一种基于以太网的列车级数据控制方法与流程

1.本发明涉及动车组列车数据控制领域，具体涉及一种基于以太网的列车级数据控制方法。


背景技术：

2.传统动车组列车网络控制系统的车辆级总线多采用多功能车辆总线(mvb)通信技术，由于mvb(电气中距离esd)支持的最大传输距离是200米，8编组车辆长度一般也在200米左右，如果8编组车辆仅采用mvb通信，实际的线缆铺设会超过200米限制；因此，8编组车辆多采用mvb+wtb的2层总线架构，1-4车设置一个mvb网段，5-8车设置一个mvb网段，而两个网段间的通信则通过列车级的绞线式列车总线(wtb)进行传输的控制策略。
3.现有动车组列车网络控制系统已采用以太网通信技术。基于传统动车组车辆的数据控制策略，现有列车仍采用类似传统mvb+wtb的两层网络架构设计方案，8辆编组动车组全列还是设置两个网段的网络拓扑，1-4车作为1个网络单元，5-8作为1个网络单元，4-5车之间的车辆级以太网线路不连通，不具备ecn通道，每个网络单元配置2个互为冗余的ccu负责对本单元设备状态汇总并发出控制指令，而对于临单元设备状态的收集以及控制指令的发出，需要本单元ccu通过列车级以太网交换机etbn将相应数据传输到另外一个单元，一旦1个网络单元内部的etbn发生故障，则该单元内所有系统的信息均无法传递给伙伴单元，同时本单元也无法获取伙伴单元的任何数据(见图1)。另外，动车组运行一般分为单编组运行和重联运行，重联工况下，网络上存在着4个网络单元的信息，列车级以太网交换机etbn承担着各网络单元间的数据传输功能，一旦硬件发生故障且不能顺利切换到本单元热备的列车级交换机，其列车级数据传输功能的丧失将造成车辆降速运行甚至停运，因此列车级以太网交换机作为网络控制系统关键组成部分，其安全可靠的运行影响到列车(单编组、重联)的运用秩序。


