基于以太网的列车网络控制系统的制作方法

本发明涉及基于以太网的列车网络通信技术，尤其涉及一种基于以太网的列车网络控制系统。

背景技术：

随着列车的车载功能日趋丰富，现代列车对通信网络平台的标准化、信息化和智能化提出了更高要求。国际电工委员会(iec)颁布了iec-61375-2(列车级网络)和iec-61375-3(车辆级网络)的系列标准，从而形成了列车通信网络(tcn)的标准体系。应用最为广泛的tcn网络技术是wtb(wiretranbus，绞线列车总线)和mvb(multifunctionvehiclebus，多功能车辆总线)网络。

传统的mvb、wtb等总线的带宽已经不能满足列车网络通信的需求，随着工业以太网的逐渐普及，由以太网组成的列车级网络和车辆级网络应用愈趋广泛。但是，基于以太网的列车通信网络不仅需要解决传输带宽问题，还要解决以太网固有的冗余度不足、冗余切换的实时性低、数据传输的确定性低等问题。

目前常用车载网络控制系统编组网采用百兆编组网节点(ecnn)组建环网，可以解决部分编组网传输链路冗余，存在ecnn设备损坏、线路损坏影响正常功能的情况。

本领域需要改善的以太网列车网络控制系统以提高列车数据传输的可靠性及安全性、数据确定性。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种基于以太网的列车网络控制系统，其特征在于，包括由ecn节点组成的编组网，其中每个车辆包括分属不同网段的两个ecn节点，编组内各车辆的第一ecn节点组成第一ecn网络以及第二ecn节点组成第二ecn网络，该第一ecn网络和该第二ecn网络皆包括冗余的通信链路，车辆内的至少一个终端设备包括两个以太网接口以同时连接至所在车辆的第一和第二ecn节点。

在一实例中，该第一ecn网络和该第二ecn网络中的一者配置为传输控制数据的控制链路，另一者配置为传输控制数据和多媒体数据的融合链路，以实现控制数据的冗余备份。

在一实例中，该至少一个终端设备响应于控制链路报文正常采用该控制链路实现控制数据的通信。

在一实例中，该至少一个终端设备响应于控制链路报文异常且融合链路报文正常采用该融合链路实现控制数据的通信。

在一实例中，该控制链路和该融合链路采用分时复用调度策略实施数据传输。

在一实例中，该第一ecn网络为第一ecn环网以及该第二ecn网络为第二ecn环网。

在一实例中，该第一ecn环网和该第二ecn环网中的每个ecn节点配置为监测两个方向上的收发数据帧，响应于故障ecn节点检测到链路异常，则上报故障信息至所在ecn环网的当前主ecn节点以执行环网链路方向切换。

在一实例中，该故障ecn节点将异常链路置为断路，当前主ecn节点将虚连的备用链路切换为正常链路，以切换环网的链路方向。

在一实例中，该故障ecn节点持续监测该异常链路的状态，响应于该异常链路的状态转为正常达到预设时间，该异常链路被切换为虚连的备用链路。

在一实例中，该第一ecn网络和该第二ecn网络中的各ecn节点通过链路汇聚冗余方式连接，以实现单节点或单线路故障时故障点快速检测及故障旁路。

在一实例中，该网络控制系统还包括由etbn节点组成的列车级骨干网，每个编组包括两个互为冗余的etbn节点，每个etbn节点分别连接至所在编组内该第一ecn节点和该第二ecn节点。

在一实例中，该ecn节点采用千兆网设置。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了现有技术的编组环网的网络拓扑示意图；

