基于TSN的列车控制及监控系统的制作方法

基于tsn的列车控制及监控系统
技术领域
1.本公开的实施例一般涉及轨道交通技术领域，并且更具体地，涉及基于tsn的列车控制及监控系统。


背景技术：

2.随着轨道交通行业的快速发展，列控、信号、pis/pa/cctv、火灾、乘客服务等系统对于列车控制及监控系统的实时性、传输带宽等方面的需求越来越高，车载网络的组网也越来越复杂。使用大量的硬线进行信息传输会严重增加列车重量，列车建造成本，并且使列车走线设计变得越来越复杂，难度越来越大。


技术实现要素：

3.根据本公开的实施例，提供了一种基于tsn的列车控制及监控系统。该系统包括：多对应列车每一节车厢的tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备和tsn交换机；所述对应列车每一节车厢的tcms设备、tcms网络控制设备和硬线设备分别通过对应的tsn交换机接入tsn网络，进行不同车厢间的控制及监控信息传输。
4.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，若tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为支持tsn网络拓扑的设备，则所述设备直接接入所述tsn交换机；若tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为不支持tsn网络拓扑的设备，则所述设备通过tsn转换板卡接入所述tsn交换机。
5.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为支持tsn网络拓扑的设备，内置支持tsn网络的网络控制单元。
6.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为不支持tsn网络拓扑的设备，内置支持以太网的网络控制单元。
7.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tsn转换板卡包括以太网输入网口、tsn网络输出网口、tsn网络芯片。
8.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所所述设备通过tsn转换板卡接入所述tsn交换机包括：所述tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备分别经由以太网接口接入所述tsn转换板卡的以太网输入网口，所述tsn转换板卡的tsn网络输出网口与所述tsn交换机连接；其中，所述tsn网络芯片用于进行以太网与tsn网络之间的转换。
9.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述设备通过tsn转换板卡接入所述tsn交换机包括：所述tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备通过tsn网络转换插箱接入所述tsn交换机，所述tsn网络转换插箱包括分别对应于所述tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备的tsn转换板卡。
10.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述硬线设备对应的网络信息在所述tsn网络中的传输优先级为最高。
11.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述tsn网络为环形拓扑结构或线形拓扑结构。
12.如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述线形拓扑结构为线形冗余拓扑结构。
13.应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
14.结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
15.图1示出了能够在其中实现本公开的实施例的示例性运行环境的示意图；
16.图2示出了根据本公开的实施例的环形拓扑网络的示意图；
17.图3示出了根据本公开的实施例的线形冗余拓扑网络的示意图；
18.图4示出了根据本公开的实施例的支持tsn网络的设备接入tsn交换机的拓扑示意图；
19.图5示出了根据本公开的实施例的支持tsn网络的控制单元的示意图；
20.图6示出了根据本公开的实施例的tsn转换板卡的方框图；
21.图7示出了根据本公开的实施例的不支持tsn网络的设备通过tsn网络转换插箱接入tsn交换机的拓扑示意图；
22.图8示出了根据本公开的实施例的tsn网络芯片的转换逻辑图。
具体实施方式
23.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。
