CN114567656A - 一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铁路车载设备监测技术领域，尤其是一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置，通过对不同设备数据进行结构化治理，对不同数据内容实行不同数据结构，将所有数据可以高效通过FPGA和高速串行总线进行管理，达到车载设备间安全可靠传输的目的。本发明的优点是：实现各车载设备之间的网络隔离通信，减少总线混杂带来的数据错乱和网络冲突，可以及时有效实时分析设备状态，将现有车载设备通信方式进行改善，带来全新的通信方式；实现数据的高速传输，同时保证数据的流转安全；系统架构简单合理，使用方便，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及铁路车载设备监测技术领域，尤其是一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 。
背景技术
市域铁路具备通勤化、快速度、大运量的特征，市域铁路列控系统具备城市轨道交通的大运量行车能力、高等级自动化水平、较高的旅行速度和互联互通运营等需求。
目前国内现有车载设备运用问题较多，且前期设计的维护接口及信息量不满足现有维护使用，不同车型系统不完全一致，给修护和故障分析带来很大难度。一般动车组由拖车（T车）、带司机室的拖车（Tc车）、 带受电弓的动车（Mp车）和不带受电弓的动车（M车）组成。控制车辆运行的有多种车载设备，复杂度高，如列车控制和管理系统（Train Controland Management System，简称TCMS系统）、列车超速防护系统/自动控制系统（AutomaticTrain Protection/Operation，简称ATP/ATO系统）、机车综合无线通信设备(CabIntegrated Radio communication equipment, 简称CIR系统）及其他监测系统（接触网运行状态检测装置，简称3C）等。
多套系统的车载设备独立运行，数据种类较多，时间不同步，各自记录运行日志信息，出现设备故障时，因时间不同步，很难进行有效的综合分析；设备多且复杂，检修人员人工日常检修工作量大，难免由于经验不足产生失误，检修质量也具有很大随机性。若贸然将各系统连接在一起，不同系统间的网络隔离势必会造成相互影响，造成不可控因素，如图1市域铁路车载设备拓扑图所示。
车载TCMS 系统和3C系统均是使用网络作为数据传输通道，相互间无数据接口，现因车载监测装置需与各设备建立网络通信，设备连接后就形成了新的网络环路。如图1中虚线框所示。
随着车载设备逐步增加，设备间通信方式及数据安全显得尤其重要，如何通过一种有效的通信方式将各种不同车载设备相连接比较困难，需要做到既能高效数据传输，也要做到设备间隔离和数据安全传输，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，通过对不同设备数据进行结构化治理，对不同数据内容实行不同数据结构，将所有数据可以高效通过FPGA和高速串行总线进行管理，达到车载设备间安全可靠传输的目的。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，用于对铁路列车的各车载设备进行监测，各所述车载设备分别连接有控车设备，其特征在于：
包括车载设备监测主机，所述车载设备监测主机包括主控单元和若干接口单元，其中，若干所述接口单元分别具有与各控车设备相匹配的接口插板，所述车载设备监测主机通过各所述接口插板与对应的控车设备连接通讯；
所述主控单元的CPU插板与若干接口单元的各所述接口插板之间通过高速串行数据总线进行数据交互，同时，所述主控单元通过系统控制总线对各接口单元进行协议转换以及接口隔离；
若干所述接口单元分别设置有协议处理器和FPGA，其中所述协议处理器用于对外提供TCP/IP协议栈，所述FPGA用于对内提供所述系统控制总线的数据和控制，使所述车载设备监测主机与各车载设备之间均为一对一独立通信，实现各车载设备之间的网络隔离通信。
所述系统控制总线由地址码、CLK信号、INT信号、DIR信号、菊花链信号组成，所述系统控制总线用于裁决所述高速串行数据总线的使用权，即令若干所述接口单元按优先级使用所述高速串行数据总线。
按若干接口单元的优先级，在所述车载设备监测主机中以一定优先级次序配置若干所述接口单元。
所述高速串行数据总线由多组高速双向LVDS信号组成。
所述FPGA的内部通过采用双口RAM技术建立系统总线和协处理器端的双通道循环缓冲区。
所述车载设备具有GNSS插板，所述GNSS插板用于对所述车载设备监测主机的系统进行授时和定位。
