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CN112887152A - 一种基于以太网的列车通信网络架构、方法及轨道列车 - Google Patents

一种基于以太网的列车通信网络架构、方法及轨道列车 Download PDF

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CN112887152A CN202110137416.8A CN202110137416A CN112887152A CN 112887152 A CN112887152 A CN 112887152A CN 202110137416 A CN202110137416 A CN 202110137416A CN 112887152 A CN112887152 A CN 112887152A
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Abstract

本发明提出了一种基于以太网的列车通信网络架构，包括：以太网编组网；以太网列车骨干网，包括：物理层相互独立的第一网络平面和第二网络平面，所述第一网络平面和所述第二网络平面共用一个以太网编组网；其中，所述第一网络平面和所述第二网络平面均分别于每辆列车内串接有两个以太网列车骨干网节点，每个所述以太网列车骨干网节点处均设有一台ETBN交换机，所述ETBN交换机与所述以太网编组网相连。本发明还提供了采用以上网络架构的列车通信方法及轨道列车。本发明所提供的列车通信网络架构、方法及轨道列车能够有效减少列车初运行的节点数和报文数量，降低故障点对列车运行的影响，确保列车运行的安全可靠。

Description

一种基于以太网的列车通信网络架构、方法及轨道列车
技术领域
本发明属于动车组列车网络通信技术领域，尤其涉及一种基于以太网的列车通信网络架构、方法及轨道列车。
背景技术
随着以太网在列车领域的推广应用，为轨道车辆车载网络带来了大带宽、高速率、智能化传输等诸多技术提升，基于以太网的列车网络初运行能够完成动态跨编组重联组网、智能寻址、NAT等功能，与此同时，以太网在列车网络初运行应用中的可靠性问题越来越引起业界的关注。
目前的列车以太网网络系统中，以太网列车骨干网(Ethernet Train Backbone，ETB)多为线性架构，以太网列车骨干网节点(Ethernet Train Backbone Node，ETBN)串接在线性网络中，每列车包含两个编组，出于容错考虑，一般会在每个列车编组内部署两台ETBN交换机，分别与列车以太网编组网(Ethernet Consist Network，ECN)相连，但在此方式中：1、参与列车网络初运行的ETBN交换机较多，两列车重联就有多达8个ETBN交换机参与初运行，在列车初上电运行时报文较多，易导致初运行失败，同时增加了故障点；2.所有ETBN交换机的初运行均在同一物理网络内进行，若发生线缆断裂、连接器松动、多设备故障等无法旁路的故障时，将导致初运行失败，列车无法正常运营。
发明内容
针对现有的以太网在列车网络初运行应用中的可靠性问题，本发明提出了一种基于以太网的列车通信网络架构、方法及轨道列车，可以降低故障点对列车运行的影响，提高以太网列车网络初运行的容错能力，提高列车运行时的稳定性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种基于以太网的列车通信网络架构，包括：
以太网编组网；
以太网列车骨干网，包括：物理层相互独立的第一网络平面和第二网络平面，所述第一网络平面和所述第二网络平面共用一个以太网编组网；
其中，所述第一网络平面和所述第二网络平面均分别于每辆列车内串接有两个以太网列车骨干网节点，每个所述以太网列车骨干网节点处均设有一台ETBN交换机，所述ETBN交换机与所述以太网编组网相连。
