JP4856687B2 - 情報伝送システム - Google Patents
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Description
図1を参照して、本発明の実施の形態に係る鉄道車両内における情報伝送システムのネットワークの構成について説明する。各車両(1号車10a、2号車10b、3号車10c、・・・)には、NCP(Network Control Processor、伝送制御装置)が1系および2系の2台ずつ設置される。そして、各NCP1(1系NCP11、2系NCP21)は、各車両に渡って2系統設けられた車上ネットワークである基幹伝送路N(1系基幹伝送路1N、2系基幹伝送路2N)に接続される。
なお、本実施の形態の説明において、1系または2系の構成要素を示すときは、例えば、「1系NCP11」や「2系NCP21」のように記載し、1系や2系を問わず一般的に構成要素を説明するときは、例えば、「NCP1」のように記載する。
図2を参照して、本発明の実施の形態に係る1台の車両におけるNCPとその周辺の構成について説明する。
まず、NCP1の構成およびその周辺について説明する。NCP1は、スイッチングハブ2、制御情報伝送部3およびメディア情報伝送部4から構成される。
図2に示すように、基幹伝送路Nの伝送データは、各車両を通過するごとにNCP1のスイッチングハブ2を経由する。スイッチングハブ2は、受信したフレームをストア&フォワードで再生中継する。スイッチングハブ2間の伝送距離は、1車両分の約20mとなる。この値は、Ethernet(登録商標)の100Base−TXの規格である100mより十分短い。このため、長距離伝送による信号の劣化は問題とならない。また、Ethernet(登録商標)の規格では、リピータハブと異なり、スイッチングハブ2は、接続台数に制限がない。したがって、列車の編成全体にわたる長距離伝送が可能である。
メディア情報伝送部4は、情報機器6との送受信を処理する。また、情報機器6からの妨害や誤った情報伝送のために制御情報の伝送が妨げられることがないように、メディア情報伝送部4にはファイアウォール機能を持たせる。これもCPUのプログラム処理によって実現することとし、基幹伝送路N(スイッチングハブ2)と情報機器6とに接続する2つのEthernet(登録商標)ポートを設ける。具体的なファイアウォール機能としては、情報機器6からの情報をスイッチングハブ2に出力するときに、その情報をチェックして、メディア情報ではない情報、例えば制御情報と同様のものは破棄してスイッチングハブ2に出力しないようにする。情報の種類の判定には、情報の一部に書き込まれた識別子(Ethernet(登録商標)を用いた場合には、アドレスとポート番号など)を用いる。ここで、情報機器6は、例えば、車内の乗客や乗務員向けの案内表示機器や音声送受信機器などである。
なお、鉄道車両内における機器の設置スペースは限られており、空いたスペースに柔軟に機器を配置できるようにする。このために、NCP1のメディア情報伝送部4、スイッチングハブ2および制御情報伝送部3、ならびに機器制御装置5は、シリアルバス(ネットワーク)によって接続される。従来のパラレルバスによる接続の場合、多数の信号線により情報を送受信するため、各機器を離して設置することが不可能であったが、シリアルバスでは少ない信号線で機器間の情報伝送が可能であり、各機器を離れた場所に設置することが可能となる。この場合、従来と同じように一箇所に集中設置することも可能である。
1系機器制御装置15および2系機器制御装置25は、車両機器31に接続される。これによれば、車両機器31は、2系統の機器制御装置5から制御が可能であり、一方の機器制御装置5が故障しても制御を行うことができる。
基幹伝送路Nは、スイッチングハブ2が多数個直列に接続された構成となっている。このため、フレームがスイッチングハブ2を通過する際の遅速が、基幹伝送路Nの遅延時間となる。スイッチングハブ2は、ストア&フォワード方式で動作するため、フレームが通過する際にフレーム長分の遅延が発生する。また、他のフレームを同じポートから既に送信中の場合には、送信完了まで待たされるため、この分の遅延も生じる。
