CN209454773U

CN209454773U - 列车级控制单元及列车网络控制***

Info

Publication number: CN209454773U
Application number: CN201821854635.8U
Authority: CN
Inventors: 潘勇卓; 黄志平; 李元轩; 王隆龙; 张波; 陆阳; 赵红卫; 高枫; 张顺广; 邵军; 张岩
Original assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; China Railway Corp; Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co Ltd
Current assignee: China Academy of Railway Sciences Corp Ltd CARS; China State Railway Group Co Ltd; Locomotive and Car Research Institute of CARS; Beijing Zongheng Electromechanical Technology Development Co Ltd
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2028-11-12

Abstract

本申请公开了一种列车级控制单元及列车网络控制***，该列车级控制单元包括：第一ETBN板卡，分别与控制器以及设置于除所述列车级控制单元所处列车外其他列车中的第二ETBN板卡连接，用于编组以太网；获取第二ETBN板卡的拓扑信息；向控制器发送组网完成信号；控制器，用于接收组网完成信号；从第一ETBN板卡获取待控制设备的拓扑信息；根据待控制设备的拓扑信息生成控制信号；向待控制设备发送控制信号。本申请可以提升列车自适应编组以太网络的能力。

Description

列车级控制单元及列车网络控制***

技术领域

本申请涉及列车网络技术领域，尤其涉及一种列车级控制单元及列车网络控制***。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本实用新型实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

随着列车网络技术的快速发展，以太网技术应用于列车网络已逐步成为一种发展趋势。当前列车为了响应列车运营需要，会根据载客情况调整列车的长度，以减少列车的能耗，提高运行效率。当列车的长度调整时，由每节列车的终端设备组网而成的以太网势必要重新进行组网，这就对当前列车上安装的网络控制***的自适应编组以太网络的能力提出了更高要求，而当前的列车网络控制***距离上述要求还存在一定差距。

实用新型内容

本申请实施例提供一种列车级控制单元，用以自适应编组以太网络，提升列车自适应编组以太网络的能力。该列车级控制单元包括：

第一列车级以太网板卡节点(Ethemet Train Bus Nod，ETBN)板卡，分别与控制器以及设置于除所述列车级控制单元所处列车外其他列车中的第二ETBN板卡连接，用于编组以太网；获取第二ETBN板卡的拓扑信息；向控制器发送组网完成信号；控制器，用于接收组网完成信号；从第一ETBN板卡获取待控制设备的拓扑信息；根据待控制设备的拓扑信息生成控制信号；向待控制设备发送控制信号。

本申请实施例还提供一种列车网络控制***，用以自适应编组以太网络，提升列车自适应编组以太网络的能力。该***包括列车级控制单元，还包括：

第二以太网通讯网络(Ethernet Consist Network，ECN)交换机，分别与第二ETBN板卡及网络控制***子设备连接，用于接收待控制设备发送的运行状态变更信号，向第二ETBN板卡转发所述变更信号，其中，网络控制***子设备包括待控制设备；第二ETBN 板卡，用于向第一ETBN板卡转发所述变更信号；第一ETBN板卡，用于根据所述变更信号确定待控制设备的拓扑信息；向第一ECN交换机发送所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息；列车实时数据协议(Train Real-time Data Protocol，TRDP)板卡，还用于接收第一ECN交换机发送的所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息；向控制器发送按照 TRDP协议解析所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息得到的数据内容；控制器，用于根据变更信号以及待控制设备的拓扑信息的数据内容生成控制信号；向第一ETBN板卡发送控制信号，以供第一ETBN板卡向待控制设备所在列车的第二ETBN板卡发送控制信号。

本申请实施例中，在列车级控制单元中设置ETBN板卡，利用ETBN板卡自动编组以太网，并获取每节列车中设置的ETBN板卡的拓扑信息，这样控制器就可以根据ETBN板卡获取的拓扑信息生成控制信号来控制待控制设备。这样在列车长度发生变化时，也能够自动组网以太网，实现对待控制设备的控制，提升了列车自适应编组以太网络的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种列车网络控制***的结构图；

