一种铁路货运列车车载无线网络系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种铁路货运列车车载无线网络系统，该货运列车由机车和挂在机车后的多个车辆组成，机车和车辆上均设有传感器和网络控制器，包括部署在每个机车和车辆上的传感器和网络控制器，传感器通过近场无线通信方式与网络控制器通信，而机车和车辆上的网络控制器作为网络节点组成无线局域网络；所述网络控制器接收传感器的数据信号并进行分析和处理，同时对网络节点提供网络互连服务。发明构建了货运列车车载无线网络的构建，使得列车与车辆之间形成网络互联，在货运列车复杂的运行环境下实现了货运列车运行的智能信息化。
【专利说明】一种铁路货运列车车载无线网络系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于电子通信【技术领域】，主要涉及铁路货运列车车载网络的构建、管理以及应用，是一种实现铁路货运列车智能化的基础设施。
【背景技术】
[0002]目前，信息技术已在铁路机车和客车上得到了较广泛的应用，但因部分技术和货运车辆无电源限制，无法安装车载监测设备，对于货运车辆的安全监测和其他信息监测分析主要依赖于地面监测和地面系统。随着物联网技术的不断发展，解决了货运车辆车载安全监测的技术限制。而车载网络是实现车载安全监控的基础，对于铁路客车而言，采用有线连接实现列车各节点的连接建立车载网路。由于货运车辆需要频繁编组，采用有线连接缺乏实际的可行性，需要采用无线技术建立车载网络。列车网络建立后，一方面可以实时监测货运车辆运行安全状态，并将这些数据及时地传输到其信息系统；另一方面，可以利用采集的综合信息、定位系统等提供增值服务，提高服务效率和经济效益。
[0003]而构建铁路货运列车车载网络当前还存在着以下突出的问题:1、列车编组经常发生调整，有线连接方式不适用于货运列车车载网络的构建；2、机车与列车车辆之间缺少网络互联设施，组网与服务能力受限制多；3、货运列车车辆一般不具备单独的供电设施，需要自供电能供给数据采集设备和网络互联设备；4、货运列车的运行环境复杂，为保证可靠性要求车载信息化装置进行多方面的特殊设计。
【发明内容】
[0004]发明目的:针对上述现有存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供了一种铁路货运列车车载无线网络系统。
[0005]技术方案:为实现上述发明目的，本实用新型采用以下技术方案:一种铁路货运列车车载网络系统，该货运列车由机车和挂在机车后的多个车辆组成，机车和车辆上均设有传感器和网络控制器，包括部署在每个机车和车辆上的传感器和网络控制器，传感器通过近场无线通信方式与网络控制器通信，而机车和车辆上的网络控制器作为网络节点组成无线局域网络；所述网络控制器接收传感器的数据信号并进行分析和处理，同时对网络节点提供网络互连服务。
[0006]所述设在机车上的网络控制器具有移动通信接入模块和卫星通信模块。
[0007]所述机车上的网络控制器作为无线局域网络的根节点，后续车辆上的网络控制器依次作为网络节点构成线性拓扑网络。
[0008]有益效果:与现有技术相比，本实用新型构建了货运列车车载无线网络的构建，使得列车与车辆之间形成网络互联，在货运列车复杂的运行环境下实现了货运列车运行的智能信息化；同时本实用新型中的控制装置具有接收车辆上各类信息收集装置传感数据的能力，并可以对各类信息收集装置进行配置；车辆控制装置还具有多种方式的无线通信能力，机车和车辆控制装置之间可以组成无线自组织网络，具有无线电力中继能力，并完成地址分配和车辆号解析从而实现TCP/IP网络寻址即相应的服务；车辆控制装置同时具有自供电，在产生自身运行所必须的电力能源后，还可以对各类车载信息收集装置无线供电；控制装置具有可管理能力，可进行设备的远程管理；该装置的可靠性、冗余性以及自清洁机制，使之适应自然环境。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1为本实用新型所述列车车载无线网络的构架示意图；
[0010]图2为本实用新型所述列车车载无线网络的控制装置互联示意图；
[0011]图3为本实用新型所述列车车载无线网络中根节点的网络状态表结构示意图；
[0012]图4为本实用新型所述列车车载无线网络中新节点加入车载无线网络后的网络状态表；
