阅读说明：本技术 一种磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法 (Maglev train control and management system and communication method thereof ) 是由 曾云峰 刘秀美 陈龙 于延霞 郝宏峰 赵新秋 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：一种磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法,所述系统包括：控制子系统、受控子系统以及通信子系统,其中,所述通信子系统由以太网和控制器局域编组网构成,所述以太网包括交换机,每两台交换机作为一组互为冗余,首段车厢和尾段车厢分别设置一组交换机,中间段车厢至少设置一组交换器,其中,设置在列车首尾两段车厢上的每组交换机之间互相连接,设置在相邻两段车厢上的两组交换机一一对应连接,使所有交换机连接成环形结构。本发明的有益效果包括：克服了现有技术中存在的数据不兼容所引起的问题,提供了一种结构简单紧凑、功能集成度高、数据吞吐量达、信号传输实时性强、可灵活拓展并且工作稳定可靠的磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法。(A maglev train control and management system and method of communication thereof, the system comprising: the system comprises a control subsystem, a controlled subsystem and a communication subsystem, wherein the communication subsystem is composed of Ethernet and a controller local area network, the Ethernet comprises switches, every two switches are used as a group of switches which are mutually redundant, a group of switches are respectively arranged on a first section carriage and a tail section carriage, and at least one group of switches are arranged on a middle section carriage, wherein each group of switches arranged on the first section carriage and the tail section carriage of the train are mutually connected, and two groups of switches arranged on two adjacent sections of carriages are correspondingly connected one by one, so that all the switches are connected into an annular structure. The beneficial effects of the invention include: the magnetic suspension train control and management system and the communication method thereof have the advantages of simple and compact structure, high function integration level, high data throughput, strong signal transmission real-time performance, flexible expansion, stable and reliable work.)

一种磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法

技术领域

本发明涉及列车控制领域，特别是涉及了一种磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法，用于实现对磁悬浮列车的控制和管理。

背景技术

目前，国内中低速磁悬浮列车的控制主要采用TCMS(Train Control andManagement System)列车控制和监视系统，该系统首先被设计用于轻轨、地铁等车辆的控制和管理，其特点是采用了MVB(Multifunction Vehicle Bus)多功能车辆总线方式进行通信数据的传输。

然而，国内大部分磁悬浮列车的子系统所采用的通信协议与MVB总线的通信协议并不相同，因此，在其利用MVB总线通信时，需要先利用MVB网关将通信报文转换成MVB数据帧，进而才能实现数据在MVB总线上的传输。此外，各子系统之间，如悬浮控制、牵引控制、辅助供电、充电机、制动控制、电池管理和车门控制等，其通信技术也互不兼容，从而需要提供不同的网关设备进行通信协议转换，以提升各子系统之间的互操作性。

如图1所示，为TCMS网络拓扑示意图。其中，CCU为中央控制单元，HMI为人机接口，RIOM为远程输入输出模块，GW为MVB网关。由TCMS网络拓扑图可以看出，在TCMS中，数据由CCU、HMI或RIOM产生、接收或处理后由GW向子系统的所有节点中广播，由于各子系统之间以及各子系统与MVB总线的通信并不兼容(通信协议不同)，因此需要不同的网关多次进行通信协议转换，从而导致数据传输速率不高、传输延时较长，并且，MVB总线自身的数据传输效率较低，这些因素都不利于对磁悬浮列车系统的控制和管理。此外，其数据的传输通道为单通道，当所述单通道中任一节点出现断点时，都会导致数据传输问题的产生。

综上所述，利用网关进行数据协议转换，从而实现数据在MVB网络中传输的过程应用在对磁悬浮列车的控制和管理上存在通信传输速率低、信号传输实时性差、数据吞吐量小等问题，并且现有技术的单通道网络拓扑结构使得其通信网络的安全性、可靠性、可拓展性以及维护性都有所不足。

发明内容

针对上述问题本发明旨在提供一种数据兼容性高、数据吞吐量大、实时性强并且安全可靠的磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法，为此本发明设计了一种具有双归属环形结构的通信网络，用以实现上述需求。

本发明提出的一种磁悬浮列车控制和管理系统包括：

控制子系统、受控子系统以及通信子系统，其中，所述控制子系统与所述受控子系统通过所述通信子系统连接，其特征在于，所述通信子系统由以太网和控制器局域编组网构成，其中，所述以太网包括交换机，每两台交换机作为一组，首段车厢和尾段车厢分别设置一组交换机，中间段车厢至少设置一组交换器，其中，设置在列车首尾两段车厢上的每组交换机之间互相连接，设置在相邻两段车厢上的两组交换机一一对应连接，使所有交换机连接成环形结构。

