包括如上述的列车控制网络结构。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

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。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims

1.一种列车控制网络结构，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太环网拓扑结构包括多个第一以太网交换机，每一个所述第一以太网交换机分别设置于列车对应的车厢内；

3.如权利要求2所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太网交换机用于与列车控制设备的第一网络接口通信连接；

4.如权利要求3所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述列车控制设备包括CCU和/或DCU。

5.如权利要求2所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太网交换机用于与列车的服务终端设备通信连接；

6.如权利要求5所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述服务终端设备包括PIS设备和/或CCTV设备。

7.如权利要求2所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太网交换机用于与HMI模块的第一网络接口通信连接，所述HMI模块用于通信接入人机交互设备；和/或，

8.如权利要求2所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太网交换机用于与CAN网关的第一网络接口通信连接，所述CAN网关用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备；和/或，

9.如权利要求2所述的列车控制网络结构，其特征在于，所述第一以太网交换机用于与EBCU的第一网络接口通信连接，所述EBCU用于通过CAN总线通信接入至少一个列车的终端设备；和/或，

10.一种列车，其特征在于，所述列车包括如权利要求1～9中任意一项所述的列车控制网络结构。

11.如权利要求10所述的列车，其特征在于，所述列车包括智轨电车。