CN205068381U - 一种用于轨道交通的安全计算机平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于轨道交通的安全计算机平台，包括第一主机装置和至少一个第二主机装置、第一输入输出装置和至少一个第二输入输出装置和FlexRay总线，第一主机装置和第二主机装置分别与FlexRay总线相连接，从而实现第一主机装置和第二主机装置之间的数据通信；第一输入输出装置与FlexRay总线相连接，从而实现第一输入输出装置与第一主机装置及第二主机装置之间的数据通信；第二输入输出装置与FlexRay总线相连接，从而实现第二输入输出装置与第一主机装置及第二主机装置之间的数据通信。

Description

一种用于轨道交通的安全计算机平台

技术领域

本实用新型属于轨道交通信号领域，主要涉及一种基于FlexRay总线的安全计算机平台。

背景技术

随着计算机和网络技术的普及和深入，安全计算机在航空航天、军事军工、化工能源、轨道交通等安全苛求领域被广泛应用，特别是轨道交通信号领域，安全计算机对轨道信号保障起着至关重要的作用。

目前在轨道交通车载系统中，各类安全计算机，特别是列车运行监控系统(LKJ)、车载ATP系统和地面计算机连锁，都存在有多总线混合的情况，容易造成总线结构复杂、兼容性和稳定性较弱等缺点，也会对安全计算机的数据传输速率和工作效率产生影响，此外，目前列车所采用的安全计算机采用一体式的单元结构，各硬件单元都为固定连接，模块化较弱，导致安全计算机只能适用于特定的一类系统，当更换系统时，则需要对硬件进行整体地拆除和重新安装，可扩展性和通用性较差。

例如，国内机车大量装备使用的LKJ2000型列车运行监控系统，该系统存在CAN及VME两种混合总线，通用性及模块化都有所不足。图1示出了现有技术中LKJ2000型列车运行监控系统的网络拓扑结构，地面信息、通信插件及显示器采用CAN总线与监控主机进行数据交互，而数字入出、模拟入出等通过VME总线与监控主机进行数据交互，该系统存在总线繁多，通信速率较低，通用性较差等缺点，后续系统扩展困难。

实用新型内容

在轨道交通信号领域，目前亟待需要一种能够保证故障安全的安全计算机平台，其所输出的数据信息的安全性对于整个列车安全运行至关重要，既要满足故障安全特性又要保证具有较高的安全性和可靠性。在实际应用系统中，特别是列车运行监控系统、车载ATP系统和地面计算机连锁，需要进行大量数据采集及控制命令输出，数据通信量大，实时性和可靠性要求高，需要具有较高的工作效率。此外，在保证安全性及可靠性的前提下，还需要将安全计算机的设计模块化，方便组合、安装与更换，既可以提高扩展性和通用性，也可以提高可维护性。

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于FlexRay总线的安全计算机平台，在保证可靠性及安全性的前提下，提高数据传输速率及采集实时性，并且实现平台设计的标准化和模块化，通用性强，可广泛应用于轨道交通领域。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种用于轨道交通的安全计算机平台，包括第一主机装置和至少一个第二主机装置、第一输入输出装置和至少一个第二输入输出装置和FlexRay总线，其特征在于，

所述第一主机装置和所述第二主机装置分别与所述FlexRay总线通信连接；

所述第一输入输出装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及第二主机装置通信连接；

所述第二输入输出装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及第二主机装置通信连接。

优选的，所述安全计算机平台用于列车运行监控系统、车载ATP系统或地面计算机连锁。

优选的，所述第一主机装置具有二取二架构，包括第一处理器PA、第二处理器PB和第一数据合成模块PC，所述第一处理器PA和所述第二处理器PB之间进行数据交互和比较，所述数据合成模块PC对比较结果进行数据合成及对外的数据发送。

优选的，所述第二主机装置具有二取二架构，所述安全计算机平台具有二乘二取二架构，

所述第二主机装置包括第三处理器PD、第四处理器PE和第二数据合成模块PF，所述第三处理器PD和所述第四处理器PE之间进行数据交互和比较，所述数据合成模块PF对比较结果进行数据合成及对外的数据发送。

优选的，所述FlexRay总线采用总线型拓扑结构，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置分别连接到所述FlexRay总线上不同的网络结点。