本发明将以太网列车骨干网划分为互为冗余的两个网络平面，任一网络平面内发生线缆断裂、连接器松动、多设备故障等不可旁路的故障导致该网络平面内的初运行失败时，另一网络平面仍然能够提供正确的初运行结果，维持列车正常运行，不会影响列车的总体通信功能，该设计有效提高了以太网列车网络的容错能力，确保以太网列车网络初运行的鲁棒性和稳定性；并且本发明将列车骨干网络中的ETBN交换机分别划分到两个独立的第一网络平面、第二网络平面内，在保证冗余的情况下，有效减少了初运行节点数和报文数量，降低了系统故障点对列车运行的影响，进一步提高了列车网络的初运行效率。
优选的，所述第一网络平面、所述第二网络平面内均具有逻辑独立的初运行通道和数据通道，其中，所述初运行通道用于传送初运行报文；所述数据通道用于进行跨编组通信。本发明各个网络平面内的数据通道与初运行通道逻辑独立，有效确保了列车运行中数据通道内的数据交换不会对初运行通道内的初运行结果产生影响；同时本发明中的两个初运行通道相互独立，互不干涉，均能够在各自的网络平面内进行独立的初运行操作，得到各自的初运行结果，在互为冗余的任一网络平面内出现故障时，另一网络平面的初运行结果可以确保列车的正常运行。
优选的，所述以太网编组网内设有中央控制单元CCU，用于仲裁所述第一网络平面和第二网络平面的主从关系。本发明通过中央控制单元CCU实现对列车初运行的逻辑控制，确保列车运行顺利启动，以及列车运行过程中的稳定性、可靠性。
一种轨道列车，其特征在于，采用上述基于以太网的列车通信网络架构。
本发明所提供的轨道列车具有互为冗余的两个以太网列车骨干网的网络平面，有助于降低列车故障点对总体运行的影响，确保列车的正常运行；并且本发明在列车初上电时，能够有效减少列车网络初运行的节点数和报文数量，并且本发明将传统列车骨干网络中的ETBN交换机划分到了两个独立的第一网络平面、第二网络平面内，在保证冗余的情况下，有效减少了初运行节点数和报文数量，有助于提高列车网络的初运行效率。
一种列车通信方法，应用于上述基于以太网的列车通信网络架构，该方法包括以下步骤：
所述第一网络平面、所述第二网络平面内分别进行网络初运行；
所述第一网络平面、所述第二网络平面分别将各自的初运行结果发送至所述以太网编组网内的中央控制单元CCU；
所述中央控制单元CCU进行仲裁，选择第一网络平面或第二网络平面作为主网络进行列车运行。
本发明所提供的列车通讯方法为具有两个以太网列车骨干网网络平面的列车运行提供了列车初运行阶段的逻辑控制，使列车系统能够在两个网络平面的初运行结果中确定最优选，有助于确保列车运行的稳定性和可靠性；并且该方法能够降低设备故障对列车总体运行的影响，有效提高了系统的容错能力，确保列车通信架构的安全可靠。
优选的，选定所述第一网络平面作为主网络后，还包括以下步骤：在所述第一网络平面的初运行通道内传送其初运行报文，并在所述第一网络平面的数据通道内传送其跨编组信息。该步骤能够确保仲裁结束后第一网络平面内继续维持通信状态，保持其初运行结果。
优选的，选定所述第二网络平面作为主网络后，还包括以下步骤：在所述第二网络平面的初运行通道内传送其初运行报文，并在所述第二网络平面的数据通道内传送其跨编组信息。该步骤能够确保仲裁结束后第二网络平面内继续维持通信状态，保持其初运行结果。
优选的，在列车运行的过程中，还包括以下步骤：实时判断所述主网络的初运行状态是否发生改变，若是，则重新进行仲裁；否则，继续基于所述主网络进行列车运行。该步骤能够在主网络运行状态发生改变时通过中央控制单元CCU及时对列车运行进行调整，避免主网络中的设备故障对列车总体运行的影响，该步骤进一步提高了系统的容错能力，保证列车运行的稳定性和可靠性。
一种轨道列车，其特征在于，采用了上述列车通信方法。
本发明所提供的轨道列车具有互为冗余的两个以太网列车骨干网的网络平面，并能够在两个网络平面的初运行结果中确定最优选，同时能够在列车初运行的主网络故障时及时控制更换列车初运行的主网络，降低设备故障对列车总体运行的影响，确保列车运行的安全可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
图1为现有技术中列车网络架构的示意图；
图2为本实施方式列车网络架构的示意图；