[0013]图5为本实用新型所述列车车载无线网络中新节点加入无线车载网络的流程示意图；
[0014]图6为本实用新型所述列车车载无线网络中机车上的控制装置的结构示意图；
[0015]图7为本实用新型所述列车车载无线网络的网络状态表信息；
[0016]图8为本实用新型所述列车车载无线网络中机车上的控制装置的远程控制接口示意图；
[0017]图9为本实用新型所述机车上的控制装置的外形结构示意图；
[0018]图10本实用新型所述车辆上的控制装置的结构示意图；
[0019]图11为本实用新型所述信息收集装置采集的数据格式示意图；
[0020]图12本实用新型所述阵列信息收集装置采集算法的流程示意图；
[0021]图13为本实用新型所述车辆上的控制装置远程控制界面的示意图；
[0022]图14本实用新型所述信息收集装置的无线电力中继单元的结构示意图；
[0023]图15本实用新型所述车辆上的控制装置的外形结构示意图；
[0024]图16本实用新型所述信息收集装置的结构示意图；
[0025]图17本实用新型所述阵列信息收集装置采集装置的结构示意图；
[0026]图18为本实用新型所述光伏充电板接收控制装置的电力中继装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0028]如图1所示，货运列车车载无线网络包括控制装置和信息收集装置。在机车和车辆的控制装置之间、各车辆控制装置之间、车辆控制装置与信息收集装置之间通信与供电均无线缆连接，构成一个无线自组织网络。同时，控制装置还具备多种通信能力，如移动通信接入(如GPRS)和卫星通信(如北斗短报文)等，且信息收集装置与控制装置之间，以及控制装置之间都具备冗余的无线通信信道。其中，列车车载信息收集装置，包括测距信息收集装置、测温信息收集装置、测速信息收集装置、激光位移信息收集装置等，用于控制和实时采集列车运行过程中的各类信息；信息收集装置还具有无线通信能力，可以将传感信息发送到本机车/车辆控制装置；信息收集装置具备无线缆受电能力，可以通过本机车/车辆控制装置对其供电；信息收集装置具备远程管理能力，可以通过本机车/车辆控制装置对其工作状态、采集频率等参数进行设定；信息收集装置具有冗余性配置。
[0029]如图2所示，本实用新型货运列车车载无线网络的物理结构如下:从列车机车开始，与多个车辆控制装置节点组成了一个无线自组织网络，即列车级网络系统，每个节点间都建立了多条冗余的无线通信信道，整个列车将作为I个子网，子网内节点至少为I个(机车节点)，考虑到列车的实际编组情况，子网节点上限为120个。如图3所示，每个加入子网的节点上均维护一张网络状态表，该状态表标识了子网内节点的序列号和控制装置标识ID，该标识ID与机车或车辆的车号具有一一对应的绑定关系。每个机车或车辆上的控制装置接收对应信息收集装置传送的数据信号。
[0030]具体而言，列车级网络系统的建立以机车节点为根节点，每个节点按编组连接顺序加入子网。当一个新的网络节点加入子网时，根节点将该状态表发送给新节点，新节点更新状态表项后向根节点回执该状态表。同理，当第N个节点加入子网时，第N-1个节点会将自身的网络状态表发送给第N个节点，第N个节点更新状态表项后将该状态表回执给N-1节点。因此，子网建立后除首尾节点外各节点的状态表中都会包含自身、前向和后向三个节点的信息。节点最终的网络状态表信息如图4所示，新节点加入无线车载网络除了进行常规的无线网络安全认证外，还需进行额外的编组信息和传感信息验证，以确保该节点属于本次列车编组。货运列车车载网络采用分布式的认证方式，即每个节点对其后向节点进行身份认证。
[0031]如图6所示，部署在列车机车上的控制装置的结构示意图。该控制装置使用高速架构的处理器芯片，具有大容量存储和多种外围通信接口。另外，机车控制装置具有以太网接口用以连接列车通信网，具有冗余信道的无线局域网芯片(例如W1-Fi芯片等)用以与其他车辆节点进行无线通信，此外还具有卫星导航芯片和移动通信芯片(例如GPRS芯片等)，可以通过短报文和短信息的方式进行远程通信。以上外围通信接口可在不同的情况下提供通信服务，当机车控制装置未接入列车通信网时，可通过卫星短报文或短信息向远程报告列车运行的必要状态参数。机车上的控制装置用于与其他车辆节点进行无线通信，存储和管理车载网络车辆节点应用信息，提供列车车载网络车号解析和动态地址分配并响应远程控制指令和进行车辆节点网络管理。