图2为本申请实施例提供的一种列车级控制单元的结构图；

图3为本申请实施例提供的一种列车级控制单元的运行方法的流程图；

图4为本申请实施例提供的一种控制器工作过程的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种列车网络控制***中以太网接口接线的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种列车网络控制***中电源接口接线的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。

本申请实施例提供一种列车级控制单元，如图1所示，该列车级控制单元集成在机箱中，包括第一ETBN板卡和控制器。

其中，第一ETBN板卡，分别与控制器以及设置于除所述列车级控制单元所处列车外其他列车中的第二ETBN板卡连接，用于编组以太网；获取第二ETBN板卡的拓扑信息；向控制器发送组网完成信号。

拓扑信息包括第二ETBN板卡所在的列车的节数，如第2节列车、第6节列车等。

ETBN板卡依据IEC61375标准通信协议完成列车以太网网络拓扑的组网功能，实现列车以太网总线的双向数据传输。第一ETBN板卡占用机箱中的3个标准槽位，尺寸一般为3U，12HP。其中，机箱采用标准化机箱设计，其尺寸可以为3U，84HP。

可选的，为了便于机箱中的第一ETBN板卡编组以太网，机箱通常设置在端车中，即列车司机所驾驶的列车头中，这样机箱的位置不需因列车长度的改变而发生变化。

列车的长度调整，即增加或减少列车的节数后，原有列车组成的以太网的拓扑结构被破坏，此时列车网络控制***中的第一ETBN板卡与第二ETBN板卡配合编组新的以太网，之后获取第二ETBN板卡的拓扑信息，完成以太网组网。

可选的，第一ETBN板卡可通过全列贯穿的以太网总线接口连接每节列车中的第二ETBN板卡。

控制器，用于接收组网完成信号；从第一ETBN板卡获取待控制设备的拓扑信息；根据待控制设备的拓扑信息生成控制信号；向待控制设备发送控制信号。

控制器作为中央处理器，主要负责列车网络控制***的所有软件和硬件资源的调度和通信。控制器采用紧凑型***组件互连(Compact Peripheral ComponentInterconnect，CPCI) 的架构，通过PCI总线和ISA总线与其他设备进行数据交互。控制器占用机箱中的2个标准槽位，其尺寸可以为3U，8HP。

可选的，列车级控制单元还包括第一ECN交换机和TRDP板卡。

其中，第一ECN交换机，分别与第一ETBN板卡和TRDP板卡连接，用于接收第一 ETBN板卡发送的组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息，向TRDP板卡转发所述组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息。

TRDP板卡，通过CPCI总线与控制器连接，用于根据TRDP协议解析组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息，得到组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息的数据内容；向控制器发送数据内容。

ECN交换机是一种传输带宽为100Mbps的快速以太网交换机，其面板具备20个以太网接口M12，可与其他网络控制***子设备连接。在接收到其他网络控制***子设备发送的通信请求后，ECN交换机可根据网络控制***子设备请求的目的地址进行定向的数据转发。如果目的地址属于该节列车内部，则由ECN交换机处理；如果目的地址对应的列车与网络控制***子设备所属的列车不同，则ECN交换机向ETBN板卡转发通信请求，由 ETBN板卡进行一节列车与另一节列车之间的列车级通讯。

此外，第一ECN交换机通过以太网车辆接口与该第一ECN交换机所在列车上的网络控制***子设备连接。示例性的，第一ECN交换机处于第一节列车，则该第一ECN交换机与第一节列车中的牵引、制动、充电机、车门开关装置等网络控制***子设备连接。