遅延時間はフレーム長に依存するため、まず、伝送データの種類についてまとめる。図3に、情報伝送システムにおける制御情報の種類とデータ量を示す。正確なデータ量は機器構成によっても変わるが、図3の値は、車両制御や保守情報収集のために必要な標準的な情報量である。これらはすべてUDP/IP(User Datagram Protocol / Internet Protocol)で伝送するものとし、データ量には、MACヘッダ(CRCデータを含めて22バイト)、IPヘッダ(20バイト)およびUDPヘッダ(8バイト)の合計50バイトも含まれている。この中でリアルタイム性が強く要求されるのは、10ms周期データおよび音声データである。10ms周期データでは、車両機器31であるインバータやブレーキへの制御指令などの列車の安全性に係る制御情報が伝送される。また、音声データは、事故などが発生した場合であっても乗客と乗務員との間のコミュニケーションを可能とするために、リアルタイム性が要求される。
=(1518+1522+314)バイト×8ビット/100Mbps
= 268.32μS/端末局
以上のようなスイッチングハブの優先処理によって、制御情報のリアルタイム性を損なうことなく、メディア情報との同時伝送を実現することができる。
以上説明した制御情報のリアルタイム性を確保する実施の形態とは別の観点から、情報伝送における遅延時間とその対応について説明する。
基幹伝送路Nに対するバスアクセス方式としてスイッチング方式を用いた場合、スイッチングハブ2においてフレームを全て受信してから転送するため、ストア&フォワード方式となる。この場合、衝突の問題やスイッチングハブ2の台数の制約はなくなる。しかし、フレームを一旦受信してから中継するため、フレーム長分の遅延が発生する。10MbpsのEthernet(登録商標)の最小フレームサイズは64バイト、その最大フレームサイズは1518バイトであり、フレームの受信に要する時間はそれぞれ0.05ms、1.2msである。この遅延は、スイッチングハブ2を経由する(車両を通過する)ごとに発生する。また、複数のノードが同時にデータを送信した場合には、優先度が同じであるとき先着順に処理されるため、後着のデータは先着のデータが送出されるまでの時間の遅延が発生する。
また、ストア&フォワード方式の長所として、スイッチングハブ2がフレームの整合性(図5のCRC(Cyclic Redundancy Check)データによる)をチェックするため、エラーフレームが基幹伝送路Nを不用意に流れることを防止できる。
(a)ノード数は10とする(8両編成で、両端の各車両に2ノードある)。
(b)データ長(ヘッダを含む)は、制御情報が114バイト(0.01ms)、保守データ(車両機器31からの障害情報など)が1522バイト(0.12ms)とする。
(c)各ノードにおいて、制御情報の直前に、同一優先度の保守データを送信するものとする。
仮定(c)は、実際の保守データの発生頻度を考えると必ずしも現実的ではないが、伝送量の最大ケースとして考慮する。また、メディア情報については優先度が低いため考慮しないものとする(正確にはわずかな遅延が発生するが、優先処理を行うため大きな影響はない)。
制御情報の直前に送信される保守データによる遅延は、伝送経路の中間に位置するノードごとに発生するため、0.12(ms)×8(ノード)=0.96msとなる。
したがって、遅延の最小値は0.1ms、最大値は1.06msとなる。これは、NCP1のスイッチングハブ2において発生する遅延時間である。実際には、これに送信側と受信側のそれぞれにおけるNCP1の制御情報伝送部3および機器制御装置5の処理遅延が加算される。制御情報伝送部3では、フレームを受信してCPUによるプログラム処理を行う。このときの遅延は数百μs程度となるが、ここでは大きめに1msと仮定する。また、機器制御装置5は10msの周期処理を行っており、最大この周期分の遅延が発生する。以上から、送信側の機器制御装置5から受信側の機器制御装置5までの伝送遅延は、1.06+(1+10)×2=23.06ms(最大値)となる。