在一个或多个实施例中，所述首段车厢、尾段车厢和中间段车厢均设置有控制器局域编组网，每段车厢上的控制器局域编组网都包括：第一控制器局域编组网以及第二控制器局域编组网，其中，所述第一控制器局域编组网用于串行的连接通信设备，并通过主通信设备接入所述以太网，所述第二控制器局域编组网包括远程输入输出模块，用于并行的连接通信设备，并通过所述远程输入输出模块接入所述以太网。

在一个或多个实施例中，所述受控子系统包括：车门控制器、电池管理单元以及磁悬浮控制单元，其中，所述首段车厢、尾段车厢和中间段车厢均设置有所述车门控制器、所述电池管理单元以及所述磁悬浮控制单元，其中，所述车门控制器之间通过所述第一控制器局域编组网连接，所述电池管理单元以及所述磁悬浮控制单元由所述第二控制器局域编组网连接。

在一个或多个实施例中，在所述第一控制器局域编组网中，所述车门控制器之间依次连接，其中，将位于所述第一控制器局域编组网两端节点的车门控制器设置为主车门控制器，主车门控制器上设置有以太网接口，进而由所述主车门控制器分别与设置在该段车厢上的两台交换机一一对应连接。

在一个或多个实施例中，在所述第二控制器局域编组网中，所述电池管理单元以及所述磁悬浮控制单元都通过控制器局域网总线与所述远程输入输出模块连接，并由所述远程输入输出模块分别与设置在该段车厢上的两台交换机连接。

在一个或多个实施例中，所述远程输入输出模块包括：一块CPU板卡以及两块控制器局域网板卡，所述两块控制器局域网板卡分别与所述CPU板卡连接，其中，所述两块控制器局域网板卡在第二控制器局域编组网中互为热备冗余。

在一个或多个实施例中，所述受控子系统还包括：事件记录仪、辅助供电单元、终端设备、充电机、空调以及乘客信息单元，并分别与设置在相应车厢上的两台交换机连接，其中，

首尾两段车厢上分别设置有所述终端设备，所述辅助供电单元、所述充电机、所述空调以及所述乘客信息单元；

中间段车厢上设置有所述事件记录仪，所述辅助供电单元、所述充电机、所述空调以及所述乘客信息单元。

在一个或多个实施例中，所述控制子系统包括：中央控制单元、牵引控制单元以及制动控制单元，其中，首段车厢和尾段车厢上分别设置有所述中央控制单元，所述中央控制单元分别与设置在相应车厢上的两台交换机连接；首段车厢、中间段车厢以及尾段车厢分别设置有所述牵引控制单元以及所述制动控制单元，所述牵引控制单元以及所述制动控制单元分别与相应车厢上的两台交换机连接。

此外，本发明还提出了一种利用上述磁悬浮列车控制和管理系统的通信方法，所述通信方法包括：

车门控制器之间通过第一控制器局域编组网进行通信，将与两台交换机直接相连的两个车门控制器设置为主车门控制器，其他车门控制器向主车门控制器发送控制器局域网数据，两个主车门控制器将控制器局域网数据拆包，封装成以太网数据后分别通过两台交换机传输给中央控制单元；反之，

中央控制单元分别通过两台交换机将以太网数据传输给带有以太网接口的主车门控制器，主车门控制器将以太网数据拆包，然后封装成控制器局域网数据后通过第一控制器局域编组网发送到相应的车门控制器中。

在一个或多个实施例中，所述通信方法还包括:

初上电时，远程输入输出模块中的CPU板卡以及两块控制器局域网板卡进行初始化；

远程输入输出模块分别通过两台交换机从以太网接收指令；

当控制器局域网板卡接收到来自中央控制单元的控制器局域网板卡启动指令后，启动控制器局域网通信，并进入弱主状态；

控制器局域网板卡检测自身配置参数，检测到配置参数为板卡1的控制器局域网板卡进入强主状态；

处于强主状态的控制器局域网板卡负责发送具体的控制报文至第二控制器局域编组网中的相应单元，处于弱主状态的控制器局域网板卡负责监视处于强主状态的控制器局域网板卡的心跳报文。

本发明的有益效果包括：克服了现有技术中存在的数据不兼容所引起的问题，提供了一种结构简单紧凑、功能集成度高、数据吞吐量达、信号传输实时性强、可灵活拓展并且工作稳定可靠的磁悬浮列车控制和管理系统及其通信方法。

