JP5836539B2 - 通信装置および車両伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、列車において、列車搭載機器のモニタ機能や制御機能を実現するためのデータを送受信する車両伝送システムを構成する通信装置に関する。
列車における車両伝送システムに関する技術仕様が記載された文献として、下記の非特許文献1が存在する。
非特許文献1は、異なるメーカ製の編成間において相互接続性を実現するために、編成間を接続するイーサネット(登録商標)方式の基幹伝送を定義した仕様である。この文献には固定編成間でデータを通信するための通信装置(ETBN:Ethernet(登録商標) Train Backbone Node)の信頼性を向上させるための技術として、ETBNの冗長化について記載されている。
また、非特許文献1には、ETBNの冗長化を実現する方法の1つとして、暗示的に、IETF(Internet Engineering Task Force) RFC(Request For Comments) 5798 VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)を使用することが記載されている。
VRRPによってETBNを冗長化した場合、マスターとして動作するETBN(ETBN Master)は、死活監視用のフレーム(VRRP Advertisement)を周期的に送信する。一方、バックアップとして動作するETBN(ETBN Backup)は、死活監視用のフレーム(以下、死活監視フレーム)を一定時間受信しない場合、マスターとして動作中のETBNが故障したと判断し、自身がマスターとなって動作を開始する。
VRRPによってネットワーク機器を冗長化する発明は、例えば特許文献1に記載されている。
特開2007−312091号公報
IEC61375 2−5
非特許文献1に従えば、車両伝送システムは、固定編成内に形成された支線ネットワーク(ECN:Ethernet Consist Network)と、ETBNにより形成された、ECN同士を接続する基幹ネットワーク(ETB:Ethernet Train Backbone)とを含んで構成され、異なるECNに属している機器同士は、ETBNおよびETBを介して通信する。冗長化されたETBNのマスターは、バックアップに対してECN経由で死活監視フレームを送信することによりバックアップ側がマスター側の故障を検知できるようにしている。
しかしながら、バックアップ動作中のETBNにおいてECNに接続されたポートが故障した場合、マスター動作中のETBNが正常であっても、死活監視フレームを受信できないために故障発生と判断し、それまでバックアップだったETBNがマスターとして動作を開始してしまうという問題があった。このようなケースでは、マスターとして動作を開始したETBNが、ETB経由で他のECNから受信したフレームを故障したポートに中継してしまい、フレーム廃棄が発生するので問題となる。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、基幹ネットワーク(ETB)と支線ネットワーク(ECN)を接続する通信装置(ETBN)が冗長化された構成の車両伝送システムにおいて、冗長化された通信装置のバックアップ側によるマスター側の故障検出精度を向上させることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、固定編成が連結された状態の列車において、固定編成内に形成された支線ネットワークの間で信号を中継する基幹ネットワークを冗長化された他の通信装置とともに形成する通信装置であって、マスターとして動作中は死活監視フレームを支線ネットワーク経由でバックアップとして動作中の他の通信装置へ周期的に送信し、バックアップとして動作中はマスターとして動作中の他の通信装置から送信された死活監視フレームを支線ネットワーク経由で受信する死活監視フレーム処理部と、支線ネットワークが接続されているポートの故障検知を行うポート故障検知部と、バックアップとして動作中に、前記死活監視フレーム処理部での死活監視フレーム受信結果および前記ポート故障検知部での故障検知結果に基づいて、マスターとして動作中の他の通信装置の故障検知を行う死活判定部と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、バックアップとして動作中の通信装置がマスターとして動作中の通信装置の故障検出を精度良く行うことができる、という効果を奏する。
図1は、車両伝送システムを構成するECN、ETBおよびETBNの接続関係の一例を示す図である。 図2は、車両伝送システムを構成するETBNの動作例を示す図である。 図3は、従来の車両伝送システムにおける問題点の一例を示す図である。 図4は、本発明にかかる車両伝送システムを適用した列車情報管理装置の構成例を示す図である。 図5は、ETBNの構成例を示す図である。 図6は、ETBNの特徴的な動作を説明するための図である。 図7は、ETBNマスターに対する故障判定方法を示す図である。
以下に、本発明にかかる通信装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態.