技术实现要素：

4.鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于以太网的列车级数据控制方法，该控制方法通过优化网络拓扑结构，将全车设置为一个网络单元，相邻的车厢与车厢之间通过车辆级以太网线路连通，由ccu判断列车处于单编组运行还是重联运行，若车辆处于单编组运行，则ccu的所有控制数据不经由列车级以太网交换机etbn转发，各个车厢内子系统的数据全部通过ecnn进行传输；若车辆处于重联运行时，则ccu的列车级数据经由列车级以太网交换机etbn转发到重连车组。该方法对单编组运用具有显著意义，能够有效避免因列车级以太网交换机故障对单编组车辆的运行造成影响，提高车辆的运营质量；同时，基于网段内冗余配置etbn和ccu的原则，将2个网段设置为1个网段，能够减少ccu和etbn的配置数量，从而降低车辆成本。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于以太网的列车级数据控制方法，该方法包括以下步骤：
7.步骤s1、构建网络拓扑结构：在动车组列车的头车厢和尾车厢内各安装1台互为冗余的列车级以太网交换机etbn和中央控制单元ccu，所有车厢内分别安装两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2，搭建冗余的车辆级数据传输通道，中间车各配置一台以太网中继器rep，实现列车级数据信号的放大和整形，头车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的列车级以太网交换机etbn通过安装在中间车厢内的以太网中继器rep实现连接，用于实现列车级数据传输通道的构建；头车厢内的列车级以太网交换机etbn与头车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，尾车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn1连接，构成车辆级以太网ecn1通道；相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn2连接，构成车辆级以太网ecn2通道；头车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至头车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；尾车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至尾车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；每个车厢内的各个子系统分别通过以太网总线连接至本车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道，将子系统的数据发送给中央控制单元ccu，同时接收中央控制单元ccu发出的控制指令；
8.步骤s2、中央控制单元ccu根据车辆联挂继电器得电与失电状态，判断动车组列车是否为重联状态，若动车组列车处于单编组运行时，则执行步骤s3；若动车组列车处于重联运行时，则执行步骤s4；
9.步骤s3、本车内应用数据均通过ecn通道进行传输，每节车厢内的各个子系统反馈的数据全部通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给中央控制单元ccu，由中央控制单元ccu汇总本列车信息；同时，中央控制单元ccu发送的控车指令也通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道传输给每节车厢内的各个子系统；
10.步骤s4、重联车组间的数据通过etb通道进行传输；本车的每节车厢内的各个子系统数据通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给本车的中央控制单元ccu；联挂车的每节车厢内的各个子系统的数据通过联挂车的车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给联挂车的中央控制单元ccu，两列车的ccu各自完成本车内部的数据汇总，而列车间的列车级数据则由列车级以太网交换机etbn来实现互发。
11.作为本发明的优选，每节车厢内的各个子系统包括：人机接口hmi、无线传输装置wtd、输入输出单元iom、旅客信息系统pis、空调hvac、牵引控制单元tcu、火警系统fas、充电机控制单元bc、能量管理系统eems、热轴监测系统hads、门控制单元dcu、制动控制单元bcu、司机操控信息分析系统eoas、地震预警系统eews、健康管理主机phm。
12.作为本发明的优选，车辆级数据传输通道ecn1和ecn2冗余设置，中央控制单元ccu优先采用车辆级以太网ecn1通道的数据，若该通道各子系统的数据超过一定阈值没有更新，则采用ecn2通道的数据。
13.本发明的优点和有益效果：
14.(1)本发明提供的控制方法中所构建的网络拓扑结构全车为一个网络单元，基于网段内冗余配置etbn和ccu的原则，本发明将2个网段设置为1个网段，能够减少中央控制单元ccu和列车级以太网交换机etbn的配置数量，从而降低车辆成本。
15.(2)本发明提供的控制方法中所构建的网络拓扑结构在头车厢和尾车厢内各安装
1台互为冗余的列车级以太网交换机etbn，由于设置了冗余的etbn，所以单一etbn的失效不会影响车辆运用，列车组的信息仍能通过etb通道实现互通，提高列车网络系统健壮性。
16.(3)本发明提供的控制方法在列车单编组运营时，各个子系统的数据传输全部不依赖列车级以太网交换机运算以及设备状态，列车级以太网交换机与控车信号全部隔离，如果列车级以太网交换机(etbn)出现故障，不会影响车辆运行，有效防止列车级以太网交换机故障对车辆运行造成的影响，增加列车的运营质量，适用于长时间单编运行的列车。
17.(4)本发明提供的控制方法单列车的正常运用完全不依赖于etbn，减少了故障点。
18.(5)本发明提供的控制方法列车级以太网交换机etbn只有在列车重联运行时工作，此种控制方式能够降低列车级以太网交换机etbn的故障率。
附图说明
19.图1为现有车辆网络拓扑图；
20.图2为本发明的车辆网络拓扑图a；
21.图3为本发明的车辆网络拓扑图b；
22.图4为本发明的列车单编组失效分析示意图；
23.图5为本发明的列车重联运行失效分析示意图。
24.具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.实施例1
27.一种基于以太网的列车级数据控制方法，该方法包括以下步骤：
28.步骤s1、构建网络拓扑结构：在动车组列车的头车厢和尾车厢内各安装1台互为冗余的列车级以太网交换机etbn和中央控制单元ccu，所有车厢内分别安装两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2，搭建冗余的车辆级数据传输通道，中间车各配置一台以太网中继器rep，实现列车级数据信号的放大和整形，头车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的列车级以太网交换机etbn通过安装在中间车厢内的以太网中继器rep实现连接，用于实现列车级数据传输通道的构建；头车厢内的列车级以太网交换机etbn与头车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，尾车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn1连接，构成车辆级以太网ecn1通道；相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn2连接，构成车辆级以太网ecn2通道；头车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至头车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；尾车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至尾车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；每个车厢内的各个子系统分别通过以太网总线连接至本车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道，将子系统的数据发送给中央控制单元ccu，同时接收中央控制单元ccu
发出的控制指令；
29.步骤s2、中央控制单元ccu根据车辆联挂继电器得电与失电状态，判断动车组列车是否为重联状态，若动车组列车处于单编组运行时，则执行步骤s3；若动车组列车处于重联运行时，则执行步骤s4；
30.步骤s3、本车内应用数据均通过ecn通道进行传输，每节车厢内的各个子系统反馈的数据全部通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给中央控制单元ccu，由中央控制单元ccu汇总本列车信息，如主控钥匙信号、方向信号、tcms主方向、本单元的子系统信息、输入输出模块信息等；同时，中央控制单元ccu发送的控车指令也通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道传输给每节车厢内的各个子系统；
31.所述的每节车厢内的各个子系统包括：人机接口hmi、无线传输装置wtd、输入输出单元iom、旅客信息系统pis、空调hvac、牵引控制单元tcu、火警系统fas、充电机控制单元bc、能量管理系统eems、热轴监测系统hads、门控制单元dcu、制动控制单元bcu、司机操控信息分析系统eoas、地震预警系统eews、健康管理主机phm，各主要系统均有两个接口接入列车网络，实现双归属配置；
32.步骤s4、重联车组间的数据通过etb通道进行传输，本车的每节车厢内的各个子系统数据通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给本车的中央控制单元ccu；联挂车的每节车厢内的各个子系统的数据通过联挂车的车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给联挂车的中央控制单元ccu，两列车的ccu各自完成本车内部的数据汇总，而列车间的列车级数据则由列车级以太网交换机etbn来实现互发。
33.进一步，车辆级数据传输通道ecn1和ecn2冗余设置，中央控制单元ccu优先采用车辆级以太网ecn1通道的数据，若该通道各子系统的数据超过一定阈值没有更新，则采用ecn2通道的数据，有效保证了链路上数据的完整性。
34.本发明的网络拓扑结构适用于4辆编组动车组，以4辆编组动车组为例所构建的网络拓扑结构如图2所示，通过图2可以看出，车辆级网络设置为1个网络单元，1-2-3-4车间均有ecn通道，能够实现头尾数据的全列贯通，而列车级网络部分仅在重联工况下实现两列车的数据交互。
35.如图3所示，本发明的网络拓扑结构同样可以推广到8编组车辆应用，本发明针对8编组车辆所构建的网络拓扑结构(图3)与现有8编组车辆网络拓扑结构(图1)不同的是4-5车间具备ecn通道，8辆编组在ecn层级是一个网络单元，其优点与4编组相同，再提高可用性的基础上，也减少了两个头车etbn和ccu的配置数量。
36.本发明的控制方法由于单编组内设置一个网段，列车内数据传输未经过etbn层级，单列车的正常运用完全不依赖于etbn，单编组运用状态下即便整个etb链路失效也不会影响车辆的正常运行(见图4)，减少了故障点。
37.另外，本发明在动车组列车的头车厢和尾车厢内各安装1台互为冗余的列车级以太网交换机etbn，在动车组重联运用状态下，1车etbn的失效不会影响车辆运用，4车由于设置了冗余的etbn，列车组的信息仍能通过etb通道实现互通(见图5)，显而易见其他单一etbn故障工况同样具备这样的健壮性。
38.最后应说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员
应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例方案的范围。