在本申请实施例中，控制器与ETBN板卡分别实现不同的控制功能。控制器对网络控制***子设备，即列车上安装的空调、制动***等设备进行控制，而ETBN板卡主要用于实现组网，以及在组网后确定待控制设备的拓扑信息的功能。示例性的，在组网完成后，列车员向第6节列车中的空调发出调高2度的信号，而空调并不确定自身属于第几节列车，此时，就需要第一ETBN板卡确定空调所属的列车节数，之后第一ETBN板卡告知控制器该空调所属的列车节数，控制器根据该列车节数与“调高2度的信号”生成控制信号向待控制的空调发送，以便于空调根据控制信号将温度调高2度。

TRDP板卡占用机箱中的1个标准槽位，尺寸一般为3U，4HP。TRDP板卡通过机箱底板与控制器ISA总线实现与控制器之间的数据传输，参阅图1，TRDP板卡向控制器发送解析后的以太网组网信息时，使用的是设置于机箱底板上的***总线。此外，以太网车辆接口与ECN交换机之间通信，以及ECN交换机与TRDP板卡之间通信采用的是以太网总线。

TRDP板卡可以对接收到的数据进行封装与解析。ECN交换机处理的数据为符合TRDP协议的数据，控制器处理的是数据内容，当TRDP板卡接收到ECN交换机传输的协议数据时，将该协议数据进行解析，之后向控制器发送解析后的数据内容，以供控制器处理；当TRDP板卡接收到控制器发送的数据内容时，将该数据内容封装为符合TRDP协议的协议数据，再向ECN交换机发送。

可选的，列车级控制单元还包括：

第一供电电源，与控制器、TRDP板卡、第一ECN交换机和第一ETBN板卡连接，用于供电。

第一供电电源可以为直流电源(Direct Current，DC)110伏特(V)，24V电压的电源。

此外，控制器与第一ETBN板卡还设置有服务接口，通过该服务接口，外部终端设备可连接控制器与第一ETBN板卡，从而对控制器或第一ETBN板卡进行检修或功能测试等。

可选的，为了避免机箱中一个或多个设备损坏导致列车中以太网络崩溃的情况，在本申请实施例中，可以设置两个机箱，两个机箱分别作为主设备与从设备，并分别与网络控制***子设备连接。这样，当主设备正常工作时，由主设备组网；一旦主设备损坏则切换为从设备组网，从而保证列车中以太网的正常使用。

在本申请实施例中，将控制器、第一ETBN板卡、第一ECN交换机、TRDP板卡与 CPCI总线集成在机箱中，且CPCI总线使用紧凑式设计，缩小了机箱的体积，节约了安装空间。

本申请实施例还提供了一种列车网络控制***，该***包括列车级控制单元以及设置于处列车级控制单元所在列车外其他列车上的车辆控制单元(Vehicle controlunit，VCU)。参阅图2，该***包括设置于第一节列车的列车级控制单元，以及设置于除端车外的其他列车的VCU。VCU中设置有第二ETBN板卡、第二ECN交换机和第二供电电源。在列车网络控制***组网完成后，VCU将连接的各网络控制***子设备的运行状态等信息传送至列车级控制单元，以供列车级控制单元中的控制器控制网络控制***子设备的运行状态。

具体的，第二ECN交换机，分别与第二ETBN板卡及网络控制***子设备连接，用于接收待控制设备发送的运行状态变更信号，向第二ETBN板卡转发所述变更信号。

其中，网络控制***子设备包括待控制设备。第二ECN交换机通过以太网车辆接口与网络控制***子设备连接。

运行状态变更信号可以由列车工作人员发出，比如，由列车工作人员手动触发的调节空调温度的信号；运行状态变更信号可以由待控制设备自动发出，比如，当待控制设备中温度传感器感应到列车内温度高于设定温度时，可以自动发出降低温度的信号。对于运行状态变更信号的触发方式，在此不做限定。

需要说明的是，第二ECN交换机连接的是该第二ECN交换机所在列车上的网络控制***子设备。也就是说，第二节列车中的第二ECN交换机连接第二节列车中的网络控制***子设备；第三节列车中的第二ECN交换机连接的是第三节列车中的网络控制***子设备。