24.另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
25.tsn(time sensitive networking，时间敏感网络)是ieee802.1 tsn任务组开发的一套协议标准，该标准定义了以太网数据传输的时间敏感机制，通过流量分组优先转发、调度机制清理线路以及带宽预留等机制来保证业务流量在以太网中的传输性能，为标准以太网增加了确定性和可靠性，以确保以太网能够为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。tsn的实时性主要通过ieee8
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2.1qbv功能实现，不同在于传统以太网ieee802.1qbu+ieee802.3br采用抢占式mac的方式来对高实时性数据进行传输，ieee802.1qbv采用time aware shaper为高实时数据提供专用的时间通道，而对其他非实时数据采用best effort
的方式进行传输；其实现原理是在数据包端到端传送的整个过程中，tsn网络对整个网络上的每个关键协议/控制信息/数据流做全面的数据包排包优化，准确定义每次转发过程中数据包的优先级，所有点对点路径事前排好优先级和指定通道，保证关键数据的实时性和准确性。
26.图1示出了能够在其中实现本公开的实施例的基于tsn的列车控制及监控系统100的示意图。在基于tsn的列车控制及监控系统100中包多个车辆级系统设备102和tsn交换机108，其中；
27.每个车辆级系统设备102对应一节列车车厢；
28.多个车辆级系统设备102分别通过对应的tsn交换机108连接到tsn网络104，进行不同车厢间的控制及监控信息传输。
29.在一些实施例中，一列车辆的编组形式为＝tmc1
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mp1
‑
mp2
‑
tmc2＝；其中，根据编组形式不同，可以包括多个mp车，或多个mp车及m车。tmc车为带司机室半动半拖车，mp车为无司机室带受电弓的动车，m车为无司机室不带受电弓的动车。
30.在一些实施例中，所述车辆级系统设备102对应一节车厢；包括tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206。
31.在一些实施例中，对于tmc车，所述tcms设备202包括：mvcu(主控制单元)、hmi(人机交互单元)、riom1(远程输入输出单元1)、riom2(远程输入输出单元2)；所述tcms网络控制设备204包括dcu(门控制器)、ebcu(制动控制单元)、mdcu1(主门控制器1)、mdcu2(主门控制其2)、hvac(空调控制器)、vocb、acu(辅助变流器)、fas(火灾自动报警系统)、pis/pa(乘客信号系统/乘客广播装置)。
32.在一些实施例中，对于mp车，所述tcms设备202包括：riom1(远程输入输出单元)；所述tcms网络控制设备204包括dcu(门控制器)、ccu
‑
d(列车诊断系统中央控制单元)、pms(电源管理系统)、bms(电池管理系统)。
33.在一些实施例中，传统硬线通信部分的车辆设备包括牵引控制、制动控制、车门、信号等设备。
34.在一些实施例中，tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为支持tsn网络拓扑的设备，内置支持tsn网络的网络控制单元，则所述设备直接接入所述tsn交换机。
35.目前，支持tsn网络的芯片有ti am654x、nxp ls1028a、xilinx zynq ultrascale+、intel i210等，各子系统供应商可根据这些板卡进行硬件设计和软件开发。其中，所述板卡方案见附图图4，所述网络拓扑见附图图5。
36.通过在所述设备中内置支持tsn网络的网络控制单元，从根本上解决了对tsn网络不支持的问题，完美实现了车载tsn网络，进而发挥tsn网络的优势。但是本实施例要求所涉及的众多设备配合重新设计板卡，同时包括软件系统和硬件设备两个层面的优化设计工作，并进行对应的新的功能测试和安全评审，因此预计开发周期将有所延长、开发成本也增高。
37.在一些实施例中，tcms设备、tcms网络控制设备、硬线设备为不支持tsn网络拓扑的设备，则所述设备通过tsn转换板卡接入所述tsn交换机。
38.在一些实施例中，tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206分别经由以太网接口连入tsn转换板卡上，再与第一tsn交换机208和第二tsn交换机210连接，形成车辆