本実施の形態では、異なる固定編成内にそれぞれ形成されている支線ネットワーク(ECN)の間で信号を中継する通信装置(ETBN)が冗長化された車両伝送システムにおける前記通信装置について説明する。
ここで、ETBNが冗長化された従来の車両伝送システムが有している問題点について、図1〜図3を参照しながら詳しく説明する。
図1は、車両伝送システムを構成するECN、ETBおよびETBNの接続関係の一例を示す図であり、列車編成との対応関係を併せて記載している。
固定編成#1(Consist#1)にはECN#1が形成され、固定編成#2(Consist#2)にはECN#2が形成されている。ECN#1および#2は、固定編成#1および#2にわたって形成されているETBに接続されている。固定編成#1には、ECN#1とETBの間で信号を中継するETBN#1およびETBN#2が設置されている。また、固定編成#2には、ECN#2とETBの間で信号を中継するETBN#3およびETBN#4が設置されている。これらのETBNのうち、ETBN#1および#3がマスターのETBNとして動作し、残りのETBN#2および#4はバックアップのETBNとして動作する。すなわち、同じECNに接続されているETBNの中の1台がマスター、残りがバックアップとして動作することにより、同じECNに接続されている複数(図1の構成例では2台)のETBNが、論理的に1台のETBNとして振舞う。ECN#1および#2には図示を省略した列車搭載機器(例えば、列車情報管理システムの中央装置、空調装置、照明装置、ブレーキ装置など)が接続されている。同じECNに接続されている列車搭載機器同士はECN経由で通信を行う。異なるECNに接続されている列車搭載機器同士は、ECNおよびETBを経由して通信を行う。図1に示した構成例の場合、例えば、ECN#1に接続されている第1の列車搭載機器がECN#2に接続されている第2の列車搭載機器へデータを送信する場合、データ伝送経路は、第1の列車搭載機器→ETBN#1→ETBN#2→ETBN#3→第2の列車搭載機器、となる。ETBN#2はバックアップとして動作中においても、ETBN#1と#3の間で送受信される信号の中継処理は実施する。
図2は、図1に示した車両伝送システムを構成するETBNの動作例を示す図である。図2では、一例として、ETBN#1およびETBN#2の動作を示している。マスター(ETBN Master)であるETBN#1は、バックアップ(ETBN Backup)であるETBN#2に対し、死活監視フレーム(VRRP Advertisement)を一定周期(秒単位)で送信する。また、ETBN#1は、例えばECN#2の通信機器#2がECN#1の通信機器#1宛に送信したフレームをETBN#2経由でECN#2側のETBN#3(マスター)から受信した場合、ECN#1へ中継する。これとは逆に通信機器#1から通信機器#2宛のフレームを受信した場合、ETBN#1はETBN#2経由でETBN#3へ中継する。一方、バックアップ動作中のETBN#2は、ETBN#1からの死活監視フレームの受信を監視することにより、ETBN#1の死活(正常に動作しているか否か)を判別する。具体的には、死活監視フレームの送信周期よりも長い一定時間にわたって死活監視フレームが受信できない場合、ETBN#1が故障したと判断する。ETBN#2は、バックアップ動作中はECN#1とETBの間での中継処理(ECN#1からETBへの中継、ETBからECN#1への中継)を行わない。ただし、ETB内での中継、すなわち、ETBN#1とETBN#3の間での中継処理は行う。
図3は、従来の車両伝送システムにおける問題点の一例を示す図である。図示したように、従来の車両伝送システムでは、バックアップ動作中のETBN#2においてECN#1が接続されているポートが故障した場合((1)障害発生)、ETBN#1からの死活監視フレームが受信できなくなる。その結果、故障発生から一定時間が経過すると、ETBN#2は、マスターとしての動作を開始する。すなわち、ETBN#2は、ECN#2の通信機器#2がECN#1の通信機器#1宛に送信したデータをETBN#3から受信した場合、受信データをETBN#1へ中継することなくECN#1へ転送するようになる((2)、(3))。しかし、ECN#1が接続されたポートは故障しているため、そこでデータが廃棄されてしまう((4))。
以上のように、従来の車両伝送システムにおいては、バックアップ動作中のETBNでECNが接続されたポートが故障すると、マスターとしての動作を開始してしまうという問題があった。また、ECNが接続されたポートが故障したETBNがマスターとして動作すると、異なるECNに接続された機器同士が通信できなくなるという問題があった。
次に、上記問題を解決可能な本実施の形態の車両伝送システムを説明する。
