JP2005333724A - 情報伝送システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 1系NCP11は、1系スイッチングハブ12を介して1系基幹伝送路1Nに接続される。1系制御情報伝送部13を介して、1系機器制御装置15、2系機器制御装置25および2系スイッチングハブ22に接続される。1系メディア情報伝送部14を介して1系情報機器16に接続される。2系も同様である。スイッチングハブ2は、制御情報とメディア情報を受信したとき、制御情報を優先して送信する。制御情報伝送部3は、2つの基幹伝送路Nからデータを受信し、自局と同じ系統からのデータを機器制御装置5に伝送する。障害によって、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伝送が途切れた基幹伝送路Nに中継する。
【選択図】 図2
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 (8)
- 鉄道車両における車上ネットワークを用いた情報伝送システムであって、
前記車上ネットワークに接続される車両機器を制御するための制御情報を、メタル媒体の伝送線を通じて100Mbps以上のデータ伝送速度で伝送する伝送制御装置を備えることを特徴とする情報伝送システム。 - 鉄道車両において、各車両間を接続する車上ネットワークと、各車両に設置され、前記車上ネットワークおよび車両内の機器を接続する伝送制御装置とから構成される情報伝送システムであって、
前記伝送制御装置は、
車両機器またはその車両機器を制御する機器制御装置に接続され、その車両機器と制御情報の送受信を行う制御情報伝送部と、
情報機器に接続され、その情報機器とメディア情報の送受信を行うメディア情報伝送部と、
前記車上ネットワーク、前記制御情報伝送部および前記メディア情報伝送部に接続され、前記車上ネットワークおよび前記制御情報伝送部の間で前記制御情報の中継を行い、前記車上ネットワークおよび前記メディア情報伝送部の間で前記メディア情報の中継を行うスイッチングハブと、
を備え、
前記制御情報伝送部は、前記車両機器から制御情報を受信したとき、その受信した制御情報に高い優先度を示すデータを設定して前記スイッチングハブに送信し、
前記メディア情報伝送部は、前記情報機器からメディア情報を受信したとき、その受信したメディア情報に低い優先度を示すデータを設定して前記スイッチングハブに送信し、
前記スイッチングハブは、前記制御情報伝送部から受信した制御情報および前記メディア情報伝送部から受信したメディア情報を前記車上ネットワークに送信するとき、前記優先度を示すデータを参照し、その優先度の高い順に各情報を送信する
ことを特徴とする情報伝送システム。 - 前記制御情報伝送部は、前記制御情報が高い応答性を必要とする機器制御情報または音声情報であるとき、その制御情報に最も高い優先度を示すデータを設定することを特徴とする請求項2に記載の情報伝送システム。
- 前記メディア情報伝送部は、前記情報機器から受信した情報がメディア情報でないとき、その情報を前記スイッチングハブに送信しないことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の情報伝送システム。
- 前記制御情報伝送部は、前記車上ネットワークから前記スイッチングハブを経由してプログラムの書き換えを行うことを可能とし、
前記メディア情報伝送部は、前記車上ネットワークから前記スイッチングハブを経由してプログラムの書き換えを行うことを可能とし、前記情報機器からプログラムの書き換えを行うことを不可とする
ことを特徴とする請求項4に記載の情報伝送システム。 - 前記メディア情報伝送部、前記スイッチングハブ、前記制御情報伝送部および前記機器制御装置の間の各接続は、シリアルバスによって行われることを特徴とする請求項2ないし請求項5のいずれか一項に記載の情報伝送システム。
- 鉄道車両において、各車両間を接続する2つの車上ネットワークと、各車両に設置され、前記車上ネットワークおよび車両内の機器を接続する2つの伝送制御装置とから構成される情報伝送システムであって、
前記2つの伝送制御装置は、それぞれにおいて、少なくとも、
車両機器またはその車両機器を制御する機器制御装置に接続され、その車両機器と制御情報の送受信を行う制御情報伝送部と、
前記車上ネットワーク、自装置の制御情報伝送部および他装置の制御情報伝送部に接続され、前記車上ネットワークおよび前記自装置の制御情報伝送部の間、ならびに、前記車上ネットワークおよび前記他装置の制御情報伝送部の間で前記制御情報の中継を行うスイッチングハブと、
を備え、
前記制御情報伝送部は、
前記車両機器から制御情報を受信したとき、その受信した制御情報を自装置のスイッチングハブおよび他装置のスイッチングハブに送信し、
自装置のスイッチングハブおよび他装置のスイッチングハブから制御情報を受信したとき、前記自装置のスイッチングハブから受信した制御情報を前記車両機器に送信し、
自装置のスイッチングハブまたは他装置のスイッチングハブから制御情報を受信したとき、その制御情報を受信していない方のスイッチングハブに送信する
ことを特徴とする情報伝送システム。 - 前記制御情報伝送部は、
前記車両機器から受信した制御情報を送信するとき、所定の周期で送信し、
前記周期の所定の倍数に相当する時間内にスイッチングハブから制御情報を受信しないとき、そのスイッチングハブが接続された車上ネットワークに障害が発生したと判断する
ことを特徴とする請求項7に記載の情報伝送システム。
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