第二ETBN板卡，用于向第一ETBN板卡转发所述变更信号。

第一ETBN板卡，用于根据变更信号确定待控制设备的拓扑信息；向第一ECN交换机发送变更信号以及待控制设备的拓扑信息。

TRDP板卡，还用于接收第一ECN交换机发送的变更信号以及待控制设备的拓扑信息；向控制器发送按照TRDP协议解析所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息得到的数据内容。

控制器，用于根据变更信号以及待控制设备的拓扑信息的数据内容生成控制信号；向待控制设备发送控制信号。

具体的，控制器向待控制设备发送控制信号的过程如下所示：

第一ETBN板卡，用于接收控制器发送的控制信号；判断控制信号中的待控制设备的拓扑信息与第一ETBN板卡所在列车的拓扑信息是否相同；如果相同，则向第一ECN交换机发送控制信号，以供第一ECN交换机向待控制设备转发控制信号；如果不同，则向连接的第二ETBN板卡发送控制信号。

第二ETBN板卡，用于接收第一ETBN板卡发送的控制信号；判断控制信号中的待控制设备的拓扑信息与第二ETBN板卡所在列车的拓扑信息是否相同；如果相同，则向连接的第二ECN交换机发送控制信号，以供第二ECN交换机向待控制设备转发控制信号；如果不同，则向连接的其他第二ETBN板卡发送控制信号。

此外，VCU中还包括第二供电电源，与第二ECN交换机和第二ETBN板卡连接，用于供电。

第二供电电源可以为DC110伏特(V)，24V电压的电源。

本申请实施例中，在列车网络控制***中设置ETBN板卡，利用ETBN板卡自动编组以太网，并获取每节列车中设置的ETBN板卡的拓扑信息，这样控制器就可以根据ETBN 板卡获取的拓扑信息生成控制信号来控制待控制设备。这样在列车长度发生变化时，也能够自动组网以太网，实现对待控制设备的控制，提升了列车网络控制***自适应编组以太网络的能力。

上述列车级控制单元在运行时，可以采用如下所示的运行方法，如图3所示，该方法包括步骤301至步骤303：

步骤301、第一ETBN板卡编组以太网；获取设置于每节列车中的第二ETBN板卡的拓扑信息；向控制器发送组网完成信号。

可选的，第一ETBN板卡向控制器发送组网完成信号，包括：第一ECN交换机接收第一ETBN板卡发送的组网完成信号，向TRDP板卡转发组网完成信号；TRDP板卡根据 TRDP协议解析组网完成信号，得到组网完成信号的数据内容，通过CPCI总线向控制器发送组网完成信号的数据内容。

步骤302、控制器接收组网完成信号。

步骤303、控制器从第一ETBN板卡获取待控制设备的拓扑信息。

可选的，控制器在接收到待控制设备的拓扑信息之后，还可以根据待控制设备的拓扑信息对发送该待控制设备的拓扑信息的第一ETBN板卡进行故障诊断。具体的，控制器确定待控制设备的拓扑信息的类型及二进制位信息；之后，比较待控制设备的拓扑信息的二进制位信息与预设相同类型报文的二进制位信息，确定发送待控制设备的拓扑信息的第一 ETBN板卡的故障情况。

其中，比较待控制设备的拓扑信息的二进制位信息与预设相同类型报文的二进制位信息，确定发送待控制设备的拓扑信息的第一ETBN板卡的故障情况，可以具体执行为：控制器根据公式确定以太网组网信息的二进制位信息与预设相同类型报文的二进制位信息的比较结果d(x_i,y_i)，其中，x_i用于预设的第i种类型的报文，y_i用于表示获取的第i种类型的报文，α_p用于表示x_i的二进制位信息，β_q用于表示y_i的二进制位信息，p＝0,1,L n-1，q＝0,1,L n-1，n用于表示x_i和y_i的编码位数，用于表示异或；控制器根据d(x_i,y_i)与0的大小关系，确定发送待控制设备的拓扑信息的第一ETBN板卡的故障情况。

