CN114475673B - 一种列车电子电气架构及轨道列车 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种列车电子电气架构及轨道列车，该列车电子电气架构包括：列车级控制层、车辆级控制层及车辆级数据采集执行层，其中，所述列车级控制层包括至少二列车级控制器，用于列车级逻辑功能计算及通信；所述车辆级控制层包括多个车辆级域控制器、多个信息安全设备；所述车辆级数据采集执行层包括通用IO模块、专用快速运算单元及专用数据采集设备；所述通用IO模块用于采集数字量信号、模拟量信号及输出控制信号；所述专用快速运算单元用于处理及执行需要快速反应的车辆控制功能。通过本申请实现了车辆级域控制器、IO模块的高度集成和轻量化设计，全面提高列车控制自动化、智能化和运营维护水平。

Description

一种列车电子电气架构及轨道列车

技术领域

本申请涉及车辆控制领域，特别是涉及一种轻量化、小型化及功能一体化的列车电子电气架构及轨道列车。

背景技术

在传统的列车电子电气架构中，根据功能划分为牵引、制动、空调、车门、烟火、轴温等子系统，且不同子系统设备由不同供应商提供。子系统具有各自独立的控制器及IO模块(Input/Output)，各子系统控制器间通过网络总线传递信息，实现整车的控制、监视和维护功能。

在软件定义和智能化浪潮下，列车车载设备功能逐渐增加，软件爆炸式增长，列车软件开发量增长惊人，现有分布式电子电气架构主要有以下缺点：

(1)各子系统控制器与IO模块独立，硬件成本及维修成本高，设备占据空间较大；

(2)子系统控制器与各自IO模块间部署线缆复杂，线缆及电气连接器成本高，增加维护工作量及维护难度；

(3)子系统供应商不同，各自设备的操作系统、编程语言等系统环境不同，不利于基于现有控制器、IO模块开发智能化检修等新功能，造成硬件资源浪费；

(4)各子系统控制器不同，导致列车备品备件种类及数量较多，增大成本。

目前现有的列车电子电气架构中，尚无有效的解决上述问题的列车车辆控制系统。

发明内容

本申请实施例提供了一种轻量化、小型化及功能一体化的列车电子电气架构及轨道列车，以通过提出新的列车电子电气架构，至少解决现有技术中硬件成本及维修成本高的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种列车电子电气架构，包括：列车级控制层、车辆级控制层及车辆级数据采集执行层，其中，

所述列车级控制层包括：至少二列车级控制器CCU(Central Control Unit)，用于列车级逻辑功能计算及通信，所述列车级控制器CCU之间通过列车级网络总线通信连接；

所述车辆级控制层包括：多个车辆级域控制器VCU(Vehicle Control Unit)、多个信息安全设备，所述车辆级域控制器VCU集成车辆部件的逻辑控制功能，以实现车辆级逻辑功能计算及控制；多个所述车辆级域控制器VCU之间、所述列车级控制器CCU与所述车辆级域控制器VCU之间通过车辆级网络总线通信连接；所述信息安全设备包括但不限于车载防火墙，安全审计设备，车载防火墙用于保护列车网络区域边界，安全审计设备用于审计内部网络设备事件；

所述车辆级数据采集执行层包括通用IO模块、专用快速运算单元及专用数据采集设备；所述通用IO模块为合并的具有相同逻辑功能的采集IO模块，用于采集数字量信号、模拟量信号及输出控制信号；所述专用快速运算单元用于处理及执行需要快速反应的车辆控制功能，包括制动、牵引等功能。所述信息安全设备、通用IO模块、专用快速运算单元和/或专用数据采集设备通过车辆级网络总线与所述车辆级域控制器VCU通信连接。

在其中一些实施例中，所述车辆级域控制器VCU在同一硬件平台实现对车辆部件的控制、监视和诊断功能，所述车辆部件至少包括牵引模块、制动模块、门控模块和/或空调控制模块；所述车辆部件中多个功能模块可同时运行在所述硬件平台。

