列车网关冗余控制系统及其控制方法与流程

本发明属于列车通信领域，尤其涉及一种列车网关冗余的控制系统和方法。

背景技术：

IEC61375-1标准规定的TCN列车通信网络，是目前应用最为广泛的列车通信标准，我国也引入该标准，作为中国列车通信网络的推荐标准。TCN标准规定了WTB和MVB两级总线结构实现对列车的控制，即连接各节车辆的绞线式列车总线WTB总线和连接车辆内部设备的多功能车辆总线MVB总线。

根据TCN标准，WTB总线和MVB总线的物理层和链路层是不同的，列车网关负责实现WTB总线和MVB总线之间的通信协议转换，完成两级总线间过程数据、消息数据以及监视数据的交换。当列车根据运营需求进行编组或者解编时，网关能识别列车的网络拓扑变化，并根据新的网络拓扑重新配置整车的网络控制系统，从而实现列车间的互联、互通、互操作。

网关是TCN网络通信系统中的关键设备，当列车网关发生故障时，车辆之间的数据通信将会出现中断，列车无法正常安全运行。网关根据功能可划分为CPU、WTB、MVB等多个功能模块。其中WTB模块完成WTB总线的初运行功能，以及过程数据、消息数据和监视数据通信功能；MVB模块完成MVB总线的过程数据、消息数据和监控数据通信功能；CPU模块是网关主控单元，运行网关软件，实现列车总线和车辆总线之间的数据通信协议转换功能。当列车重联编组或解编组时，引发初运行，网关能自动完成编组中各个节点的地址分配、方向识别，并获取列车拓扑信息。

为满足列车网络控制系统的可靠性要求，现有技术中，通常采用关键设备冗余技术：针对网关采用双网关冗余配置，即主网关和备份网关，其中，主网关处于激活状态实现网关功能，备份网关不参与总线通信，即冗余双网关在总线上表现为单个网关节点；备份网关通过冗余链路，判断在预设时间内主网关生命信号未发生变化，则切换为主网关，接替原主网关实现列车级和车辆级通信，确保列车的正常运行。故障网关将通过看门狗复位重启，成为新的备份网关。

但是上述现有技术中的以下问题：(1)现有网关冗余检测仅判断主网关生命信号变化情况，不能及时获取主网关的状态信息，当主网关发生故障时，备用网关切换成主网关，备份网关将以新的节点加入总线，可能引发主权竞争，延长初运行时间；因为WTB总线初运行时，列车通信处于瘫痪状态，尽管有保证安全的逻辑，仍应尽量减少初运行时间；(2)现有网关冗余检测链路为单线，当出现冗余链路故障时，将误发生冗余切换，造成总线混乱，影响列车网络正常通信。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种列车网关冗余控制系统及其控制方法，该发明的主网关与备份网关可实时获取双方状态信息，以在备份网关切换为主网关时，以主网关工作状态加入至总线，避免了主权竞争，缩短了初运行时间。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种列车网关冗余控制系统，包括第一网关，第二网关，以及连接第一网关和第二网关的中央控制单元，第一网关与第二网关之间连接有可传递信息的冗余链路，第一网关和第二网关内设置有信息存储模块、识别模块、总线执行模块、采集模块、判断模块、调取模块以及冗余控制模块，其中，采集模块连接冗余链路，用于采集对方网关通过冗余链路传递的对方网关信息；信息存储模块内设有预设的静态配置信息，信息存储模块连接采集模块，信息存储模块用于采集模块采集的信息按预设时间存储，并将存储信息反馈至总线执行模块；识别模块连接于信息存储模块，用于读取信息存储模块中预设的静态配置，识别自身网关是否为主网关，并形成主网关信息和备份网关信息；总线执行模块连接识别模块，用于根据识别模块识别的网关信息选择是否参与总线执行，如识别模块识别为主网关，则该网关参与总线执行，并将该网关信息实时传递至中央控制单元，反之，则断开总线执行；判断模块连接识别模块和采集模块，用于通过接收识别模块和采集模块的信息判断对方网关是否发生故障并作出回应；调取模块连接判断模块和信息存储模块，用于接收判断模块判定的主网关故障信息，进一步调取信息存储模块中最近一次存储的对方网关信息；冗余控制模块的输入端连接调取模块，输出端连接总线执行模块，用于根据调取模块的输出进入至总线执行模块的执行。