优选的，所述FlexRay总线包括互为冗余的FlexRayA总线和FlexRayB总线，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置分别同时连接到所述FlexRayA总线和所述FlexRayB总线。

优选的，所述安全计算机平台还具有第一外部通信装置和至少一个第二外部通信装置；

所述第一外部通信装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及所述第二主机装置通信连接；

所述第二外部通信装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及所述第二主机装置通信连接；

所述第一外部通信中转装置和所述第二外部通信中转装置都具有可连接外部扩展设备的外部通信接口，所述第一主机装置以及所述第二主机装置通过所述第一外部通信中转装置及所述第二外部通信中转装置与所述外部扩展设备通信连接。

优选的，所述外部通信接口包括以太网、RS485/RS422或CAN通信接口中的一种或多种。

优选的，所述第一外部通信装置和/或所述第二外部通信装置为插件结构。

优选的，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和/或所述第二输入输出装置为插件结构。

优选的，所述安全计算机平台还具有插箱，所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置安装于所述插箱；

所述第一输入输出装置和第二输入输出装置分别具有插件代表部，所述插箱具有至少一个识别部，只有当所述插件代表部和所述识别部匹配时，所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置才会激活。

优选的，所述安全计算机平台还具有检测单元，所述检测单元定期检测所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置的插件运行状态；

当所述检测单元检测到所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置的插件均未插入、同时未激活或同时故障时，所述安全计算机平台导向安全侧。

优选的，所述安全计算机平台还具有插箱，所述第一输入输出装置安装于所述插箱，所述第一输入输出装置具有根据所述第一输入输出装置插件硬件在所述插箱中的位置设置的相应静态段发送时隙。

优选的，所述静态段发送时隙可用总数为65个。

与现有技术相比，本实用新型包括以下优点：

1.本实用新型采用基于FlexRay总线的网络架构，充分发挥FlexRay总线通信量大、通信速度高、通信稳定可靠、实时性强的特点，满足安全计算机平台的安全性和工作效率，并具有较好的稳定性和兼容性，有效简化了安全计算机平台总线结构。

2.本实用新型采用双机冗余的系统架构，能够实现故障主备切换，保证了安全计算机平台的安全性及可靠性。

3.本实用新型采用二取二架构的主机，能够保证主机对外输出数据的安全性和可靠性；整体系统采用二乘二取二冗余安全架构，能够实现主备故障切换，满足系统可靠性。

4.本实用新型采用总线型拓扑结构的FlexRay总线，使得总线结构简单，易于扩展，能有效控制成本；采用互为冗余的双总线结构，能够保证安全计算机平台的通信可靠性。

5.本实用新型采用可连接平台外部设备的中转装置和通信接口，可扩展性强，通用性高，可广泛应用于各类轨道交通信号系统。

6.本实用新型采用插件和插箱结构，实现了平台设计标准化、模块化，并可根据应用需要在系统最大能力范围内可任意组合输入、输出类型和数量，减少应用系统开发成本，可广泛应用于轨道交通信号系统，FlexRay总线根据插件在插箱中的位置设置静态段时间触发通信，可避免通信不确定延时，满足通信实时性，还可以对插件匹配度和运行状态进行识别和检测，能够确保插件的正确激活和运行，并进一步确保安全计算机平台的安全运行。

附图说明

本实用新型的以上实用新型内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的实用新型的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。

图1是现有技术的网络拓扑结构图；

图2是本实用新型一实施例的网络拓扑结构图；

图3是本实用新型一实施例的主机插件示意图；以及

图4是本实用新型一实施例的输入输出插件静态段发送时隙分配示意图

附图标记说明

1A：第一主机装置

2A：第二主机装置

1B：第一输入输出装置

2B：第二输入输出装置

1C：第一外部通信装置

2C：第二外部通信装置

PA：第一处理器

PB：第二处理器

PC：第一数据合成模块

PD：第三处理器

PE：第四处理器

PF：第二数据合成模块

具体实施方式

以下在具体实施方式中详细叙述本实用新型的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本实用新型的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本实用新型相关的目的及优点。

