一种磁悬浮列车网络控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及列车网络技术领域，尤其涉及一种磁悬浮列车网络控制系统及控制方法。

背景技术

随着轨道交通技术的不断发展，列车的设计时速不断提高，从时速160公里逐步发展到时速350公里甚至是400公里。高速磁悬浮技术是近些年发展比较快的一种轨道交通技术，设计时速可达到600公里，是可实现的最快的地面交通工具，可填补航空与高铁之间的速度空白，促进城际一体化、有利于抢占技术制高点，推动技术创新和产业升级，保持我国高铁乃至轨道交通领域的领先优势。

作为高速磁浮列车中起到“神经系统”的网络控制系统至关重要，它负责列车各个子系统的信息传输，让各个系统做到互联互通。由于磁悬浮列车的设计结构与传统轨道式列车不同，这就导致其网络控制系统拓扑与传统列车网络控制系统大不相同。核心的控制单元都位于车下，考虑到线缆布线与空间等因素，核心控制单元大都自成一体且控制信号采用硬线连接的方式，以保证信号传输的安全性与可靠性，车上通讯系统一般遵循只“监”不“控”的原则。

随着电子技术的不断发展，原有的高速磁悬浮网络控制系统存在着很多弊端，因此需要一种满足需求的磁悬浮网络控制系统，使得系统更加高效、简洁、稳定和可靠，有效保障磁悬浮列车安全运行。

发明内容

为了使高速磁悬浮网络控制系统更加高效、简洁、稳定和可靠，本发明提出一种磁悬浮列车网络控制系统及控制方法。

第一方面，本申请实施例提供了一种磁悬浮列车网络控制系统，包括：

列车操作诊断单元、车辆诊断单元、通过以太网连接于所述列车操作诊断单元与所述车辆诊断单元的以太网交换单元、通过CANFD总线连接于车辆诊断单元的车载控制单元，所述车辆诊断单元通过CANFD总线获取车下各功能子系统与所述车载控制单元的诊断信息，并将所述诊断信息通过以太网交换单元传输至列车操作诊断单元进行处理。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述列车操作诊断单元用于存储列车级的车辆运行数据信息，所述以太网交换单元设于磁悬浮列车中的每节车辆中，不同车辆中的以太网交换单元通过以太网串接在一起，不同车辆中的列车操作诊断单元通过串接在一起的以太网交换单元进行数据交互。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述列车操作诊断单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑运算与存储的CPU模块以及负责对外的以太网通信的以太网模块，所述CPU模块和所述以太网模块之间通过CPCI总线进行通信。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述以太网交换单元与无线电系统、车载安全计算机、门控系统、空调系统和PIS主机通过以太网连接，所述以太网交换单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑控制的以太网交换控制模块以及负责对外的以太网通信的以太网交换接口模块。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述车辆诊断单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑运算与存储的CPU模块、负责对外的以太网通信的以太网模块、负责对外的CANFD通信的CANFD模块以及负责采集数字量输入信号和输出数字量信号的I/O模块，所述CPU模块、所述以太网模块与所述CANFD模块之间通过CPCI总线进行通信，所述CPU模块和所述I/O模块之间通过LVDS总线进行通信。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，还包括无线发射单元与手持式显示单元，所述无线发射单元用于对所述列车操作诊断单元发送的有线数据进行无线转换生成无线数据，所述手持式显示单元利用所述无线数据进行数据显示与列车控制操作。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述车载控制单元用于将车载安全计算机发送的安全控制指令进行放大驱动后输出至车下各功能子系统，以及将所述车下各功能子系统输出的状态信号进行逻辑运算后输出至所述车载安全计算机。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述车载控制单元包括：

软件逻辑控制模块，通信连接于所述软件逻辑控制模块的安全输入采集模块与安全输出控制模块，其中，所述安全输入采集模块采集非实时性的数字量输入信号，并传输至所述软件逻辑控制模块进行逻辑运算，运算结果由所述安全输出控制模块输出；

硬件逻辑控制模块，通信连接于硬件逻辑控制模块的隔离采集模块与隔离输出模块，其中，所述隔离采集模块采集实时性的数字量输入信号，并传输至所述硬件逻辑控制模块进行逻辑运算，运算结果由所述隔离输出模块输出。

上述磁悬浮列车网络控制系统，其中，所述列车操作诊断单元、所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元均采用冗余设置。

第二方面，本申请实施例提供了一种磁悬浮列车网络控制方法，应用于上述第一方面所述的磁悬浮列车网络控制系统，包括：

第一状态确认步骤：通过列车操作诊断单元读取磁悬浮列车网络控制系统的配置，进而确认所述列车操作诊断单元的状态信息；

第二状态确认步骤：所述列车操作诊断单元的状态信息确认通过后，通过所述列车操作诊断单元获取车辆诊断单元、以太网交换单元与车载控制单元的状态信息，根据所述状态信息判断所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元是否正常运行；