图3为本实施方式列车通讯方法的流程图。
以上各图中:1.以太网编组网；2.以太网列车骨干网；21.第一网络平面；22.第二网络平面；3.ETBN交换机；4.以太网通道；5.初运行通道；6.数据通道。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为现有技术中列车网络架构的示意图，在现有的列车以太网网络系统中，以太网列车骨干网(Ethernet Train Backbone，ETB)2为线性架构，以太网列车骨干网节点(Ethernet Train Backbone Node，ETBN)串接在线性网络中，现有技术中每辆列车均包含两个编组，并且出于容错考虑，每个列车编组内均部署有两台ETBN交换机3，分别与列车以太网编组网1(Ethernet Consist Network，ECN)相连。
如图1所示，两辆列车重联包含4个编组，就有多达8个ETBN交换机3参与列车的初运行，在列车初上电时，由于参与列车网络初运行的ETBN交换机3较多，导致初运行期间报文较多，易出现列车初运行失败的情形，并且参与初运行的ETBN交换机3数量的增多同时也增加列车初运行的故障点，使传统以太网网络系统的容错能力较差；并且在传统以太网网络系统，所有的ETBN交换机3的初运行均在同一物理网络内进行，只要有一处线缆发生断裂、或者某个连接器的来连接发生松动等故障发生时，均会导致初运行失败，妨碍列车的正常运营。
为解决上述问题，本申请提供了一种基于以太网的列车通信网络架构。图2为本实施方式列车网络架构的示意图，在下文中，将参照图2详细描述本申请的具体实施方式。
具体的，本发明所提供的基于以太网的列车通信网络架构将列车骨干网2划分为相互独立的两个网络平面，分别为第一网络平面21和第二网络平面22。在本实施方式中，两个网络平面在物理层相互独立、互不干扰，在设备初上电时，两个网络平面内均能够进行独立的初运行操作。本实施方式中的两个网络平面互为冗余，互为冗余的任一网络平面内发生线缆断裂、连接器松动、多设备故障等故障，导致该网络平面内的初运行失败时，另一网络平面仍然能够提供正确的初运行结果，维持列车正常运行，不会影响列车的总体通信功能，两个列车骨干网网络平面的设置有助于提高系统的容错能力，确保列车初运行的可靠性。
在每个网络平面内均包括设置于每辆列车两端的以太网列车骨干网节点ETBN，同一网络平面内的以太网列车骨干网的节点ETBN均串接在各自的网络平面内。
进一步的，本实施方式中的每辆列车同样包含两个编组，且每个列车编组内均部署有两台ETBN交换机3，每个列车编组内的两台ETBN交换机3分别部署于对应的以太网列车骨干网节点ETBN处，且通过以太网列车骨干网节点ETBN连接于第一网络平面21或第二网络平面22中，使得每个编组在第一网络平面21、第二网络平面22中各包含1台ETBN交换机3。同时，每台ETBN交换机3均与通过以太网通道与列车的以太网编组网1相连，使第一网络平面21和第二网络平面22共用一个以太网编组网1。在本实施方式中，每个列车编组内两台ETBN交换机3互为冗余，互为冗余的任一ETBN交换机3发生故障不会影响列车总体的通讯功能。同时该设计还能够在保证冗余的情况下，减少列车网络初运行的节点数和报文数量，降低系统的故障点。
如图2所示，以两列车重联为例，同一网络平面内只有4台ETBN交换机3参与初运行，相比于传统的线性列车骨干网架构，本发明提出的新型冗余网络架构在每个网络平面的初运行报文减少了1/2。该设计通过减少同一物理网络内参与列车网络初运行的ETBN交换机3的数目，进而减少了网络平面内的初运行报文数量，减少了网络平面内的故障点，降低了列车初运行过程中的复杂度，有助于提升系统的鲁棒性。
进一步的，第一网络平面21、第二网络平面22的内部均具有初运行通道5和数据通道6两个以太网通道。其中，初运行通道5用于传送初运行报文，维持列车通讯状态，保持初运行结果；数据通道6用于实现以太网编组网1内的各车载设备的跨编组通信。两个通道逻辑独立，使得本实施方式中的初运行报文仅在初运行通道5内传送，不会受到数据通道6的影响，确保列车运行中的数据交换不会影响初运行结果，有助于提升列车基于以太网的列车通讯网络架构的可靠性，增强列车运行时的稳定性。