可选的，d(x_i,y_i)用于度量报文的一致性，其表示控制器所接收的hello报文与预设的标准的hello报文之间的差异，其数值反映了错误的二进制位数。控制器将计算得到的d(x_i,y_i)作为故障诊断的依据，如果d(x_i,y_i)＝0，则认为所接收的hello报文与标准的hello 报文内容一致，发送该hello报文的以太网设备无故障。

如果d(x_i,y_i)等于0，则确定第一ETBN板卡无故障；如果d(x_i,y_i)不等于0，则确定第一ETBN板卡可能发生故障。

需要说明的是，控制器可以实时解析以太网设备发送的hello报文所传来的二进制报文结构所表达的含义，包括对hello报文内部的应用层数据进行解析，在本申请实施例中是以控制器接收到的以太网组网信息为例来说明控制器的故障诊断功能，也就是说，控制器对接收到的hello报文均可执行故障诊断功能。

具体的，可以在控制器中预先存储hello报文的报文类型以及对应的报文内部的二进制位信息，可以使用x＝{x₁,x₂,L,x_N}表示报文类型；控制器接收到的hello报文的报文类型可以使用y＝{y₁,y₂,L,y_N}表示。其中，x₁与y₁，x₂与y₂，x_N与y_N用于表示相同类型的报文，N为预先存储的hello报文的报文类型数量。控制器在确定接收到的hello报文的类型以及二进制位信息后，可以利用确定接收到的hello报文与预设相同类型的hello报文的二进制位信息的比较结果，进而确定发送hello报文的以太网设备的故障情况。

可选的，若控制器检测到网络控制***子设备发生故障，则可发出告警信息，提示列车工作人员对相应的故障设备进行检测，从而提高网络控制***子设备故障的处理效率。

步骤204、控制器根据待控制设备的拓扑信息生成控制信号；向待控制设备发送控制信号。

此外，本申请实施例中控制器的软件程序与底层驱动分离，底层驱动由设备生产厂商进行设置，在设备出厂后底层驱动不可修改，而软件程序可以由使用人员进行任意设置，示例性的，参阅图4，控制器中的底层驱动TRDP驱动线程在设备出厂时已固定，软件程序ControlBuild应用进程可以由使用者根据使用需求进行修改。本申请实施例中则将TRDP板卡通信测试、网络控制***子设备诊断以及ETBN板卡通信测试写入ControlBuild应用进程。ControlBuild应用进程与TRDP驱动线程使用共享内存，在执行各个步骤时更新该共享内存，保证了共享内存中数据的实时性。

上述ControlBuild应用进程的开发采用了ControlBuild软件。ControlBuild(以下简称 CB)是一款满足IEC61131标准的开放的自动化软件平台，具有自动生成目标代码功能，其自带的代码生成器支持生成Windows、Linux和QNX等多种操作***平台下的代码。

CB自带的主要功能主要为仿真功能，包括被控对象仿真、电路仿真、控制***仿真、与外部环境连接及与网络连接等。

CB可以支持为用户的不同软硬件平台自动生成C代码，其突出特点包括：

①、支持IEC 61131-3语言编程；

②、图形化语言，简单、易学、易用，支持即时的项目开发；

③、可视化仿真与调试；

④、同时支持C语言编程；

⑤、内置支持QNX、Windows、Linux等不同操作***。

ControlBuild生成C语言的源代码，可进一步编译成特制平台原生的二进制代码。ControlBuild的代码生成器支持开放的编程接口。同时，通过良好的划分，将生成的代码分为平台相关和平台无关的两部分，对于专有的平台只需很短时间即可实现对特定软硬件平台的定制。ControlBuild同时提供对目标平台上的任务运行的监控支持。

基于上述原因，本申请中的列车网络控制***采用了CB作为应用软件开发平台。本列车网络控制***在自主化硬件的基础上，开发了基于CB的硬件板卡驱动库以及相关功能模块库的开发。