图2示出了根据本发明的一方面的网络控制系统的拓扑示意图；

图3a-3c示出了根据本发明的一方面的ecn网络的故障诊断及自愈的示意图；

图4示出了根据本发明的一方面的数据采信逻辑的流程图；

图5示出了根据本发明的一方面的列车级网络的拓扑结构示意图；

图6a-6b示出了根据本发明的一方面的链路汇聚策略实现的旁路中继示意图；

图7示出了根据本发明的一方面的网络控制系统的拓扑示意图；以及

图8a-8b示出了根据本发明的一方面的链路汇聚策略实现的旁路中继示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出了现有技术的编组环网的网络拓扑结构。列车由多个编组组成，每个编组包括多节车辆，编组内的多节车辆间通过编组网实现数据通信。如图1所示，每节车辆包括一个ecn(ethernetconsistnetwork，以太编组网)节点(ecnn)，编组内的ecn节点之间通过环网拓扑连接形成编组环网。车辆内的终端设备仅包括一个以太网接口，以接入该编组网。

此外，图1中还示出了etb(ethernettrainbackbone，以太网列车骨干网)节点(etbn)，一个编组报两个etb节点以实现相互冗余。etb节点构成etb网络，以实现跨编组的数据通信。

在图1所示的现有技术拓扑方案中，存在以太网固有的冗余度不足、冗余切换的实时性低、数据传输的确定性低等问题。

根据本发明的一方面，提供了一种基于以太网的列车网络控制系统，包括由ecn节点组成的编组网，特别地每个车辆包括分属不同网段的两个ecn节点，这样每个编组可包括分属不同网段的两个ecn编组网，每个ecn编组网可采用冗余的通信链路相互连接，例如可以采用ecn环网结构或者可采用链路汇聚冗余策略连接。车辆内的终端设备可包括两个以太网接口，以同时接至不同的ecn编组网。

图2示出了根据本发明的一方面的网络控制系统200的拓扑示意图。如图2所示，网络控制系统200可包括两个ecn网络，分别为第一ecn网络210和第二ecn网络220。每节车辆内可包括第一ecn节点211和第二ecn节点212，编组内各各车辆的第一ecn节点211可组成第一ecn网络210，第二ecn节点212可组成第二ecn网络220。

ecn节点可包括主要用于构建网络的连接的网络设备，如交换机、路由器等。ecn网络中的路由器应最少配置两个ip接口，可以实现数据帧在网络层上的交换。交换机主要实现网络数据帧在链路层上的交换传输，是ecn网络中的主要设备类型。

在图2所示的实例中，各ecn节点之间通过环网形式连接以构成ecn环网。因此，网络控制系统200可包括两个ecn环网。ecn环网可以实现冗余的通信链路，即ecn环网的网络通信功能不会因为某一个ecn节点的故障而受到影响。

每个车辆的终端设备可通过以太网接口接入ecn环网。终端设备可包括主要实现列车上的控制操作，如中央控制单元(ccu)、车辆控制单元(vcu)、人机交互系统(hmi)、空调装置、制动控制装置、烟火装置、牵引装置等等。

在本案中，车辆的终端设备中的至少一个终端设备可配置有两个以太网接口，分别接入车辆内的第一ecn节点211和第二ecn节点212。以此方式，该终端设备可以实现双ecn环网的冗余，提升了冗余能力。

在一实例中，部分终端设备，例如功能比较重要的那些终端设备，诸如牵引器、ccu等设备配有两个以太网接口，以获得更高的冗余能力。在另一实例中，所有的终端设备皆可配置两个以太网接口，以使所有终端设备皆获得更高的冗余能力。

在本案中，所有的ecn节点可采用千兆网节点，由此提升编组网的信息传输能力。

根据本案的一方面，每个ecn节点211、212配置为监测两个方向的收发数据帧，当发现异常后(例如，丢帧率上升、错包率上升等均认为异常)，上报链路异常故障，实现故障精准定位，同时告诉主ecn节点，申请链路切换，保障通信的正常。

图3a示出了ecn环网出现链路异常的示意图。如图3a所示，ecn环网包括4个ecn节点311、312、313、314，其中ecn节点311是主节点。主ecn节点311与ecn节点312之间的链路是虚连的备用链路。该虚连的备用电路不用于传输数据，仅保持连接以作为备用。ecn节点可监测该备用链路以确保该备用链路正常。

