一种动车组控制系统融合架构的制作方法

1.本技术属于轨道交通装备整车技术领域，具体地讲，涉及一种动车组控制系统融合架构。


背景技术：

2.当前的列车整车设计是以成熟的网络控制、牵引、制动、车门、空调等子系统产品为前提，通过适当调整接口，自底向上完成整车设计。配置上来说，各子系统分布在不同的车辆内，每个端车至少设置有一个网络中央控制单元(ccu)，每个车至少设置一个制动控制单元(bcu)，每个动车至少设置一个牵引控制单元(tcu)。各个子系统的控制单元相互独立运行，通过列车网络网络(tcms)互联实现整列动车组功能。对车辆的控制往往是体现在对某个设备，或者是某几个系统设备控制。
3.在当前架构中，不同的系统所属技术领域不同，技术路线不同，长时间形成了不同系统独立发展的格局，然而从整车角度来讲，按系统划分后，每个系统需要设计专有的控制单元等硬件资源。这样就造成列车上面的控制单元数量较多，控制单元之间在功能上需要通过列车网络进行数据交互，而较多的控制单元造成列车拓扑结构复杂，信号的采集和控制接线较多会造成列车布线复杂；另外，某些功能的实现仅靠系统内的控制单元无法实现，还需要跨系统进行信号交互、信号跨系统传输，这就在一定程度上降低了实时性。因此，需要从列车控制功能层面进行考虑，尽量减少列车子系统之间的重复控制。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种动车组控制系统融合架构，以至少解决当前列车拓扑结构复杂，信号的采集和控制接线较多造成列车布线复杂的问题。
5.根据本技术的第一个方面，提供了一种动车组控制系统融合架构，包括：
6.若干个以太网列车骨干网关，以及与以太网列车骨干网关连接的若干个以太网车辆编组网关，若干个以太网车辆编组网关之间串联；以太网车辆编组网关的类型分为端车网关和中间车网关，端车网关设置在前端和尾端车辆上，中间车网关设置在中部段车辆上；
7.在每个以太网车辆编组网关上设置有一融合控制器，融合控制器上集成有lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板。
8.在一实施例中，融合控制器上还设置有一板卡，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板之间通过板卡传输数据进行信息交互。
9.在一实施例中，设置在端车网关上的融合控制器上还集成有一ccu控制主板。
10.在一实施例中，在端车网关上连接有无线传输装置和显示器。
11.在一实施例中，融合控制器与以太网车辆编组网关的接口为双通道冗余通信的安全数据传输接口。
12.在一实施例中，融合控制器上接设有一监控设备，用于实时监控车辆内部。
13.在一实施例中，融合控制器上设置有一信号采集器，信号采集器用于采集列车线
路信号和硬线信号。
14.在一实施例中，在融合控制器上还包括一通信设备。
15.在一实施例中，通讯设备中包括至少两路冗余设计的电路。
16.在一实施例中，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板之间采用双机热备冗余架构，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板上的接口包括至少两路冗余设计的电路。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本技术提供的一种动车组控制系统融合架构拓扑图。
19.图2为本技术实施例中融合控制器内部结构图。
20.图3为本技术实施例中动车组功能层级示意图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.近年来，随着嵌入式计算机技术的发展，具有低功耗、多核、安全架构的计算机芯片种类繁多，能够满足列车复杂逻辑的处理需求，为复杂、多样、智能化的应用逻辑提供了技术支撑。
23.为了解决背景技术中存在的问题，本技术提供了一种动车组控制系统融合架构，包括：
24.若干个以太网列车骨干网关，以及与以太网列车骨干网关连接的若干个以太网车辆编组网关，若干个以太网车辆编组网关之间串联；以太网车辆编组网关的类型分为端车网关和中间车网关，端车网关设置在前端和尾端车辆上，中间车网关设置在中部段车辆上；