同时，根据硬件型式试验要求，通过列车网络控制***的CB软件开发平台编写的***型式试验应用软件，能对列车网络控制***所有硬件及其接口的功能和性能进行全面测试。

列车网络控制***中硬件技术参数符合的要求如下所示：

①、符合GB/T 25119-2010(或等同)铁道机车车辆电子装置相关要求。

②、符合GB/T 21563-2008(或等同)相关振动要求。

③、符合EN 50121-3-2:2006(或等同)相关电磁兼容性要求。

④、CPU≥500MHz；RAM≥256M；硬盘≥1GB。

⑤、具备列车级以太网拓扑发现及自动配置列车级以太网地址功能。

⑥、符合IEC61375-2-5(或等同)列车骨干以太网技术规范。

⑦、符合IEC61375-3-4(或等同)列车车辆以太网技术规范。

示例性的，本申请实施例还提供了列车网络控制***中设备的指示灯说明，如下表一所示：

表一

示例性的，本申请实施例还提供了列车网络控制***中设备的接口说明，如下表二所示：

表二

示例性的，本申请实施例还提供了列车网络控制***中以太网接口接线的示意图，参阅图5，该以太网接口的管脚编号及管脚定义如下表三所示：

表三

管脚编号	管脚定义
		1	Tx+
2	Rx+
		3	Tx-
4	Rx-

示例性的，本申请实施例还提供了列车网络控制***中电源接口接线的示意图，参阅图6，该以太网接口的管脚编号及管脚定义如下表四所示：

表四

管脚编号	管脚定义
		1	DC110V+
2	保留
		3	DC110V
4	保留

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种列车级控制单元，其特征在于，所述列车级控制单元包括：

第一列车级以太网板卡节点ETBN板卡，分别与控制器以及设置于除所述列车级控制单元所处列车外其他列车中的第二ETBN板卡连接，用于编组以太网；获取第二ETBN板卡的拓扑信息；向控制器发送组网完成信号；

2.根据权利要求1所述的列车级控制单元，其特征在于，所述列车级控制单元还包括：

第一以太网通讯网络ECN交换机，分别与第一ETBN板卡和TRDP板卡连接，用于接收第一ETBN板卡发送的组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息，向TRDP板卡转发所述组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息；

列车实时数据协议TRDP板卡，通过CPCI总线与控制器连接，用于根据TRDP协议解析组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息，得到组网完成信号和/或待控制设备的拓扑信息的数据内容；向控制器发送数据内容。

3.根据权利要求2所述的列车级控制单元，其特征在于，所述列车级控制单元还包括：

4.一种列车网络控制***，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的列车级控制单元，所述***还包括：

第二ECN交换机，分别与第二ETBN板卡及网络控制***子设备连接，用于接收待控制设备发送的运行状态变更信号，向第二ETBN板卡转发所述变更信号，其中，网络控制***子设备包括待控制设备；

第二ETBN板卡，用于向第一ETBN板卡转发所述变更信号；

第一ETBN板卡，用于根据所述变更信号确定待控制设备的拓扑信息；向第一ECN交换机发送所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息；

TRDP板卡，还用于接收第一ECN交换机发送的所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息；向控制器发送按照TRDP协议解析所述变更信号以及待控制设备的拓扑信息得到的数据内容；

5.根据权利要求4所述的列车网络控制***，其特征在于，

第一ETBN板卡，用于接收控制器发送的控制信号；判断控制信号中的待控制设备的拓扑信息与第一ETBN板卡所在列车的拓扑信息是否相同；如果相同，则向第一ECN交换机发送控制信号，以供第一ECN交换机向待控制设备转发控制信号；如果不同，则向连接的第二ETBN板卡发送控制信号；

6.根据权利要求4或5所述的列车网络控制***，其特征在于，所述***还包括：

第二供电电源，与第二ECN交换机和第二ETBN板卡连接，用于供电。