图3a中，正常情况下数据可在ecn环网中沿顺时针方向从ecn节点311流向ecn节点313、ecn节点314、最后到达ecn节点312。当ecn节点313与ecn节点314之间的链路被监测到异常时，故障ecn节点313和314可将该异常链路通道置为断路，如图3b所示，并将断路位置信息传输给主ecn节点311及ccu，上报故障信息。

此外，如图3b所示，主ecn节点311在接收到异常信息后可释放主权，并将主节点的虚连链路转换为正常链路，完成链路故障上报与快速自愈。此时环形网络变为线性网络。

在一实例中，ecn节点313可获得主权成为主ecn节点，数据可在ecn环网中沿逆时针方向从ecn节点313流向ecn节点311、ecn节点312、最后到达ecn节点314。

此后，上述异常链路被断路，变为线型网络完成快速切换后，故障ecn节点313和314可将断开链路至为虚连状态，如图3c所示，通过持续监视该链路传输的环网冗余报文对该链路状态进行判断，当持续一定时间链路状态正常后，该链路可被识别为备用链路，当其他链路异常时可进行链路冗余切换与自愈。

以此方式，第一ecn网络210和第二ecn网络220可通过快速环网算法实现环网节点实现故障快速诊断及快速自愈，当一根环网线故障，快速自动切换，保证整车功能正常。

根据本发明的一方面，由于双ecn环网的存在，可将两个ecn环网配置为不同的数据链路。作为示例，可将第一ecn网络210配置为控制链路，以用于仅传输控制数据，将第二ecn网络220配置为融合链路，以用于传输控制数据和多媒体数据两者。

在一实例中，两条链路可通过vlan(虚拟局域网)隔离，不同vlan内的报文在传输时是相互隔离的，即一个vlan内的用户不能和其他vlan内的用户直接通信，如果不同vlan要进行通信，则需要通过路由器或三层交换机等三层设备。

以此方式，第一ecn网络210和第二ecn网络220分属两个不同的网段。各终端设备可通过两个以太网接口分别接入本节车辆的两个ecn节点，两个网口实时发送控制数据，接收设备通过预设的通信地址进行接收，收到两组数据后，在一实例中，可至少基于报文时效、报文校验、报文源地址等进行比对，筛选采信两组中最优报文。

正常情况下，默认采用控制链路的报文实现整车控制，当控制链路报文异常时，快速切换采信融合链路报文，以实现车辆级通信的链路热备冗余。

在一实例中，对于多媒体数据和控制数据可采用分时复用调度技术，保障控制数据的实时确定性，避免瞬发流量导致控制数据阻塞的问题。通常情况下，以太网采用交换存储转发，存在两者同时发送导致冲突或者瞬间流量较大造成数据阻塞的情况，分时复用调度就是改变既有的交换存储转发模式，将时间微分到微秒级别，每一份为一个单独的时间域，结合传输通道形成多个时空，每个时空只发送一份数据，实现传输通道分时不用，规避了冲突和阻塞。

图4示出了根据本发明的一方面的数据采信逻辑的流程图。

如图4所示，各终端设备可同时监测控制链路和融合链路，一旦发现控制链路或融合链路中的任意一者数据异常，则发出故障提示。

在控制链路数据正常的情况下，终端设备优先采信控制链路数据，使用控制链路传输的控制数据实现整车控制。在控制链路数据异常而融合链路数据正常的情况下，终端设备采信融合链路数据，使用融合链路传输的控制数据实现整车控制。

图5示出了根据本发明的一方面的列车级网络的拓扑结构示意图。图5示出了两个编组及其对应的编组网络，每个编组网络两个ecn网络，分别为第一ecn网络510和第二ecn网络520。每节车辆内可包括第一ecn节点511和第二ecn节点512，编组内各车辆的第一ecn节点511可组成第一ecn网络510，第二ecn节点512可组成第二ecn网络520。