在本实施方式中，列车以太网编组网1的内部包括中央处理单元CPU、中央控制单元CCU、远程输入输出模块RIOM、人机接口单元HMI和列车数据记录单元ERM、车门控制单元EDCU、乘客信息系统PIS、烟火报警系统FAS等车载设备，各设备通过编组内的ETBN交换机3进行跨编组通信，用于实现列车的正常运营。
本发明提供了一种轨道列车，该轨道列车具有上述基于以太网的列车通信网络架构。
本发明所提供的轨道列车具有互为冗余的两个以太网列车骨干网的网络平面，有助于降低列车故障点对总体运行的影响，确保列车的正常运行；并且本发明在列车初上电时，能够有效减少列车网络初运行的节点数和报文数量，并且本发明将传统列车骨干网络中的ETBN交换机划分到了两个独立的第一网络平面21、第二网络平面22内，在保证冗余的情况下，有效减少了初运行节点数和报文数量，有助于提高列车网络的初运行效率。
本发明还提供了一种应用于上述基于以太网的列车通信网络架构的列车通信方法。图3为本实施方式列车通讯方法的流程图，在下文中，将参照图3详细描述本实施方式列车在初运行期间的列车通讯方法。具体的，本发明所提供的列车通讯方法包括以下步骤：
S1、第一网络平面21、第二网络平面22内分别进行网络初运行；
具体的，设备上电后，本实施方式第一网络平面21、第二网络平面22内的各个ETBN交换机3在各自的初运行通道5内同时进行初运行，并且不同网络平面内的ETBN交换机的运行过程相互独立、互不干涉。
S2、第一网络平面21、第二网络平面22分别将各自的初运行结果发送至中央控制单元CCU；
具体的，初运行结束后，第一网络平面21、第二网络平面22通过各自的ETBN交换机3分别将各自的初运行结果发送至列车以太网编组网1中的中央控制单元CCU，中央控制单元CCU接收第一网络平面21和第二网络平面22的初运行结果，并对两个初运行结果进行仲裁决定出运行结果和第一网络平面21、第二网络平面22的主从结果。
S3、中央控制单元CCU进行仲裁，确定第一网络平面21、第二网络平面22的主从关系；若选择第一网络平面21为主网络，则执行步骤S4；否则，选择第二网络平面22为主网络并执行步骤S5；
具体的，中央控制单元CCU根据系统的预设规则对第一网络平面21的初运行结果与第二网络平面22的初运行结果进行仲裁，选择两个列车骨干网2中的其中一个网络平面作为本次列车初运行的主网络，并基于该网络平面的初运行结果进行列车运行，同时将另一个网络平面作为备用网络，在主网络发生故障时，本实施方式还可通过启动备用网络维持列车的正常运行，保证列车运行时的安全稳定。
S4、分发第一网络平面21的数据信息，基于第一网络平面21的初运行结果进行列车运行；
若中央控制单元CCU选定第一网络平面21为主运行网络，则列车将采用第一网络平面21的初运行结果进行列车运行。具体的，在第一网络平面21的初运行通道5内传送其初运行报文，并在第一网络平面21的数据通道6内传送其跨编组信息。由此以实现列车依据第一网络平面21的初运行结果进行列车运行，并确保仲裁结束后第一网络平面21内继续维持通信状态，保持其初运行结果。
S5、分发第二网络平面22的数据信息，基于第二网络平面22的初运行结果进行列车运行；
若中央控制单元CCU选定第二网络平面22为主运行网络，则列车将采用第二网络平面22的初运行结果进行列车初运行。具体的，在第二网络平面22的初运行通道5内传送其初运行报文，并在第二网络平面22的数据通道6内传送其跨编组信息。由此以实现列车依据第二网络平面22的初运行结果进行列车运行，并确保仲裁结束后第二网络平面22内继续维持通信状态，保持其初运行结果。
进一步的，在列车基于第一网络平面21或第二网络平面22的初运行结果运行的过程中，还要执行以下步骤：
S6、实时判断主网络的初运行状态是否发生改变，若是，则返回执行步骤S2；否则，继续执行步骤S4/S5，直至运行结束。