本实用新型提供了一种基于FlexRay总线的安全计算机平台，平台采用FlexRay总线作为主干网络，主机插件、通信插件及平台I/O模块通过两路冗余FlexRay总线进行数据交互，同时在通信插件预留RS422/RS485、CAN及以太网扩展通信接口。平台采用2乘2取2的冗余-安全架构，FlexRay双路冗余，主备故障切换技术，满足安全性和可靠性的要求；平台设计模块化，大大减少应用开发成本，可广泛应用于轨道交通领域。

参见图1，安全计算机平台具有由第一主机装置1A和第一输入输出装置1B构成的I系和由第二主机装置2A和第二输入输出装置2B构成的II系。第一主机装置1A、第一输入输出装置1B、第二主机装置2A和第二输入输出装置2B分别与FlexRay总线相连接。

第一输入输出装置1B将采集到的现场数据通过FlexRay总线传输至第一主机装置1A和第二主机装置2A。其中，第一输入输出装置1B可以包括I系安全频率量输入、I系安全模拟量输入、I系安全轨道信号处理、I系安全数字量输入和I系通用数字量输入等负责采集现场数据的模块，现场数据包括速度传感器频率信号等频率量数据、外部传感器输出的电流、电压信号等模拟量数据、外部轨道电路信号和外部继电器触点状态等数字量数据。第二输入输出装置2B将采集到的现场数据通过FlexRay总线传输至第一主机装置1A和第二主机装置2A，并且第二输入输出装置2B具有与第一输入输出装置1B相同的现场数据采集模块。第一主机装置1A和第二主机装置2A都能够对现场数据进行处理并产生相应的控制命令，并能够将控制命令通过FlexRay总线同时发送至第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B，第一输入输出装置1B可以包括I系安全数字量输出和I系通用数字量输出等负责接收控制命令的模块，每个模块分别解析并执行控制命令。第二输入输出装置2B可以具有与第一输入输出装置1B相同的模块，且现场数据和控制命令的传输过程也与第一输入输出装置1B相同。第一主机装置1A和第二主机装置2A通过FlexRay总线进行数据交互，使安全计算机平台能够实现双机冗余。通常默认I系作为主系，II系作为备系，正常情况下，只由主系主机同时对第一输入输出装置1C和第二输入输出装置2C输出控制命令，备系主机不输出控制命令，当主系主机故障时，备系主机将成为主系主机，实现故障主备切换功能。

本安全计算机平台可广泛应用于轨道交通领域各类车载及地面设备，包括车载ATP系统、地面计算机连锁、列车运行监控系统等，为其提供统一的软硬件平台，并可根据所安装的不同系统选择输入输出模块的数量和种类。

本安全计算机平台采用双机冗余的系统架构，能够实现故障主备切换，保证了安全计算机平台的安全性及可靠性。此外，本安全计算机平台还采用FlexRay总线构建网络架构，由于FlexRay是基于时间触发的通信协议，有更快的数据速率，更灵活的数据通信，更全面的拓扑选择和容错运算，FlexRay总线的数据速率最大可达到10Mbps，远高于CAN总线的最高性能极限1Mbps，因此本安全计算机平台还能充分利用FlexRay总线通信稳定可靠的特点，更高效地传输现场数据和控制命令。并且，本安全计算机平台可消除混合总线的兼容系较差和结构复杂的问题，同时也具有设计模块化、实时性高，通信速度快的特点，简化系统架构，降低了维护成本。

参见图2，I系中的第一主机装置1A还可进一步地采用二取二组合式安全结构。例如，第一主机装置1A由第一处理器PA、第二处理器PB和第一数据合成模块PC三个最小系统构成，其中第一处理器PA和第二处理器PB分别独立负责运算，且第一处理器PA和第二处理器PB之间能进行数据交互，实现二取二比较，当比较结果一致时，第一处理器PA发送数据、第二处理器PB发送校验数据至第一数据合成模块PC并由其进行数据合成，合成正确后由第一数据合成模块PC对外进行数据发送。二取二的主机结构能够保证主机对外输出数据的安全性和可靠性。

进一步的，第二主机装置2A也可以采用同第一主机装置1A相同的二取二组合式故障－安全结构，其由第三处理器PD、第四处理器PE和第二数据合成模块PF三个最小系统构成，与第一主机装置1A的各处理器和模块相同。第一主机装置1A和第二主机装置2A皆采用二取二结构，两个主机装置对外输出的数据经FlexRay总线交互，使整个安全计算机平台可实现二乘二取二架构，满足系统的安全性和可靠性。