具体的，所述硬件平台采用一芯多系统融合主机，也就是说，本申请实施例的融合主机支持多个虚拟操作系统。

在其中一些实施例中，所述车辆级域控制器VCU的控制应用根据SIL等级(SafetyIntegrity Level，安全完整性等级)进行分区管理，每一分区内的控制应用按功能模块划分为若干不同的进程。

在其中一些实施例中，所述车辆级域控制器VCU配置有不同控制应用间的关键系统接口，车辆部件的功能模块以进程间通信方式通信或数据同步。

在其中一些实施例中，所述车辆级域控制器VCU预设有配置接口，用于读取和修改配置文件。

在其中一些实施例中，本申请的所述车辆级域控制器VCU满足列车信息安全需求和RAMS需求。其中，信息安全需求包括：通过风险分析，进行风险评估，并采取对抗措施；从机密性、完整性、可用性、不可否认性、认证、可审计等方面制定安全策略；具有抵抗Dos攻击、窃听和嗅探、中间人攻击等其他攻击的能力。RAMS需求包括：支持高可用性、高可靠性、高完整性通信；支持故障检测、故障处理指南、提供监视接口等可维护性功能；在不影响其他关键功能的基础上，进行功能扩展、修改。

在其中一些实施例中，所述专用快速运算单元包括：

制动快速运算单元BFCU(Brake Fast Calculation Unit)，用于快速运算并执行需要快速反应的制动控制，所述需要快速反应的制动控制包括：紧急制动控制、电制动切除控制、电制动防滑控制；

牵引快速运算单元TFCU(Traction Fast Calculation Unit)，用于快速运算并执行需要快速反应的牵引控制，所述需要快速反应的牵引控制包括：四象限控制、逆变器控制。

在其中一些实施例中，所述专用快速运算单元的部署采用就近部署原则。

在其中一些实施例中，所述通用IO模块的部署采用区域式集中部署原则和/或就近部署原则，具体的，区域式集中部署原则为集中部署于列车固定区域，如每节车辆左前、右前、左后、右后区域，以便于不同传感器的数据采集及线缆部署，降低线路复杂度。

第二方面，本申请实施例提供了一种轨道列车，所述轨道列车采用如上第一方面所述的列车电子电气架构。

在其中一些实施例中，二所述列车级控制器CCU分别部署于列车组首部车辆和/或尾部车辆，所述车辆级域控制器VCU和通用IO模块分别部署于每一列车车辆，所述信息安全设备部署于列车组首部车辆和/或尾部车辆。

相比于相关技术，本申请实施例提供的列车电子电气架构，针对整车电气架构进行了模块化、中心化的设计，将现有分布式的各子系统控制器作为功能模块融合成车辆级域控制器VCU，在域控制器中独立运行不同模块的控制逻辑，实现车辆级域控制器VCU、IO模块的高度集成和轻量化设计，减少车载电子设备的数量及复杂性，减少列车线缆数量，全面提高列车控制自动化、智能化和运营维护水平。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例的列车电子电气架构的示意图；

图2是根据本申请实施例的车辆级域控制器的架构示意图；

图3是根据本申请实施例的车辆级域控制器的逻辑功能示意图。

其中：

1、列车级控制器；2、车辆级域控制器；3、信息安全设备；4、通用IO模块；5、专用快速运算单元；51、制动快速运算单元；52、牵引快速运算单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

为解决上述问题，本发明基于软件定义列车的理念，提出一种轻量化、小型化及功能一体化的新一代列车电子电气架构，采用以功能为中心的方法，针对整车电气架构进行了模块化、中心化的设计，实现车辆级域控制器VCU、IO模块的高度集成和轻量化设计，将现有分布式的各子系统控制器融合成车辆级域控制器VCU，在域控制器中独立运行不同子系统的控制逻辑，减少车载电子设备的数量和复杂性，减少列车线缆数量，全面提升列车控制自动化、智能化和运营维护水平。