25.在每个以太网车辆编组网关上设置有一融合控制器，融合控制器上集成有lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板。
26.在一具体实施例中，如图1所示，动车组列车以一定数目的车厢为单位构成牵引单元，例如第1-4车厢为第一牵引单元，第5-8车厢为第二牵引单元，每个牵引单元内的车厢数量都是可调整的。牵引单元之间采用列车及骨干网etb实现列车动态配置，在每个牵引单元上设置一个以太网列车骨干网关(etbn)，在牵引单元内部采用车辆编组以太网ecn，ecn上设置车辆编组以太网节点ecnn(以太网车辆编组网关)，ecnn设置在每个车厢内，ecnn串联后与etbn连接。其中：
27.bcu-制动控制单元、ccu-中央控制单元、dcu-门控制单元、etb-列车级骨干网、etbn-列车级骨干网节点、ecn-车辆编组以太网、ecnn-车辆编组以太网节点、fas-火灾报警系统、hads-轴温检测装置、hmi-显示器、hvac-空调、iom输入输出模块、wtd-无线传输装置、
tcu-牵引控制单元、bc-充电机控制装置。
28.在一具体实施例中，每个ecnn上设置有一融合控制器和其他控制设备，如图2所示，融合控制器上集成有逻辑控制单元功能(lcu主板)、制动控制单元部分功能(bcu制动控制主板)、牵引控制单元部分功能(tcu牵引控制主板)，内部具有相关的逻辑模块，因此，车厢内无需再单独设置bcu和tcu等控制单元。
29.在一实施例中，融合控制器上还设置有一板卡，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板之间通过板卡传输数据进行信息交互。
30.在一具体实施例中，融合控制器上还设置有以板卡，在实际应用中，统一几项上的控制模块(主板)之间能够通过板卡传输数据，起到降低通信延迟，提高系统可靠性的作用。
31.在一实施例中，设置在端车网关上的融合控制器上还集成有一ccu控制主板。
32.在一具体实施例中，设置在端车上的融合控制器需要实现中央控制单元(ccu)逻辑功能、逻辑控制单元功能(lcu)、制动控制单元部分功能(bcu)和牵引控制单元部分功能(tcu)，因此，设置在端车网关上的融合控制器还需要具备以ccu控制主板用于实现中央控制单元逻辑功能。
33.在一实施例中，在端车网关上连接有无线传输装置和显示器。
34.在一实施例中，融合控制器上接设有一监控设备，用于实时监控车辆内部。
35.在一实施例中，融合控制器上设置有一信号采集器，信号采集器用于采集列车线路信号和硬线信号。
36.在一实施例中，在融合控制器上还包括一通信设备。
37.在一具体实施例中，由于传统的lcu、ccu、tcu、bcu等设置在不同的主机中，互相独立，独立的控制单元导致车辆内不同系统之间的通信需要通过大量的物理接口和软件中的逻辑关系来实现，占用空间较大。信号的跨系统交互也降低了控制的实时性。在融合控制器上集成设置lcu、ccu、tcu、bcu控制主板，形成融合控制器，这样就无需设备之间的连线实现通讯传输功能，能够降低传输延迟，提高数据传输质量。在实际应用中，减少了物理接口的数量，使资源复用。同一机箱上的控制主板之安静能够通过板卡传输数据，降低了通信延迟，提高了系统的可靠性。并且将上述控制主板集成为一个设备，节省了设备占用的空间，提高了接口的资源利用率。
38.在一实施例中，融合控制器与以太网车辆编组网关的接口为双通道冗余通信的安全数据传输接口。
39.在一实施例中，通讯设备中包括至少两路冗余设计的电路。
40.在一实施例中，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板之间采用双机热备冗余架构，lcu主板、牵引控制主板和制动控制主板上的接口包括至少两路冗余设计的电路。
41.在一具体实施例中，融合控制器中各个控制主板采用带诊断功能的安全计算机架构、双机热备冗余架构，保障控制主板硬件功能安全完整性。当冗余设计的主板中的任何一个发生故障时，不影响车辆牵引或制动控制功能，保障列车通信架构安全可靠。融合控制器中各控制主板与列车网络接口之间的信息传输采用安全数据传输机制和双通道冗余机制。采用双通道冗余通信机制时，两个通讯网口分别接在不同的交换机上，两个网口同时工作从而保证关键设备冗余可靠性。
