专利名称：一种中心节点设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种中心节点设备，其设置在列车两端，专门用于城轨列车在途运行过程中对车辆各关键装备运行状态的实时运行状态进行监测，属于现代城市轨道技术领域。
背景技术：
采用计算机技术、软件算法、控制技术、网络技术实现城轨列车安全数据的采集及处理，为列车安全运行提供保障，是现代城市轨道交通领域的发展方向。为此，需要开发面向城轨列车的智能化、一体化、网络化在途监测设备，并配以车载数据传输特性分析技术、基于特征提取的数据处理与安全存储技术、数据异构重构技术、 数据过滤格式转化技术、数据冗余消除技术、网络管理与检测任务调度技术、失效对网络性能影响分析与评估技术等，构建覆盖全列车的运行安全状态实时全面获取技术与装备，实现城轨列车各关键装备的信息共享和智能化管理与控制，提高运输效率和服务质量。变常规维修与事故后维修为主动维修，降低维修运营成本，为运营企业带来巨大的经济效益，为社会带来巨大的社会效益。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种中心节点设备，以使城轨列车实现智能化、网络化、 一体化综合监测，提高运输安全保障，同时降低运营成本，实现主动维修。为此，本实用新型提供了一种中心节点设备，包括信息采集单元、数据处理单元、 存储单元、流量协调单元、保护单元、信息配置与系统管理单元和总线单元；所述信息采集单元、数据处理单元、存储单元、流量协调单元、保护单元、信息配置与系统管理单元均与总线单元相连，其特征在于，所述数据处理单元包括数据控制模块、数据计算模块、数据分析模块、数据聚类模块、数据下载与在线升级模块、数据转存模块、辅助维护系统、以及数据传输模块；所述数据控制模块分别与数据计算模块、数据分析模块、数据下载与在线升级模块和辅助维护系统相连；所述数据计算模块分别与数据控制模块和数据聚类模块相连；所述数据分析模块分别与数据控制模块和数据聚类模块相连；所述数据聚类模块分别与数据计算模块、所述数据分析模块、数据传输模块和辅助维护系统相连；所述信息采集单元通过总线单元的标准接口与数据处理单元、存储单元、流量协调单元、保护单元、信息配置与系统管理单元连接；所述总线单元是信息采集单元、数据处理单元、存储单元、流量协调单元、保护单元、信息配置与系统管理单元进行信息数据传输联系的纽带，采用标准的总线协议，实现各单元间的信息传输；所述流量协调单元采用标准的数据传输协议，与外联设备之间接口及进行信息数据传输。优选地，数据处理单元、信息配置与系统管理单元通过流量协调单元连接车载工业网络，实现与复合节点间的数据连通；流量协调单元与复合节点、车地通信网络设备、司机操作显示终端数据连通。优选地，中心节点作为车载系统各节点装置数据与车地通信网络设备、司机操作显示终端的连接纽带，并成为列车各装置与车地通信系统的网关，便于进行网段划分，路由指向实现，并实现车载网络的在线管理。优选地，数据处理单元内存有设备主运行软件，负责对整个设备的采集数据进行控制、分析、计算等工作；运用车载数据传输特性分析技术、基于特征提取的数据处理与安全存储技术、数据异构重构技术、数据过滤格式转化技术、数据冗余消除技术、网络管理与检测任务调度技术、失效对网络性能影响分析与评估技术等，实现城轨列车车载网络的综合监测、网络管理、在线升级、流量配置与控制，使城市轨道交通列车实现故障隐患实时预警，改变列车常规维修与故障后维修为主动维修。更优选地，保护单元实现了系统设备防非法关机、非正常断电以及操作错误等造成的系统破坏而引起的设备死机、进入非正常运行等；信息配置与系统管理单元实现了对车载各装置进行系统管理与信息配置，实现了按照需求对车载网络资源的合理分配，并达到了综合管理的功能。本实用新型运用计算机技术、软件算法、控制技术、网络技术的中心节点设备，实现了城轨列车安全数据的采集及处理，能够满足城轨列车在途运行过程中各关键装备安全运行数据汇聚、智能分析，并通过车地通信系统实现与地面综合监测中心的传输。根据本实用新型，采用并行总线进行独立硬件设计，并且基于双套冗余热备理论， 高科技软件算法技术与独特的硬件技术，使数据采集、分析及传输控制独立运算，满足城轨列车在途运行过程中各关键装置的数据处理，便于实现城轨列车关键装备运行安全信息传输控制方法；数据各过程实现了自动自检操作，确保数据传输的准确率；采用总线单元，实现各类数据独立通道传输，采用标准化协议，为本实用新型与外联设备的对接提供了可靠的保障。