各NCP1は、2系統の基幹伝送路Nに接続され、障害時には自律的に迂回制御することにより高信頼性を確保する。図7を参照して、その迂回制御について説明する(適宜図2参照)。図7には、基幹伝送路Nの2箇所に断線が発生した場合の1号車10aからのデータの伝送経路を示す。図中の×印が断線箇所である。データの送信元である1号車10aの1系NCP11は、2系統の基幹伝送路N、すなわち、1系基幹伝送路1Nおよび2系基幹伝送路2Nに同じデータを常時送信する。各NCP1の制御情報伝送部3は、これらを2系統の基幹伝送路Nから受信し、自局と同じ系統の基幹伝送路Nから受信したデータを機器制御装置5に伝送し、もう一方のデータは通常破棄する。基幹伝送路Nに障害が発生して、一方の基幹伝送路Nで伝送が途切れた場合には、他方の基幹伝送路Nで受信したデータを機器制御装置5に伝送すると共に、そのデータを伝送が途切れた方の基幹伝送路Nヘ中継(送信)する。図7の場合、2号車10bの2系NCP21は、2系基幹伝送路2Nから伝送が途絶えたことを検知して、1系基幹伝送路1Nで受信した1号車10aのデータを2系基幹伝送路2Nに中継する。同様に、3号車10cの1系NCP11は、2系基幹伝送路2Nから1系基幹伝送路1Nに1号車10aのデータを中継する。
これによって、基幹伝送路Nに障害が発生しても、数十msで隣接したNCP1が自律的に迂回制御することが可能であり、車上ネットワークに要求される信頼性を確保できる。
2 スイッチングハブ
3 制御情報伝送部
4 メディア情報伝送部
5 機器制御装置
6 情報機器
N 基幹伝送路(車上ネットワーク)
11 1系NCP(伝送制御装置)
12 1系スイッチングハブ
13 1系制御情報伝送部
14 1系メディア情報伝送部
15 1系機器制御装置
16 1系情報機器
1N 1系基幹伝送路(車上ネットワーク)
21 2系NCP(伝送制御装置)
22 2系スイッチングハブ
23 2系制御情報伝送部
24 2系メディア情報伝送部
25 2系機器制御装置
26 2系情報機器
2N 2系基幹伝送路(車上ネットワーク)
31 車両機器
Claims (3)
- 連結された複数の鉄道車両の間で車両機器に係る複数種類の制御情報を含んでデータの伝送を行う情報伝送システムであって、
前記複数の鉄道車両をデータ伝送可能に接続する1系伝送路と、前記複数の鉄道車両をデータ伝送可能に接続する2系伝送路と、
各車両に配置され前記1系伝送路を用いて隣接車両の1系伝送制御装置とデータ伝送を行う1系伝送制御装置と、各車両に配置され前記2系伝送路を用いて隣接車両の2系伝送制御装置とデータ伝送を行う2系伝送制御装置と、
同一の車両に配置される前記1系伝送制御装置と前記2系伝送制御装置とをデータ伝送可能に接続する系間伝送路と、を備え、
前記車両機器は、同一の車両に配置される前記1系伝送制御装置と前記2系伝送制御装置とにデータ伝送可能に接続され、
前記1系伝送制御装置および前記2系伝送制御装置のそれぞれは、
自身の系の前記伝送路を用いて隣接車両の前記伝送制御装置との間で、前記複数種類の制御情報をそれぞれの種類ごとに固有の伝送周期で伝送し、
自身の系の前記伝送路によって他の車両から伝送されるべき前記固有の伝送周期が比較的短い種類の前記制御情報を、当該種類の固有の伝送周期よりも長い所定時間、自身の系の前記伝送路から受信しない場合に、前記系間伝送路から受信した自身の系とは異なる系で伝送された当該種類の前記制御情報を、自身の系の前記伝送路を介して隣接車両の伝送制御装置へ中継送信する迂回制御を、当該制御情報の伝送方向下流であって当該他の車両に近接する順に試みる
ことを特徴とする情報伝送システム。 - 請求項1に記載の情報伝送システムであって、
前記伝送制御装置のそれぞれが、前記所定時間が経過してから前記迂回制御を試みるまでの待ち時間は、受信しなかった前記当該種類の前記制御情報の送信元となる前記伝送制御装置が配置されている前記当該他の車両との距離が小さいほど短く設定される
ことを特徴とする情報伝送システム。 - 請求項2に記載の情報伝送システムであって、
それぞれの前記伝送制御装置は、前記待ち時間が経過するまでに前記受信しなかった前記当該種類の前記制御情報を自身の系の前記伝送路から受信した場合は、前記迂回制御の試みを取りやめる
ことを特徴とする情報伝送システム。
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