附图说明

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实施例。

图1为TCMS网络拓扑示意图；

图2为本发明的ECN网络拓扑图；

图3为本发明的远程输入输出模块组成示意图；

图4位本发明的以太网TRDP报文传输原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

为避免背景技术中所提到的不利因素，本发明提出了一种磁悬浮列车控制和管理系统，具体如下所述：

如图2所示，为本发明的ECN(Electronic Communications Network电子通讯网络)拓扑图。根据电子通讯网的用途，其经常又被称为以太网。其中，CS为以太网交换机、CCU为中央控制单元、ER为事件记录仪、APS为辅助供电单元、EDCU为车门控制单元、HVAC为空调、TCU为牵引控制单元、BCG为充电机、PIS为乘客信息单元、BCU为制动控制单元、SCU为磁悬浮控制单元、BMS为电池管理单元。本发明中提出的一种磁悬浮列车控制和管理系统包括：控制子系统、受控子系统以及通信子系统，其中，控制子系统与受控子系统通过通信子系统通信连接，优选的，通信子系统由以太网和控制器局域编组网构成，其中，以太网包括交换机，每两台交换机作为一组，首段车厢和尾段车厢分别设置一组交换机，中间段车厢至少设置一组交换器，其中，设置在列车首尾两段车厢上的每组交换机之间互相连接，设置在相邻两段车厢上的两组交换机一一对应连接，使所有交换机连接成环形结构。本发明的列车控制和管理系统采用了两种通信网络结构相结合的方式实现数据的传输用以满足不同通信需求，一种是总线式，另外一种是环形式；其中，总线式具体采用了架构在CAN(Controller Area Network)控制器局域网上的CANopen编组网(以下简称为控制器局域编组网)进行短距离的数据传输，属于车辆级的通信网络；环形式具体采用了具有双归属环形网络结构的以太网进行长距离的数据传输，其贯穿整辆列车，属于列车级的通信网络，由于其采用了以太网交换机作为通信节点，以太网交换机之间通过以太网通信连接器以及以太网线缆连接，使得其具有数据兼容性好、数据吞吐量大、数据传输速率快、数据传输效率高以及实时性强等特点，并且，采用的双归属环形网络结构，不但减少了线缆的铺设，降低了增加或减少节点时的操作难度，便于维护，还同时保证了数据传输的安全性和可靠性。

优选的，首段车厢、尾段车厢和中间段车厢均设置有控制器局域编组网，每段车厢上的控制器局域编组网都包括：第一控制器局域编组网以及第二控制器局域编组网；其中，第一控制器局域编组网用于串行的连接通信设备，并通过主通信设备接入以太网，第二控制器局域编组网包括远程输入输出模块，用于并行的连接通信设备，并通过远程输入输出模块接入以太网。上述中，受控子系统包括：车门控制器、电池管理单元以及磁悬浮控制单元，其中，首段车厢、尾段车厢和中间段车厢均设置有车门控制器、电池管理单元以及磁悬浮控制单元，其中，车门控制器之间由第一控制器局域编组网连接，电池管理单元以及磁悬浮控制单元由第二控制器局域编组网连接。

更优选的，在第一控制器局域编组网中，车门控制器之间依次连接，其中，将位于第一控制器局域编组网两端节点的车门控制器设置为主车门控制器，主车门控制器上设置有以太网接口，进而由主车门控制器分别与设置在该段车厢上的两台交换机一一对应连接。具体的，两个主车门控制器通过以太网通信接口以及以太网线缆分别与设置在该段车厢上的两台交换机一一对应连接，从而形成双归属结构。当位于第一控制器局域标注网两端的主车门控制器正常工作时，位于中间的车门控制器同时向两个主车门控制器发送数据，从而将其采集到的数据上传至以太网，当一端的主车门控制器出现故障时，仍可由另一端正常工作的主车门控制器将具体数据上传至以太网，从而提高了第一控制器局域编组网的安全性和可靠性。此外，由于控制器局域编组网的传输速率与其传输距离有关，当第一控制器局域编组网两端的主车门控制器正常工作时，双归属结构可以分别通过两个主车门控制器将具体数据上传至以太网，从而实现更短距离的数据传输，从而有助于提升数据的传输速率。

更优选的，在第二控制器局域编组网中，电池管理单元以及磁悬浮控制单元都通过控制器局域网总线与远程输入输出模块连接，并由远程输入输出模块分别与设置在该段车厢上的两台交换机连接。其中，远程输入输出模块主要用于完成列车中各种数字量信号采集、数字量开关信号输出以及模拟量信号采集等工作，并且其对模拟量、电压以及电流等参数的采集范围可以根据外部负载的变化进行灵活配置，从而方便的满足列车的整体设计要求。为了保证电池管理单元以及磁悬浮控制单元的数据传输的可靠性，本发明中的远程输入输出模块配备有两块CAN板卡，用于互为热备冗余。远程输入输出模块的具体结构将在后续附图中说明。