图1是根据本实用新型的一种中心节点设备的前面板结构图。图2是根据本实用新型的中心节点设备的基本体系架构。图3是根据本实用新型的中心节点设备的数据处理单元体系架构。
具体实施方式
如图1所示，附图标记101、102、115、116分别表示中心节点设备的固定安装孔；附图标记103、114分别表示虚框内各单元状态指示灯；附图标记104、112表示电源单元；附图标记105、111表示数据单元；附图标记106、110表示存储单元；附图标记107、109表示数据处理单元；附图标记108表示网络单元；附图标记113表示总线单元；附图标记117、131 表示电源单元电源输入开关；附图标记118表示总线单元数据总线接口 ；附图标记119、 130表示电源单元电源输入接口 ；附图标记120、1观表示数据单元数字信号输入接口(共 4个)；附图标记121、127表示存储单元模拟信号输入接口(共4个)；附图标记122、125 表示数据处理单元系统更新及维护接口 ；附图标记123、1沈表示数据处理单元数据下载接口 ；附图标记1 表示网络单元数据输出接口 ；附图标记1 表示各单元固定及启拔件(共18个)。图2描述了一种中心节点设备的基本体系结构，采用独立的结构设计，使中心节点设备设计简洁，功能思路清晰。其中，中心节点设备的组成如下信息采集单元1、数据处理单元2、存储单元3、流量协调单元4、保护单元5、信息配置与系统管理单元6和总线单元7，保障了设备运行的安全稳定性以及数据处理，网络管理的可靠性，保障列车在途运行的安全性。图3说明了所述的数据单元作为整个中心节点设备的数据处理核心，对数据计算、分析、处理、以及存储、数据路由指向明确，功能强大。数据单元2包括数据控制模块301、数据计算模块302、数据分析模块303、数据聚类模块304、数据下载与在线升级模块305、数据转存模块306、辅助维护系统307、以及数据传输模块308 ；上述中心节点设备数据处理单元内存有设备主运行软件，负责对整个设备的采集数据进行控制、分析、计算等工作；运用了车载数据传输特性分析技术、基于特征提取的数据处理与安全存储技术、数据异构重构技术、数据过滤格式转化技术、数据冗余消除技术、 网络管理与检测任务调度技术、失效对网络性能影响分析与评估技术等，实现城轨列车车载网络的综合监测、网络管理、在线升级、流量配置与控制，使城市轨道交通列车实现故障隐患实时预警，改变列车常规维修与故障后维修为主动维修。上述中心节点设备数据单元采用模糊聚类技术、控制技术进行采集信息进行计算、分析、转发、存储；通过标准接口协议总线单元实现数据处理单元、存储单元、流量协调单元、信息配置与系统管理单元、辅助维护系统之间连接。根据本实用新型的中心节点设备，可以将列车各关键装备运行状态信息进行在线升级与辅助维护、数据转发，数据采集单元可以根据接收到的信息数据全部输出给数据处理单元，减小了数据处理单元的数据分析工作，提高采集速率，总线单元可以根据不同协议数据进行相应转换，网络单元可以根据接收数据进行过滤；辅助维护系统可以收集来自各关键装备设备的数据，进行在线数据分析、存储及查询，实现在途采集数据的分析判断，从而保证了信息传输的安全和信息验证，为城轨列车运行提供安全保障。根据本实用新型的中心节点设备，将数据实时发送到车地通信设备，实现列车与地面监测中心的联动，实现转地面监测中心与列车的实时操控。本实用新型的工作原理是依靠面向现代城市轨道交通的车载数据传输特性分析技术、基于特征提取的数据处理与安全存储技术、数据异构重构技术、数据过滤格式转化技术、数据冗余消除技术、网络管理与检测任务调度技术、失效对网络性能影响分析与评估技术等，以及高速计算技术，实现智能化、一体化、网络化的中心节点设备。主要包括包括信息采集单元1、数据处理单元2、存储单元3、流量协调单元4、保护单元5、信息配置与系统管理单元6和总线单元7。数据处理单元1包括数据控制模块301、数据计算模块302、数据分析模块303、 数据聚类模块304、数据下载与在线升级模块305、数据转存模块306、辅助维护系统307、以及数据传输模块308 ；数据处理单元2分别与存储单元3、流量协调单元4、保护单元5、信息配置与系统