冗余单元状态判断步骤：若正常运行，则磁悬浮列车网络控制系统正常工作；若不正常运行，则判断所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元的冗余单元是否正常运行；

判断结果执行步骤：若是，则所述磁悬浮列车网络控制系统正常工作；若否，则所述磁悬浮列车网络控制系统宕机，并记录故障数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明提出的磁悬浮列车网络控制系统中的列车操作诊断单元、以太网交换单元、车辆诊断单元和车载控制单元均具备双份冗余配置，能够保证其中一份故障时无缝切换至冗余备份，提高了系统的可用性与可靠性；

2、车辆诊断单元与车下各功能子系统采用CANFD总线通信，有效数据载荷能够达到传统CAN通讯的8倍，且传输速率更快，在保证传输数据量不变的情况下，能够大大减小通讯帧数，提高通信效率，缩短通讯时间，能够有效的减少车辆布线数量；

3、本发明所采用的车载控制单元采用软硬逻辑控制结合的方式，在保证输入输出信号实时性的基础上，通过软逻辑实现信号的逻辑运算使得系统更加灵活、可配置性更强；

4、手持式显示单元采用无线方式连接，能够更加便利的查看网络数据，提高了系统调试的便捷性。

附图说明

图1为本发明提供的磁悬浮列车网络控制系统的结构示意图；

图2为本发明提供的列车操作诊断单元的结构示意图；

图3为本发明提供的以太网交换单元的结构示意图；

图4为本发明提供的车辆诊断单元的结构示意图；

图5为本发明提供的无线发射单元的结构示意图；

图6为本发明提供的手持式显示单元的结构示意图；

图7为本发明提供的车载控制单元的结构示意图；

图8为本发明提供的磁悬浮列车网络控制方法的步骤示意图；

图9为本发明提供的磁悬浮列车网络控制系统控制逻辑框图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。

实施例一：

图1为本发明提供的磁悬浮列车网络控制系统的结构示意图。如图1所示，为了对现有磁悬浮列车网络控制系统进行技术创新，解决实际应用中的问题，进一步提高网络控制系统的可靠性与稳定性，本实施例揭示了一种磁悬浮列车网络控制系统(以下简称“系统”)的具体实施方式。

具体而言，本实施例所揭示的系统主要包括：

列车操作诊断单元、车辆诊断单元、通过以太网连接于所述列车操作诊断单元与所述车辆诊断单元的以太网交换单元、通过CANFD总线连接于车辆诊断单元的车载控制单元、无线电发射单元和手持式显示单元，所述车辆诊断单元通过CANFD总线获取车下各功能子系统与所述车载控制单元的诊断信息，并将所述诊断信息通过以太网交换单元传输至列车操作诊断单元进行处理。

在具体实施中，以三编组为例，假设磁悬浮列车包含E1车，M车和E2车，磁悬浮列车网络控制系统包括列车操作诊断单元、以太网交换单元、车辆诊断单元、车载控制单元、无线电发射单元和手持式显示单元，其中，所述列车操作诊断单元、所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元均采用冗余设置。其连接关系如图1所示。

在上述实施例中，所述列车操作诊断单元用于存储列车级的车辆运行数据信息，所述以太网交换单元设于磁悬浮列车中的每节车辆中，不同车辆中的以太网交换单元通过以太网串接在一起，不同车辆中的列车操作诊断单元通过串接在一起的以太网交换单元进行数据交互。

所述列车操作诊断单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑运算与存储的CPU模块以及负责对外的以太网通信的以太网模块，所述CPU模块和所述以太网模块之间通过CPCI总线进行通信。

具体来说，列车操作诊断单元用于存储列车级的车辆运行数据信息，并进行必要的故障数据存储，可以将列车运行状态数据通过以太网发送至PIS交换机和无线发射单元，以便PIS系统和手持式显示单元进行屏幕显示，另外，列车操作诊断单元之间通过以太网交换单元进行交互数据。

为了保证设备的可用性，列车操作诊断单元是双份冗余结构的，能够保证其中一台故障时另一台设备仍然能够正常工作。如图2所示，列车操作诊断单元的结构主要包含电源模块、CPU模块和以太网模块，电源模块提供供电电源，CPU模块负责逻辑运算、存储等，以太网模块负责对外的以太网通信，CPU模块和以太网模块之间通过CPCI总线进行通信。