除了上述提到的车门控制器、电池管理单元以及磁悬浮控制单元以外，受控子系统还包括：事件记录仪、辅助供电单元、终端设备、充电机、空调以及乘客信息单元，并分别与设置在相应车厢上的两台交换机连接，其中，首尾两段车厢上分别设置有所述终端设备，所述辅助供电单元、所述充电机、所述空调以及所述乘客信息单元；中间段车厢上设置有所述事件记录仪，所述辅助供电单元、所述充电机、所述空调以及所述乘客信息单元；这种连接方式构成了双归属结构，从而保证了各个单元和各设备之间数据传输的安全性和可靠性。

上述提到的控制子系统包括：中央控制单元、牵引控制单元以及制动控制单元，其中，优选的，首段车厢和尾段车厢上分别设置有中央控制单元，中央控制单元分别与设置在相应车厢上的两台交换机连接；首段车厢、中间段车厢以及尾段车厢分别设置有牵引控制单元以及制动控制单元，牵引控制单元以及制动控制单元分别与相应车厢上的两台交换机连接。具体的，由于每个中央控制单元均与其所在车厢上的两台交换机相连接形成环形结构，当列车控制和管理系统正常运行时，一个中央控制单元用于总的控制和管理，另一个用于热备冗余，一旦系统出现故障时，另一个中央控制单元可以快速接管控制权，以实现对列车的控制和管理，并且由于其同时还具有双归属结构，因此大大降低了一端中央控制单元出现数据传输问题的概率，从而进一步提升了列车的安全性和可靠性。制动控制单元和磁悬浮控制单元设置在列车的三段车厢上，其同样与设置在其所在车厢上的两台交换机相连接，从而形成双归属环形结构，从而保证了列车的安全性和可靠性。

可选的，上述中，各通信单元或设备同时向与其相连接的两台交换机发送信息，并同时通过两台交换机向以太网中发送信号，从而产生两组相同信号在以太网中传播，当目标通信单元或设备成功接收到一组信号，并确认后，对之后接收到的另一组相同的信号进行抛弃处理。

如图3所示，为本发明的远程输入输出模块组成示意图。优选的，本发明的远程输入输出模块的结构包括：一块CPU板卡、两块CAN板卡、三块DIO板卡、一块供电模块、一块电源输入模块以及机箱。其中，CPU板卡集成了以太网TRDP协议栈，CAN板卡集成了CANopen协议栈，DIO板卡用于实现数字输入DI信号采集、数字输出信号DO输出和CCN网络管理和CANopen数据的收发。其中，主要板卡的结构及连接方式包括：

CPU板卡包括依次连接的第一VME(VersaModule Eurocard)总线接口、主CPU以及RAM；第一CAN板卡包括依次连接的第二VME总线接口、第二RAM、第一CVB板卡以及并行与所述第一CVB板卡连接的第一支路和第二支路；第二CAN板卡包括依次连接的第三VME总线接口、第三RAM、第二CVB板卡以及并行与所述第二CVB板卡连接的第三支路和第四支路，其中，所述第一支路到第四支路分别由依次连接的CAN控制器和CAN收发器组成；两块CAN板卡分别通过第二VME总线接口和第三VME总线接口与第一VME总线接口连接从而与CPU板卡连接。第一支路/第二支路与第三支路/第四支路连接形成CAN总线，用于接收来自控制子系统的控制信号或接收来自电池管理单元以及磁悬浮控制单元的采集信号。对于采集信号，其依次通过CAN收发器以及CAN控制器传递至CAN板卡的CPU中，并由CAN板卡的CPU中存储的CANopen协议对采集信号进行通信协议转换，转换成CANopen信号，而后存储在CAN板卡的RAM中；远程输入输出模块中的CPU板卡与CAN板卡通过VME总线接口连接，CPU板卡将共享CAN板卡RAM中的CANopen信号，而后利用CPU板卡的CPU中存储的以太网TRDP(Train Real_Time DataProtocol)列车实时数据传输协议向以太网中发送CANopen信号，用以确保数据传输的实时性。以下将对本发明控制和管理系统中另外两个模块的组成进行简单说明。一个是中央控制单元，其包括一块CPU板卡、一块供电模块、一块电源输入模块以及机箱。另一个是事件记录仪ER，其包括一块CPU板卡、一块供电模块、一块电源输入模块以及机箱。