5管理单元6、辅助维修系统通过标准接口实现内部通信；数据处理单元2负责信息的控制与分类；数据单元2负责数据的计算、分析、传输、下载与在线升级等；存储单元3负责全过程中的数据存储，为事后对各关键装备数据分析以及事故追忆和查询与维护参考；流量协调单元实现了系统设备的对外接口与内部数据流量控制，防止大流量数据造成的阻塞与网络数据风暴的发生；保护单元实现了系统设备防非法关机、非正常断电以及操作错误等造成的系统破坏而引起的设备死机、进入非正常运行等；信息配置与系统管理单元实现了对车载各装置进行系统管理与信息配置，实现了按照需求对车载网络资源的合理分配，并达到了综合管理的功能。中心节点设备由数据处理单元统一控制，实现通信网络间的数据交互， 从而保证信息传输的可靠性和信息验证，为城轨列车安全运行提供保障。本实用新型实现了列车在途过程中的各关键装备的实时监测与诊断，可以及时发现故障隐患并进行及时维修，提高列车的使用效率，降低了城轨运营公司的运营成本，同时可以节省运营公司的车辆投入和列车维修占地面积，进而为列车运维部门实现减员增效提供了基础，节省了运营成本。本实用新型可使城轨列车形成在途监控预警网络管理及综合控制技术基础，从而促进产业的技术进步和应用，并开展技术创新以推进传统网络管理技术的跨越式升级，淘汰落后技术；在充分保障交通运输系统的安全性方面，形成覆盖全列车全息化检测、预警、 应急全过程，并且满足不同目标和需求的监控预警和应急技术及系统装备；结合列车安全技术产业技术和产品技术的特点，探索新型科技研发机制和模式，以产业技术链或产品技术供应链为链条和纽带，按照技术或产品的层级，分解技术和零部件的研究开发，形成产业技术和产品的完整技术、研发、供应体系，构建完整的研发、供应关系；最终产生很好的社会效益和良好的经济效益；进而使轨道交通运输列车运行更加安全，以提高轨道交通运输安全保障。本实用新型可实现城轨列车在途运行过程中，对列车各关键装备的实时监测与故障隐患诊断、数据存储，同时连接和管理车载其他节点进行数据传输到地面监测中心，从而提高了城轨列车运行过程中安全性监测，并减小列车运行过程中由于相关环节的故障而引起的事故发生，为类车运行提供安全保障，同时可以及早发现转向架故障隐患，实现提前预警，为列车及时可靠性维修提供了依据。中心节点主要研究了以下内容1)适应中心节点的车载数据传输特性分析技术针对列车大量信息数据的涌入，针对车载网络有限资源问题，中心节点研究了数据传输模型构建技术；数据传输特性分析技术；对车载大容量检测网络特性影响分析技术；可靠数据传输的提升技术。2)基于特征提取的数据处理与安全存储技术针对大容量检测网络传输数据异构、海量特点带来的传输压力大、数据包含有效信息少、检测网络数据无法存储的问题，研究了数据过滤技术，格式转化技术，数据冗余消除技术，数据特征提取技术；海量数据压缩存储技术，存储配铬优化技术。3)网络管理与检测任务调度技术针对大容量列车安全检测网络管理与检测任务的分配、优先级调度问题，研究了保证实时性的总线争用技术，路由表优化技术，端到端的协议优化技术；研究面向周期数据和非周期检测数据的高实时高可靠的任务调度技术。
6[0038]4)中心节点失效对网络性能影响分析与评估技术针对城轨列车安全检测传感网中心节点的可能失效，在中心节点管理下的总线共享争用延时分析技术，失效对城轨列车传感网性能影响模型；在不同编组条件下的性能分析技术；中心节点寿命估计技术；失效后的复合节点通信技术；失效的补偿技术。5)研究了管理车辆节点并与之构成安全检测传感网，具有数据处理与存储、网络管理与任务调度功能的高可靠中心节点。软件技术方案1、系统平台设备运行平台选用的是微软的Microsoft Windows CE 6. 0操作系统，该系统是一个紧凑、高效和可扩展的操作系统。它拥有多线程、多任务、实时交互、完全抢先式优先级的操作系统环境，专门面向资源有限的硬件系统。操作系统平台同样处于高可靠性的目的，在设计软件模块时，选用实时性、可靠性和稳定性比较高的操作系统平台，同时满足适时性要求。要求HA系统支撑单板在线维护、软件自动修复、故障自动隔离等。支持领先的网络技术(1)轻量级目录访问协议(Lightweight Directory Access Protocol, LDAP)。(2)远程访问服务(Remote Access Service, RAS)服务器。(3) N ^ fM ji ^ Π IS ill (Network Driver Interface Specification, NDIS)5. 1 =Microsoft Windows CE 6. 0引入了对NDIS的支持，NDIS通过将硬件层和协议层抽象化，简化了驱动程序的开发。NDIS支持以太网(802.3)、IrDA、WAN以及令牌环网 (802.5)微端口。Microsoft Windows CE 6. 0全面支持中间驱动程序、电池状态、直接内存存取(DMA)以及发送取消。(4)TCP/IP =Microsoft Windows CE 6. O 包括一个基于标准的 TCP/IP 栈，允许使用Microsoft Windows CE 6. O的设备被用作局域网或远程网络上的节点和服务器。 