[0032]如图6所示的机车控制装置同时具有本地的大容量存储和嵌入式数据库管理系统，可将本次列车所有车辆节点的采集数据分类存储并通过通信接口导出。本地存储为不少于2GB的RAM和64GB的Flash ROM,支持内存和本地盘的混合数据库模式，并提供标准接口。图中，机车控制装置还具有列车车载无线网络的DHCP功能和车辆编号地址解析功能。对于新加入车载无线网络的节点，将向机车控制装置发起DHCP Request请求，机车控制装置返回DHCP ACK应答，并从预先设置好的该车次子网地址池中为新节点分配IP地址。
[0033]如图7所示，本实用新型中对每列列车子网预先分配一个C类网络地址，例如，网络号可以为10.10.0.0/24或者其他C类地址。对于列车子网建立后，机车节点将向所有节点广播一个状态请求包，其中包括子网网络号、机车节点网关地址和机车节点序号信息，各节点接收到请求包后，将自身的网络状态表信息发送到机车节点，从而机车节点将获得如图8所示的整个列车子网网络的网络状态表信息。
[0034]本实用新型中，采用可扩展的网络状态表格式，除了网络节点序列号和控制装置标识ID外，还采用IP地址、移动通信地址运营商服务号(ICCID号)、卫星短报文通信地址等扩展属性。在一个实施例中，机车节点将提供一种地址解析服务，给定网络节点状态表中的任何一项内容可以解析出网络节点的其它通信地址。
[0035]如图8所示，机车控制装置还具有如图所示的远程管理接口，其原理是在机车控制装置中部署嵌入式Web服务器，从而可以通过远程访问服务器的接口对机车控制装置进行配置。为保证装置的运行安全，对于该接口的操作将通过一种基于数字证书的签名服务保证远程管理指令的完整性，同时对于装置的操作将产生用于安全审计的详细日志记录。
[0036]机车控制装置封装在一个如图9所示的封闭的机械结构中，具有防尘、防潮、防振和耐热的特性，通过增大外壳表面积增强装置散热功能，同时电磁兼容性(EMC)性能良好，具有较强的抗电磁干扰能力。
[0037]如图10所示，为部署于列车车辆上的控制装置的结构。该车辆控制装置用于接收车辆上各类信息收集装置的采集信息，与其他车辆节点互联并与机车节点间进行无线通信，响应远程控制指令和进行设备管理并向车辆上部署的信息收集装置进行无线电力中继。图10示出了实施例的车辆控制装置，该控制装置使用高速架构的处理器芯片，具有多种外围通信接口，并具备无线电力中继能力。另外，车辆控制装置具有特定的信息收集装置通信芯片，该芯片基无线通信协议与车辆上的信息收集装置互联，并通过如图11所示的特定的应用层数据格式标识信息收集装置的类型、位置、编号和工作状态信息。车辆控制装置支持阵列信息收集装置数据采集，即完成同一对象采集的信息收集装置阵列中至少具有3个采集节点，并通过如图12所示的数据采集算法确定采样值。
[0038]在一个实施例中，机车/车辆控制装置可以:(1)进行初始化操作；(2)根据列车运行状态控制运行模式的转换；(3)根据车辆运行状态控制车辆上各类信息收集装置的采样对象、采样类别和采样频率；(4)通过卫星授时进行时间同步；(5)通过卫星进行定位确定节点位置信息；(6)进行硬件检测；(7)接收远程命令和参数配置。该控制指令可通过信息收集装置通信芯片以及无线电力中继的强度传递到信息收集装置，具体过程为:
[0039]①.机车/车辆控制装置根据测速信息收集装置判定列车运行状态；
[0040]②.由列车运行状态判定需要进行采样的信息收集装置类型、位置和采样频率；[0041 ] ③.机车/车辆控制装置发送采样指令到信息收集装置；
[0042]④.信息收集装置接收到指令后，进入相应的采样工作状态；
[0043]⑤.机车/车辆控制装置停止对不需要采样的信息收集装置进行无线电力中继，使之进入休眠状态。
[0044]同时，图10所示的车辆控制装置还可以具备冗余通信信道的无线局域网芯片(例如W1-Fi芯片等)以及移动通信芯片(例如GPRS等)和卫星导航芯片，可根据车辆的不同运行情况选择不同的数据通信信道。车辆在未加入编组的状态下，一般不需要进行无线网络通信，因此无线局域网芯片处于休眠状态，仅通过卫星短报文方式向远程报告必要的车辆状态信息。而车辆一旦加入列车编组，则需要通过车载无线网络向机车节点报告车辆状态信息，此时将通过无线局域网芯片进行通信。各类通信信道提供了一种高可用性通信服务，当某一信道故障时车辆控制装置可切换到另一通信信道中，从而保证了节点通信服务的可靠性。