本发明中受控子系统中其它单元或设备与控制子系统的通过过程如下：如图4所示，为本发明的以太网TRDP报文传输原理示意图。本发明中，数据在以太网中的传输遵循TCP/IP协议，位于以太网中的各受控单元和设备可通过设置在受控子系统中的通信板卡与中央控制单元的CPU板卡进行通信，进而实现与中央控制单元的通信。其中，受控子系统中的通信板卡与中央控制单元的CPU板卡中均设置有RAM、主CPU以及以太网接口；并且其各自的主CPU中均存储有TRDP协议栈和TCP/IP协议栈，两者之间通过以太网接口互相连接，并分别利用其各自主CPU中的TRDP协议对UDP/TCP报文进行打包，并以TCP/IP协议实现通信。

基于上述磁悬浮列车控制和管理系统，以下将对控制器局域编组网与以太网的主要通信过程进行说明。其中，第一控制器局域编组网与以太网的通信过程包括：车门控制器之间通过第一控制器局域编组网进行通信，

将与两台交换机直接相连的两个车门控制器设置为主车门控制器，其他车门控制器向主车门控制器发送控制器局域网数据，两个主车门控制器将控制器局域网数据拆包，封装成以太网数据后分别通过两台交换机传输给中央控制单元；反之，

中央控制单元分别通过两台交换机将以太网数据传输给带有以太网接口的主车门控制器，主车门控制器将以太网数据拆包，然后封装成控制器局域网数据后通过第一控制器局域编组网发送到相应的车门控制器中。

第二控制器局域编组网与以太网的通信过程包括：初上电时两块CAN板卡都处于初始态，主CPU读取储存在CPU板卡中第一RAM上的CANopen通信配置文件，主CPU检查到配置文件正常时，将CANOpen相关通信参数通过背板发送给两个CAN板卡，两个CAN板卡收到通信配置参数时对板卡进行配置，完成初始化，此时，两块CAN板卡处于初始态。

当远程输入输出模块RIOM分别通过两台交换机从以太网接收到中央空控制单元CCU发送的CAN板卡启动指令后，发送启动指令给两块CAN板卡，两块CAN板卡收到启动指令后启动CANopen通信，并进入弱主状态。

当CAN板卡为弱主状态时，通过配置参数监测到自己为板卡1时，自动进入强主状态；其中，处于弱主状态的两块CAN板卡为热备冗余状态，用于监听来自强主的心跳报文和控制报文；其中，只有处于强主状态的CAN板卡可以发送控制报文给第二CAN网络上的设备，弱主只能接收第二CAN网上设备发送的报文和处于强主状态的CAN板卡发送的心跳报文；

CAN板卡1和CAN板卡2通过CCN网络互相发送心跳报文给对方，双方互相监视对方的心跳，当处于弱主状态的CAN板卡没有收到处于强主状态的CAN板卡的心跳报文时自动切换为强主状态；CAN板卡2变为强主状态后如果重新接收到CAN板卡1的心跳，则自动降级为弱主状态，并停止对控制报文的发送，而后继续监听CAN板卡1的心跳；

CAN板卡1发生故障自动重启或断电重启后，如果监测到CAN板卡2为强主时，则暂时禁止进入强主状态；直到CAN板卡2重新接收到CAN板卡1的心跳，并自动降级为弱主后才进入强主状态。两块CAN板卡通过这种通信方式实现了热备冗余，从而保证了第二控制器局域编组网的安全性和可靠性。

另外，当第二控制器局域编组网中的CAN总线出现断点时，由于两个CAN板卡都无法收到对方的心跳，两个CAN板卡都切换强主，此时第二控制器局域编组网变为相互独立的两个子网，远程输入输出模块RIOM从两个CAN板卡处各自接收该板卡所在子网上设备发送的信息，或者发送控制报文给该子网上的所有设备，并上第二控制器局域编组网开路故障信息给列车控制和管理系统。通过这种方式，使得单点故障不影响本发明的控制和关系系统的正常运行，从而实现对包括监视数据、过程数据、消息数据、流数据等的可靠传输。

本发明的磁悬浮列车控制和管理系统主要实现牵引和制动控制、时间同步、列车状态监视、故障诊断和记录、运行数据记录、空压机控制、悬浮控制等功能。并具有数据传输速率高。延时短，带宽高等特点，可传输CCTV视频信息和列车故障诊断和运行状态数据，满足健康管理和智能运维等新兴业务的需求。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。