本申请实施例提供了一种列车电子电气架构。图1是根据本申请实施例的列车电子电气架构的示意图，如图1所示，该列车电子电气架构包括三层，第一层为列车级控制层，第二层为车辆级控制层，第三层为车辆级数据采集执行层。其中，列车级控制层包括至少二列车级控制器CCU1，车辆级控制层包括多个车辆级域控制器VCU2、多个信息安全设备3；车辆级数据采集执行层包括通用IO模块4、专用快速运算单元5及专用数据采集设备等部件。本领域技术人员可以理解，图1中示出的列车电子电气架构并不构成对具体应用的列车电子电气架构的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。下面结合图1对该列车电子电气架构的各个构成进行具体介绍。

列车级控制器CCU1用于列车级逻辑功能计算及通信，列车级控制器CCU1之间通过列车级网络总线通信连接，实现编组间信息交互。可选的，列车级网络总线可以是目前或未来列车适用的列车总线，在此不做详细列举。

多个车辆级域控制器VCU2，均集成有车辆部件的逻辑控制功能，以实现车辆级逻辑功能计算及控制，多个车辆级域控制器VCU2之间、列车级控制器CCU1与车辆级域控制器VCU2之间通过车辆级网络总线通信连接。基于前述配置，本申请实施例的车辆级域控制器VCU2具体用于基于同一硬件平台实现对车辆部件的控制、监视和诊断功能，该车辆部件至少包括牵引模块、制动模块、门控模块和/或空调控制模块。可选的，前述各功能模块的软件实现可采用操作系统虚拟化技术搭载于该硬件平台并可同时运行在硬件平台，对各功能模块的硬件部分可以基于现有车辆部件进行理解。

其中，该硬件平台采用一芯多系统融合主机，也就是说，本申请实施例的融合主机支持多个虚拟操作系统。基于上述结构，即便是牵引模块、制动模块、门控模块、空调控制模块采用多种不同的操作系统，如Linux、QNX、Vxworks等系统，也可同时运行在融合主机上，解决了现有架构中各子系统控制器独立运行于不同硬件平台造成的硬件成本高、维护难度高等问题，也便于现有各子系统控制功能应用的移植。如图2所示，本申请实施例的车辆部件将原有列车电子电气架构中制动系统、牵引系统、门系统及空调系统等系统的软件SW(Software)、硬件HW(Hardware)进行重新配置架构，在同一硬件HW上搭载运行不同模块的软件SW，将原有的多个子系统的多个独立控制器融合成一个车辆级域控制器VCU2，减少控制器数量，实现了软硬件解耦合，使得整车软件开发变得更多样化，更简单，也有利于智能列车功能的开发和升级。

信息安全设备3用于提升列车网络信息安全防护能力；具体的，信息安全设备3包括但不限于车载防火墙，安全审计设备，车载防火墙用于保护列车网络区域边界，安全审计设备用于审计内部网络设备事件。信息安全设备3配置为通过车辆级网络总线与车辆级域控制器VCU2通信连接。

通用IO模块4是将原有列车电子电气架构中具有相同逻辑功能的采集IO模块合并得到的，有效减少了IO模块的种类和数量。通用IO模块4用于采集数字量信号、模拟量信号及输出控制信号，并通过车辆级网络总线与车辆级域控制器VCU通信连接进行信号传输。利用通用IO模块4有效解决了现有列车电子电气架构中由于系统供应商不同导致的相同IO模块冗余的问题，避免了资源浪费。另外，通用IO模块4应用于轨道列车时，采用区域式集中部署原则和/或就近部署原则，其中，区域式集中部署原则为集中部署于列车固定区域，如每节车辆左前、右前、左后、右后区域，以便于不同传感器的数据采集及线缆部署，降低线路复杂度。

专用快速运算单元5用于处理及执行需要快速反应的车辆控制功能，如制动、牵引等功能。具体的，专用快速运算单元5包括：制动快速运算单元BFCU51，用于快速运算并执行需要快速反应的制动控制，该需要快速反应的制动控制至少包括：紧急制动控制、电制动切除控制、电制动防滑控制；牵引快速运算单元TFCU52，用于快速运算并执行需要快速反应的牵引控制，该需要快速反应的牵引控制至少包括：四象限控制、逆变器控制。另外，专用快速运算单元5部署于轨道列车时，采用就近部署原则，并通过车辆级网络总线与车辆级域控制器VCU2通信连接，以确保紧急状态下应急功能的执行效率，节省线缆成本。