在上述实施例中，所述以太网交换单元与无线电系统、车载安全计算机、门控系统、空调系统和PIS主机通过以太网连接，所述以太网交换单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑控制的以太网交换控制模块以及负责对外的以太网通信的以太网交换接口模块。

具体来说，以太网交换单元是该网络控制系统的数据交换通道，E1车、M车和E2车的以太网交换单元串接在一起，能够实现数据的互通。以太网交换单元在E1车和E2车除与列车操作诊断单元、车辆诊断单元通过以太网连接外，还和无线电系统、车载安全计算机、门控系统、空调系统和PIS主机通过以太网连接，构成各自系统的通讯网络，以太网交换单元在M车与车辆诊断单元连接。为了保证设备的可用性，以太网交换单元是双份冗余结构的，能够保证其中一台故障时另一台设备仍然能够正常工作。如图3所示，以太网交换单元的结构主要包含电源模块、以太网交换控制模块和以太网交换接口模块，电源模块提供供电电源，以太网控制模块负责以太网交换单元的逻辑控制，以太网接口模块负责提供对外的以太网通信接口。

在上述实施例中，所述车辆诊断单元包括：负责提供供电电源的电源模块、负责进行逻辑运算与存储的CPU模块、负责对外的以太网通信的以太网模块、负责对外的CANFD通信的CANFD模块以及负责采集数字量输入信号和输出数字量信号的I/O模块，所述CPU模块、所述以太网模块与所述CANFD模块之间通过CPCI总线进行通信，所述CPU模块和所述I/O模块之间通过LVDS总线进行通信。

具体来说，车辆诊断单元负责与车下各功能子系统和车载控制单元进行CANFD通信，收集各功能子系统和车载控制单元的诊断信息后，通过以太网传输至列车操作诊断单元进行处理。由于车辆诊断单元与车下各功能子系统通过CANFD进行通讯，CANFD通讯的有效数据载荷能够达到CAN通讯的8倍，且传输速率更快，在保证传输数据量不变的情况下，能够大大减小通讯帧数，提高通信效率，缩短通讯时间。进而CANFD网段上可以有更多的设备节点，减少车体通讯线缆的布线。

如图4所示，车辆诊断单元的结构主要包含电源模块、CPU模块、以太网模块、CANFD模块和I/O模块，电源模块提供供电电源，CPU模块负责逻辑运算、存储等，以太网模块负责对外的以太网通信，CANFD模块负责对外的CANFD通信，I/O模块负责采集数字量输入信号和输出数字量信号，CPU模块和以太网模块、CANFD模块之间通过CPCI总线进行通信，CPU模块和I/O模块之间通过LVDS总线通信。

在上述实施例中，所述无线发射单元用于对所述列车操作诊断单元发送的有线数据进行无线转换生成无线数据，所述手持式显示单元利用所述无线数据进行数据显示与列车控制操作。

具体来说，无线发射单元负责对其与列车操作诊断单元之间的有线数据进行无线转换，便于手持式显示单元通过无线热点进行连接后进行数据显示与控制操作。如图5所示，无线发射单元的结构主要包括电源模块、CPU模块和无线模块，电源模块提供供电电源，CPU模块负责以太网数据的收发和逻辑控制，无线模块负责无线数据的收发控制。

手持式显示单元主要负责数据的显示与控制操作，能够很方便的进行远程数据显示与列车操作控制。如图6所示，手持式显示单元的结构包含电源模块、CPU模块、显示模块和无线模块，电源模块提供供电电源，CPU模块负责数据的处理与显示控制，显示模块负责数据的屏幕显示与人机交互，无线模块负责无线数据的收发控制，并与CPU模块进行数据交互。其中手持式显示单元通过无线方式连接，提高了网络系统调试的便捷性。

在上述实施例中，所述车载控制单元用于将车载安全计算机发送的安全控制指令进行放大驱动后输出至车下各功能子系统，以及将所述车下各功能子系统输出的状态信号进行逻辑运算后输出至所述车载安全计算机。

所述车载控制单元主要包括：电源模块、安全输入采集模块、软件逻辑控制模块、安全输出模块、隔离采集模块、硬件逻辑控制模块、隔离输出模块、风扇控制模块和通信模块，如图7所示。

具体的，安全输入采集模块与安全输出控制模块通信连接于软件逻辑控制模块，其中，所述安全输入采集模块采集非实时性的数字量输入信号，并传输至所述软件逻辑控制模块进行逻辑运算，运算结果由所述安全输出控制模块输出；

隔离采集模块与隔离输出模块通信连接于硬件逻辑控制模块，其中，所述隔离采集模块采集实时性的数字量输入信号，并传输至所述硬件逻辑控制模块进行逻辑运算，运算结果由所述隔离输出模块输出。