作为本发明的进一步优化，第一网关和第二网关进一步包括有自检模块，自检模块连接采集模块，用于采集自身网关状态信息。

作为本发明的进一步优化，自检模块外连有看门狗，自检模块自检正常，则在预设时间内喂食看门狗；自检模块自检不正常，则停止喂食看门狗。

作为本发明的进一步优化，冗余链路为双冗余链路，双冗余链路包括MVB总线冗余链路和以太网总线冗余链路。

一种列车网关冗余控制方法，使用上述列车网关冗余控制系统，包括步骤(1)网关通过信息存储模块中预设的静态配置信息设定第一网关和第二网关是否为主网关，并启动主网关与备份网关，还包括以下步骤：

(2)主网关与备份网关之间通过采集模块采集对方网关信息数据，如果识别对方网关已经作为主网关，则将自身切换至备份网关；

(3)主网关和备份网关依据总线执行模块分别执行主网关模式以及备份网关模式；

(4)根据判断模块判断主网关以及备份网关是否发生故障：

如主网关发生故障，则进入主网关故障处理状态，并重启动系统，返回至步骤(1)；反之，则进入主网关模式；

如备份网关发生故障，则进入备份网关故障处理状态，并重启动系统，返回至步骤(1)；反之，执行步骤(5)；

(5)备份网关根据主网关反馈的信息状态判断主网关是否正常运行，如主网关正常运行，则进入备份网关模式；如主网关出现故障，则进行冗余切换，备份网关调取信息存储模块中最近一次存储的主网关信息，并在冗余切换时以该信息状态进入至总线运行引发初运行，进一步执行主网关模式。

作为本发明的进一步优化，步骤(3)和步骤(5)中的主网关模式包括：与总线进行通信、主网关的自检并根据自检结果喂食或停止喂食看门狗、获取备份网关状态信息并上传至中央控制单元和向备份网关发送主网关状态信息。

作为本发明的进一步优化，步骤(3)和步骤(5)中的备份网关模式包括：断开与总线的通信、备份网关的自检并根据自检结果喂食或停止喂食看门狗和获取主网关状态信息。

作为本发明的进一步优化，步骤(4)中的主网关故障处理状态包括向备份网关发送故障信息、断开与总线的通信和停止喂食看门狗三个步骤。

作为本发明的进一步优化，步骤(4)中的备份网关故障处理状态包括向主网关发送故障信息和停止喂食看门狗两个步骤。

作为本发明的进一步优化，总线执行模块执行与总线通信断开时，其具体操作方法如下：MVB总线为备份网关不发送主网关端口数据，避免端口冲突；WTB总线为断开总线开关继电器，执行TCN标准所述的ls_t_Remove过程，命令节点将自身从配置中切除且转为被动状态。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明的列车冗余控制方法，采用冗余配置的主网关与备份网关，其均可对自身的状态进行检测，并将状态信息反馈给对方网关，当主网关自检出现故障时，备份网关中冗余控制模块通过冗余链路获取故障信息，进行冗余切换，按照原主网关状态信息加入总线进行初运行，原主网关通过硬件看门狗进行复位，恢复网关功能，避免了主权竞争，缩短了初运行时间。

2、本发明的列车冗余控制方法，采用双冗余链路，避免了单冗余链路故障时引发的误操作。

附图说明

图1为本发明列车冗余控制系统的框图；

图2为本发明列车冗余控制系统中网关中模块的连接框图；

图3为本发明列车冗余控制方法的流程图。

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。

参见图1，图1是本发明列车网关冗余控制系统的框图示意图。如图1所示，本发明的列车网关冗余控制系统，包括第一网关2，第二网关3，以及连接第一网关1和第二网关2的中央控制单元3，第一网关与第二网关之间连接有可传递信息的冗余链路4。此处需要说明的是，第一网关2和第二网关3均是相同的网关，此处仅是为了对本发明进行清晰描述而进行的名称区别，其他并无区别。列车网关中首先具有现有网关中具有的CPU、WTB、MVB等多个功能模块。WTB模块完成WTB总线的初运行功能，以及过程数据、消息数据和监视数据通信功能。MVB模块完成MVB总线的过程数据、消息数据和监控数据通信功能。CPU模块是网关主控单元，运行网关软件，实现列车总线和车辆总线之间的数据通信协议转换功能。当列车重联编组或解编组时，引发初运行，网关能自动完成编组中各个节点的地址分配、方向识别，并获取列车拓扑信息。