Microsoft Windows CE 6. O还包括对TCP/IP的安全性和稳定性增强。(5) Winsock 2. O =Windows Sockets (Winsock)是一个接口，可以使用它来发现和使用底层传输协议的通信能力。通过提供一个独立于协议的接口，Winsock完全支持新兴的网络技术，例如实时多媒体通信。(6)网络桥接网络桥接(Network Bridging)通过将帧从一个以太网段转发到另一个网段，可以将多个以太网段连接到一个单一的子网之中。MicrosoftWindows CE 6. O包含了所有必需的组件，以在一个平台中支持网络桥接。(7)通用即插即用(Universal Plug and Play, UPP) Device Host and ControlPoint =UPP Device Host (UPP设备托管)增强了个人计算机的端对端网络连通性、 无线设备和网络上的其它智能设备。Device Host API允许您创建可以向其它UPP设备发布自己的存在和功能的设备。UPnP Control Point提供的API使Microsoft Windows CE 6. O设备可以发现并且控制网络上其它具有UPnP功能的设备。(8)实时协作和通信。(9)无缝的 Windows 集成(10)远程桌面协议(Remote Desktop Protocol, RDP)[0055]2、双机热备系统该热备系统的特点有(1)实时性要求高，事务的处理时间短，响应时间有限制，一般为毫秒级；事务到达率高，一般1000-3000次/分钟；(2)不允许出现事务的丢失，不允许事务处理的”断流”。3、双机热备设计与实现根据WinCE实时操作系统的特点，设计了一种针对该类实时系统的通用纯软件双机热备份系统方案。在该方案中，主机和备机配置相同的应用软件，同步工作，互为备份，当主机发生故障时，自动切换到备机工作，系统可以不间断运行。本方案中的双机热备份系统由双机系统硬件和双机热备份软件组成双机系统硬件主要由硬件板卡提供的通用串口组成；双机热备份软件是该实现方案的核心，采用分层与分块相结合的体系结构。4、主备选择该算法设计是以互为主机的概念所设计，既上电启动后双机都为副控，其中一台机器启动之后会像另外一台机器发起主控申请，如果对方回复为副控，则自身变为主控 (如定时内不回复也会变成主控)，如对方回复为主控，则该机保持副控状态，并水机发送申请数据，直到自身变为主控。具体算法如下启动竞争算法启动随机定时器；If (定时器到时间&&串口缓冲区无数据)发送主控申请信息；启动超时定时器；End ifIf (超时定时器时间到达)计数器++;End ifIf (计数器达到最大值限制)设置本机为主机状态；取消主机申请；End ifIf (收到回复消息为主控)继续随机申请；Else if(收到回复消息为副控)设置本机为主机状态；取消主机申请；End if5、故障检测故障检测对于双机热备份系统是非常重要的保障机制，系统设备的故障可分为 永久硬件故障(硬件设备顺坏不能正常运行)，偶然硬件故障(硬件资源暂时不可用等)，永久软件故障(软件异常中止死机等)，偶然软件故障(软件偶然错误输出等)。故障检测采用系统自检和心跳检测相结合的方法。(1)系统自检系统自检包括系统硬件检测、系统软件检测和应用软件检测。对于系统硬件和系统软件，目前的操作系统都提供了系统硬件状态监视接口和系统软件运行状态监视接口， 可以利用这些接口编程实现对系统硬件和系统软件状态进行监视。(2)心跳检测信息。心跳检测算法包括发送心跳信息和接收心跳信息两部分。A、发送心跳信息算法If (本机当前状态)发送心跳信息；启动定时器；End ifB、接收心跳信息算法If (判断接受到信息的有效性)重置定时器；If (定时器超时)计数器++ ；End ifIf (大等于超时计数最大值)故障处理；且为主控else超时计数清零；心跳信息处理；End if6、双机同步双机热备份系统的最终目标是实现双机同步。对于所研究的实时系统，如果两台服务器数据和状态完全同步，则双机状态就完全同步，数据同步保证两台服务器同时接收相同的原始信息，状态同步保证两台服务器的应用软件当前的运行状态相同。针对两类同步要求，我们采用地址漂移技术结合组播技术实现双机数据同步，采用数据缓冲技术结合数据备份技术实现双机状态同步。(1)数据处理系统数据处理系统采用多线程处理与优先级优先抢占式处理，并使用了系统级的消息队列数据存储方式。