技术特征：
1.一种基于以太网的列车级数据控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤s1、构建网络拓扑结构：在动车组列车的头车厢和尾车厢内各安装1台互为冗余的列车级以太网交换机etbn和中央控制单元ccu，所有车厢内分别安装两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2，搭建冗余的车辆级数据传输通道，中间车各配置一台以太网中继器rep，实现列车级数据信号的放大和整形，头车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的列车级以太网交换机etbn通过安装在中间车厢内的以太网中继器rep实现连接，用于实现列车级数据传输通道的构建；头车厢内的列车级以太网交换机etbn与头车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，尾车厢内的列车级以太网交换机etbn与尾车厢内的两台车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn1连接，构成车辆级以太网ecn1通道；相邻的车厢与车厢之间的车辆级以太网交换机ecnn2连接，构成车辆级以太网ecn2通道；头车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至头车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；尾车厢内的中央控制单元ccu通过以太网连接至尾车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2；每个车厢内的各个子系统分别通过以太网总线连接至本车厢内的车辆级以太网交换机ecnn1、ecnn2连接，通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道，将子系统的数据发送给中央控制单元ccu，同时接收中央控制单元ccu发出的控制指令；步骤s2、中央控制单元ccu根据车辆联挂继电器得电与失电状态，判断动车组列车是否为重联状态，若动车组列车处于单编组运行时，则执行步骤s3；若动车组列车处于重联运行时，则执行步骤s4；步骤s3、本车内应用数据均通过ecn通道进行传输，每节车厢内的各个子系统反馈的数据全部通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给中央控制单元ccu，由中央控制单元ccu汇总本列车信息；同时，中央控制单元ccu发送的控车指令也通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道传输给每节车厢内的各个子系统；步骤s4、重联车组间的数据通过etb通道进行传输；本车的每节车厢内的各个子系统数据通过车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给本车的中央控制单元ccu；联挂车的每节车厢内的各个子系统的数据通过联挂车的车辆级以太网ecn1通道、ecn2通道进行传输，发送给联挂车的中央控制单元ccu，两列车的ccu各自完成本车内部的数据汇总，而列车间的列车级数据则由列车级以太网交换机etbn来实现互发。2.根据权利要求1所述的一种基于以太网的列车级数据控制方法，其特征在于，每节车厢内的各个子系统包括：人机接口hmi、无线传输装置wtd、输入输出单元iom、旅客信息系统pis、空调hvac、牵引控制单元tcu、火警系统fas、充电机控制单元bc、能量管理系统eems、热轴监测系统hads、门控制单元dcu、制动控制单元bcu、司机操控信息分析系统eoas、地震预警系统eews、健康管理主机phm。3.根据权利要求1所述的一种基于以太网的列车级数据控制方法，其特征在于，车辆级数据传输通道ecn1和ecn2冗余设置，中央控制单元ccu优先采用车辆级以太网ecn1通道的数据，若该通道各子系统的数据超过一定阈值没有更新，则采用ecn2通道的数据。

技术总结
本发明涉及动车组列车数据控制领域，具体涉及一种基于以太网的列车级数据控制方法，该控制方法通过优化网络拓扑结构，将全车设置为一个网络单元，相邻的车厢与车厢之间通过车辆级以太网线路连通，由CCU判断列车处于单编组运行还是重联运行，若车辆处于单编组运行，则CCU的所有控制数据不经由列车级以太网交换机ETBN转发，各个车厢内子系统的数据全部通过ECNN进行传输；若车辆处于重联运行时，则CCU的列车级数据经由列车级以太网交换机ETBN转发到重连车组。该方法对单编组运用具有显著意义，能够有效避免因列车级以太网交换机故障对单编组车辆的运行造成影响，提高车辆的运营质量；同时，能够减少CCU和ETBN的配置数量，从而降低车辆成本。降低车辆成本。降低车辆成本。


技术研发人员：高阳 王成涛 毕凯 李聪
受保护的技术使用者：中车长春轨道客车股份有限公司
技术研发日：2022.10.12
技术公布日：2023/3/14