図4は、本発明にかかる車両伝送システムを適用した列車情報管理装置の構成例を示す図である。図示した列車情報管理装置は、車両10A1〜10Amからなる固定編成#1と車両10B1〜10Bnからなる固定編成#2が連結された列車の各車両に搭載された各種機器により構成されている。各車両には、端末装置12および複数の列車搭載機器13(以下、機器13と記載する)が搭載され、各固定編成の先頭車両(車両10A1、10Am、10B1および10Bn)には中央装置11が搭載されている。機器13は、例えば、空調装置、照明装置、表示装置、ブレーキ装置などである。固定編成#1と#2が連結されたことにより列車の中間に位置することになった先頭車両(車両10Amおよび10B1)には、本発明にかかる通信装置であるETBN20(ETBN20A、20B)がさらに搭載されている。このETBN20は、ECN#1とECN#2を接続する基幹ネットワーク(ETB)を形成している。各固定編成のETBN20は二重化されており、一方がマスター、他方がバックアップとして動作する。なお、二重化されたETBN20は、図示した車両とは異なる車両に搭載してもよい。2台のETBNをそれぞれ異なる車両に搭載してもよい。つまり、固定編成内で二重化されていればよく、搭載位置については規定しない。また、本実施の形態ではETBNを二重化した例について説明するが、ETBNをさらに冗長化した構成としても構わない。また、本実施の形態では二重化されたETBN20と中央装置11を別構成としているが、これらを一体構成としても構わない。
中央装置11は、図示しない主幹制御器(マスコン)等の制御操作装置と接続され、列車識別情報、列車位置情報、列車運行情報、および列車指令情報等の列車情報の入出力処理を行う。
端末装置12は、各中央装置11から出力された制御情報などを含むデータを各機器13に対して送信すると共に、各機器13から出力されたデータを収集し各中央装置11に対して送信する。このように端末装置12は、相互に連携して列車情報を収集、共有する。なお、各機器13から出力されたデータには、当該データの送信先(中央装置11)を示す情報、送信元機器を識別するための機器ID、および機器13の動作状態情報(例えば、空調の現在温度、VVVFの出力など)が含まれているため、各機器13からのデータを受信した中央装置11は、どの機器から送信された動作状態情報であるかを識別することが可能である。
ETBN20は、マスターとして動作している場合、ECNから受信した信号をETBへ中継するとともに、ETBから受信した信号をECNへ中継する。また、死活監視フレーム(VRRP Advertisement)をECN経由でバックアップ動作中のETBN20へ周期的に送信する。バックアップとして動作している場合には、マスターとして動作中のETBN20から送信されてくる死活監視フレームの受信結果などに基づいて、マスターとして動作中のETBN20の故障検知を行う。なお、固定編成が連結された状態か否かを検知するようにし、固定編成が連結されている状態においてのみ、ETBN20がマスターまたはバックアップとして動作するようにしてもよい。これにより、死活監視フレームが不必要に送信されるのを回避してECN内のトラフィックが増大するのを防止できるとともに、ETBN20の消費電力を削減できる。
図4を用いて列車情報管理装置の動作を簡単に説明する。中央装置11は、各機器13の動作を制御するための機器個別データ(制御データ)などを含むデータ(以下、「制御指令」と称する)を各端末装置12に出力する。制御指令を受信した端末装置12は、自端末装置12に接続される機器13に制御指令を転送し、制御指令を受信した各機器13は、制御指令に含まれる機器個別データに応じた動作を実行する。
一方、動作状態情報を含む各機器13からのデータは、各端末装置12で収集され中央装置11に送信される。各機器13からのデータを受信した中央装置11は、当該データを記録するとともに、運転台などに設置された表示器(図示せず)に動作状態情報などを出力し、その結果、表示器には列車運行に必要な情報が表示される。
次に、ETBN20について詳しく説明する。図5はETBN20の構成例を示す図である。ETBN20は、ECNとETBとの間で信号を中継する中継部30と、自ETBNがマスターとバックアップのどちらのETBNとして動作するかを決定する動作モード決定部40とを備える。動作モード決定部40は、ECNポート特定部41、IPアドレス管理部42、VRRP機能部43、ポート故障検知部44および死活判定部45を含む。
中継部30は、動作モード決定部40がマスターのETBNとして動作することに決定した場合、ECNからフレームを受信すると、受信したフレームがVRRPのフレーム(VRRPで定義されたフォーマットのフレーム、以下、「VRRPフレーム」と称する)か否かを確認する。そして、VRRPフレームであれば動作モード決定部40のVRRP機能部43へ中継し、VRRPフレーム以外であれば、ETBに対応したフォーマットに変換してETBへ中継する。ETBからフレームを受信すると、ECNに対応したフォーマットに変換してECNへ中継する。また、VRRP機能部43で周期的に生成される死活監視フレーム(VRRP Advertisement、VRRPフレームの一種)を受け取ってECNへ送信する。一方、動作モード決定部40がバックアップのETBNとして動作することに決定した場合、中継部30は、ECNからフレームを受信すると、受信したフレームがVRRPフレームか否かを確認し、VRRPフレームであれば動作モード決定部40のVRRP機能部43へ中継し、VRRPフレーム以外であれば廃棄する(ETBへの中継を行わない)。また、他のETBN宛のフレームをETBから受信した場合、宛先の他のETBNに向けて転送する。