[0045]作为优选方案，车辆控制装置还可以提供机车节点的DHCP中继服务。由于列车编组较长时，后端节点可能无法直接连接机车节点，因此可以将中间节点作为车载无线网络的DHCP中继代理。当后端新加入节点广播DHCP Discovery和DHCP Request报文时，中继节点将该报文转发给机车节点，并将机车节点应答的DHCP Offer和DHCP Ack报文广播给新加入节点。
[0046]车辆控制装置同样具有如图13所示的远程管理接口，通过在车辆控制装置中部署嵌入式Web服务器，从而可以通过远程访问服务器的CGI接口对车辆控制装置进行配置。为保证装置的运行安全，对于该接口的操作也将通过一种基于数字证书的签名服务保证远程管理指令的完整性，同时对于装置的操作将产生用于安全审计的详细日志记录。注:1、车辆控制装置ID编号与车辆编号信息一致；2、操作指令中，指明控制装置的操作类型，如配制变更、唤醒/休眠、数据采集处理命令、网络配置命令、告警命令等，最多支持128种操作指令；3、数据区可包括配置参数、返回列车运行状态值、电源管理信息、采集数据分析结构、网络配置脚本等；4、MD5校验包括对指令数据进行MD5校验，保证传输数据完整性。
[0047]如图10所示的车辆控制装置具有智能化电源管理和无线电力中继能力，可以控制自身的工作能耗并根据采样需求对车辆上的信息收集装置进行无线供电。车辆控制装置具有大容量可充电电池，正常工作模式下待机时间不少于24小时，智能化电源管理支持系统休眠、唤醒功能。如图14所示，车辆控制装置从车辆发电装置上获得5V输入电源，并通过光电转换模块能量转换为低频长波红外线或激光，并照射信息收集装置的光伏电池板，从而向信息收集装置进行无线供电。
[0048]车辆控制装置封装在一个如图15所示的封闭的机械结构中，具有防尘、防潮、防振和耐热的特性，通过增大外壳表面积增强装置散热功能，同时EMC性能良好，具有较强的抗电磁干扰能力。装置在物理布置上最接近现场执行机构，可靠近应用现场进行装配并支持悬挂、捆绑、嵌入、粘贴等多种安装方式，无需进行车辆上的额外布线。车辆控制装置，用于采集车辆的运行状态信息并发送到车辆控制装置上进行处理。
[0049]如图16所示的车辆信息收集装置，具有如图17所示的阵列信息收集装置采集功能，信息收集装置A、信息收集装置B和信息收集装置C分别为独立信息收集装置，可以分别测量数据，并输出信号。地线1801从外部接入地线，电源1802从外部接入电源，信号线1803为三根接外信号线。
[0050]车辆信息收集装置通过如图18所示的光伏电池板接收控制装置的电力中继。该装置包括光伏电池板、纳米防污涂料、激光发射器、铝合金制三角固定框体和大容量拉法电容；大容量拉法电容为信息收集装置提供数据采集所需的电力，当日光充足时，光伏电池板会对电容进行充电，当日光不充足时，通过车辆控制装置电力中继发射的红外或激光照射电池板为电容充电。
[0051]综上所述，本实用新型提供了一种铁路货运列车车载网络的构建方法和具体的实施例，可以提供货运列车的通信基础设施，进一步提升铁路货运列车的智能化，具有很高的推广价值。
[0052]本实用新型提供的一种货运列车车载网络构建思路和装置原型是对众多实现技术方案的方法和途径的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种铁路货运列车车载网络系统，该货运列车由机车和挂在机车后的多个车辆组成，其特征在于:机车和车辆上均设有传感器和网络控制器，包括部署在每个机车和车辆上的传感器和网络控制器，传感器通过近场无线通信方式与网络控制器通信，而机车和车辆上的网络控制器作为网络节点组成无线局域网络；所述网络控制器接收传感器的数据信号并进行分析和处理，同时对网络节点提供网络互连服务。
2.根据权利要求1所述铁路货运列车车载网络系统，其特征在于:所述设在机车上的网络控制器具有移动通信接入模块和卫星通信模块。
3.根据权利要求1所述铁路货运列车车载网络系统，其特征在于:所述机车上的网络控制器作为无线局域网络的根节点，后续车辆上的网络控制器依次作为网络节点构成线性拓扑网络。
【文档编号】H04L29/08GK204231413SQ201420282290
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年5月29日 优先权日:2014年5月29日
【发明者】沈玲玲, 李常, 刘丰, 吕从东 申请人:沈玲玲