在图5所示的实例中，各ecn节点之间通过环网形式连接以构成ecn环网。因此，每个编组可包括两个ecn环网。ecn环网可以实现冗余的通信链路，即ecn环网的网络通信功能不会因为某一个ecn节点的故障而受到影响。

每个车辆的终端设备可通过以太网接口接入ecn环网。终端设备可包括主要实现列车上的控制操作，如中央控制单元(ccu)、车辆控制单元(vcu)、人机交互系统(hmi)、空调装置、制动控制装置、烟火装置、牵引装置等等。

在本案中，车辆的终端设备中的至少一个终端设备可配置有两个以太网接口，分别接入车辆内的第一ecn节点511和第二ecn节点512。以此方式，该终端设备可以实现双ecn环网的冗余，提升了冗余能力。

在该实施例中，所有的ecn节点可采用千兆网节点，由此提升编组网的信息传输能力。

根据本案的一方面，每个ecn节点511、512配置为监测两个方向的收发数据帧，当发现异常后(例如，丢帧率上升、错包率上升等均认为异常)，上报链路异常故障，实现故障精准定位，同时告诉主ecn节点，申请链路切换，保障通信的正常。

此外，由于双ecn环网的存在，可将两个ecn环网配置为不同的数据链路。作为示例，可将第一ecn网络510配置为控制链路，以用于仅传输控制数据，将第二ecn网络520配置为融合链路，以用于传输控制数据和多媒体数据两者。

以此方式，第一ecn网络510和第二ecn网络520分属两个不同的网段。各终端设备可通过两个以太网接口分别接入本节车辆的两个ecn节点，两个网口实时发送控制数据，接收设备通过预设的通信地址进行接收，收到两组数据后，在一实例中，可至少基于报文时效、报文校验、报文源地址等进行比对，筛选采信两组中最优报文。

正常情况下，默认采用控制链路的报文实现整车控制，当控制链路报文异常时，快速切换采信融合链路报文，以实现车辆级通信的链路热备冗余。

在一实例中，对于多媒体数据和控制数据可采用分时复用调度技术，保障控制数据的实时确定性，避免瞬发流量导致控制数据阻塞的问题。通常情况下，以太网采用交换存储转发，存在两者同时发送导致冲突或者瞬间流量较大造成数据阻塞的情况，分时复用调度就是改变既有的交换存储转发模式，将时间微分到微秒级别，每一份为一个单独的时间域，结合传输通道形成多个时空，每个时空只发送一份数据，实现传输通道分时不用，规避了冲突和阻塞。

在一实例中，两条链路可通过vlan(虚拟局域网)隔离，不同vlan内的报文在传输时是相互隔离的，即一个vlan内的用户不能和其他vlan内的用户直接通信，如果不同vlan要进行通信，则需要通过路由器或三层交换机等三层设备。

在图5中，在有重联需求的情况下，网络控制系统还包括etb骨干网530。图5中示出了四个etb节点531-534。每个编组网内，两个etb节点互为冗余，并且分别连接在不同的ecn节点上，以进一步提升冗余能力。两个编组网络通过etb骨干网530实现跨编组通信。

etb节点531-534之间可通过链路汇聚冗余策略实现单节点或单线路故障时故障点快速检测及故障旁路，不影响通信。

图6a、图6b示出了链路汇聚策略实现的旁路中继示意图。如图6a所示，在正常通信状态下，链路a连接etb节点的1、3端口，链路b连接etb节点的2、4端口，etb节点通过链路a和链路b两条链路与其他etb节点通信以实现链路冗余。当etb节点出现故障时，etb节点可被旁路，链路a和链路b通过绕过etb节点的备用线路连接，此时链路a和链路b仍可实现正常数据链路功能。