具体来说，车载控制单元是具备高安全完整性等级的控制单元，它将车载安全计算机硬线发过来的安全控制指令进行放大驱动后输出给车下各功能子系统，各功能子系统输出的状态信号需要经过车载控制单元进行逻辑运算后输出至车载安全计算机。

车载控制单元的结构划分为两部分，对输入输出实时性要求不高的数字量输入输出信号利用安全输入采集模块和安全输出模块控制，逻辑运算采用软逻辑实现；对输入输出实时性要求较高的数字量输入输出信号采用硬件实现输入输出控制，逻辑运算采用硬件实现。

车载控制单元中的电源模块提供供电电源，安全输入模块对输入的数字量进行安全采集后并将采集结果传输至软件逻辑控制模块，软件逻辑控制模块对采集到的数字量进行逻辑运算后，将输出指令转换为控制指令发送至安全输出模块，安全输出模块根据收到的控制指令输出数字量，同时软件逻辑控制模块也会把输入和输出的状态发送至通信模块；隔离采集模块对输入的数字量进行隔离采集后将采集结果发送至硬件逻辑控制模块，硬件逻辑控制模块根据控制逻辑将采集到的输入信号进行硬逻辑电路实现后，将逻辑运算结果输出至隔离输出模块，隔离输出模块根据得到的输出指令转换为数字量信号隔离输出，同时隔离输入模块和隔离输出模块将各自的采集状态信号发送至通信模块；

车载控制单元采用软硬逻辑控制结合的方式，在保证输入输出信号实时性的基础上，通过软逻辑实现信号的逻辑运算使得系统更加灵活、可配置性更强。

车载控制单元还具备一组风扇进行散热，风扇控制模块会提供给风扇电源，同时会检测风扇是否正常运转，并将状态发送至通信模块进行判断；通信模块能够获取软件逻辑控制模块、隔离输入模块、隔离输出模块与风扇控制模块的状态信息，并将这些信息通过CANFD通信与车辆诊断单元进行数据交互。为了保证设备的可用性，车载控制单元是双份冗余结构的，能够保证其中一台故障时另一台设备仍能够正常工作。

本发明提出的磁悬浮列车网络控制系统中的列车操作诊断单元、以太网交换单元、车辆诊断单元和车载控制单元等主要核心单元均采用双份冗余配置，能够保证其中一份故障时无缝切换至冗余备份，提高了系统的可用性与可靠性。车辆诊断单元与车下各功能子系统采用CANFD总线通信，有效数据载荷能够达到传统CAN通讯的8倍，且传输速率更快，在保证传输数据量不变的情况下，能够大大减小通讯帧数，提高通信效率，缩短通讯时间，能够有效的减少车辆布线数量；车载控制单元采用软硬逻辑控制结合的方式，在保证输入输出信号实时性的基础上，通过软逻辑实现信号的逻辑运算使得系统更加灵活、可配置性更强；手持式显示单元采用无线方式连接，能够更加便利的查看网络数据，提高了系统调试的便捷性。

实施例二：

结合实施例一所揭示的一种磁悬浮列车网络控制系统，本实施例揭示了一种磁悬浮列车网络控制方法(以下简称“方法”)的具体实施示例。

参照图8所示，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：通过列车操作诊断单元读取磁悬浮列车网络控制系统的配置，进而确认所述列车操作诊断单元的状态信息；

步骤S2：所述列车操作诊断单元的状态信息确认通过后，通过所述列车操作诊断单元获取车辆诊断单元、以太网交换单元与车载控制单元的状态信息，根据所述状态信息判断所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元是否正常运行；

步骤S3：若正常运行，则磁悬浮列车网络控制系统正常工作；若不正常运行，则判断所述车辆诊断单元、所述以太网交换单元与所述车载控制单元的冗余单元是否正常运行；

步骤S4：若是，则所述磁悬浮列车网络控制系统正常工作；若否，则所述磁悬浮列车网络控制系统宕机，并记录故障数据。

以下，请参照图9；结合图9具体说明本方法的应用流程如下：

各控制器上电后，作为网络主控单元的列车操作诊断单元首先读取系统的配置数据确认自身的状态，确认完毕后列车操作诊断单元会通过以太网获取其余各单元的状态数据，如果其余各单元运行正常，则网络系统开始正常工作，获取实时数据、解析数据并进行数据收发；如果其余各单元有运行不正常的情况，则读取其余各单元的冗余单元，并再次判断是否运行正常，如果运行正常则系统处于正常运行状态，否则此故障会导致系统无法正常工作，网络系统宕机并记录故障数据。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。