具体的，在中央控制单元CCU选定列车的主运行网络之后，在列车的运行过程中，系统会实时监测第一网络平面21、第二网络平面22的初运行状态是否发生改变，若检测结果为网络平面的初运行状态未发生改变，则继续依据已经选定的网络平面继续运行；若检测到网络平面的初运行状态发生改变，则系统会及时进行调整，由中央控制单元CCU对初运行状态改变后的第一网络平面21和第二网络平面22的初运行结果重新进行仲裁，选定列车运行所采用的主网络，循环执行步骤S2至S6，直至列车运行结束。该步骤能够在主网络运行状态发生改变时通过中央控制单元CCU及时对列车运行进行调整，避免主网络中的设备故障对列车总体运行的影响，进一步提高了系统的容错能力，保证列车运行的稳定性和可靠性。
本发明所提供的列车通讯方法为具有两个以太网列车骨干网网络平面的列车运行提供了列车初运行的逻辑控制，能够在两个网络平面的初运行结果中确定最优选，有助于确保列车运行的稳定性和可靠性；并且该方法能够避免单一设备故障对列车总体运行的影响，有效提高了系统的容错能力，保证了列车通信架构的安全可靠。
本发明还提供了一种轨道列车，该轨道车辆采用了上述列车通信方法。
本发明所提供的轨道列车具有互为冗余的两个以太网列车骨干网的网络平面，并能够在两个网络平面的初运行结果中确定最优选，同时能够在列车初运行的主网络故障时及时控制更换列车初运行的主网络，降低设备故障对列车总体运行的影响，确保列车运行的安全可靠。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于以太网的列车通信网络架构，其特征在于，包括：
以太网编组网；
以太网列车骨干网，包括：物理层相互独立的第一网络平面和第二网络平面，所述第一网络平面和所述第二网络平面共用一个以太网编组网；
其中，所述第一网络平面和所述第二网络平面均分别于每辆列车内串接有两个以太网列车骨干网节点，每个所述以太网列车骨干网节点处均设有一台ETBN交换机，所述ETBN交换机与所述以太网编组网相连。
2.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络架构，其特征在于，所述第一网络平面、所述第二网络平面内均具有逻辑独立的初运行通道和数据通道，其中，所述初运行通道用于传送初运行报文；所述数据通道用于进行跨编组通信。
3.根据权利要求1所述的基于以太网的列车通信网络架构，其特征在于，所述以太网编组网内设有中央控制单元CCU，用于仲裁所述第一网络平面和第二网络平面的主从关系。
4.一种轨道列车，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的基于以太网的列车通信网络架构。
5.一种列车通信方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的基于以太网的列车通信网络架构，其特征在于，包括以下步骤：
所述第一网络平面、所述第二网络平面内分别进行网络初运行；
所述第一网络平面、所述第二网络平面分别将各自的初运行结果发送至所述以太网编组网内的中央控制单元CCU；
所述中央控制单元CCU进行仲裁，选择第一网络平面或第二网络平面作为主网络进行列车运行。
6.根据权利要求5所述的列车通信方法，其特征在于，选定所述第一网络平面作为主网络后，还包括以下步骤：
在所述第一网络平面的初运行通道内传送其初运行报文，并在所述第一网络平面的数据通道内传送其跨编组信息。
7.根据权利要求5所述的列车通信方法，其特征在于，选定所述第二网络平面作为主网络后，还包括以下步骤：
在所述第二网络平面的初运行通道内传送其初运行报文，并在所述第二网络平面的数据通道内传送其跨编组信息。
8.根据权利要求5所述的列车通信方法，其特征在于，在列车运行的过程中，还包括以下步骤：
实时判断所述主网络的初运行状态是否发生改变，若是，则重新进行仲裁；否则，继续基于所述主网络进行列车运行。
9.一种轨道列车，其特征在于，采用如权利要求5-8任一项所述的列车通信方法。
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