42.在本技术的另一具体实施例中，融合控制器中还集成有健康管理主板(phm)，端车
的phm模块负责列车级phm功能的预算，中间车辆的phm模块，负责本车内的监控和运算。
43.为了支撑本技术所提供的方案，下面列举了一个具体实施例：
44.首先构建新的列车控制架构，基于以太网的动车组列车通信网络拓扑架构，全列车采用以太网的动车组列车网络架构，配备融合控制器，融合控制器中的核心主板冗余设置，保证动车组列车网络通信正常可靠。
45.动车组列车以一定数目的车厢为单位构成牵引单元，如第1～4车厢为第一牵引单元，第5～8车为第二个牵引单元，单元内车厢的数目是可以变化的。牵引单元之间采用列车级骨干网etb实现列车动态配置。每个牵引单元设置列车级骨干网节点etbn。牵引单元内部采用车辆编组以太网ecn，车辆编组以太网ecn上设置车辆编组以太网节点ecnn，ecnn串联后与列车级骨干网节点etbn连接。
46.控制架构的设定是以功能为基础，以类型构成集合，以安全和非安全功能做边界区分的。为解决现有技术中存在的上述技术问题，首先按照列车控制需求进行功能梳理，以某一项列车需要满足的功能为基础，按照几个重要原则进行分类，将动车组功能分为三个层级，如图3所示，分为列车级、车辆级、执行装置。其中列车级为需要综合列车数据进行管理的功能，如列车制动力设定值处理，根据列车制动需求，在列车级管理电空复合制动。如列车层面的通信管理及通信诊断等。车辆级为需要综合车辆数据才能完成的功能，如车辆防滑保护(wsp)，需要在本车内综合相关数据完成最后功能，与其它车关系不大。执行装置主要是负责参与最终执行，主要包括必要的传感器、控制阀等，执行装置由于需要接受指令，执行装置具有一定的通信接口和必要的逻辑控制，有些控制对数据的速度和实时性要求较高，这种快速反馈和闭环的逻辑运算保留在执行装置里面，如控制牵引变流器，控制电机转速和输出转矩，控制辅助变流器，产生中压输出等。
47.所述车辆编组架构以太网节点ecnn在每个车厢内设置，每个车厢内部以单个车辆编组以太网节点ecnn为中心连接各控制设备。每个车厢内设置车辆融合控制器(vcu)和其它控制设备。
48.将lcu、ccu、tcu、bcu集成设置，形成融合控制器，这样，则不再需要设备之间的连线实现数据传输，能够降低传输延迟，提高数据传输质量。在实际应用中，减少了物理接口的数量，使资源复用。同一机箱上的控制模块之间能够通过板卡传输数据，降低了通信延迟，提高了系统可靠性。同时集成为一个设备，节省了设备占用的空间，提高了接口的资源利用率。
49.融合控制器具有列车线和相关硬线信号采集功能，具体包括：紧急eb、ub，环路，vcb闭合或断开信号，车顶隔离开关信号，紧急牵引，牵引位列车线，制动位列车线，头、尾车信号，联挂信号，atp7级列车线，制动指令列车线，空压机超温，空压机输出控制等。
50.融合控制器的功能控制模块至少采用双机热备冗余架构，接口模块包括至少2路冗余设计的电路，通讯模块包括至少2路冗余设计的电路，其中，该电源单元可以包括至少两个电源模块。这样，至少包括两组功能完全相同且可互换的架构，从而可实现输入采集冗余、输出驱动冗余、逻辑控制冗余、电源冗余、通信冗余等功能。
51.本技术通过梳理车辆控制功能，对功能进行归类划分，按照执行装置、车辆控制、列车控制三个层面构成车辆控制架构，通过功能在车辆控制单元内集中部署，实现原有多个控制单元逻辑功能的整合，减少跨系统交互延时，增加控制的精确性。
52.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于硬件+程序类实施例而言，描述的比较简单，相关之处参见实施例的部分说明即可。虽然本说明书实施例提供了如实施例所述的操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或终端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块或子单元的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。