動作モード決定部40は、自ETBNがマスターとバックアップのどちらとして動作するかを決定するとともに、決定結果を中継部30に通知する。また、決定結果に従った動作を実行する。
動作モード決定部40において、ECNポート特定部41は、IPアドレス管理部42で管理されている、物理ポートとIPアドレスの対応テーブルに基づいて、複数の物理ポートの中からECNが接続されている物理ポートであるECNポートを特定する。
IPアドレス管理部42は、自ETBNが備えている各物理ポートに割り当てられているIPアドレスの情報(物理ポートとIPアドレスの対応テーブル)を管理する。
死活監視フレーム処理部として動作するVRRP機能部43は、論理的に1台のETBNとして振舞う他のETBNとの間で、VRRP(Virtual Router Redundancy Protocol)に準拠した制御を行う。
ポート故障検知部44は、ECNポートの故障検知を行う。故障検知の方法については特に規定しない。
死活判定部45は、自ETBNがバックアップとして動作中に、マスターとして動作中のETBNが正常に動作しているか否かを判定する。
以下、本実施の形態にかかるETBN20の特徴的な動作、具体的には、バックアップとして動作中のETBN20がマスターとして動作中のETBN20の故障を検知する動作、およびその関連動作について、図6を用いて説明する。図6に示したETBN201がマスター、ETBN202がバックアップとして動作し、論理的に1台のETBNとして振舞うものとする。なお、図6には、上記特徴的な動作を実行するために必要な構成要素(図5に示した動作モード決定部40の各構成要素に相当)のみを記載している。
ETBN201のECNポート特定部411は、自装置(ETBN201)が起動すると、IPアドレス管理部421で管理されている、物理ポートとIPアドレスの対応テーブルを参照し、ECNが接続されている物理ポート(以下、「ECNポート」と称する)を特定する。ここで、上記の非特許文献1(IEC61375 2−5)には、ECNで通信する装置に割り当てるIPアドレスの範囲が10.128.64.0/18〜10.143.0.0/18と規定されている。そのため、ECNポート特定部411は、上記範囲内のIPアドレスが割り当てられている物理ポートをECNポートと判断する。ECNポート特定部411は、ECNポートの特定が完了すると、特定結果(ECNポートに該当する物理ポート)をVRRP機能部431およびポート故障検知部441へ通知する。
ETBN202のECNポート特定部412も同様に、自装置(ETBN202)が起動すると、ECNポートを特定する。また、特定結果をVRRP機能部432およびポート故障検知部442へ通知する。
ETBN201のVRRP機能部431は、ECNポート特定部411によるECNポートの特定処理が終了すると、VRRPに従った所定の手順を実行してマスターとして動作することに決定する。一方、ETBN202のVRRP機能部432は、ECNポート特定部412によるECNポートの特定処理が終了すると、VRRPに従った所定の手順を実行してバックアップとして動作することに決定する。
マスターとしての動作を開始したETBN201においては、VRRP機能部431が、死活監視フレーム(VRRP Advertisement)を周期的に生成し、図示を省略した中継部を介してECNポートへ送信する。
これに対して、バックアップとしての動作を開始したETBN202においては、VRRP機能部432が、マスター側のVRRP機能部431から送信された死活監視フレームを受信する。VRRP機能部432は、死活監視フレームを受信するごとに、その旨を死活判定部452へ通知する。
ポート故障検知部442は、ECNポート特定部412により特定されたECNポートが故障していないかどうかを監視する。
死活判定部452は、VRRP機能部432における死活監視フレームの受信結果と、ポート故障検知部442における監視結果に基づいて、ETBNマスター(マスターとして動作中のETBN201)の故障検知を行う。具体的には、ECNポートが正常な状態にもかかわらず死活監視フレームが一定時間にわたって受信できない(ETBNマスターから送信されてこない)場合、ETBNマスターが故障したと判断する(図7参照)。ECNポートが故障している場合、ETBNマスターは正常に動作していると推定する。死活判定部452は、ETBNマスターの故障を検知した場合、その旨をVRRP機能部432へ通知する。なお、上記の一定時間は、VRRPにおいてはMaster_Down_Intervalとして定義されている。