进一步的，FlexRay总线可采用总线型拓扑结构，第一主机装置1A、第二主机装置2A、第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B分别连接至FlexRay总线的不同网络节点，使得总线结构简单，易于扩展，能有效控制成本。

进一步的，FlexRay总线还可采用互为冗余的FlexRayA总线和FlexRayB总线双总线结构，第一主机装置1A、第二主机装置2A、第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B分别同时连接到FlexRayA总线和FlexRayB总线，形成输入输出的安全冗余通信通道，能够确保安全计算机平台的通信可靠性。

进一步的，安全计算机平台还可选地在I系中具有第一外部通信装置1C并在II系中具有第二外部通信装置2C，第一外部通信装置1C和第二外部通信装置2C都与FlexRay总线相连接。第一外部通信装置1C和第二外部通信装置2C具有可以连接平台外扩设备的外部通信接口。平台外扩设备将采集到的外扩设备数据传送至第一外部通信装置1C和第二外部通信装置2C，第一外部通信装置1C和第二外部通信装置2C通过FlexRay总线分别将外扩设备数据转发至第一主机装置1A和第二主机装置2A，并通过FlexRay总线接收第一主机装置1A和第二主机装置2A的命令数据，并进一步将命令数据转发至平台外扩设备解析执行。通过设置可外接平台外扩设备的外部通信装置，安全计算机平台的可扩展性和通用性得到进一步提高。

进一步的，第一外部通信装置1C和第二外部通信装置2C的外部通信接口类型可以是以太网、RS485/RS422或CAN中的一种或多种。

进一步的，第一主机装置1A、第二主机装置2A、第一输入输出装置1B、第二输入输出装置2B、第一外部通信装置1C和/或第二外部通信装置2C都可以采用插件结构，方便安装与更换，安全计算机平台也可选地具有用于安装各插件的插箱(图中未示出)，其中，第一主机装置1A和/或第二主机装置2A的插件安装于控制插箱，第一输入输出装置1B的插件安装于第一插箱，第二输入输出装置2B安装于第二插箱，第一插箱和第二插箱相互独立。插件和插箱的结构实现了平台设计标准化、模块化，并可根据应用需要在系统最大能力范围内可任意组合输入、输出类型和数量，减少应用系统开发和维护成本。

进一步的，第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B还分别具有插件代表部(图中未示出)，插箱设置有至少一个识别部(图中未示出)，只有当所述插件代表部和所述识别部匹配时，所述第一输入输出装置1B和所述第二输入输出装置2B才会激活。较佳的是，第一输入输出装置1B的插件代表部与第一插箱的识别部进行匹配识别，第二输入输出装置2B的插件代表部与第二插箱的识别部进行匹配识别。插件代表部和识别部可以是机械式的，例如防插错齿头和防插错齿塞、钥匙和锁孔等，也可以是电子式的，例如电子式互感器、位置匹配的光传感器和挡板等。采用插件代表部和识别部，能够有效防止插件插错引起的插件错误运行，提升了安全计算机平台的运行安全度。

进一步的，安全计算机平台还可选的具有检测单元(图中未示出)，该检测单元定期检测第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B的插件运行状态，并当检测单元检测到第一输入输出装置1B和第二输入输出装置2B的插件均未插入、同时未激活或同时故障时，安全计算机平台导向安全侧。导向安全侧操作可以包括停止命令接收与输入采集、断开输出回路、停止对外安全通信等，能够确保插件的正确激活和运行，并进一步确保安全计算机平台的安全运行。

进一步的，FlexRay总线通信采用静态段时间触发方式，第一输入输出装置1B具有根据插件硬件在所述插箱中的位置设置的相应静态段发送时隙。较佳的是，第一输入输出装置1B根据其插件硬件在第一插箱中的位置设置相应的静态段发送时隙，第二输入输出装置2B根据其插件硬件在第二插箱中的位置设置相应的静态段发送时隙，且第一插箱中的I系各插件与第二插箱中的II系各插件的时隙设置互相独立。各输入输出插件在设定的静态段发送时隙进行数据发送，通信中转装置采用静态段剩余时隙向所有接入的输入输出插件发送数据，可避免通信不确定延时，满足通信实时性。