专用数据采集设备包括用于执行数据采集的各类传感器，如温度传感器、速度传感器、加速度(震动)传感器等，以满足车辆整体设计需求，专用数据采集设备的具体种类选择及数量可根据实际需求灵活配置，在此不做赘述。专用数据采集设备通过车辆级网络总线与车辆级域控制器VCU2通信连接，将采集的数据传输给车辆级域控制器VCU2。

在其中一些实施例中，考虑到控制应用包括功能安全的应用和非功能安全的应用，参考图3所示，本申请实施例的车辆级域控制器VCU2的控制应用根据SIL等级进行分区管理，每一分区内的控制应用按功能模块划分为若干不同的进程。也就是说，一个分区可以包含具有相同SIL等级的不同进程，一个进程可以实现多项功能。

需要说明的是，本实施例的每个进程仅对自己申请共享内存中的信息具有读写权限，对其他进程申请的共享内存可具有只读权限，以实现不同功能模块间的通信。所有进程对系统的时间Clock、网络接口板卡NIC(Network Interface Card)、IO板卡(Input/OutputCard)、看门狗WDD(Watchdog Driver)等均有读写权限，以满足不同应用的功能需求。

基于上述结构，非功能安全应用的变更及升级不影响功能安全应用的逻辑及执行，减少因应用升级带来的对原有功能影响的验证工作量。另外，也可以确保不同控制应用的功能隔离、数据隔离，以支持系统健康管理和出错处理。

基于如上实施例，车辆级域控制器VCU2还配置有不同控制应用间的关键系统接口，车辆部件的功能模块以进程间通信方式通信或数据同步。在现有列车电子电气架构下，不同子系统间控制器需通过网络进行通信，如同一编组内牵引子系统和制动子系统通过车辆以太网总线或MVB总线进行通信，通信易受网络状态影响。而本申请实施例的列车电子电气架构，基于上述结构，不同功能模块的控制应用基于同一硬件平台运行，可采用共享内存、信号量等进程间通信方式，便于实现不同功能模块的通信和同步，降低网络状态对功能模块间的通信影响。

基于如上实施例，车辆级域控制器VCU2还预设有配置接口，用于读取和修改配置文件。基于该配置接口，本申请实施例的列车电子电气架构支持配置和管理服务，利于系统配置、复用及升级。同时，可灵活更改系统参数，如通信超时时间、冗余切换检测时间等参数，通过修改配置文件对应参数即可满足不同场景的需求，避免升级程序引入的验证工作，便于系统的配置及复用。

需要说明的是，本申请的车辆级域控制器VCU满足列车信息安全需求和RAMS需求(Reliability、Availability、Maintainability、Safety)。其中，信息安全需求包括：通过风险分析，进行风险评估，并采取对抗措施；从机密性、完整性、可用性、不可否认性、认证、可审计等方面制定安全策略；具有抵抗Dos攻击、窃听和嗅探、中间人攻击等其他攻击的能力。RAMS需求包括：支持高可用性、高可靠性、高完整性通信；支持故障检测、故障处理指南、提供监视接口等可维护性功能；在不影响其他关键功能的基础上，进行功能扩展、修改。

基于如上实施例，本申请采用车辆级域控制器VCU1和软件定义列车的理念，实现对控制器深度融合和软硬件分离，减少控制器数量和种类，减少最小可更换单元备品备件，减少车体布线、线束、电气连接器数量和车载电器柜尺寸，实现车辆控制器的高度集成和轻量化设计及统型需求，对智慧列车、智能运维、智能运行、智能监控提供重要的支撑。另外，本实施例基于车辆级域控制器VCU及通用IO模块4的整合实现轻量化、小型化的目标，尽可能把车上空间让给旅客。以CRH5型空调子系统为例，采用本实施例的列车电子电气架构后，单车空调子系统可以减少车体布线67根。