VRRP機能部432は、ETBNマスター(ETBN201)の故障検知が死活判定部452から通知された場合、自装置(ETBN202)がマスターとしての動作を開始することに決定する。そして、図示を省略した中継部に対してマスターとしての動作を開始するよう(すなわち、ECNとETBとの間で信号を中継する動作を開始するよう)指示するとともに、自身(VRRP機能部432)もマスターとしての動作(死活監視フレームを周期的に生成して送信する動作)を開始する。
このように、本実施の形態においては、車両伝送システムの冗長化されたETBNが、バックアップとして動作する場合、ECN経由でマスターから送信されてくる死活監視フレームの受信状態、およびECNポートの状態(故障していないか否か)を監視し、ECNポートが故障していない状態において死活監視フレームが受信できない場合、マスターのETBNが故障したと判断し、マスターのETBNとして動作開始することとした。これにより、バックアップとして動作中のETBNがマスターとして動作中のETBNの故障を誤検出する可能性を低下させることができる。また、ECNポートが故障した場合にマスターとしての動作を開始してしまい、異なるECNに接続された機器同士が通信できなくなってしまう、という問題を解決できる。
なお、本実施の形態では、VRRPを使用して通信装置の冗長化を実現する場合について説明したが、現用系(マスター)が死活監視用のフレームを周期的に送信し、このフレームを利用して予備系(バックアップ)が現用系の故障検知を行うようにして冗長化を実現しているシステムであれば適用可能である。
以上のように、本発明にかかる通信装置は、車両伝送システムに有用であり、特に、複数の固定編成が連結された列車において、固定編成内に形成された支線ネットワークの間で信号を中継する通信装置に適している。
10A1〜10Am,10B1〜10Bn 車両、11 中央装置、12 端末装置、13 列車搭載機器、20,20A,20B,201,202 ETBN、30 中継部、40 動作モード決定部、41,411,412 ECNポート特定部、42,421,422 IPアドレス管理部、43,431,432 VRRP機能部、44,441,442 ポート故障検知部、45,451,452 死活判定部。

Claims (5)

  1. 固定編成が連結された状態の列車において、固定編成内に形成されたネットワークを冗長化された他の通信装置とともに形成する通信装置であって、
    ックアップとして動作中はマスターとして動作中の他の通信装置から送信された死活監視フレームを受信する死活監視フレーム処理部と、
    前記ネットワークが接続されているポートの故障検知を行うポート故障検知部と、
    バックアップとして動作中に、前記死活監視フレーム処理部での死活監視フレーム受信結果および前記ポート故障検知部での故障検知結果に基づいて、マスターとして動作中の他の通信装置の故障検知を行う死活判定部と、
    を備えることを特徴とする通信装置。
  2. 前記死活判定部は、前記死活監視フレーム処理部が前記死活監視フレームを受信する間隔が一定時間未満の場合には前記マスターとして動作中の他の通信装置が正常に動作していると判定し、前記ポート故障検知部で故障が検知された場合にも前記マスターとして動作中の他の通信装置が正常に動作していると判定する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の通信装置。
  3. 前記死活判定部は、前記ポート故障検知部が故障を検知していない状態において前記死活監視フレーム処理部が死活監視フレームを一定時間にわたって受信しない場合に故障と判断することを特徴とする請求項1または2に記載の通信装置。
  4. マスターとして動作中にはIEC61375 2−5で規定されたETBNとして動作することを特徴とする請求項1、2または3に記載の通信装置。
  5. 固定編成が連結された状態の列車において、固定編成内に形成されたネットワークを形成する通信装置が冗長化された構成の車両伝送システムであって、
    前記通信装置が、
    ックアップとして動作中はマスターとして動作中の他の通信装置から送信された死活監視フレームを受信する死活監視フレーム処理部と、
    前記ネットワークが接続されているポートの故障検知を行うポート故障検知部と、
    バックアップとして動作中に、前記死活監視フレーム処理部での死活監視フレーム受信結果および前記ポート故障検知部での故障検知結果に基づいて、マスターとして動作中の他の通信装置の故障検知を行う死活判定部と、
    を備えることを特徴とする車両伝送システム。
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