进一步参见图2，是本发明中网关具体模块的框图示意，图2中所示的箭头方向即代表信息的流向。如图2所示，第一网关2和第二网关3内设置有信息存储模块8、识别模块5、总线执行模块6、采集模块7、判断模块9、调取模块10以及冗余控制模块11，其中，

采集模块7连接冗余链路4，用于采集对方网关通过冗余链路4传递的对方网关信息；该处的网关信息包括生命信号、状态信息、故障信息等。

信息存储模块8内设有预设的静态配置信息，信息存储模块8连接采集模块7，信息存储模块7用于将采集模块采集的信息按预设时间存储，并将存储信息反馈至总线执行模块；该处的预设时间可根据具体要求而人为设定，对于其具体的时间间隔在此不限定。

识别模块5连接于信息存储模块8，识别模块5用于读取信息存储模块8中预设的静态配置，识别自身是否为主网关，并形成主网关信息和备份网关信息；

总线执行模块6连接识别模块5和冗余控制模块11，总线执行模块6用于根据识别模块5识别的网关信息和冗余控制模块11的输出选择是否参与总线执行，如识别模块5识别为主网关，则该网关参与总线执行，并将该网关信息实时传递至中央控制单元1，反之，则断开总线执行；此处需要说明的是，总线执行是指依据主网关传递的信息参与的总线运行。

信息存储模块8的输入端连接采集模块7，输出端连接识别模块5和调取模块10，信息存储模块8用于将采集模块7采集的信息按预设时间存储，并将存储信息最终反馈至总线执行模块；

判断模块9连接识别模块5和采集模块7，判断模块9用于通过接收识别模块和采集模块的信息判断对方网关是否发生故障并作出回应。具体的，识别模块5将该网关是否为主网关信息输送至判断模块9，如判断模块9接收识别模块5识别的网关为备份网关，则进一步根据采集模块7采集的信息判断对方网关是否发生故障，如发生故障则输出主网关故障信息；如该判断模块9接收识别模块5识别的网关为主网关，则进一步判断自身网关是否发生故障，如发生故障，则复位该网关；

调取模块10连接判断模块9和信息存储模块8，调取模块10接收判断模块9判定的主网关故障信息，进一步调取信息存储模块8中最近一次存储的对方网关信息；

冗余控制模块11的输入端连接调取模块10，输出端连接总线执行模块6，冗余控制模块6根据调取模块10输出进入至总线执行模块的执行。

本发明的上述技术方案，通过采集模块不断的采集对方网关信息，并将每次采集的网关信息存储至信息存储模块，同时将采集信息输入至判断模块，判断模块根据采集信息或采集时间的正常与否判断对方网关是否正常，如对方网关正常，则不输出信息；如对方网关不正常，且识别模块输出自身为备份网关，则输出主网关故障信息至调取模块，调取模块根据该判断信息调取信息存储模块中最新的主网关信息，并将该最新信息传送至冗余控制模块，冗余控制模块控制冗余切换，并以最新信息状态加入至总线执行。在该过程中，当主网关出现故障后，备份网关即按照原主网关信息加入至总线进行初运行，避免了主权竞争，缩短了初运行时间。如对方网关不正常，且识别模块输出自身为主网关，则将备份网关故障信息通过总线执行模块，报告给中央控制单元，便于实现列车网络系统的监测和故障诊断。

继续参见图2，本发明的第一网关和第二网关进一步包括有自检模块12，以实时传递当前网关信息。自检模块12外连有看门狗，自检模块12自检正常，则在预设时间内喂食看门狗；自检模块12自检不正常，则停止喂食看门狗。