该存储方式可以最大程度的优化多线程的处理速度与效率，可以防止由于数据量过大导致的数据丢失，更可以方便的实现进程级的热备份功能，使数据的处理更安全可靠。该系统由两部分组成QWerver服务接收端krver端负责监听捕获与之握手的Client端的Socket数据。并把数据存储到创建好的系统消息队列中。处理算法启动krver数据接收线程；[0112]If (有 Client 与之握手)记录该Client信息；End ifWhile (监听记录中 Client 端 Socket 数据)If (其中一个 Client 端有 Socket 数据)校验数据完整性；If (数据完整)存储数据到消息队列；Else数据记录；丢弃数据；End if(3)Client数据分发端Client负责从系统消息队列中把数据取出，并发送给相应的设备中。处理算法启动Client数据处理线程；与设备进行联机；WhileOIf (消息队列是否有数据)发送消息；Else等待数据；End if中心网管系统中心网管系统可以对多台交换机进行集中式管理，网管可以修改目标网络节点的各项信息与指标，并能实时返回网络节点的实时信息与故障信息进行存储与上报。
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权利要求1.一种中心节点设备，其包括信息采集单元(1)、数据处理单元O)、存储单元(3)、流量协调单元G)、保护单元(5)、信息配置与系统管理单元(6)和总线单元(7)；所述信息采集单元(1)、数据处理单元O)、存储单元(3)、流量协调单元0)、保护单元(5)、信息配置与系统管理单元(6)均与总线单元(7)相连，其特征在于，所述数据处理单元(1)包括 数据控制模块(301)、数据计算模块(302)、数据分析模块(303)、数据聚类模块(304)、数据下载与在线升级模块(305)、数据转存模块(306)、辅助维护系统(307)、以及数据传输模块(308)；所述数据控制模块(301)分别与所述数据计算模块(302)、所述数据分析模块 (303)、所述数据下载与在线升级模块(305)和所述辅助维护系统(307)相连；所述数据计算模块(30 分别与所述数据控制模块(301)和所述数据聚类模块(304)相连；所述数据分析模块(30 分别与所述数据控制模块(301)和所述数据聚类模块(304)相连；所述数据聚类模块(304)分别与所述数据计算模块(302)、所述数据分析模块(303)、所述数据传输模块(308)和所述辅助维护系统(307)相连；所述信息采集单元(1)通过总线单元的标准接口与所述数据处理单元( 、所述存储单元C3)、所述流量协调单元(4)、保护单元(5)、 信息配置与系统管理单元(6)连接；所述总线单元(5)是信息采集单元(1)、数据处理单元 O)、存储单元(3)、流量协调单元0)、保护单元(5)、信息配置与系统管理单元(6)进行信息数据传输联系的纽带；所述流量协调单元(4)采用标准的数据传输协议，与外联设备之间接口及进行信息数据传输。
2.根据权利要求1所述的中心节点设备，其特征在于，数据处理单元O)、信息配置与系统管理单元(6)通过流量协调单元(4)连接车载工业网络，与复合节点间数据连通；流量协调单元(4)与复合节点、车地通信网络设备、司机操作显示终端数据连通。
3.根据权利要求2所述的中心节点设备，其特征在于，中心节点作为车载系统各节点装置数据与车地通信网络设备、司机操作显示终端的连接纽带，为列车各装置与车地通信系统的网关。
4.根据权利要求3所述的中心节点设备，其特征在于，数据处理单元( 内存有设备主运行系统。
专利摘要一种中心节点设备，包括信息采集单元、数据处理单元、存储单元、流量协调单元、保护单元、信息配置与系统管理单元、总线单元，在一台中心节点设备的所有单元均采用双套冗余热备；所述数据处理单元包括数据控制模块、数据计算模块、数据分析模块、数据聚类模块、数据下载和在线升级模块、数据转存模块、辅助维护系统、以及数据传输模块；所述总线单元是进行信息数据传输联系的纽带，采用标准的总线协议。所述流量协调单元采用标准的数据传输协议，实现本实用新型与外联设备的接口与信息数据传输。本实用新型使列车实现故障隐患实时预警，变常规维修与故障后维修为主动维修，提高交通运输安全保障，同时节省运营成本，提高维修效率，防止运行事故发生。
文档编号H04L12/24GK202210807SQ20112037290
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者刘为, 孙学璞, 赵振杰, 高奇峰 申请人:北京瑞航威尔科技有限公司