所述接口插板包括CAN插板、ATO插板、TCR插板、SWITCH2插板、TCMS插板中的一种或两种及两种以上的组合。
所述车载设备监测主机的电源插板连接车载电源。
本发明的优点是：实现各车载设备之间的网络隔离通信，减少总线混杂带来的数据错乱和网络冲突，可以及时有效实时分析设备状态，将现有车载设备通信方式进行改善，带来全新的通信方式；实现数据的高速传输，同时保证数据的流转安全；系统架构简单合理，使用方便，适于推广。
附图说明
图1为市域铁路车载设备拓扑图；
图2为市域铁路智能车载监测系统架构图；
图3为本发明中车载设备监测主机的系统图；
图4为本发明中车载设备连接关系图；
图5为本发明中监测主机通讯图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
实施例：如图3至图5所示，本实施例中新型网络隔离通信的铁路车载设备监测装置用于对铁路列车上的各车载设备进行监测。
如图3所示，本实施例中车载设备监测装置主体包括车载设备监测主机，其设备工作原理如下：
车载设备监测主机的电源插板连接车载电源DC110V，把车载电源转换成主机使用的电源电压供整机系统工作。通过电源插板的设计可方便地将车载设备监测主机配置在现有各型号的铁路列车上，无需额外设置电源。
车载设备监测主机包括主控单元和多个接口单元，其中多个接口单元均设置有与其对应的车载设备所相匹配的接口插板，各设备与各接口板一一对应，相互独立。各接口插板与各控车设备单独通讯构成系统总线。当各车载设备接收到数据后，将接收端设备通信信息与地址码打包，转换为统一格式，传输给主控单元进行统一解析。
主控单元通过高速串行数据总线和各接口插板进行数据交互，并通过系统控制总线对将各单元进行协议转换并做接口隔离。
车载设备监测主机设置有GNSS插板，通过GNSS插板获取北斗卫星信号，进行系统统一授时和定位，避免各车载设备独立运行时因设备故障或精度误差等原因发生时间、位置不同步的问题。
在本实施例中，车载设备监测主机通过ATP插板与列控系统ATP/ATO设备通信（不同车型配置不同）；通过TCMS插板与TCMS设备通信；通过TCR插板采集轨道电路原始信号；通过SWITCH2插板给数据转储装置用POE供电，将采集的监控数据发送至主控单元进行汇总，并通过数据记录装置扩展网口接入司机室摄像头、操纵台摄像头、拾音器、线路摄像机等司机室及运行线路的音视频信息，采集的所有数据通过数据转储装置写入司机转储卡中；主控单元的CPU插板通过SWITCH2插板千兆以太网接口获取视频数据进行传输至总线，实现数据在各个车载设备间流转。
本实施例中的车载监测装置与被监测的车载设备实时通信，采集运行数据，数据采集后传输过程中主要实现的功能有：
（1）与ATP（ATO）、TCMS等车载设备通信获取实时运行数据，为车载设备的数据交互做电气接口转换和隔离网关作用。各接口单元均配置有FPGA和协议处理器，通过FPGA的可软件定制的电路特性，实现物理隔离技术，由带有多种控制功能专用硬件在电路上切断网络之间的链路层连接，并能够在网络间进行安全适度的应用数据交换的网络安全设备，它通过使内外部主机在任何时间都完全断开，对应用协议的剥离和重建，如图5所示。
（2）各接口插板与各车载设备单独通讯，数据接收后，将接收端设备通信信息与地址码统一打包，转换为统一格式，传输给主控单元进行统一解析。各设备与各接口板一一对应，相互独立，FPGA作为独立的控制电路保证每一端口上存在一个控制开关，当通信地址码不匹配时，断开开关，避免接收到不相关通信数据，以保证通信安全。
（3）车载设备监测主机内部由FPGA芯片实现系统总线控制和网络隔离方案（物理网闸），系统总线由高速串行数据总线和系统控制总线组成。各接口插板由协议处理器和FPGA组合实现。
协议处理器负责对外提供完整的TCP/IP协议栈；FPGA对内提供系统总线数据收发和控制。协处理器收到外部的TCP/IP协议包时，对数据进行解包，校验，转而调用TCP/UDP、ICMP或自定义的处理服务，解析出数据域部分，再重新封包，通过FPGA转发至主控单元的主处理器。主处理器收到这些网络数据后，对其进行内容过滤、身份验证、安全校验，同时完成协议剥离，获得原始通信数据，使得各车载系统与车载设备监测主机之间均为一对一通信，对外的其他系统仅为单一的网络接口，自行构建独特的链路域，进而实现不同车载设备系统间的完全隔离，并在TCP协议层阻断协议数据的转发，从而实现不同系统间的数据域路由转发，避免因该监测系统的接入，使不同系统的网络通道链接成环形网络，引起网络异常。
高速串行数据总线是由多组高速双向LVDS信号组成，负责CPU插板和其他接口插板高速数据交互，FPGA内部使用双口RAM技术建立系统总线和协处理器端的双通道循环缓冲区，数据交换速度以及数据的实时性得到了提高，满足了千兆网络级的应用。