进一步的，FlexRay总线网络静态时隙可用总数优选地设置为65个，优选的发送时隙设置原则如图3所示，第一插箱上的19个板位依次设置不同的静态段发送时隙，同样的，第二插箱上的19个板位依次对应不同的静态段发送时隙，两插箱独立，互不影响，当输入输出插件插入所述板位时，则插件根据该板位所对应的静态段发送时隙进行设置。

这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本实用新型并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。

同样，需要指出的是，虽然本实用新型已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，在没有脱离本实用新型精神的情况下还可做出各种等效的变化或替换，因此，只要在本实用新型的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种用于轨道交通的安全计算机平台，其特征在于，包括第一主机装置和至少一个第二主机装置、第一输入输出装置和至少一个第二输入输出装置和FlexRay总线，其特征在于，

所述第一主机装置和所述第二主机装置分别与所述FlexRay总线通信连接；

所述第一输入输出装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及第二主机装置通信连接；

所述第二输入输出装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及第二主机装置通信连接。

2.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台用于列车运行监控记录装置、车载ATP系统或地面计算机连锁。

3.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述第一主机装置具有二取二架构，包括第一处理器PA、第二处理器PB和第一数据合成模块PC，所述第一处理器PA和所述第二处理器PB之间进行数据交互和比较，所述数据合成模块PC对比较结果进行数据合成及对外的数据发送。

4.根据权利要求3所述的安全计算机平台，其特征在于，所述第二主机装置具有二取二架构，所述安全计算机平台具有二乘二取二架构，

所述第二主机装置包括第三处理器PD、第四处理器PE和第二数据合成模块PF，所述第三处理器PD和所述第四处理器PE之间进行数据交互和比较，所述数据合成模块PF对比较结果进行数据合成及对外的数据发送。

5.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述FlexRay总线采用总线型拓扑结构，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置分别连接到所述FlexRay总线上不同的网络结点。

6.根据权利要求1或5所述的安全计算机平台，其特征在于，所述FlexRay总线包括互为冗余的FlexRayA总线和FlexRayB总线，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置分别同时连接到所述FlexRayA总线和所述FlexRayB总线。

7.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台还具有第一外部通信装置和至少一个第二外部通信装置；

所述第一外部通信装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及所述第二主机装置通信连接；

所述第二外部通信装置与所述FlexRay总线相连接，并通过所述FlexRay总线与所述第一主机装置及所述第二主机装置通信连接；

所述第一外部通信中转装置和所述第二外部通信中转装置都具有可连接外部扩展设备的外部通信接口，所述第一主机装置以及所述第二主机装置通过所述第一外部通信中转装置及所述第二外部通信中转装置与所述外部扩展设备通信连接。

8.根据权利要求7所述的安全计算机平台，其特征在于，所述外部通信接口包括以太网、RS485/RS422或CAN通信接口中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的安全计算机平台，其特征在于，所述第一外部通信装置和/或所述第二外部通信装置为插件结构。

10.根据权利要求1所述的安全计算机平台，其特征在于，所述第一主机装置、所述第二主机装置、所述第一输入输出装置和/或所述第二输入输出装置为插件结构。

11.根据权利要求10所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台还具有插箱，所述第一输入输出装置和第二输入输出装置安装于所述插箱；

所述第一输入输出装置和第二输入输出装置分别具有插件代表部，所述插箱具有至少一个识别部，只有当所述插件代表部和所述识别部匹配时，所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置才会激活。

12.根据权利要求11所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台还具有检测单元，所述检测单元定期检测所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置的插件运行状态；

当所述检测单元检测到所述第一输入输出装置和所述第二输入输出装置的插件均未插入、同时未激活或同时故障时，所述安全计算机平台导向安全侧。

13.根据权利要求10所述的安全计算机平台，其特征在于，所述安全计算机平台还具有插箱，所述第一输入输出装置安装于所述插箱，所述第一输入输出装置具有根据所述第一输入输出装置插件硬件在所述插箱中的位置设置的相应静态段发送时隙。

14.根据权利要求13所述的安全计算机平台，其特征在于，所述静态段发送时隙可用总数为65个。