tsn网络。所述tsn转换板卡如图6所示，包括以太网输入网口、tsn网络输出网口、tsn网络芯片；通过以太输入网口接收tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206等子系统发送过来的接口信息，并通过tsn网络芯片转换为tsn网络信息后再经由tsn网络输出网口发送给第一tsn交换机208和第二tsn交换机210。
39.在一些实施例中，如附图图7所示，tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206等子系统和与第一tsn交换机208和第二tsn交换机210之间添加tsn网络转换插箱，所述tsn网络转换插箱中包括多个tsn转换板卡，每个tsn转换板卡一对一为每个子系统进行tsn网络转换。
40.在一些实施例中，tsn转换板卡的tsn网络芯片，可以是ti am654x、nxp ls1028a、xilinx zynq ultrascale+、intel i210等，其转换逻辑为通过对应驱动在普通以太网的链路层上添加ieee 802.1q协议；如图8所示，与普通以太网帧结构相比，tsn网络在数据链路层需要支持ieee 802.1q协议，因此在芯片内部协议转换逻辑处理过程中，在源mac地址和类型/长度之间插入了4个字节的802.1q帧头，帧头内包含两个字节的tpid(标签协议标识)和两个字节的tci(标签控制信息)，当tpid值为0x8100时，表示该帧为使用了802.1q协议的vlan类型帧，tci字段中主要包括三个内容，分别为：：pcp(priority code point，优先级标识)，3比特，表示帧优先级，共8级；cfi，1比特，表示mac地址是否是标准格式；vid(vlan identifier，虚拟局域网序号)，12比特，表示帧所属的vlan标识。
41.在一些实施例中，将传统车辆硬线通信部分，即硬线设备206的传输优先级设置为最高，来保障传统硬线通信所需的可靠性和稳定性。
42.在一些实施例中，可以将支持tsn网络拓扑的设备与不支持不支持tsn网络拓扑的设备混用，即，支持tsn网络拓扑的设备直接接入所述tsn交换机；不支持tsn网络拓扑的设备通过tsn转换板卡接入所述tsn交换机。方便了对设备的升级，逐步将不支持tsn网络拓扑的设备升级为支持tsn网络拓扑的设备，实现了平稳升级，最终实现真正的车辆tsn网络全覆盖，起到最佳的性能优化作用。
43.在一些实施例中，所述tsn网络104采用环形拓扑结构，如附图图2所示，其包括以太网总线和多个tsn交换机。其中，对于每个车辆级系统设备102，配置一组第一tsn交换机和第二tsn交换机，tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206分别通过以太网总线与第一tsn交换机208和第二tsn交换机210连接。tmc1车的第一tsn交换机208与和第二tsn交换机210通过以太网总线连接；tmc1车、mp1车、mp2车、tmc2车的第一tsn交换机208通过以太网总线依次连接；tmc1车、mp1车、mp2车、tmc2车的第二tsn交换机210通过以太网总线依次连接；tmc2车的第一tsn交换机208与和第二tsn交换机210通过以太网总线连接；形成环形拓扑网络。
44.在一些实施例中，所述tsn网络104采用线形冗余拓扑结构，如附图图3所示，其包括以太网总线和多个tsn交换机。其中，对于每个车辆级系统设备102，配置一组第一tsn交换机和第二tsn交换机，tcms设备202、tcms网络控制设备204和硬线设备206分别通过以太网总线与第一tsn交换机208和第二tsn交换机210连接。tmc1车、mp1车、mp2车、tmc2车的第一tsn交换机208通过以太网总线依次连接；tmc1车、mp1车、mp2车、tmc2车的第二tsn交换机210通过以太网总线依次连接；形成线形冗余网络。与环形车辆网络拓扑相比，两方案的区别仅为拓扑结构不同，在具体实施构成中，可根据车辆建造需求，选择合适的拓扑结构进行
搭建。与环形车辆网络拓扑相比，两方案的区别仅为拓扑结构不同，在具体实施构成中，可根据车辆建造需求，选择合适的拓扑结构进行搭建。
45.在一些实施例中，所述tsn网络104也可以采用线形拓扑结构，对于每个车辆级系统设备102，仅配置一个tsn交换机。
46.通过tsn技术构建列车控制及监控系统，鉴于tsn网络的高实时性，强稳定性，提高列车控制及监控系统的安全等级，从而兼容部分硬线的功能，达到减少硬线的目的。通过将传统车辆硬线集合到使用tsn网络构建的tcms网络中，tcms可以更好的管控和监督车辆硬线设备，其状态和故障信息能够通过人机交互界面hmi或其他人机交互系统更加便利的通知给车辆操作或维护人员。方便运营人员随时对车辆状态进行监视。
47.虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。
48.尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。