另外，本申请实施例还提供了一种轨道列车，该轨道列车用于实现上述实施例及优选实施方式的列车电子电气架构，已经进行过说明的不再赘述。

图1以列车组的形式示出了本申请的优选轨道列车的列车电子电气结构，图中，本申请优选实施例的列车组以8个车辆为例，4个车辆为一个编组，图示中列车组分为两个编组，每个编组有一对功能冗余的列车级控制器CCU1，每个车辆部署有车辆级域控制器VCU2，两个编组之间通过列车级控制器CCU1间的列车级网络总线通信连接，需要注意的是，不同编组间车辆级域控制器VCU2不能直接通信。具体的，二列车级控制器CCU1和信息安全设备3分别部署于列车组首部车辆和/或尾部车辆，车辆级域控制器VCU2和通用IO模块4分别部署于每一列车车辆。

另外，制动快速运算单元BFCU51、牵引快速运算单元TFCU52可按照动车组应用惯例部署，在此不做赘述，仅参考图1作为示例用于理解。参考图1，本实施例的制动快速运算单元BFCU51部署于每一列车车辆，牵引快速运算单元TFCU52分散间隔部署于每一列车编组。

基于上述结构，本申请实施例在车辆级范围内，提供本编组内列车级控制器与车辆级域控制器VCU2间通信通道，便于列车级控制器收集所在编组车辆信息。在列车级范围内，提供不同列车级控制器间通信通道，便于列车级控制器间交换不同编组车辆信息。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种列车电子电气架构，其特征在于，包括：列车级控制层、车辆级控制层及车辆级数据采集执行层，其中，

所述列车级控制层包括：至少二列车级控制器，用于列车级逻辑功能计算及通信，所述列车级控制器之间通信连接；

所述车辆级控制层包括：多个车辆级域控制器、多个信息安全设备，所述车辆级域控制器通过集成车辆部件的逻辑控制功能实现车辆级逻辑功能计算及控制，多个所述车辆级域控制器之间、所述列车级控制器与所述车辆级域控制器之间通信连接，所述车辆级域控制器在同一硬件平台实现对车辆部件的控制、监视和诊断功能，所述硬件平台采用一芯多系统融合主机；

所述车辆级数据采集执行层包括：通用IO模块、专用快速运算单元及专用数据采集设备；所述通用IO模块用于采集数字量信号、模拟量信号及输出控制信号；所述专用快速运算单元用于处理及执行需要快速反应的车辆控制功能，所述信息安全设备、通用IO模块、专用快速运算单元和/或专用数据采集设备与所述车辆级域控制器通信连接，其中，所述专用快速运算单元包括：

制动快速运算单元，用于快速运算并执行需要快速反应的制动控制，所述需要快速反应的制动控制包括：紧急制动控制、电制动切除控制、电制动防滑控制；

牵引快速运算单元，用于快速运算并执行需要快速反应的牵引控制，所述需要快速反应的牵引控制包括：四象限控制、逆变器控制。

2.根据权利要求1所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述车辆部件至少包括牵引模块、制动模块、门控模块和/或空调控制模块。

3.根据权利要求2所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述车辆级域控制器的控制应用根据安全完整性等级进行分区管理，每一分区内的控制应用按功能模块划分为若干不同的进程。

4.根据权利要求3所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述车辆级域控制器配置有不同控制应用间的关键系统接口，所述车辆部件的功能模块以进程间通信方式实现通信或数据同步。

5.根据权利要求3所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述车辆级域控制器预设有配置接口，用于读取和修改配置文件。

6.根据权利要求1所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述专用快速运算单元的部署采用就近部署原则。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的列车电子电气架构，其特征在于，所述通用IO模块的部署采用区域式集中部署原则和/或就近部署原则。

8.一种轨道列车，其特征在于，所述轨道列车采用权利要求1-7中任一项所述的列车电子电气架构。

9.根据权利要求8所述的轨道列车，其特征在于，二所述列车级控制器分别部署于列车组首部车辆和尾部车辆，所述车辆级域控制器和通用IO模块分别部署于每一列车车辆，所述信息安全设备部署于列车组首部车辆和尾部车辆。

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