进一步，本发明的冗余链路为双冗余链路，双冗余链路包括MVB总线冗余链路和以太网总线冗余链路。采用双冗余链路的好处在于，只要其中一条链路正常通信，即可保证双网关正常冗余工作，提高了工作效能。双冗余链路的设置，同时可使主网关实时获取备份网关状态信息，在备份网关不参与总线通信时，仍可以向列车中央控制单元报告状态信息，便于列车在途监测和故障诊断。

参见图3，是本发明列车网关冗余控制方法流程图。如图3所示，本发明的列车网关冗余控制方法，使用上述列车网关冗余控制系统，包括以下步骤：

(1)网关通过识别模块识别第一网关和第二网关是否为主网关，并启动主网关与备份网关。此处，为了描述方便清楚，定义第一网关为主网关，第二网关为备份网关，但在实际中，第一网关与第二网关是否为主网关，仅取决于静态配置信息的默认；

(2)主网关与备份网关之间通过采集模块采集对方网关信息数据，如果识别对方网关为主网关，则将自身切换至备份网关；

(3)主网关和备份网关依据总线执行模块分别执行主网关模式以及备份网关模式；其中，主网关模式包括：与总线进行通信、主网关的自检并根据自检结果喂食或停止喂食看门狗、获取备份网关状态信息并上传至中央控制单元和向备份网关发送主网关状态信息；备份网关模式包括：断开与总线的通信、备份网关的自检并根据自检结果喂食或停止喂食看门狗和获取主网关状态信息；

在该步骤中，自检结果与看门狗的喂食与否的关系具体为：自检结果如果正常，则按照预设时间定时喂食看门狗；如果自检结果异常，则将停止喂食看门狗；

(4)根据判断模块判断主网关以及备份网关是否发生故障：

如主网关发生故障，则进入主网关故障处理状态，并重启动系统，返回至步骤(1)；其中，主网关故障处理状态包括向备份网关发送故障信息、断开与总线的通信和停止喂食看门狗三个步骤；反之，则进入主网关模式；

如备份网关发生故障，则进入备份网关故障处理状态，并重启动系统，返回至步骤(1)，返回步骤(1)后，系统发现已经存在工作主网关，将跳转至备份网关工作状态，执行备份网关初始化过程；其中，备份网关故障处理状态包括向主网关发送故障信息和停止喂食看门狗两个步骤；反之，执行步骤(5)；

(5)备份网关根据主网关反馈的信息数据判断主网关是否正常运行，如主网关正常运行，则进入备份网关模式；如主网关出现故障，则进行冗余切换，备份网关调取信息存储模块中最近一次存储的主网关信息，并在冗余切换时以该信息状态进入至总线运行引发初运行，进一步执行主网关模式。

该步骤中，需要进一步说明的是，主网关与备份网关之间信息的相互反馈，是根据预设时间进行周期性反馈，即，主网关向备份网关反馈信息时，其为具有最大预设周期的节点，当主网关出现故障时，主网关出现故障的表现包括备份网关在预设时间内接收不到主网关信息，或者直接根据采集模块采集的信息数据异常判断为故障状态，备份网关获取故障信息，并按照最近一次接收的主网关信息节点进入至总线工作，这样就避免了当主网关出现故障时，备份网关进入至总线时，以初始节点进入，这样就会发生主权竞争，延长了初运行时间；而以主网关最近的状态信息节点进入至总线，则避免了主权竞争的现象，缩短了初运行的时间。

另外，在上述步骤中，当需要网关与总线通信断开时，其具体操作方法如下：MVB总线为备份网关不发送主网关端口数据，避免端口冲突，WTB总线为断开总线开关继电器，执行TCN标准所述的ls_t_Remove过程，命令节点将自身从配置中切除且转为被动状态。

本发明通过上述冗余控制方法，主备网关均可获取对方网关状态，主网关可以向中央控制单元报告备份网关状态信息，备份网关冗余切换时参考原主网关信息，避免发生主权竞争，提高列车网络控制系统的可靠性。