图7示出了根据本发明的一方面的网络控制系统700的拓扑示意图。

如图7所示，网络控制系统700可包括两个编组网络，每个编组网络包括两个ecn网络，分别为第一ecn网络710和第二ecn网络720。每节车辆内可包括第一ecn节点711和第二ecn节点712，编组内各各车辆的第一ecn节点711可组成第一ecn网络710，第二ecn节点712可组成第二ecn网络220。

ecn节点可包括主要用于构建网络的连接的网络设备，如交换机、路由器等。ecn网络中的路由器应最少配置两个ip接口，可以实现数据帧在网络层上的交换。交换机主要实现网络数据帧在链路层上的交换传输，是ecn网络中的主要设备类型。

在图7所示的实例中，各ecn节点之间通过链路汇聚方式连接以构成ecn网络。以此方式，ecn网络可以实现冗余的通信链路，即ecn网络的网络通信功能不会因为某一个ecn节点的故障而受到影响。

图8a、图8b示出了链路汇聚策略实现的旁路中继示意图。如图8a所示，在正常通信状态下，链路a连接ecn节点的1、3端口，链路b连接ecn节点的2、4端口，ecn节点通过链路a和链路b两条链路与其他ecn节点通信以实现链路冗余。当ecn节点出现故障时，ecn节点可被旁路，链路a和链路b通过绕过ecn节点的备用线路连接，此时链路a和链路b仍可实现正常数据链路功能。

每个车辆的终端设备可通过以太网接口接入所在车辆的ecn网络。终端设备可包括主要实现列车上的控制操作，如中央控制单元(ccu)、车辆控制单元(vcu)、人机交互系统(hmi)、空调装置、制动控制装置、烟火装置、牵引装置等等。

在本案中，车辆的终端设备中的至少一个终端设备可配置有两个以太网接口，分别接入车辆内的第一ecn节点711和第二ecn节点712。以此方式，该终端设备可以实现双ecn网络的冗余，提升了冗余能力。

在一实例中，部分终端设备，例如功能比较重要的那些终端设备，诸如牵引器、ccu等设备配有两个以太网接口，以获得更高的冗余能力。在另一实例中，所有的终端设备皆可配置两个以太网接口，以使所有终端设备皆获得更高的冗余能力。

在本案中，所有的ecn节点可采用千兆网节点，由此提升编组网的信息传输能力。

由于编组网采用双ecn网络，可将两个ecn网络配置为不同的数据链路。作为示例，可将第一ecn网络710配置为控制链路，以用于仅传输控制数据，将第二ecn网络720配置为融合链路，以用于传输控制数据和多媒体数据两者。

以此方式，第一ecn网络710和第二ecn网络720分属两个不同的网段。各终端设备可通过两个以太网接口分别接入本节车辆的两个ecn节点，两个网口实时发送控制数据，接收设备通过预设的通信地址进行接收，收到两组数据后，在一实例中，可至少基于报文时效、报文校验、报文源地址等进行比对，筛选采信两组中最优报文。

正常情况下，默认采用控制链路的报文实现整车控制，当控制链路报文异常时，快速切换采信融合链路报文，以实现车辆级通信的链路热备冗余。

在一实例中，对于多媒体数据和控制数据可采用分时复用调度技术，保障控制数据的实时确定性，避免瞬发流量导致控制数据阻塞的问题。通常情况下，以太网采用交换存储转发，存在两者同时发送导致冲突或者瞬间流量较大造成数据阻塞的情况，分时复用调度就是改变既有的交换存储转发模式，将时间微分到微秒级别，每一份为一个单独的时间域，结合传输通道形成多个时空，每个时空只发送一份数据，实现传输通道分时不用，规避了冲突和阻塞。

在一实例中，两条链路可通过vlan(虚拟局域网)隔离，不同vlan内的报文在传输时是相互隔离的，即一个vlan内的用户不能和其他vlan内的用户直接通信，如果不同vlan要进行通信，则需要通过路由器或三层交换机等三层设备。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

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