在数据交互过程中，整个总线数据通过FPGA和高速串行总线来实现数据传输，对所有车载设备提供统一接口，所有在总线上的车载设备首先发起注册，根据各自信息在总线上形成不同注册信息，获得各自的数据收发编码，之后依据独立编码实现通信。系统控制总线由地址码、CLK信号、INT信号、DIR信号、菊花链信号组成，系统控制总线负责裁决高速串行数据总线的使用权，裁决数据的发起者和接受者。当DIR信号为高时，由CPU插板作为高速串行数据总线的使用者，其他接口插板由CLK信号和地址码判断数据传输的目标插板；当DIR信号为低时，由其他接口插板作为高速串行数据总线的使用者，接口插板需要发送数据时，拉低INT信号线，并将菊花链断开；CPU插板发起菊花链信号，接口插板收到菊花链信号时开始传输数据，数据传输完成后释放INT信号，并闭合菊花链信号，完成数据传输。
在传输过程中，各接口单元的优先级根据业务需要，在车载设备监测主机上从左至右配置，即从左至右各物理插槽的优先级自然降低。高优先级的接口插板，根据菊花链信号串联关系，优先得到数据传输权限。
本实施例中的车载设备监测主机为了实现对设备控制和数据分发准确可靠，由主控单元的CPU插板进行总线管理，设计采用二级缓冲机制，从硬件层面响应外部数据信号，达到尽快轮询获取下一设备的目的同时设置二级缓冲也是为了降低数据间耦合性，在总线内部对数据进行分类传输。在整个传输过程中，实现单入单出，保证数据流转安全。在操作过程中动态调整对FPGA响应，实现高速数据传输。数据发送时可以自动切换负载或忙等状态选择。
通过对不同设备数据进行结构化治理，对不同数据内容实行不同数据结构，将所有数据可以高效通过FPGA和高速串行总线进行管理，达到车载设备间安全可靠传输的目的。
本实施例在具体实施时：除了上述车载设备以外，若铁路列车上搭载有其他一些功能的设备及系统，也可通过在车载设备监测主机上设置相应的接口并按本实施例架构配置通信线路，以实现车载设备监测项目的拓展。
虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。
Claims (8)
1.一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，用于对铁路列车的各车载设备进行监测，各所述车载设备分别连接有控车设备，其特征在于：
包括车载设备监测主机，所述车载设备监测主机包括主控单元和若干接口单元，其中，若干所述接口单元分别具有与各控车设备相匹配的接口插板，所述车载设备监测主机通过各所述接口插板与对应的控车设备连接通讯；
所述主控单元的CPU插板与若干接口单元的各所述接口插板之间通过高速串行数据总线进行数据交互，同时，所述主控单元通过系统控制总线对各接口单元进行协议转换以及接口隔离；
若干所述接口单元分别设置有协议处理器和FPGA，其中所述协议处理器用于对外提供TCP/IP协议栈，所述FPGA用于对内提供所述系统控制总线的数据和控制，使所述车载设备监测主机与各车载设备之间均为一对一独立通信，实现各车载设备之间的网络隔离通信。
2.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述系统控制总线由地址码、CLK信号、INT信号、DIR信号、菊花链信号组成，所述系统控制总线用于裁决所述高速串行数据总线的使用权，即令若干所述接口单元按优先级使用所述高速串行数据总线。
3.根据权利要求2所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：按若干接口单元的优先级，在所述车载设备监测主机中以一定优先级次序配置若干所述接口单元。
4.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述高速串行数据总线由多组高速双向LVDS信号组成。
5.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述FPGA的内部通过采用双口RAM技术建立系统总线和协处理器端的双通道循环缓冲区。
6.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述车载设备具有GNSS插板，所述GNSS插板用于对所述车载设备监测主机的系统进行授时和定位。
7.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述接口插板包括CAN插板、ATO插板、TCR插板、SWITCH2插板、TCMS插板中的一种或两种及两种以上的组合。
8.根据权利要求1所述的一种网络隔离通信的铁路车载设备监测装置 ，其特征在于：所述车载设备监测主机的电源插板连接车载电源。
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